一種石油井下探測儀器過壓保護控制開關

1. 背景技術

   石油井下開采儀器是否可靠影響著油田開發能否順利進行，也很大程度上決定了油田開發的速度，石油井下開采儀器的可靠性就非常重要。電壓過高可加速電氣設備老化，降低壽命，使并聯電容器等無功補償設備不能投運，降低經濟效益，甚至可使儀器燒壞。井下的環境復雜且惡劣，電壓過高也可能會短路進而導致大電流現象，測井過程中儀器需要下到地層下兩三千米的位置，井下儀器出現問題時，很難通過人機交互解決問題，如果在井下故障會對石油開發造成不小的干擾。針對這種情況，設計出一種過壓保護控制開關，其作用是當開關電源內部穩壓環路出現故障或者由于用戶操作不當引起輸入電壓超過設計閾值時，為保護后級用電設備不損壞，將輸入電壓限定在安全值范圍內。

   
   

2. 問題及解決方案

   2.1 解決的問題

   （1）解決石油井下探測儀器因為電壓過高而導致的儀器損壞問題；

   （2）模擬電路對紋波的要求比較嚴格，削弱紋波對模擬電路的干擾；

   （3）解決三極管的E腳可能會存在電壓不穩的問題。

   2.2 解決方案

   （1）三極管開關：

   開關動作通過一個NPN三極管完成，即圖3上的開關三極管Q2。當加在開關三極管發射極的電壓小于PN結的導通電壓，基極電流為零，集電極電流和發射極電流都為零，集電極和發射極之間相當于開關的斷開狀態，即為三極管的截止狀態。當加在三極管發射結的電壓大于PN結的導通電壓，并且當基極的電流增大到一定程度時，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不再怎么變化，此時三極管失去電流放大作用，集電極和發射極之間的電壓很小，集電極和發射極之間相當于開關的導通狀態，即為三極管的導通狀態，此時電源電壓就可以通過導通的開關三極管加在變壓器上，經過變壓器后給負載供電。三極管的伏安特性曲線如圖1所示。

   

   圖1  三極管伏安特性曲線

   （2）過壓保護：

   過壓保護功能是由兩個串聯的穩壓二極管實現的，當二極管負極的電源電壓高于二極管的耐壓值時，二極管被擊穿，在這種情況下只要流經的電流小于允許電流，穩壓二極管就不會損壞，處于反向導通狀態，此時二極管陰極到地的電壓為穩壓二極管耐壓值，電流通過反向導通的穩壓二極管的負極流向正極。電源電壓低于穩壓二極管的耐壓值時，穩壓二極管反向導通的狀態不存在，如果正極電壓低于負極，穩壓二極管關斷。穩壓二極管的伏安特性曲線如圖2所示。

   

   圖2  二極管伏安特性曲線

   （3）開關電路設計：

   過壓保護開關電路設計如圖3所示。電源電壓通過整流二極管D1與后級電路相接，保證電流是單向流入的。為了防止電源對電路信號產生影響，在電源和地之間添加一濾波電容C1隔離交流信號。電源電壓過高時可能損壞穩壓二極管，導致過壓保護功能失效，所以本設計選用兩個穩壓二極管D2和D3串聯分壓以保護穩壓二極管。穩壓二極管D2的負極接在開關三極管Q2的發射級，正極和穩壓二極管D3的負極相連，穩壓二極管D3的正極接限流電阻R1，限流電阻R1的另一端接在三極管Q1的基級，三極管Q1的發射極接地，三極管Q1的集電極接開關三極管Q2的基極。因為三極管基極的電流為小電流，所以Q2的基極不用接限流電阻。而開關三極管Q2的集電極和發射級電流都存在較大的電流，為了不燒壞三極管Q1，需要在開關三極管Q2的集電極接限流電阻R2。從電源而來的電流流經開關三極管Q2的集電極到發射極，在實際的電路當中，三極管Q2的發射級電壓不穩，在低電壓關斷的時候造成了較大的電壓干擾，導致電源電壓在臨界關斷低電壓時產生大電流，電流過大會導致元器件損壞，所以在開關二極管Q2的發射級也添加一個濾波電容C3。

   

   圖4  過壓保護控制開關原理圖