CN102204053A - 多级的过电压保护电路、尤其是用于信息技术设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多级的过电压保护电路，尤其是用于信息技术设备，具有至少一个粗保护元件和至少一个精细保护元件，所述至少一个精细保护元件能根据阈值由控制装置激活。根据本发明，所施加的运行电压被引导至分析装置，所述分析装置产生参考电压，此外设置评价单元，以便第一是用于检验当前的运行电压是否超过参考电压，第二是用于检验超过值是否超过预先规定的电平，以及第三是用于确定运行电压的变化速度是否大于另一预先规定的值，因而存在瞬时过电压，然后控制装置从分析装置获得激活信号。

Description

多级的过电压保护电路、尤其是用于信息技术设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的、尤其是用于信息技术设备的多级的过电压保护电路，具有至少一个粗保护元件和至少一个精细保护元件，所述至少一个精细保护元件能根据阈值由控制装置激活。
背景技术
由多级组成的过电压保护电路属于现有技术。在此，第一级通常由可导出大电流的元件构成，但具有相对高的起动电压。这种元件可以是气体放电器。虽然这种保护电路可在设备中在大的额定电压范围内使用，但这种保护电路由于较高的保护电平尚不能独自为信息技术装置如计算机、电话设备或类似物提供足够的保护。因此通常还设置另一级，在该另一级中存在精细保护元件、即Z型二极管、TVS型二极管或类似物，其设定在信号电压上，使得确保尽可能接近额定电压的限制。在粗保护元件和精细保护元件之间设置至少一个退耦元件，该退耦元件用于协调上述级的状态。
DE 198 45 281 A1公开了一种具有过电压保护装置的放大器电路。在那里晶体管用作精细保护元件，该晶体管在超过固定预给定的阈值时使现有的放大器信号线短路。具体地说，在过电压干扰信号方向上在固有的过电压放电器后面连接晶体管保护电路，该保护电路的晶体管在一般运行中是阻断的，并且在出现过电压时在限制为最大允许电压的情况下接通。
在按DE 10 2004 036 164 A1的用于电压限制的装置中设置至少一个电压输入端和一个电压输出端。第一电压限制单元这样设有至少一个输入端和一个输出端，使得在第一电压限制单元中，至少一个第一开关位于在输入端和输出端之间。此外，在第一电压限制单元中还设有电压传感器，这样构造该电压传感器，使得该电压传感器在第一电压限制单元的输入端上存在比预先规定的最大电压值更大的电压的情况下打开开关。
EP 1 278 283 A2公开了一种用于防止电子元件过电压的装置，其具有至少一个晶体管，该晶体管能借助控制电路在预给定的过电压值的情况下接通，由此实现干扰电能转化为热能。在那里使用Z型二极管作为精细保护元件。
PCT/WO 2004/006408 A1公开了一种具有TBU电子退耦元件的保护电路，这种退耦元件在大于一电流值时变为高阻抗，从而可以以这种方式限制电流流向终端设备。该教导的缺点在于：在终端设备中必须存在限制电压的元件，以便在过电压时产生足够大的电流。
在按PCT/WO 02/50973 A1的用于解调器的保护单元中，通过晶闸管接通精细保护元件。在此通过流向终端设备的电流来控制晶闸管。这种电路布置的缺点在于：在终端设备中也必须存在限制电压的元件，以便在过电压时产生足够的电流。
发明内容
从现有技术的解决方案出发，本发明的目的是提出一种进一步发展的、尤其是用于信息技术设备的多级的过电压保护电路，该过电压保护电路可以在尽可能大的电压范围中使用并且借助其可以实现尽可能接近运行电压地限制过电压。
本发明的目的通过根据权利要求1的教导的特征组合来解决，从属权利要求给出了至少符合目的的方案和进一步扩展。
本发明的多级的过电压保护电路能够自动调节到所施加的运行电压。当过电压不允许地超过检测到的运行电压的值时，进行电压电平的限制并且导出紧随着的干扰电流。
与已知的过电压保护电路不同的是，无须为每个运行电压电平建立特定类型的过电压保护装置。
按本发明，所施加的运行电压被引导至分析装置，该分析装置产生参考电压。
此外，设置评价单元，第一是为了检验当前的运行电压是否超过参考电压。第二是用于检验超过值是否超过预先规定的电平，以及第三是用于确定运行电压的变化速度是否比另一预先规定的值大，如果出现这种情况，则推断出瞬时过电压，然后控制装置从分析装置获得激活信号。
当值超过与较小变化速度联系的运行电压的预先规定的电平时，分析装置产生新的、与当前运行情况匹配的当前的参考电压。
在本发明的一种方案中，在分析装置中运行电压通过二极管D2被引导至电容器C1，所述电容器通过串连电阻R3与运行电压电势连接，电容器C1上作用的电压是参考电压。
由电阻R3和电容器C1定义用于运行电压的变化速度的时间常数，其中，当超过时间常数时电阻R3上施加可分析的电压。
在电容器C1和电阻R3之间的连接点上设置齐纳二极管D3，所述齐纳二极管限定运行电压变化的附加范围。
在所述齐纳二极管D3的输出侧设置逆着运行电压电势连接的另一电容器C2，以便限定精细保护元件的触发电压的上升速度。
精细保护元件通过晶体管来控制，该晶体管的基极连接到电容器C2上。
在运行电压电势和晶体管的基极之间连接另一用于调整最大限制电压的齐纳二极管D4。
此外，在保护级之间以公知的方式设置电阻、电感、电容和/或TBU组件形式的退耦元件。
附图说明
下面应借助一个实施例和附图来进一步说明本发明。附图如下：
图1现有技术中已知的过电压保护电路，该过电压保护电路由两个级A1和V1构成并且在输入端IN和输出端OUT之间连接有退耦元件R1；
图2本发明装置的方框图；
图3有关通过分析装置分析电压变化的流程图；
图4在围绕参考电压如围绕叠加到供电电压的信号电压的允许的范围内变化的电压时间曲线图，其中，在此不限制运行电压的由设备引起的变化；
图5在超过参考电压的允许的范围，但该电压变化的上升速度没有超过规定的值的情况下的电压时间曲线图，从而同样涉及在运行电压的允许的变化，其结果是不限制电压电平，但产生新的参考电压；
图6在超过围绕参考电压的允许的范围并且该电压变化的上升速度也超过确定的值的情况下的电压时间曲线图，其中涉及瞬时过电压，其结果是限制当前电压；
图7过电压保护电路的实施方式电路技术方面的第一实施例；
图8用于限制正的和负的运行电压的双极电路设计的过电压保护电路的第二实施例；
图9具有电子退耦元件(TBU)的过电压保护电路的第三实施例。
具体实施方式
如在图2所示的方框图，输入端IN和输出端OUT之间的过电压保护电路包括粗保护元件以及可控的精细保护装置。上述两个组件通过退耦装置相互分开。
此外，设置分析电子装置，其与控制电子装置处于连接，控制电子装置又在输出端作用于可控的保护装置。从图2可看出，所施加的运行电压输入给分析电子装置，该分析电子装置持续监视运行电压。
如果当前电压上升，则在考虑预给定的条件下判断是否出现不允许的过电压。当过电压的前提条件存在时，通过控制电子装置或者说控制装置激活(精细)保护装置。
根据可控的(精细)保护装置的功率可将粗保护装置连接在所述精细保护装置的前面。
在此分析电子装置的任务是在作为过电压的电压变化或运行电压的附加变化之间进行区分。
图3示出了通过分析电子装置对电压变化进行评价的过程。
首先由被输入的运行电压产生参考电压，该参考电压用于调整过电压保护电路的额定电压和限制电压。
如果当前的运行电压相对于参考电压发生变化，则进行判定：是否存在允许的运行电压变化或是过电压。
为了进行判定，评价下述条件：
a)如果变化在围绕参考电压的允许的范围内进行，则涉及叠加供电电压的信号电压。在这种情况下不限制运行电压的由设备引起的变化。图4示出了相应的状态。
b)对于超过参考电压的允许的范围，但该电压变化的上升速度没有超过规定的值，则得出运行电压的不允许的变化。但此处同样也还不限制电压电平，而是产生一个新的参考电压并且由此确定新的用于过电压保护电路的额定电压和限制电压。图5示出了该状态。
c)如果超过围绕参考电压的允许的范围并且该电压变化的上升速度超过规定的值，则涉及瞬时过电压。在该情况下启动对电压进行限制，如图6所示。
图7示出了实践中实现的用于限制信息技术设备中信号的正电压脉冲的过电压保护电路的第一实施例。
在此晶闸管T1用作精细保护元件，其通过晶体管T2进行控制。
借助晶体管T2使晶闸管T1的控制电流减小通过晶体管T2的电流放大因数，由此减小信号回路的负荷。
电容器C1的电压正比于信号电压的直流分量。通过电阻R3和电容器C1的时间常数确定参考电压的调整速度。
如果所施加的信号的上升速度超过该时间常数，则在电阻R3上的电压下降。
通过选择齐纳二极管D3的齐纳电压确定运行电压变化的允许的范围。在所示具有二极管D1和晶体管T1的电路中，得出为Uz+2.3V的值。当R3上的电压超过该值时，晶闸管T1触发。
借助电容器C2限制晶闸管T1的触发电压的上升速度。有利的是，在具有大的上升速度的信号电压(方波信号)的情况下避免不希望的触发。
通过齐纳二极管D4确定上述电路的最大限制电压。
图8示出本发明一种另外的实施方式，其基于对图7电路的解释，但被设计为双极的，从而能够限制正的和负的运行电压。
图8所示的用于双极运行电压的电路布置在所示的设计中具有两个用于相应的极性的晶闸管T1、T3。在此可选择地，也可使用三端双向可控硅开关元件。
在图8所示的例子中分析电子装置是多余的。用于正的直流电压分量的参考电压在C1上产生。在负的直流电压的情况下参考电压在C3上产生。该实施方式的附加优点在于：可更换过电压保护电路的接口并且由此得到反极性保护而且消除了安装时的错误。
在按图8的例子中，分别对为此设置的闸流管上的各极性进行闸流管的控制。在使用三端双向可控硅开关元件或使用具有两个在阳极侧和阴极侧可控的门极的晶闸管的情况下，具有单独的分析电子装置和控制装置的实施方式是可能的。
在按图9的电路布置的实施方式中，将电子退耦元件(TBU)的优点与上述本发明的双极设计的可控精细保护元件的方案结合起来。
图9中所示电路布置在其分析电子装置的功能和晶闸管的控制方面很大程度上相应于图8的实施例。区别在于使用TBU(瞬时闭锁单元)代替传统的电阻或电感作为退耦元件。
TBU的功能可以相当于电子开关的功能。TBU监视其输入端和输出端之间的电流。当电流超过固定调整的值时，TBU断路并且非常快地切断输入和输出端的连接。通过该功能可以实现理想的退耦元件，通过该退耦元件，实现电流负荷极小的精细保护电路并且由此随之实现用于保护电平极低的过电压保护电路。
TBU构件的缺点在于：为了从触发状态(即高阻抗状态)复位到初始状态(即低阻抗状态)，TBU上的电压必须低于一个确定的值、在具体的情况下为14V。但在＞14V的直流电压运行时，如无附加措施这一点就不能保证。通过将电阻并联到TBU上得出简单的方案，按本发明这在预先给定最大运行电流的情况下实现。
对于所示的例子，可以以下述方式确定该电阻：
最大运行电流：100mA
TBU上的电压：≤10V
R＝10V/0.1A＝100Ω
当然在此也可将以TBU和电阻串联和并联形式的组合作为退耦元件。
为了在TBU触发后使其在干扰消退后重新回到其低阻抗的初始状态，需要确保TBU上的电压降降到一个确定的值之下。通过适当确定TBU和电阻的组合的尺寸可以确保所需的复位。
上述方案提供一种过电压保护电路，该过电压保护电路自动地适配相应的运行电压。当检测到相关的过电压时，分析电子装置用于激活保护装置。
限制电压的值持续地适配运行电压，从而在出现过电压时为各个当前运行电压值实现最佳的电压限制。
分析电子装置可以在运行电压的信号分析(变化速度、电压的振幅、最大电平)的基础上进行评价，以便明确得出是否存在允许的运行电压或过电压。用于运行电压的交流电压分量的控制电路可以低电容地实现并且存在用于正的和负的信号和运行电压的电路的双极实施方式的可能性。
起动电压的限制可通过附加的Z型二极管调整到固定的上限值，在这种情况下可绕接分析电子装置直接控制电压限制电路。通过在实施例中设置的二极管与晶闸管的串联电路可以减小反向电流和整个电路布置的电容量。
还应指出，按本发明变化速度(如其在接入运行电压或运行状态改变时出现)不应导致过电压保护电路的起动。在此以接入24V直流电运行电压为例。假定该接入过程可以具有1ms的典型时间，因此得出24V/ms的变化速度。
与此相反，过电压脉冲(如其由于雷电作用或归因于开关动作而引起)具有明显更高的上升速度。例如在电信设备规程中详细说明具有10/700μs脉冲波形和1kV波幅的最低的待假定的影响。由此得出100V/μs的变化速度。

Claims (9)

1.多级的过电压保护电路，尤其是用于信息技术设备，具有至少一个粗保护元件和至少一个精细保护元件，所述至少一个精细保护元件能根据阈值由控制装置激活，其特征在于，所施加的运行电压被引导至分析装置，所述分析装置产生参考电压，此外设置评价单元，以便第一是用于检验当前的运行电压是否超过参考电压，第二是用于检验超过值是否超过预先规定的电平，以及第三是用于确定运行电压的变化速度是否大于另一预先规定的值，因而存在瞬时过电压，然后控制装置从分析装置获得激活信号。
2.根据权利要求1的过电压保护电路，其特征在于，当值超过与较小变化速度相关联的运行电压的预先规定的电平时，分析装置提供新的、与当前运行情况相匹配的当前的参考电压。
3.根据权利要求1或2的过电压保护电路，其特征在于，在分析装置中运行电压通过二极管(D2)到达电容器(C1)，所述电容器通过串连电阻(R3)与运行电压电势连接，其中施加在电容器(C1)上的电压是参考电压。
4.根据权利要求3的过电压保护电路，其特征在于，由电阻(R3)和电容器(C1)得出的时间常数限定运行电压的变化速度，其中，当超过时间常数时电阻(R3)上施加一电压。
5.根据权利要求4的过电压保护电路，其特征在于，在电容器(C1)和电阻(R3)的连接点上设置齐纳二极管(D3)，所述齐纳二极管限定运行电压变化的允许的范围。
6.根据权利要求5的过电压保护电路，其特征在于，在所述齐纳二极管(D3)的输出侧设置朝向运行电压电势连接的另一电容器(C2)，以便限定精细保护元件的触发电压的上升速度。
7.根据权利要求6的过电压保护电路，其特征在于，所述精细保护元件(T1)通过晶体管(T2)来控制，该晶体管的基极连接到电容器(C2)上。
8.根据权利要求7的过电压保护电路，其特征在于，在运行电压电势和晶体管(T2)的基极之间连接另一齐纳二极管(D4)，用于调整最大限制电压。
9.根据上述权利要求之一的过电压保护电路，其特征在于，在保护级之间连接退耦元件，所述退耦元件的形式为电阻、电感、电容和/或TBU组件。
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