Устройство для защиты от перенапряжений

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в быту и на производстве при защите от перегрузок по напряжению и току нагрузок, использующих импульсные источники питания или иную активную нагрузку. Технический результат заключается в повышении быстродействия отключения нагрузки при перенапряжении и расширении функциональных возможностей. Для этого устройство содержит диодный мост с включенным согласно в его диагональ полупроводниковым ключом, который выполнен с использованием полевого транзистора, блок компараторов управления и фазовой отсечки, который фиксирует величину сетевого напряжения питания и подключен к первому входу нагрузки, при этом входные клеммы диодного моста подключены соответственно ко второму входу нагрузки и выходу сетевого напряжения питания. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в быту и на производстве при защите от перегрузок по напряжению и току нагрузок, использующих импульсные источники питания (телевизоры, компьютеры, кассовые аппараты, ряд видеомагнитофонов, мониторы) или иную активную нагрузку.

Известно устройство для защиты от перенапряжений, содержащее индуктивно-емкостной фильтр, варистор и биметаллический предохранитель. (Реальная защита: сетевой фильтр Surge Arrest tm/ Проспект фирмы АРС, 1997 г.).

Недостатком данного устройства является низкое быстродействие биметаллического предохранителя при воздействии на нагрузку с импульсным источником питания токового импульса включения и неэффективная защита от суточных периодических перенапряжений сети питания вследствие использования варисторов и пассивных LC-фильтров.

Известно устройство защиты радиоаппаратуры от превышения сетевого напряжения, содержащее симистор, схему измерения и управления с импульсным трансформатором, отключающую нагрузку в цепи симистора при превышении предельно допустимого значения напряжения питания для нагрузки, с последующим включением при его понижении. (Устройство защиты радиоаппаратуры от превышения сетевого напряжения. - Радио, №6, 1997 г., с. 44.)

Недостатком данного устройства является отключение нагрузки при превышении предельно допустимого значения напряжения питания для нагрузки на входе устройства защиты, что прерывает работу, например, телевизора, компьютера, кассового аппарата, видеомагнитофона и т.п., то есть нагрузки, отключение которой при естественных суточных колебаниях сетевого питания (до 25% выше номинального), связанных с нестабильностью фазовых нагрузок, нежелательно, отсутствие защиты от воздействия на нагрузку с импульсным источником питания - токового импульса при включении и низкое быстродействие при отключении нагрузки при превышении номинального напряжения питания (например, появления в розетке сети питания 380 В вследствие обрыва общего нулевого провода и появления в розетке вместо нулевого потенциала 220 В другой фазы через холодильник, чайник и т.п. соседа, обусловленное использованием в качестве отключающего элемента симистора, который закрывается только после прекращения тока через него, т.е. в момент изменения фазы тока.

Известно устройство для защиты от перенапряжений нагрузки, питающейся от однофазного источника переменного тока, содержащее управляющие тиристоры со схемой управления, коммутирущие реле и ограничительные резисторы (а.с. СССР №1312674 A1, МКИ4 Н 02 Н 3/20), которое обеспечивает включение ограничительных резисторов при превышении допустимого напряжения питания нагрузки.

Недостатком данного устройства является повышенная мощность рассеивания на ограничительных резисторах при их подключении, сложность устройства, наличие токового импульса в нагрузке при ее включении, если в качестве нагрузки используется потребитель с импульсным источником питания, а также низкое быстродействие при отключении нагрузки, обусловленное использованием в качестве отключающего элемента симистора.

Известно устройство для защиты цепи переменного тока от понижения и повышения напряжения, содержащее полупроводниковый ключ, выполненный в виде симистора, который включен последовательно с нагрузкой, в цепь управляющего электрода которого включен резистор, второй симистор и два конденсатора, соединенные с другой шиной питания (а.с. СССР №1350734, A1 Н 02 Н 3/24, Н 02 Н 3/20).

Недостатком известного устройства является отключение нагрузки при превышении напряжением питания предельно допустимого значения на входе нагрузки при суточных периодических колебаниях сетевого напряжения на входе защиты, наличие токового импульса при включении нагрузки с импульсным источником питания и низкое быстродействие при отключении нагрузки, обусловленное использованием в качестве отключающего элемента симистора.

Известно устройство для защиты от перенапряжений, содержащее полупроводниковый ключ, выполненный в виде симистора, который включен последовательно с нагрузкой, регулирующий транзистор, включенный согласно в диагональ диодного моста, подключенного в цепь управляющего электрода, причем база регулирующего транзистора подключена к средней точке RC-цепи, резистивный вход которой подключен к коллектору транзистора (а.с. СССР №2168254, Н 02 Н 3/20 от 28.10.98 г.).

Недостатком известного устройства наряду с его достоинством по сравнению с аналогами, заключающемся в устранении токового импульса включения, является отсутствие элементов, позволяющих отключить нагрузку при превышении номинального напряжения питания на ее входе, а также излишнее гашение напряжения при соответствии входного сетевого напряжения устройства для защиты от перенапряжений номинальному напряжению для питания нагрузки.

Цель изобретения - повышение быстродействия отключения нагрузки при перенапряжении и расширение функциональных возможностей.

Указанная цель в предлагаемом устройстве достигается тем, что в устройство, содержащее диодный мост с включенным согласно в его диагональ полупроводниковым ключом, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введен блок компараторов управления и фазовой отсечки, причем вход полупроводникового ключа, выполненного с использованием полевого транзистора, подключен к выходу блока компараторов управления и фазовой отсечки, первый вход которого подключен к первому выходу сетевого питания и первому входу нагрузки, при этом входные клеммы диодного моста подключены соответственно ко второму входу нагрузки и второму выходу сетевого питания.

Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже. Устройство для защиты от перенапряжений содержит диодный мост 1, в диагональ которого согласно включен полупроводниковый ключ 2, причем вход полупроводникового ключа 2 подключен к выходу блока компараторов управления и фазовой отсечки 3, первый вход которого подключен к первому выходу сетевого питания и первому входу нагрузки 4, при этом входные клеммы диодного моста 1 подключены соответственно к второму входу нагрузки 4 и второму выходу сетевого питания.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства для защиты от перенапряжений в сеть однофазного переменного тока блок компараторов управления и фазовой отсечки 3 фиксирует величину сетевого напряжения питания и в зависимости от его величины подает сигналы управления на вход полупроводникового ключа 2. Так, при номинальном сетевом напряжении на входе блока компараторов управления и фазовой отсечки 3 на вход полупроводникового ключа 2 с выхода блока компараторов управления и фазовой отсечки 3 приходит плавно смещаемый по фазе сигнал разрешения на открывание в ключевом режиме полупроводникового ключа 2, при этом его открывание при плавном увеличении угла фазовой отсечки обеспечивает плавный заряд входных емкостей импульсного источника питания нагрузки 4, что, в свою очередь, исключит появление токового импульса при включении нагрузки 4. Далее, при наличии номинального сетевого напряжения питания на входе защиты блоком компараторов управления и фазовой отсечки 3, формируется команда на полное открывание полупроводникового ключа, что обеспечивает прохождение через полупроводниковый ключ 2 не ограниченного фазовой отсечкой разнополярного импульсного сетевого напряжения, а полного синусоидального сетевого напряжения, что отличает данное устройство от прототипа и важно при пониженном напряжении сетевого питания. Превышение напряжением сетевого питания номинального значения на входе защиты фиксируется блоком компараторов управления и фазовой отсечки 3, с выхода которого на вход полупроводникового ключа 2 подается команда фазового регулирования питания нагрузки 4, что позволяет частично перекрыть доступ энергии к нагрузке 4 и обеспечивает номинальное эффективное значение напряжения питания нагрузки 4, при этом напряжение на входе устройства защиты от перенапряжений может существенно превышать номинальное напряжение питания нагрузки 4. Таким образом, можно формировать верхний порог отключения нагрузки 4 в блоке компараторов управления и фазовой отсечки 3, существенно превышающий номинальное напряжение питания нагрузки, что позволяет смотреть телевизор, например, или работать на компьютере, используя предлагаемое устройство для защиты от перенапряжений, при достижении напряжением сетевого питания на входе устройства для защиты от перенапряжений величины, существенно превышающей номинальное напряжение питания нагрузки, при этом напряжение питания нагрузки не превысит номинального, а значительное превышение или значительное понижение сетевым напряжением номинального значения питания нагрузки фиксируется блоком компараторов управления и фазовой отсечки 3, с выхода которого на вход полупроводникового ключа 2 подается команда на его закрывание, что позволяет перекрыть доступ энергии к нагрузке 4, оперативное отключение которой за время, равное времени отсечки полупроводникового ключа 2, выполненного в виде полевого транзистора, и времени формирования команды управления блоком компараторов управления и фазовой отсечки 3, что существенно уменьшит время отключения нагрузки 4 по сравнению с аналогами и, тем самым, существенно уменьшается вероятность выхода из строя импульсного источника питания нагрузки 4 из-за перенапряжения.

Последующее появление номинального напряжения питания на входе защиты фиксируется блоком компараторов управления и фазовой отсечки 3, с выхода которого на вход полупроводникового ключа 2 подается команда на его плавное открывание смещаемым по фазе синусоиды сетевого питания сигналом и т.д., как описано выше.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет наряду с плавным включением нагрузки пропускать полное синусоидальное номинальное сетевое напряжение для питания нагрузки, снижать до номинального эффективное значение напряжения, поступающего на нагрузку при превышении сетевым напряжением номинального значения, и отключать нагрузку при существенном отличии сетевого напряжения от номинального за время, существенно более короткое (более чем в 100 раз), нежели устройства аналога.

Формула изобретения

Устройство для защиты от перенапряжений, содержащее диодный мост с включенным согласно в его диагональ полупроводниковым ключом, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения функциональных возможностей, в него дополнительного введен блок компараторов управления и фазовой отсечки, причем вход полупроводникового ключа, выполненного с использованием полевого транзистора, подключен к выходу блока компараторов управления и фазовой отсечки, который фиксирует величину сетевого напряжения питания и подключен к первому входу нагрузки, при этом входные клеммы диодного моста подключены соответственно ко второму входу нагрузки и выходу сетевого напряжения питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1