CN1050014C - 保护设备免受电力冲击的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种保护设备免受电力冲击的装置及方法，提供带有至少两个输入装置的一电路，分别与该两个输入装置串联联接的两隔离装置，与两输入装置并联联接的一吸收装置，串联在吸收装置与两输出装置之一之间的一过流传感装置，及一静电势限制装置。通过吸收/隔离例如来自闪电冲击的有害冲击保护位于需被保护的设备电路与外部连接之间的电气设备。

Description

保护设备免受电力冲击的装置及方法

本发明涉及保护含有电气电路的设备免受电力冲击的损害的装置及方法，且更具体地涉及用于通过吸收/隔离例如来自闪电冲击的有害冲击保护位于需被保护的设备电路与外部连接之间的电气设备的装置及方法。

众所周知闪电冲击使整个世界损失了大量的财富来更换受损的设备，特别是带有一个或多个外部电源连接的电气设备，这些至电源及/或通讯线路的外部连接在这些外部线路上或附近发生严重的闪电冲击期间可将高能冲击带入设备电路。这些在各电源内，或两个或更多的电源与/或相对于接地装置之间所经受的冲击可以是数万伏级并持续从10微秒到几秒的时间。缺乏完善的保护方法说明了为什么设备的制造者不能兑现保证的要求并设法逃避之，这样设备的许多用户出于自我保护的目的采取在不使用时，及在即使需要使用却发生雷阵雨的期间将设备自外部电源断开。

通过本发明，由于即使一次非常严重的冲击所造成的损失可被减少到只需更换一个或多个隔离装置，例如可被便宜地更换的保险丝，所有这些缺陷将被消除。

各种不同的保护电气设备的方法被使用并具有以下的特证：

(a)箝位的方法采用并联至设备电路的例如为变阻器或气体放电器的一个或多个箝位装置以通过吸收过电压限制电冲击，但如果未达到预定的箝位电压则允许过电流流过设备。该箝位装置在一次严重的闪电冲击后容易被损坏变成开环电路而不被人注意到。

(b)隔离的方法采用串联在电路中的一个或多个隔离装置以当过电流流经其足够长时间时变成开路，并也允许过电流流经设备直至隔离装置变成开路。由于串联的设备也容易受到同样危险的过电流威胁，因此引起开路所要求的时间及过电流可能太大。

(c)组合的方法将箝位及隔离的方法进行组合，并可能是现有技术的最好的方法，它提供对第一次严重冲击或几次冲击的接近完善的保护直至箝位装置变成开路或不起作用直到设备在下次冲击期间被损坏而不被人注意到。

但多数(如果不是全部)的现有技术的方法中，未将足够的重点放在通过确保箝位装置不再会变成开路而保证存在于一个或多个电源输入中并可引起电路间火花破坏的静电势被明确地限制或调整至一公共的接地端。

因此，本发明的主要目的是提供在电源连接与有选择地连接的易受损的电路之间的便宜的冲击保护元件以防止因闪电冲击造成的损坏。

另一个目的是提供保护以防外部强加的高电压或高电流冲击至一包括一接收装置或一发送装置的天线的电路。

再一个目的是保护以防电冲击对调整至一公共接地端/地面的分离但协同操作的电气电路的损坏。

再进一步的目的是通过在设备与外部线路，例如电源线、电信线、天线或数据线之间连接由用于限制允许的电压或电流到达被保护的设备的元件组合成的一装置，提供保护以防电冲击对灵敏的电气设备的损坏。

本发明的另一个方面是提供有一种方法，即提供牺牲的电路元件以当遭受电力冲击时建立开路状态，从而保护灵敏的设备免受过压或过流的损害。

上述目的根据本发明通过提供一种保护灵敏的电气设备防止电冲击的损害的装置而被实现。该装置在第一及第二输入装置接收电气输入并在第一及第二输出装置保护性地传输电气输出，该装置包括：

串联于第一输入装置与第一输出装置之间的第一隔离装置；

串联于第二输入装置与第二输出装置之间的第二隔离装置；

与第一及第二隔离装置之间的第一及第二输入装置并联联接的吸收装置；

串联于吸收装置与第一及第二输出装置之一之间的过流传感装置；及

与吸收装置和接地端串联联接的静电势限制装置。

其中，当一预定的过电流被感测到时，由第一及第二输入装置经受的电冲击将引起过流传感装置处于开路状态，以使第一及第二隔离装置之一变成开路以防止过电流至第一和第二输出装置并防止在静电势限制装置与地之间产生过电势。

本发明的另一方面提供有一种用于设备电路保护、吸收并隔离有害的电冲击的方法，该方法包括有以下步骤：

提供带有至少两个输入装置的一电路，分别与该两个输入装置串联联接的两隔离装置，与两输入装置并联联接的一吸收装置，串联在吸收装置与两输出装置之一之间的一过流传感装置，及一静电势限制装置。

这样各输入装置被首先联接至一选择的隔离装置，被选择的隔离装置将(a)保护当过流传感装置检测到一预定水平的过流时被触发变成短路的吸收装置，以防止有害的电路中的冲击经输出装置到达设备电路，并(b)保护防止相对于地电位的有害的电路中的电压冲击到达设备电路的静电势限制装置。

本发明不同方面的细致描述阐明它如何代表防止由闪电中击导致的严重的设备损坏及相关的费用的重要的步骤，因为本发明甚至保护其它通常采用的元件以保护灵敏的设备/电路。

图1示出了根据本发明的一优选实施例的适于联接在电源接头1、2与联接着灵敏的设备或电路的输出接头9、10之间的一种配置。

隔离元件3和4最好为具有被保护的设备或电路的通常操作所能接受的最低可能的电流额定值的被玻璃保护的保险丝。吸收元件5可为具有大约两倍于被保护的设备的通常操作电压的击穿电压的TRIAC。吸收元件5可被触发变成短路吸收经隔离元件3及4传输的所有能量直至该一个或两个隔离元件变成开路而使其自身不被损坏。这是通过由被选择的过流传感元件11在G点提供一电流实现的。这样，根据欧姆定律，当检测到一预定的过流时，它将在G点提供一传送足够的电流的电压以触发TRIAC。

例如，在230V交流电时如果设备的通常最大操作电流为1安培，该预定的过流可被设定为2A。假设触发TRIAC的在G点所要求的电压符合欧姆定律，所要求的作为过流传感元件11的串联的电阻器应为0.5欧姆，并具有至少2W的热耗散额定值。

隔离元件3和4可为通常的1.5A额定值的保险丝，且吸收元件5TRIAC最好被额定于8A。

静电势限制元件7最好包括有直径为13mm至15mm的额定值为300Vrms的金属氧化变阻器。

用于实际的目的，为避免由于持续很短时间的电势非损害冲击而不得不频繁更换保险丝例如3或4，一箝位元件6可并联地加在吸收元件5上。该箝位元件6可为一300Vrms的变阻器。最好直径为13mm至15mm。也可再加有一电流限制电阻器15以保护吸收元件5。

图2示出了根据本发明的联接于在1和2的电信源及在9和10的设备电路之间的一电路。

为了较多的应用，在该配置中的隔离元件3、4可为额定为0.5W的各自带有22欧姆至47欧姆值的电阻器。吸收元件5可为额定在2A/200V或更高的一TRIAC。过流传感元件11可为额定为0.5W的2.7欧姆。静电势限制元件7可为直径为9mm至13mm的在300Vrms操作的变阻器。

一典型的电信用户线电路在振铃期间工作在最大交流96V上并在备用期间工作在直流48V上，且工作电流在挂断或使用状态期间通常被限制在大约10V时接近30mA。实际中，多条并行的分线可联接在一单个源上，带有用于各联接的分线的振铃电路电容器以当任何一设备处于使用中时，初始电流可远远大于通常所限制的大约30mA。选择电流传感元件11为2～7欧姆，这样实际上预定过流为大于300mA，其持续极短的时间对于设备电路仍可认为是安全的。

这样，隔离元件3和4及吸收元件5的选择确保了吸收元件5在任何冲击情况下几乎永远不会被损坏，除非隔离元件3和4所使用的电阻器由于烧断而变成短路。3和4选用碳膜电阻器将保证其不会变成短路。

当对于接地端来说产生过压时，例如为一300Vrms的金属氧化变阻器的静电势限制元件7将典型地吸收所承受的过电压，且这样做的同时，隔离装置3和/或4将用于保护该变阻器。

通过这种配置及元件的选择使得实际上不可能对本发明所保护的设备造成损坏。

由于吸收元件5对任何冲击的反应很快，且隔离几乎立即发生，因此不会产生典型地由闪电冲击引起的可能导致电话用户的听力受到损害的震耳的噪声，同样地高压静电放电对用户也是安全的。

图3示出了根据本发明的如前所述的与图2相关的一电路，加入了一30V的DIAC12及一0.8A/200V的TRIAC。附加这些元件的目的是使联接至输出元件14和10的设备受到保护以防有害的冲击。并且如果并联至与输入元件1和2同一源的一个或多个设备中的任何一个已经处于使用或“挂断”状态时被拒绝进入。由于低于20V的使用电压不能触发一30V的DIAC12以接通TRIAC13用于需通过该TRIAC被联接的设备，可取得所期望的使用中线路的隔离效果。

图4示出了包括有如图2所描述的或包括有如图3所描述的电路的一单个实施例。该实施例带有或不带有例如一段端头在插头17内的一段电缆16的连接元件，用于容易地进行连接于模块化的插座18的电信设备或数据设备与一通常的电源之间的接口。

这些元件的特定配置对于实现本发明的主要目的，即通过隔离元件保护所采用的元件来保护设备电路是必不可少的。可有选择地包括例如指示元件以显示隔离，即是否保护元件被开路，或形成过流传感元件的元件的组合状态的附加元件。

元件的特定选择是这样的，隔离元件选择为具有设备的通常操作的最低可能的电流额定值以提供对所有元件的最佳可能的保护，吸收元件5和静电势限制元件7被选择为具有服从于成本及/或空间的约束的情况下尽可能高的功率额定值，但至少可有五倍以上的耐用度和/或能力以无损坏地吸收在隔离元件开路之前所传输的所有能量。这种额定值的组合可确保在任何的冲击情况下只是例如为保险丝的隔离元件3、4将被损破而可容易并便宜地被更换。

一旦过流传感元件检测到预定的电流，并在数毫微秒内，例如为TRIAC的吸收元件5将变为短路，这样确保连接至本发明的输出元件的设备电路将接受接近零伏的电压，而例如为保险丝的在该电路中形成最弱环节的一个或多个隔离元件3、4将很快地烧断而形成开路状态以保护吸收元件5和/或静电势限制元件7。吸收元件被触发至隔离元件3、4变为开路为止，连接至输出元件9、10的设备电路不再受到任何危险的电压。设备电路的元件暴需在不可接受的高电压下，直到预定的过电流水平被检测到。

本发明可保护的电路配置包括，例如：

(a)其中一个方面，输入元件被联接至电源，该电源的静电势经公共接地端至一接收装置与一发送装置其中之一的天线而被限制；

(b)其中一个方面，一电磁干扰滤波器(EMI滤波器)被联接至电源与本发明的输入元件之间；或

(c)有多个各自调整至一公共接地端/地面的电路，其中这些单独的电路具体体现为联接至待被保护的设备与各种电源线、电信线、天线和/或数据传输线之间的分离元件。

这里还提供了一个表格，概括了本发明与现有技术的区别及其相地于现有技术的优点。

尽管本发明已进行了详细的描述和例示，但应清楚地理解本发明仅是采用例示和举例的方式而不受例示及举例的局限，本发明的精神及范围仅受所附权利要求的限定。表一

3.由3或4所保护的吸收装置(5)4.在输出端电流不流过电路以导致3和4烧断0.C5.由(5)的短路所加速的3和/或4 0.C6.(5)的短路少了热耗散(1A×1V＝1W)7.只有3和/或4会烧断0.C8.可经受多次严重的电路中及电路间的冲击

3.如果在保险丝(3)烧断0.C之前热耗散不很大，箝位装置(6)可保全4.高电流在输出端仍流过电路5.3可依赖流过输出端及箝位装置至0.C的电流6.在(x)V时的箝位装置(6)具有高的热耗散(1A×(X)V＝(X)W)7.任何元件可为0.C8.可经受一次严重的冲击或几次中强度的冲击

置(40，50)不受完全的保护4.如果40或50还未被损坏，电流不流过输出电路5.如果40或50还未被损坏，′3′的0.C被加速6.当被触发时，根据持续的电压在充气管有高的热耗散7.由于具体破裂的情况，充气管(除放射性的外)可容易地被烧坏8.可经受几次严重的冲击或一次严重的电路间冲击

续表一

Claims (18)

1、一种保护电气设备免受电冲击的冲击保护装置，包括：

串联于第一输入端与第一输出端之间的第一隔离装置；

串联于第二输入端与第二输出端之间的第二隔离装置；

并联于第一及第二隔离装置的输出端之间用于当被触发时吸收经第一及第二隔离装置传输的能量的吸收装置；

联接于吸收装置与第二输出端之间的过流传感装置；及

联接于吸收装置与地之间的静电势限制装置，所述第二隔离装置、所述吸收装置及所述静电势限制装置联接在一公共节点，其特征在于，

当在第一及第二输入端接收到第一预定电压时，静电势限制装置联接所述公共节点至接地端，

由过流传感装置接收的一预定电流触发吸收装置，形成一短路，吸收经第一及第二隔离装置传输的所有能量并基本上提供零电压给联接至第一和第二输出端的电气设备，及

当在所述第一及第二输入端接收到大于第一预定电压的第二预定电压时，至少所述第一及第二隔离装置中的一个建立一开路，从所述第一及第二输入端中的至少一个断开吸收装置与静电势限制装置。

2、根据权利要求1的装置，其中：

第一及第二输入端被联接以接收来自电信线路与数据线路其中之一的电输入。

3、根据权利要求2的装置，其中：

第一及第二输入端被联接至电源线。

4、根据权利要求1的装置，其中：

第一及第二输入端被联接至电源线，其静电势经公共接地端至一接收装置与一发送装置其中之一的天线而被限制。

5、根据权利要求1的装置，还包括有：

联接于电源与第一及第二输入端之间的电磁干扰滤波器(EMI滤波器)。

6、根据权利要求1的装置，被分别提供给多个单独的电路，其中这些单独的电路具体体现为联接在待被保护的设备与电源线、电信线、天线及数据传输线中的至少一条之间的分离元件。

7、根据权利要求1的装置，被分别提供给调整至一公共接地端的多个电气电路。

8、根据权利要求1的装置，其中：

吸收装置包括一TRIAC。

9、根据权利要求1的装置，还包括有：

与第一及第二隔离装置之间的第一及第二输入端并联联接的箝位装置。

10、根据权利要求1的装置，还包括有：

串联于第一隔离装置与第一输出端之间的DIAC。

11、一种用于设备电路保护，吸收并隔离有害的电冲击的方法，包括以下步骤：

提供一保护电路，该电路包括至少两个输入端，分别与该两个输入端串联联接的经适当选择的两隔离装置，与隔离装置的输出端并联联接的一吸收装置，串联在隔离装置与两输出端其中之一之间用来触发吸收装置的一过流传感装置，及一静电势限制装置，该静电势限制装置连接至所述两隔离装置之一的输出端，使得所述隔离装置能连接至地，其特征在于，所述隔离装置被适当选择，从而能：

(a)保护当过流传感装置检测到一预定水平的过电流时被触发变成短路以防止有害的电路中的冲击经输出端到达设备电路的吸收装置；以及

(b)保护防止相对于地电位的有害的电路间的电压冲击到达设备电路的静电势限制装置。

12、根据权利要求11的方法，其中：

两输入端被联接至电信线与数据线的其中之一。

13、根据权利要求11的方法，其中：

两输入端被联接至电源线。

14、根据权利要求11的方法，其中：

两输入端被联接至一电源，其静电势经公共接地端至一接收装置与一发送装置其中之一的天线而被限制。

15、根据权利要求11的方法，其中：

两输入端被连接至采用分离的调整至公共接地端/地面的电路的电源线及电信线。

16、根据权利要求11的方法，其中：

多个所述电路具体体现为连接在待被保护的设备与电源线、电信线、天线及数据线其中一条之间的各自分离的元件，各元件被调整至一公共接地端/地面。

17、根据权利要求11的方法，还包括有以下步骤：

在电源与本发明的两输入端之间联接一电磁干扰滤波器(EMI滤波器)。

18、根据权利要求11的方法，包括有：

多个输入源，相应地采用多个如权利要求1的电路，各电路被调整至一公共接地端/地面。

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