RU2226735C2

RU2226735C2 - Device for protection against overvoltages

Info

Publication number: RU2226735C2
Application number: RU2002117965/09A
Authority: RU
Inventors: В.В. Воронов; Р.В. Воронов
Original assignee: Воронов Владилен Васильевич; Воронов Роман Владиленович
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2004-04-10
Also published as: RU2002117965A

Abstract

FIELD: electrical engineering, applicable in everyday life and at factories at protection against overvoltages and load currents using impulse supply sources or some other active load. SUBSTANCE: the device has a diode bridge with a semiconductor key opposite connected to its diagonal, the key uses a field-effect transistor and a unit of control and phase cut-off comparators that registers the value of the supply- line voltage and is connected to the first load input, the input terminals of the diode bridge are connected to the second load input and the output of the supply-line voltage. EFFECT: enhanced speed of response of load cut-off at an overvoltage and expansion of functional potentialities. 1 dwg

Description

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.The invention relates to electrical engineering and is intended for use in everyday life and in production for protection against overloads in voltage and current loads using switching power supplies (TVs, computers, cash registers, a number of video recorders, monitors) or other active load.

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.).A device for surge protection containing an inductive-capacitive filter, a varistor and a bimetallic fuse. (Real protection: Surge Arrest tm surge protector / Prospectus of the ARS company, 1997).

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.The disadvantage of this device is the low performance of the bimetallic fuse when exposed to a load with a switching power supply of a switching current pulse and inefficient protection against daily periodic overvoltages of the power supply due to the use of varistors and passive LC filters.

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.)A device is known for protecting radio equipment from excess of mains voltage, comprising a triac, a measurement and control circuit with a pulse transformer, which disconnects the load in the circuit of the triac when the maximum permissible value of the supply voltage for the load is exceeded, and then turned on when it is lowered. (Device for protecting radio equipment from excess of mains voltage. - Radio, No. 6, 1997, p. 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.The disadvantage of this device is the disconnection of the load when exceeding the maximum permissible value of the supply voltage for the load at the input of the protection device, which interrupts the operation of, for example, a TV, computer, cash register, VCR, etc., that is, a load whose disconnection during natural daily fluctuations mains supply (up to 25% above nominal) associated with instability of phase loads, it is undesirable, lack of protection against exposure to the load with a switching power supply - current pulse and when turned on, and low speed when the load is disconnected when the nominal supply voltage is exceeded (for example, the appearance of a 380 V power supply in the outlet due to a break in the common neutral wire and the appearance of a different phase in the outlet instead of zero potential 220 V through a refrigerator, kettle, etc. neighbor due to the use of a triac as a disconnecting element, which closes only after the current through it ceases, i.e. at the moment of changing the current phase.

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.A device is known for overvoltage protection of a load powered by a single-phase AC source, containing control thyristors with a control circuit, switching relays and limit resistors (AS USSR No. 1312674 A1, MKI4 N 02 N 3/20), which enables the inclusion of limit resistors when exceeding the permissible supply voltage of the load.

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.The disadvantage of this device is the increased dissipation power at the limiting resistors when they are connected, the complexity of the device, the presence of a current pulse in the load when it is turned on, if a consumer with a switching power supply is used as the load, and also low speed when disconnecting the load due to the use as disconnecting element triac.

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).A device is known for protecting an AC circuit from undervoltage and overvoltage, containing a semiconductor switch made in the form of a triac, which is connected in series with the load, in the control electrode circuit of which is included a resistor, a second triac and two capacitors connected to another power bus (a. S. USSR No. 1350734, A1 H 02 H 3/24, H 02 H 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.A disadvantage of the known device is the disconnection of the load when the supply voltage exceeds the maximum permissible value at the input of the load during daily periodic fluctuations of the mains voltage at the input of the protection, the presence of a current pulse when the load is switched on with a switching power supply and low speed when disconnecting the load due to the use of a triac as a disconnecting element .

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.).A device for surge protection, containing a semiconductor switch made in the form of a triac, which is connected in series with the load, regulating a transistor included in accordance with the diagonal of the diode bridge connected to the control electrode circuit, and the base of the control transistor connected to the midpoint of the RC circuit, whose resistive input is connected to the collector of the transistor (AS USSR No. 2168254, N 02 N 3/20 from 10/28/98).

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.A disadvantage of the known device, along with its advantage compared to analogues, which consists in eliminating the current switching pulse, is the absence of elements to disconnect the load when the rated supply voltage at its input is exceeded, as well as excessive damping of the voltage when the input mains voltage of the device is protected against overvoltage rated voltage to power the load.

Цель изобретения - повышение быстродействия отключения нагрузки при перенапряжении и расширение функциональных возможностей.The purpose of the invention is to increase the speed of load disconnection during overvoltage and the expansion of functionality.

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.This goal in the proposed device is achieved by the fact that in the device containing a diode bridge with a semiconductor switch included in accordance with its diagonal, characterized in that, in order to improve performance and expand the functionality, an additional block of control comparators and phase cutoff is introduced into it, moreover the input of a semiconductor switch made using a field-effect transistor is connected to the output of the block of control and phase cutoff comparators, the first input of which is connected to the first the output of the mains supply and the first input of the load, while the input terminals of the diode bridge are connected respectively to the second input of the load and the second output of the mains supply.

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.A diagram of the proposed device is presented in the drawing. The device for overvoltage protection contains a diode bridge 1, the diagonal of which according to which is included a semiconductor switch 2, the input of the semiconductor switch 2 being connected to the output of the control comparator and phase cutoff unit 3, the first input of which is connected to the first output of the mains supply and the first input of the load 4, while the input terminals of the diode bridge 1 are connected respectively to the second input of the load 4 and the second output of the mains supply.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.When a device for overvoltage protection is turned on in a single-phase alternating current network, the control comparator and phase cut-off unit 3 fixes the supply voltage and, depending on its value, supplies control signals to the input of the semiconductor switch 2. Thus, at the rated mains voltage at the input of the control comparators and phase cutoff 3, the input of the semiconductor switch 2 from the output of the block of control comparators and phase cutoff 3 receives a smoothly phase-shifted permission signal for opening beam mode of the semiconductor switch 2, while opening it with a smooth increase in the phase cutoff angle provides a smooth charge of the input capacitance of the switching power supply of the load 4, which, in turn, eliminates the appearance of a current pulse when the load 4 is turned on. Further, if there is a rated supply voltage at the input of protection by the block of control comparators and phase cutoff 3, a command is formed to fully open the semiconductor key, which ensures that the passage through the semiconductor key 2 is not boundedness bipolar pulse phase angle of the mains voltage, and a full sinusoidal AC voltage, which distinguishes the device from the prototype and important in low voltage mains. The excess of the voltage of the mains supply voltage at the input of protection is fixed by the control and phase cutoff comparator unit 3, from the output of which a phase control command for the load 4 is supplied to the input of the semiconductor switch 2, which partially blocks the access of energy to the load 4 and provides the nominal effective value of the supply voltage load 4, while the voltage at the input of the surge protection device can significantly exceed the rated supply voltage of load 4. Thus, at the same time, it is possible to form the upper threshold of load disconnection 4 in the block of control comparators and phase cut-off 3, significantly exceeding the rated voltage of the load, which allows you to watch TV, for example, or work on a computer using the proposed device for protection against overvoltage, when the mains voltage reaches at the input of the device for overvoltage protection of a value significantly exceeding the rated voltage of the load, while the voltage of the load does not exceed the nominal full, and a significant excess or significant decrease in the mains voltage of the nominal value of the load power is fixed by the control and phase cut-off comparator unit 3, from the output of which a command is issued to close the input of the semiconductor switch 2, which makes it possible to block the access of energy to load 4, the operational shutdown of which a time equal to the cutoff time of the semiconductor switch 2, made in the form of a field-effect transistor, and the time of formation of the control command block control comparators and phases 3 howling cutoff that will greatly reduce the load off time 4 in comparison with analogues and, thereby, substantially reducing the likelihood of failure of the pulse power source load 4 due to overexertion.

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.The subsequent appearance of the rated supply voltage at the protection input is fixed by the control comparator and phase cutoff unit 3, from the output of which a command is issued to the input of the semiconductor switch 2 to smoothly open the signal with a phase-shifted sine wave, etc., as described above.

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.Thus, the proposed device allows, along with the smooth switching on of the load, to pass the full sinusoidal rated mains voltage to power the load, reduce to the rated effective value of the voltage supplied to the load when the mains voltage exceeds the rated value, and disconnect the load when there is a significant difference between the mains voltage and the rated voltage in time , significantly shorter (more than 100 times) than analog devices.

Claims

An overvoltage protection device comprising a diode bridge with a semiconductor key included in its diagonal, characterized in that, in order to increase speed and expand functionality, an additional block of control and phase cutoff comparators is introduced into it, and the input of the semiconductor switch made with using a field effect transistor, it is connected to the output of the control comparator and phase cutoff unit, which fixes the value of the mains supply voltage and is connected to the first th entry load, wherein the input terminals of the diode bridge are respectively connected to the second input and output load mains voltage.