矿用本安型摄像仪雨刷电机过压过流保护电路

技术领域

本发明涉及矿用本安领域，尤其涉及矿用本安型摄像仪雨刷电机过压过流保护电路。

背景技术

GB3836.4-2010标准规定，本安安全电路为：在正常工作和发生规定故障的情况下，产生的任何电火花和任何热效能均不能点燃环境中爆炸性气体的电路为本质安全型电路，设备中所有电路为本质安全型电路的设备为本质安全型设备；过压，过流保护是本安电路的必须要求，本安电流限制是为了控制电路中给电机供电的电流大小，保证电机中的电流不超过规定的范围，超范围就保护，达到保护的目的。

因为本安安全电路的高安全性，小巧易于搬运等优点，在防爆行业大量应用，但是在本安安全型雨刷方面，目前还没有成熟的产品出来，原因有以下几点：

1)雨刷电路必须要电机驱动，但是电机本身就是纯电感线圈组成的，电感元件在本质安全电路中是严格限制其参数的，超过一定的电感量，就会失爆，不能达到本安型电路的安全要求。

2)雨刷驱动本身需要一定的力，雨刷电机力量的大小与电机电感线圈存在一定的正比例关系，电机尺寸越大，力矩越大，但是电感量也就越大，这样就与本质安全电路存在矛盾。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明矿用本安型摄像仪雨刷电机过压过流保护电路，解决了满足本质安全电路的参数要求，即将本安电机所需的输入电压和电流控制在安全范围内，使本安型雨刷驱动电机正常工作，并带动雨刷正常工作。

本发明采用的技术方案如下：

矿用本安型摄像仪雨刷电机过压过流保护电路，包括：电压基准电路和过压过流保护电路，电压基准电路的输入电压端VIN与过压过流保护电路的输入电压端VIN连接；电压基准电路的参考电压端VREF1与过压过流保护电路参考电压端VREF1连接；电压基准电路的比较电压端SIN1与过压过流保护电路比较电压端SIN1连接；电压基准电路的VCC10_1与过压过流保护电路的VCC10_1连接；

电压基准电路为过压过流保护电路提供稳定的参考电压VREF1值、VCC10_1和比较电压值SIN1，通过比较参考电压VREF1与比较电压SIN1的大小，实现过压保护；通过比较参考电压VREF1与比较电压ISET的大小，实现过流保护。

进一步的，电压基准电路包括：电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R17、可变电阻R19、电容C2、稳压芯片U4和稳压芯片U2。

输入电压端VIN分别连接电阻R5左端和电阻R8的上端；电阻R8下端连接可变电阻R19，并输出比较电压端SIN1；可变电阻R19的下端接地；

电阻R5的右端分别连接稳压芯片U4的第三引脚、电阻R6的上端和电阻R4的左端，并输出直流电压VCC10_1；

稳压芯片U4的第二引脚与稳压芯片U4的第一引脚并联电阻R17；电阻R17的上端与电阻R6的下端、稳压芯片U4第一引脚连接；

电阻R4的右端与稳压芯片U2的第三引脚连接；稳压芯片U2的第一引脚输出参考电压VREF1并与稳压芯片U2的第二引脚并联电容C2；

稳压芯片U2第二引脚和稳压芯片U4的第二引脚均接地；

通过可变电阻R19和电阻R8及输入电压端VIN输出比较电压SIN1，稳压芯片U2、稳压芯片U4为高精度基准电压芯片，输出稳定的参考电压VREF1。

进一步的，过压过流保护电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R7、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R18、可变电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C1、电容C3、三极管Q1、三极管Q2、PMOS管Q3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电流检测芯片U3和四路差动比较器U1；

电流检测芯片U3的第一、第二引脚连接输入电压端VIN并与电流检测芯片U3的第八引脚并联电阻R9及电阻R10；电流检测芯片U3的第四引脚接地；电流检测芯片U3的第五引脚与电阻R16左端连接；电流检测芯片U3的第八引脚输出电压为VS1_2；

可变电阻R20并联电阻R21的共同上端分别连接电阻R16的右端和四路差动比较器U1的第四引脚；

四路差动比较器U1的第五引脚和第十二引脚分别连接参考电压VREF1和接地端；四路差动比较器U1的第三引脚与直流电压VCC10_1、电容C1下端、电阻R11上端以及三极管Q1的发射极连接；

四路差动比较器U1的第二引脚分别与电阻R11下端、电阻R18的下端和二极管D3的负极连接，电阻R18上端与三极管Q1基极连接；

电阻R14和电容C3并联的共同上端分别与三极管Q1集电极、二极管D1的正极和四路差动比较器U1的第十引脚连接；

二极管D1串联电阻R12后两端分别与四路差动比较器U1的第十引脚和第十三引脚连接；四路差动比较器U1第11引脚连接电阻R1下端和电阻R2左端；电阻R1的上端连接参考电压VREF1；电阻R2的右端分别与电阻R3左端、四路差动比较器U1第十三引脚、电阻R12右端和二极管D2的负极连接；

电阻R3的右端分别与直流电压VCC10_1和电阻R7的上端连接；电阻R7的下端分别与二极管D2的正极、二极管D3的正极、四路差动比较器U1的第14引脚和电阻R13的左端连接；

四路差动比较器U1的第九引脚和第八引脚分别连接参考电压VREF1和比较电压端SIN1；

三极管Q2的基极和发射极分别连接电阻R13右端和接地端；三极管Q2的集电极分别连接电阻R15的右端和电阻R22的左端，并输出电压VOUT1；电阻R15的左端连接输出电压VS1_2；

PMOS管Q3的第四引脚与电阻R22的右端连接；PMOS管Q3的1-3引脚并联并与输出电压VS1_2连接；PMOS管Q3的5-8引脚并联并输出电压VS2_1；

通过比较四路差动比较器U1的第八脚的比较电压SIN1和第九引脚的参考电压VREF1的大小，结合二极管D3的单向导电性、三极管Q2的基级和集电极电压特性，结合PMOS管Q3特性，实现电路过压保护；

通过电流检测芯片U3将输入电流转换为比较电压ISET，比较电压ISET通过四路差动比较器U1的第四引脚与第五引脚的参考电压VREF1进行比较，驱动三极管Q2，由三极管Q2的基级和集电极电压特性，结合PMOS管Q3特性，实现电流保护功能。

优选的，电压基准电路和过压过流保护电路由两级电路组成，第一级过压过流保护电路的VS2_1输出端与第二级过压过流保护电路的VS2_1输入端连接；第二级电压基准电路的参考电压端VREF2与第二级过压过流保护电路参考电压端VREF2连接；第二级电压基准电路的比较电压端SIN2与第二级过压过流保护电路的比较电压端SIN2连接；第二级电压基准电路的VCC10_2与第二级过压过流保护电路的VCC10_2连接；

第二级电压基准电路与第一级电压基准电路的电阻、电容、稳压芯片对应关系如下：

R27＝R5、R30＝R8、R39＝R17、R41＝R19、R26＝R4、R28＝R6；C2＝C5；

稳压芯片U6、U8、U2、U4型号相同；

第二级过压过流保护电路与第一级过压过流保护电路的电阻、电容、三极管、PMOS管、二极管、电流检测芯片和四路差动比较器芯片对应关系如下：

R23＝R1、R24＝R2、R25＝R3、R29＝R7、R31＝R9、R32＝R10、R33＝R11、R34＝R12、R35＝R13、R36＝R14、R37＝R15、R38＝R16、R40＝R18、R42＝R20、R43＝R21、R44＝R22；

C6＝C3、C4＝C1；

Q4＝Q1、Q5＝Q2；

Q6＝Q3；

D4＝D1、D5＝D2、D6＝D3；

电流检测芯片U3与U7型号相同；

四路差动比较器U1与U5型号相同。

优选的，稳压芯片U4和稳压芯片U2的型号为TLK431BK。

优选的，电流检测芯片U3型号为MAX4080S，四路差动比较器U1型号为LM339。

本发明的有益效果是：

1、矿用本质安全型产品设计，产品电路按照本质安全型产品技术要求来设计，充分考虑本安型产品的特点，煤矿本安型产品上，雨刷的开创性的使用，第一次把本质安全型电机引入到煤矿本安型产品上。

2、定制化的雨刷电机参数，在满足雨刷力矩要求前提下，尽量减少电机的电感量，到达满足本质安全型产品的电感参数要求。

3、电机驱动电源的本安安全化要求，同时为了满足本质安全型要求，在电机驱动部分，对电源的电压和电路进行双重限制和保护，达到满足本质安全型要求。

4、根据本安电路要求，采用双级电路，保证电路安全稳定；输入电压范围可调，可以满足多种本安型电机的电压要求。

附图说明

图1为本发明实施例1第一级电压基准电路图；

图2为本发明实施例1第一级过压过流保护电路图；

图3是图2中A的局部放大示意图；

图4是图2中B的局部放大示意图；

图5是图2中C的局部放大示意图；

图6为本发明实施例2第二级电压基准电路图；

图7为本发明实施例2第二级过压过流保护电路图；

图8是图7中D的局部放大示意图；

图9是图7中E的局部放大示意图；

图10是图7中F的局部放大示意图；

VIN为第一级电压基准电路输入电压端、VREF1为第一级电压基准电路参考电压端、SIN1为第一级电压基准电路比较电压端、VCC10_1为第一级电压基准电路直流电压端；VIN2为第二级电压基准电路输入电压端、VREF2为第二级电压基准电路参考电压端、SIN2为第二级电压基准电路比较电压端、VCC10_2为第二级电压基准电路直流电压端。

具体实施方式

现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。

矿用本安型摄像仪雨刷电机过压过流保护电路，包括：电压基准电路和过压过流保护电路，电压基准电路的输入电压端VIN、参考电压端VREF、比较电压端SIN1分别与过压过流保护电路的对应电压端连接；

实施例1：图1是本发明实施例的第一级电压基准电路，包括：电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R17、可变电阻R19、电容C2、稳压芯片U4、稳压芯片U2和直流电压VCC10；本实施例中电阻、电容、输入电压端VIN；

其中，R4＝3KΩ，R5＝390Ω，R6＝15KΩ，R8＝15.4KΩ,R17＝4.99KΩ，R19＝0-5KΩ，C2＝10μF，稳压芯片U2和U4的型号为TL431IPK；

电压基准电路实现原理如下：

TL431IPK芯片为高精度基准电压芯片，提供的输出基准电压范围：VREF2.495V-36V；其中：

1、VCC10_1＝VREF1×(1+R6/R17)＝2.495×4＝9.98V，VCC10_1为过压过流保护电路提供电压源；

2、VREF1＝VREF＝2.495V，VREF1为后续四路差动比较器U1提供基准电压；

3、VIN输入电压，通过R8和R19进行分压，得到比较电压SIN1。

图2是本发明第一级过压过流保护电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R7、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R18、可变电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C1、电容C3、三极管Q1、三极管Q2、PMOS管Q3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电流检测芯片U3和四路差动比较器U1；

其中，R1＝100KΩ，R2＝100KΩ，R3＝5.1KΩ，R7＝5.1KΩ，R9＝0.1Ω，R10＝0.1Ω，R11＝5.1KΩ，R12＝390KΩ，R13＝5.1KΩ，R14＝1mΩ，R15＝5.1KΩ，R16＝2KΩ，R18＝5.1KΩ，R20＝0-100KΩ，R21＝10KΩ，R22＝510Ω，C1＝0.1μF，C3＝4.7μF，二极管D1型号为IN4148，二极管D2、D3型号为IN5819，三极管Q1型号为Q9012，三极管Q2型号为Q9014，PMOS管Q3型号为BSO080P03SH，电流检测芯片U3型号为MAX4080S，四路差动比较器U1型号为LM339。

以图2电路图说明过压保护原理如下：

SIN1接入到四路差动比较器U1的8脚，U1的9脚为VREF1＝2.495V，当输入电压VIN升高，则比较电压SIN1也跟着升高，当SIN1＞VREF1时，U1的14脚则输出低电平，电阻R13的左边电压为低电平，则Q2的基级电压为低电压，Q2截止，VOUT1为高电平，PMOS管Q3就关闭，输出电源VS2_1就被关闭，实现过压保护；

当输入电压VIN降低，则SIN1也降低，当SIN1<＝VREF1时，则U1的14脚输出高电平，Q2就饱和导通，则VOUT1为低电平，Q2开启，输出正常；

其中，VS1_2＝VIN-I×R9×R10/(R9+R10)，R9×R10/(R9+R10)＝0.05欧姆，I为VIN端电流，VS1_2和VIN基本相等，压降可以忽略。

以图2电路图说明过流保护原理如下：

当输入I的电流过大时，电流检测芯片U3的5脚输出的电压＝I×R9×R10/(R9+R10)×60，其中60为电流检测芯片U3电流放大系数；假设输入的电流为1安培，5脚输出电压＝1×0.05×60＝3V；5脚输出电压即为R16左侧电压，通过R16和(R21并联R20)分压，ISER输入到U1的4脚，U1的4脚电压与U1的5脚基准电压VREF1比较；当输入的电流过大时，ISET分压就会变大，当ISET＞VREF1时，U1的2脚就会输出低电平，通过D3把R13左边电压拉低，Q2截止，VOUT1为高电平，PMOS管Q3关闭，实现过流保护；

当输入电流I降低达到本安要求以下时，即SIN1<＝VREF1，则U1的2脚输出高电平，这样Q2就饱和导通，则VOUT1为低电平，Q2就开启，输出正常。

实施例2：

图6是本发明实施例的第二级电压基准电路，图7是本发明第二级过压过流保护电路，第一级电压基准电路与第二级电压基准电路结构相同，对应PMOS管、二极管、电流检测芯片和四路差动比较器型号相同，对应电阻和电容数值相同；第二级电压基准电路为第二级过压过流保护电路提供输入电压、参考电压、比较电压均相同；第一级电压基准电路输出端VS2_1与第二级电压基准电路输入端VS2_1串联；通过两级稳压电路和过压过流保护电路加强电路保护，即当一级电路出现故障时，二级电路也可以正常工作，达到本安型电路设计的安全要求。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。