CN101477881B - 防雷变压器及变压器防雷方法 - Google Patents

防雷变压器及变压器防雷方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防雷变压器及变压器防雷方法，涉及电子设备的户外接口，能够提高电子设备户外端口的差模防护能力和降低成本。防雷变压器，包括：变压器本体以及设置于所述变压器本体周围预定位置的磁体；磁体产生环境磁通，使得在工作频率为雷电频率上限时防雷变压器的带负载能力很小，在工作频率为有用频率下限时防雷变压器的带负载能力与变压器本体的带负载能力的比值等于预定下限值。变压器防雷方法为设置变压器的环境磁通，使得在工作频率为雷电频率上限时变压器的带负载能力很小，且在工作频率为有用频率下限时变压器的带负载能力与未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于预定下限值。本发明适用于变压器的防雷。

Description

防雷变压器及变压器防雷方法
技术领域
本发明涉及电子设备的户外接口，尤其涉及一种防雷变压器。
背景技术
电子设备尤其是网络设备的户外接口，由于线缆采用架空布线，很容易引雷，从而导致浪涌以差模或共模的方式损坏电子设备或与电子设备相连的用户电子设备。
在上述电子设备的户外接口中，变压器是一个重要部件，主要起到交流信号传递和隔离的作用。以ADSL(非对称数字用户线路)设备为例，目前应对差模损坏的方案，需要在ADSL变压器次级增加防护性能更高的TVS等防护器件。申请号02125387.0的中国专利申请公开了以太网端口的防雷方法及其装置，其中方法为：在差分线对的差分线之间提供瞬时高压的电流泄放通路，电流泄放电路由气体放电管提供，位于保护电路最前级；差分线间因雷电、高压静电而产生的高电压由所述瞬时高压的电流泄放通路将其释放；差分电路后级采用压敏电阻和TVS管进行电压嵌位；通过空气放电管后的残压被压敏电阻和TVS管钳位到一个较低的电压值，实现对后级电路的保护。防雷装置包括：接收差分线对、发送差分线对和瞬时高压的电流泄放电路；所述瞬时高压的电流泄放电路分别连接于所述的接收差分线对和发送差分线对的两差分线之间。该发明主要用于以太网防雷，具有安全性高、组网灵活的特点。
在实现上述电子设备户外接口的防雷过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
对于电子设备户外接口的防护器件要实现差模防护的目的，通常通流能力越强引起的残压也越高。要同时实现强通流能力和低残压，技术难度很大，因此成本也很高。
发明内容
本发明的实施例提供一种防雷变压器，能够大幅提高电子设备户外端口的差模防护能力，并且降低成本。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种防雷变压器，包括：
变压器本体以及设置于所述变压器本体周围预定位置的磁体；
所述磁体产生环境磁通，使得在防雷变压器的工作频率为雷电频率上限时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体的带负载能力的比值等于预定上限值，且在防雷变压器的工作频率为有用频率下限时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体的带负载能力的比值等于预定下限值
所述预定上限值使雷电信号被大幅度过滤而不会影响或损坏所述防雷变压器所连接的电子设备；
所述预定下限值使有用信号能够带动防雷变压器副线圈所接电子设备的正常工作；
所述有用频率为有用信号频率，所述有用信号用于带动防雷变压器副线圈所接电子设备工作。
本发明实施例防雷变压器通过在变压器本体周围预定位置设置磁体，所述磁体产生环境磁通，使得在工作频率为雷电频率上限时所述防雷变压器的带负载能力减小，且在工作频率为有用频率下限时，所述防雷变压器的带负载能力的下降不超过预定值，实现了大幅提高电子设备户外端口的差模防护能力，并且降低成本。
本发明的实施例还提供一种变压器防雷方法，能够大幅提高电子设备户外端口的差模防护能力，并且降低成本。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种变压器防雷方法，包括：
设置变压器的环境磁通，使得在所述变压器的工作频率为雷电频率上限时，所述变压器的带负载能力与未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于预定上限值，且在所述变压器的工作频率为有用频率下限时，所述变压器的带负载能力与未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于预定下限值所述预定上限值使雷电信号被大幅度过滤而不会影响或损坏所述防雷变压器所连接的电子设备；所述预定下限值使有用信号能够带动防雷变压器副线圈所接电子设备的正常工作；所述有用频率为有用信号频率，所述有用信号用于带动防雷变压器副线圈所接电子设备工作。
本发明实施例提供的变压器防雷的方法，通过设置变压器的环境磁通，使得变压器在工作频率为雷电频率上限时带负载能力很小，而在工作频率为有用频率下限时的带负载能力大于预定值，能够大幅提高电子设备户外端口的差模防护能力，并且降低成本。
附图说明
图1为本发明一实施例防雷变压器的示意图；
图2为图1所示防雷变压器产生的磁感线的示意图；
图3为本发明另一实施例防雷变压器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例防雷变压器及变压器防雷方法进行详细描述。应当明确，以下仅是对本发明实施例的具体说明，并不用于限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例防雷变压器包括：
变压器本体100以及设置于所述变压器本体周围预定位置的永磁体200；
所述永磁体200产生环境磁通，使得在防雷变压器的工作频率为雷电频率上限时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体100的带负载能力的比值等于预定上限值，且在防雷变压器的工作频率为有用频率下限时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体100的带负载能力的比值等于预定下限值。
图1中，变压器本体100包括磁芯110和线圈120，磁芯材料为铁氧体，在激励电压的驱动下，变压器本体100能够产生磁通Bw0。300为变压器的引脚。本发明优选采用永磁体200置于所述变压器本体周围预定位置，所述永磁体200产生环境磁通Bw1。
为了复用两种不同类型的磁芯，实现变压器的选频特性，所述变压器本体100工作时产生的磁感线与所述永磁体200产生的磁感线在大于预定比例的区域内重合，能够设置所述防雷变压器的工作磁通。所述预定比例可以根据实际情况来设定。如图2所示，本实施例中将永磁体200置于变压器的上方，尽可能使得永磁体200产生的磁感线与变压器本体100产生的磁感线在大范围内重合。但本发明并不局限于此，还可以采用螺线管置于所述变压器本体周围预定位置产生环境磁通。
变压器的工作磁通Bw包括激励电压产生的磁通Bw0和环境磁通Bw1。根据变压器的磁芯特性，工作磁通Bw小于变压器磁芯饱和磁通时，变压器才能正常工作。一旦工作磁通Bw大于变压器饱和磁通，则磁芯迅速饱和，电感阻抗消失。根据法拉第定律：
V1＝KffsNpBwAe                    ①
其中，V1为输入电压，表征变压器带负载能力，Kf为波形参数，fs为频率，Np为匝比，Bw为工作磁通，Ae为变压器截面积，可得高频变压器的带负载能力随频率的降低而降低。
通常情况下，雷电信号频率上限为15kHz，有用信号频率下限为50kHz。为了实现防雷变压器较好的防雷效果，应使得15kHz的雷电信号通过防雷变压器时被大幅度滤除，而50kHz的有用信号能够大幅度通过防雷变压器；根据公式①可得小于15kHz的雷电信号能够被更大幅度滤除，大于50kHz的有用信号能够更大幅度通过防雷变压器。
本发明一较佳实施例设置所述永磁体200产生的环境磁通，使得在工作频率为15kHz时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体100的带负载能力的比值等于10％，且在工作频率为50kHz时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体100的带负载能力的比值等于90％。即，使得频率为15kHz的雷电信号在通过所述防雷变压器时，输入电压V1等于同样的雷电信号在通过变压器本体100时的输入电压的10％；并使得频率为50kHz的有用信号在通过所述防雷变压器时，输入电压V1等于同样的有用信号在通过变压器本体100时的输入电压的90％。因此频率低于15kHz的雷电信号在通过所述防雷变压器时，输入电压会更小，而频率高于50kHz的有用信号在通过所述防雷变压器时，输入电压会更大，便能够实现变压器防雷的目的。
但本发明并不局限于此，在工作频率为15kHz时，防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体100的带负载能力的比值也可以为10％之外的其它数值，但应使15kHz及频率更低的雷电信号被大幅度过滤而不会影响或损坏所述防雷变压器所连接的电子设备；在工作频率为50kHz时，防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体100的带负载能力的比值也可以为90％之外的其它数值，但应使有用信号仍然能够带动防雷变压器副线圈所接电子设备的正常工作。
要实现本发明，需要选择合适的磁体，具体地有以下两种方法可选；
(1)计算法。根据公式①V1＝KffsNpBwAe，选择适当的V1、Kf、fs、Np和Ae，通过计算得到在一定频段内使变压器饱和的饱和磁通。根据饱和磁通，计算得到所需永磁体的磁导率，从而根据磁导率选择合适的磁体。
(2)测试法。选择确定大小、磁导率不同的磁体，依次放置在变压器附近适当的位置，当变压器在低频段出现饱和状态，而在工作频段内正常工作时，表示这种磁体可以使用。
如图3所示，本发明另一较佳实施例防雷变压器还包括信号放大装置，用于增大所述变压器本体接收到的有用信号强度。在本实施例中，优选设置所述永磁体200产生的环境磁通，使得在工作频率为15kHz时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体100的带负载能力的比值等于10％，且在工作频率为50kHz时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体100的带负载能力的比值等于x％，同时信号放大装置将输入到所述变压器原线圈中的有用信号放大为100/x。其中x％值可以预先设定，例如本实施例中选取为50％。即，使得频率为15kHz的雷电信号在通过所述防雷变压器时，输入电压V1等于同样的雷电信号在通过变压器本体100时的输入电压的10％；并使得频率为50kHz的有用信号在通过所述防雷变压器时，输入电压V1等于同样的有用信号在通过变压器本体100时的输入电压的50％，但同时通过信号放大装置将有用信号放大到为原来的2倍，使得防雷变压器副线圈输出的电压保持不变。
本发明实施例防雷变压器通过在变压器本体周围预定位置设置磁体，所述磁体产生环境磁通，使得在防雷变压器的工作频率为雷电频率上限时所述防雷变压器的带负载能力大幅度减小，且在防雷变压器的工作频率为有用频率下限时，所述防雷变压器的带负载能力的下降不超过预定值，实现了在保证有用信号能够正常通过变压器的前提下将雷电信号有效抑制，能够大幅提高电子设备户外端口的差模防护能力，并且降低了变压器防雷的成本。
本发明实施例还提供了一种变压器防雷方法。
本发明实施例变压器防雷方法，包括：
设置变压器的环境磁通，使得在所述变压器的工作频率为雷电频率上限时，所述变压器的带负载能力与未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于预定上限值，且在所述变压器的工作频率为有用频率下限时，所述变压器的带负载能力与未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于预定下限值。
本发明实施例中所述设置所述变压器的环境磁通包括：设置所述变压器周围预定位置所设置的磁场的大小，设置所述变压器周围预定位置所设置的磁场与所述变压器工作时产生的磁场在大于预定比例的区域内重合。所述预定比例可以根据实际情况来设定。
变压器的工作磁通Bw包括激励电压产生的磁通Bw0和环境磁通Bw1。根据变压器的磁芯特性，工作磁通Bw小于变压器磁芯饱和磁通时，变压器才能正常工作。一旦工作磁通Bw大于变压器饱和磁通，则磁芯迅速饱和，电感阻抗消失。根据法拉第定律：
V1＝KffsNpBwAe                    ①
可得高频变压器的带负载能力随频率的降低而降低。
通常情况下，雷电信号频率上限为15kHz，有用信号频率下限为50kHz。为了实现变压器较好的防雷效果，应使得15kHz的雷电信号通过变压器时被大幅度滤除，而50kHz的有用信号能够大幅度通过变压器；根据公式①可得小于15kHz的雷电信号能够被更大幅度滤除，大于50kHz的有用信号能够更大幅度通过防雷变压器。
本发明另一较佳实施例设置所述环境磁通，使得在所述变压器的工作频率为15kHz时，所述变压器的带负载能力与所述变压器未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于10％，且在工作频率为50kHz时，所述变压器的带负载能力与所述变压器未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于90％。即，使得频率为15kHz的雷电信号在通过所述变压器时，输入电压V1等于同样的雷电信号在通过变压器未设置环境磁通时的输入电压的10％；并使得频率为50kHz的有用信号在通过所述变压器时，输入电压V1等于同样的有用信号在通过变压器未设置环境磁通时的输入电压的90％。因此频率低于15kHz的雷电信号在通过所述变压器时，输入电压会更小，而频率高于50kHz的有用信号在通过所述变压器时，输入电压会更大，便能够实现变压器防雷的目的。
但本发明并不局限于此，在工作频率为15kHz时，防雷变压器的带负载能力与所述变压器未设置环境磁通时的带负载能力的比值也可以为10％之外的其它数值，但应使15kHz及频率更低的雷电信号被大幅度过滤而不会影响或损坏所述变压器所连接的电子设备；在工作频率为50kHz时，变压器的带负载能力与所述变压器未设置环境磁通时的带负载能力的比值也可以为90％之外的其它数值，但应使有用信号仍然能够带动变压器副线圈所接电子设备的正常工作。
本发明另一较佳实施例变压器防雷方法优选设置所述环境磁通，使得在工作频率为15kHz时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于10％，且在工作频率为50kHz时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于x％，同时通过提高所述变压器的驱动能力与所述变压器未设置环境磁通时的驱动能力的比值为100/x。其中x％值可以预先设定，例如本实施例中选取为50％。本实施例优选采用将输入到变压器原线圈的有用信号进行放大来提高变压器的驱动能力。即，使得频率为15kHz的雷电信号在通过所述变压器时，输入电压V1等于同样的雷电信号在通过变压器未设置环境磁通时的输入电压的10％；并使得频率为50kHz的有用信号在通过所述变压器时，输入电压V1等于同样的有用信号在通过变压器未设置环境磁通时的输入电压的50％，但同时将有用信号放大到为原来的2倍，使得防雷变压器副线圈输出的电压保持不变。
本发明实施例变压器防雷方法通过设置变压器的环境磁通，使得变压器在工作频率为雷电频率上限时带负载能力大幅度减小，而在所述变压器的工作频率为有用频率下限时的带负载能力大于预定值，实现了在保证有用信号能够正常通过变压器的前提下将雷电信号有效抑制，能够大幅提高电子设备户外端口的差模防护能力，并且降低变压器防雷的成本。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种防雷变压器，其特征在于，包括：
变压器本体以及设置于所述变压器本体周围预定位置的磁体；
所述磁体产生环境磁通，使得在防雷变压器的工作频率为雷电频率上限时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体的带负载能力的比值等于预定上限值，且在防雷变压器的工作频率为有用频率下限时，所述防雷变压器的带负载能力与所述变压器本体的带负载能力的比值等于预定下限值；
所述预定上限值使雷电信号被大幅度过滤而不会影响或损坏所述防雷变压器所连接的电子设备；
所述预定下限值使有用信号能够带动防雷变压器副线圈所接电子设备的正常工作；
所述有用频率为有用信号频率，所述有用信号用于带动防雷变压器副线圈所接电子设备工作。
2.如权利要求1所述的防雷变压器，其特征在于，所述磁体包括永磁体或螺线管。
3.如权利要求2所述的防雷变压器，其特征在于，所述变压器本体工作时产生的磁感线与所述磁体产生的磁感线在大于预定比例的区域内重合。
4.如权利要求1所述的防雷变压器，其特征在于，所述预定上限值为10％。
5.如权利要求4所述的防雷变压器，其特征在于，所述预定下限值为90％。
6.如权利要求4所述的防雷变压器，其特征在于，还包括信号放大装置，用于增大所述变压器本体接收到的有用信号强度。
7.一种变压器防雷方法，其特征在于，包括：
设置变压器的环境磁通，使得在所述变压器的工作频率为雷电频率上限时，所述变压器的带负载能力与未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于预定上限值，且在所述变压器的工作频率为有用频率下限时，所述变压器的带负载能力与未设置环境磁通时的带负载能力的比值等于预定下限值；所述预定上限值使雷电信号被大幅度过滤而不会影响或损坏所述防雷变压器所连接的电子设备；所述预定下限值使有用信号能够带动防雷变压器副线圈所接电子设备的正常工作；所述有用频率为有用信号频率，所述有用信号用于带动防雷变压器副线圈所接电子设备工作。
8.如权利要求7所述的变压器防雷方法，其特征在于，所述设置变压器的环境磁通包括：
设置所述变压器周围预定位置所设置的磁场大小；
设置所述变压器周围预定位置所设置的磁场与所述变压器工作时产生的磁场在大于预定比例的区域内重合。
9.如权利要求7所述的变压器的防雷方法，其特征在于，所述预定上限值为10％。
10.如权利要求9所述的变压器的防雷方法，其特征在于，所述预定下限值为90％。
11.如权利要求9所述的变压器的防雷方法，其特征在于，还包括：
提高所述变压器的驱动能力。
12.如权利要求11所述的变压器的防雷方法，其特征在于，所述提高所述变压器的驱动能力包括：
增大所述变压器接收到的有用信号强度。
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