CN103296667A - 雷击断电保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明系为一种雷击断电保护装置，其包含有一断电开关以及连接至该断电开关的压差检测单元；其中该压差控制单元系包含有一与大地回路电连接金属接触端、一直流电源端、一接地端及一输出端；当供给本发明的电源遭受雷击时，其压差检测单元的直流电源端与接地端电压会同时上升至数千伏特；但其金属接触端会因为电连接至大地回路，故其电压不会随着雷击而上升；此时，本发明压差检测单元便令断电开关断路；是以，藉此保护串接于本发明的断电开关的待保护电子装置，使其不会因为遭受雷击而造成损坏。

Description

雷击断电保护装置
技术领域
本发明系为一种电路保护装置，尤指一种体积较小又无散热问题的雷击断电保护装置。
背景技术
一般电力线路大多系架设在户外，一但户外的线路遇到雷击时，电力线路便会产生高达数千伏特的高压；若此高压循着电力线进入建筑物时，则容易使并联于电力线路上的电器遭受雷击损坏。
目前常见的避雷器，系采用隔离变压器进行雷击隔离，将由雷击所产生的高电压隔离在变压器的一次侧，以避免连接于变压器二次侧的电路遭受一次侧的雷击损坏。
然而，由于前述的隔离变压器体积庞大，相对于使用空间较小的电子产品而言，该隔离变压器势必会占去相当大的空间；并且当前述的隔离变压器连接于一般交流电源时，又会因为内部线路组抗的关系而有发热的现象；使得上述电子产品在采用隔离变压器的避雷器的使用上，必需要考虑空间大小与散热的问题，进而增添其使用的难度。
发明内容
有鉴于上述采用隔离变压器的避雷器对于一使用在有限空间的电子产品而言相当难以使用；故本发明主要目的提供一种体积较小又无散热问题的雷击断电保护装置。
欲达上述目的所使用的主要技术手段系令该雷击断电保护装置包含有：
一断电开关，系包含有一控制端，以控制该断电开关导通与否；其中该断电开关用来连接一电源；及
一压差检测单元，系包含有一直流电源端、一接地端、一金属接触端及一输出端；其中该金属接触端系连接至一与大地回路电连接的金属外壳，且该输出端系连接于该断电开关的控制端，而该直流电源端与接地端系用来连接至电源；当接地端和该金属接触端之间的电位差超过一电位临界值时，便以其控制端令该断电开关断路，反之则保持短路。
由上述说明可知，当前述电源遭受雷击时，该压差检测单元的直流电源端与接地端电压会同时上升至数千伏特；但该金属接触端会因为电连接至大地回路，故其电压不会随着雷击而上升；此时，该压差检测单元会因为接地端与该金属接触端之间的电位差大到数千伏特，进而超过该电位临界值，而令断电开关断路；是以，当本发明的断电开关串接于待保护电子装置的电源回路中，可使其不会因为遭受雷击而造成损坏；再者又因为该压差检测单元并无采用隔离变压器，故无前述的散热问题并又能进一步减少其体积。
附图说明
图1：本发明雷击断电保护装置的示意图。
图2：本发明压差检测单元第一实施例的电路图。
图3：本发明压差检测单元第二实施例的电路图。
图4：本发明压差检测单元应用于负高压时的波形图。
图5：本发明压差检测单元应用于正高压时的波形图。
图6：本发明本发明应用于LED驱动电路的电路图。
主要元件符号说明：
10   断电开关                    20   压差检测单元
21   负压驱动单元                22   正压驱动单元
21’ 负压驱动单元                22’ 正压驱动单元
30   滤波电路                    31   整流电路
40   电子装置                    41   金属外壳
42   LED单元                     43   压控晶体管
44   电流检测单元                45   LED控制单元
具体实施方式
本发明系为一种体积较小又无散热问题的雷击断电保护装置。
请参照图1所示，上述雷击断电保护装置系包含有：
一断电开关10，系包含有一控制端，以控制该断电开关10导通与否；其中该断电开关10系连接至一电源，且供该电源与一待保护电子装置40连接，意即该断电开关10系串接于该待保护电子装置40的电源回路中；于本实施例中该电源系为为一交流电源AC/Vin；及
一压差检测单元20，系包含有一直流电源端VCC、一接地端GND、一金属接触端SIN及一输出端VSW；其中该金属接触端SIN系连接至一与大地回路G电连接的金属外壳41，且该金属外壳41系为上述电子装置40的一部份；此外该输出端VSW系连接于该断电开关10的控制端，而该直流电源端VCC与接地端GND系用来连接至直流电源DC/Vin；当接地端GND和该金属接触端SIN之间的电位差超过一电位临界值时，透过该断路开关10的控制端令该断电开关10断路，反之则保持该断电开关10短路；于本实例中，该直流电源端VCC所连接的直流电源DC/Vin系透过一整流电路31及一滤波电路30连接至该交流电源AC/Vin，以将该交流电源AC/Vin转换为直流电源DC/Vin；是以，该直流电源端VCC系连接至该滤波电路30。
请参阅图2所示，上述压差检测单元20系包含有一负压驱动单元21及一正压驱动单元22；其中
上述负压驱动单元21，系为一电流镜，其包含有一第一负晶体管MN1及一第二负晶体管MN2，其中该电流镜的共栅极端及第一负晶体管MN1的漏极系透过一负压电阻RN连接至该金属接触端SIN，而第二负晶体管MN2的漏极则透过一驱动电阻RT连接至该直流电源端VCC，又第一负晶体管MN1及第二负晶体管MN2的共源极则连接至电源的接地端。
上述正压驱动单元22，系为一正晶体管MP，其漏极端系透过该驱动电阻RT连接至该直流电源端VCC，而栅极端系连接至该接地端，而源极则透过一正压电阻RP连接至该金属接触SIN端。
再者，上述负压驱动单元21第二负晶体管MN2及正压驱动单元22正晶体管MP与驱动电阻RT的连接节点系为压差检测单元20的输出端VSW。
由上述结构可知，该压差检测单元20在无雷击的正常电源下，其负压驱动单元21及正压驱动单元22均不作动，此时该输出端VSW系透过驱动电阻RT连接至直流电源端VCC，即将该直流电源端VCC的高电位输出至该断路开关10的控制端，令断路开关10保持短路状态。
由于雷击时，该电源电压会骤升至高压或骤减至低压，故请配合参阅图4所示，当上述交流电源AC/Vin的电压于雷击瞬间骤降至低压，如骤降170sin(ωt)-4000伏特与-4000伏特；此时，该负压驱动单元21连接至直流电源端VCC及接地端GND的电位会随的降低，故共源极的电位会与的降低，而第一负晶体管MN1的漏极与栅极因透过负压电阻RN连接至该金属接触端SIN，而电位不因电击而变动，是以该第一负晶体管MN1栅极与源极之间产生正偏压而导通，同时该第二负晶体管MN2亦随的导通；此时，正压驱动单元22的栅极端因连接至接地端GND，其电位下降，故无法提供正晶体管MP导通偏压，故正压驱动单元22的正晶体管MP不导通。
由于该压差检测单元20的输出端系连接至该负压驱动单元21第二负晶体管MN2，故因第二负晶体管MN2导通而不再连接至直流电源端VCC，而连接至接地端GND；是以，该压差检测单元20的输出端VSW的电位即由高电位降至低电位，而令让断路开关10断路；因此，由上述的动作可知，当上述交流电源AC/Vin骤降至低压时，要令该输出端VSW的电位等同于接地端GND的电位，必须要使该第二负晶体管MN2导通，而使的导通的其中一个条件系必须令该第二负晶体管MN2进入饱和区，意即流经该驱动电阻RT的电流须等同于流经该第二负晶体管MN2的电流；而流经该第二负晶体管MN2的电流系同于流经该第一负晶体管MN1的电流，又流经该第一负晶体管MN1的电流系为该接地端GND与该金属接触端SIN之间的压差除上该负压电阻RN；故，该负压驱动单元的电压临界值系由该负压电阻RN的电阻值所决定。
请配合参阅图5所示，若发生雷击瞬间该电源电压骤升至高压，如170sin(ωt)+4000伏特与4000伏特，则负压驱动单元21不作动，而正压驱动单元22的正晶体管MP的栅极电位会随的升高，又源极因连接至该金属接触SIN端而电位不变，故提供该正晶体管MP导通偏压而使其导通。因该压差检测单元20的输出端VSW连接至该正压驱动单元21正晶体管MP与驱动电阻RT的连接节点，因此输出端VSW的电压会即为该正晶体管MP的漏极电压；又因该正晶体管MP导通时其汲、源极之间的导通压差与闸、源极之间的顺向压差系接近于零，故可得知该输出端VSW的电压系趋近于接地端GND的电压；是以，该压差检测单元20的输出端的电位即由高电位降至低电位，而令让断路开关10断路；因此，由上述的动作可知，当上述交流电源AC/Vin骤升至高压时，要令该输出端VSW的电位等同于接地端GND的电位，必须要使该正晶体管MP导通，而使之导通的其中一个条件系必须令该正晶体管MP进入饱和区，意即流经该驱动电阻RT的电流须等同于流经该正晶体管MP的电流；而流经该正晶体管MP的电流系为该接地端GND与该金属接触端SIN之间的压差除上该正压电阻RP；故，该正压驱动单元的电压临界值系由该正压电阻RP的电阻值所决定。
综合上述说明可知，本发明的该压差检测单元20能有效地随着雷击对电源的正压或负压变化，即时控制断路开关10断路，中断待保护电子装置40的电源回路，一旦雷击消失，该压差检测单元20的输出端VSW将回复连接至直流电源端VCC，而又呈高电位，而断路开关10即回复短路状态。
此外，请参照图3所示，系为该压差检测单元第二实施例；于第二实施例中上述压差检测单元20系包含有一负压驱动单元21’及一正压驱动单元22’；其中
上述负压驱动单元21’，系为一负晶体管MN’，其中该负晶体管MN’的漏极则透过一驱动电阻RT’连接至该直流电源端VCC，而其源极则连接至电源的接地端GND，又其栅极系透过一第一负压电阻RN1’连接至该金属接触端SIN，且同时亦透过一第二负压电阻RN2’连接至电源的接地端GND；意即该第一负压电阻RN1’与该第二负压电阻RN2’系为串联。
上述正压驱动单元22，系为一正晶体管MP’，其漏极端系透过该驱动电阻RT’连接至该直流电源端VCC，而栅极端系连接至该接地端GND，而源极则透过一第一正压电阻RP1’连接至该金属接触SIN端，又其栅极与源极之间系串接一第二正压电阻RP2’。
再者，上述负压驱动单元21负晶体管MN’及正压驱动单元22正晶体管MP’与驱动电阻RT的连接节点系为压差检测单元20的输出端VSW。
由上述结构可知，该压差检测单元20在无雷击的正常电源下，其负压驱动单元21及正压驱动单元22均不作动，此时该输出端VSW系透过驱动电阻RT连接至直流电源端VCC，即将该直流电源端VCC的高电位输出至该断路开关10的控制端，令断路开关10保持短路状态。
当上述交流电源AC/Vin的骤降170sin(ωt)-4000伏特与-4000伏特；此时，该负压驱动单元21连接至直流电源端VCC及接地端GND的电位会随的降低，故该负晶体管MN’其源极的电位会与的降低，而其栅极因透过第一负压电阻RN1’串联于第二负压电阻RN2’进而得到一正偏压而而令其导通；又正压驱动单元22的栅极端因连接至接地端GND，其电位下降，故无法提供正晶体管MP’导通偏压，故正压驱动单元22的正晶体管MP’不导通。又由于决定负压驱动单元21系在于该负晶体管MN’的偏压，因此决定该负压驱动单元21的电压临界值系取决于该第一负压电阻RN1’与该第二负压电阻RN2’的比例。
再者若该电源电压骤升至170sin(ωt)+4000伏特与4000伏特时，则负压驱动单元21不作动，而正压驱动单元22的正晶体管MP’的栅极电位会随的升高，又源极因透过第一正压电阻RP1’串联于第二正压电阻RP2’进而得到一低于栅极的电压，进而令其该正晶体管MP’有一正偏压而使其导通。因该压差检测单元20的输出端VSW连接至该正压驱动单元21正晶体管MP与驱动电阻RT’的连接节点，因此输出端VSW的电压会即为该正晶体管MP’的漏极电压；又因该正晶体管MP’导通时其汲、源极之间的压差与闸、源极之间的压差系接近于零，故可得知该输出端VSW的电压系趋近于接地端GND的电压。又由于决定正压驱动单元21系在于该正晶体管MP’的偏压，因此只要决定该第一正压电阻RP1与该第二正压电阻RP2电阻值的比例，即可决定该正压驱动单元21的电位临界值。
由上述结构可知，本发明压差检测单元20第二实施例其原理系与第一实施例大致相同，均能有效地随着雷击对电源的正压或负压变化，即时控制断路开关10断路。
最后请参照图6所示，系为本发明应用于LED驱动电路的例子，意即前述的电子装置40系为该LED驱动电路；其中本发明的断电开关10于本应用例中系多増设一个，且两断电开关10均串接于电源与该LED驱动电路之间；其中，两断电开关10于本应用例中均为一常开型态的继电器，当该压差控制单元20输出端VSW连接至直流电源端VCC时，能驱动该继电器使其保持短路令该电源连接至该LED驱动电路上；再者前述的金属外壳41即为该LED驱动电路的外壳；另外该LED驱动电路系包含有：
一LED单元42，系包含复数个LED光源；
一压控晶体管43，系串接于该LED单元使其构成一电源回路，且具有一控制端，以调整电源回路的回路电流；
一电流检测单元44，系串接于该电源回路中，以将该电源回路的回路电流转换为对应的电压讯号；
一LED控制单元45，系串接于该电流检测单元44与该压控晶体管43的控制端；并取得目前关于电源回路电流值的电压讯号，藉此作为控制该压控晶体管43控制端电压的依据，系令电源回路的电流维持稳定。
由上述结构可知，当前述电源遭受雷击而使本发明的压差检测单元20的直流电源端VCC与接地端GND电压同时上升至数千伏特时；该压差检测单元20的输出端便连接至接地端GND，进而使得该断路开关10立即断路；是以藉此保护上述LED驱动电路，使其不会因为遭受雷击而造成损坏。
综合以上所述，本发明确实可藉此上述结构保护前述的电子装置；一但雷击发生时，该压差检测电路均能确实反应，使前述的负载电路其不会因为遭受雷击而造成损坏；再者又因为该压差检测单元并无采用隔离变压器，故无前述的散热问题并又能进一步减少其体积。

Claims (8)

1.一种雷击断电保护装置，其特征在于，所述的保护装置包含有：
一断电开关，系包含有一控制端，以控制所述的断电开关导通与否；其中所述的断电开关用来连接一电源；及
一压差检测单元，系包含有一直流电源端、一接地端、一金属接触端及一输出端；其中所述的金属接触端系连接至一与大地回路电连接的金属外壳，且所述的输出端系连接于所述的断电开关的控制端，而所述的直流电源端与接地端系用来连接至电源；当接地端和所述的金属接触端之间的电位差超过一电位临界值时，便以其控制端令所述的断电开关断路，反之则保持短路。
2.如权利要求1所述的雷击断电保护装置，其特征在于，所述的压差检测单元系可透过一滤波电路连接至电源。
3.如权利要求2所述的雷击断电保护装置，其特征在于，所述的压差检测单元系可透过一整流电路及一滤波电路连接至电源。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的雷击断电保护装置，其特征在于，所述的压差检测单元系包含有：
一负压驱动单元，系为一电流镜，其包含有一第一负晶体管及一第二负晶体管，其中所述的电流镜的共栅极端及第一负晶体管的漏极系透过一负压电阻连接至所述的金属接触端，而第二负晶体管的漏极则透过一驱动电阻连接至所述的直流电源端，又第一负晶体管及第二负晶体管的共源极则连接至电源的接地端；及
一正压驱动单元，系为一正晶体管，其漏极端系透过所述的驱动电阻连接至所述的直流电源端，而栅极端系连接至所述的接地端，而源极则透过一正压电阻连接至所述的金属接触端；
再者，上述负压驱动单元第二负晶体管及正压驱动单元正晶体管与驱动电阻的连接节点系为压差检测单元的输出端。
5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的雷击断电保护装置，其特征在于，所述的压差检测单元系包含有：
一负压驱动单元，系为一负晶体管，其中所述的负晶体管的漏极则透过一驱动电阻连接至所述的直流电源端，而其源极则连接至电源的接地端，又其栅极系透过一第一负压电阻连接至所述的金属接触端，且同时亦透过一第二负压电阻连接至电源的接地端；意即所述的第一负压电阻与所述的第二负压电阻系为串联；及
一正压驱动单元，系为一正晶体管，其漏极端系透过所述的驱动电阻连接至所述的直流电源端，而栅极端系连接至所述的接地端，而源极则透过一第一正压电阻连接至所述的金属接触端，又其栅极与源极之间系串接一第二正压电阻；
再者，上述负压驱动单元负晶体管及正压驱动单元正晶体管与驱动电阻的连接节点系为压差检测单元的输出端。
6.如权利要求1至3中任一权利要求所述的雷击断电保护装置，其特征在于，所述的断电开关系为一常开型态的继电器。
7.如权利要求4所述的雷击断电保护装置，其特征在于，所述的断电开关系为一常开型态的继电器。
8.如权利要求5所述的雷击断电保护装置，其特征在于，所述的断电开关系为一常开型态的继电器。
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