CN106067795A - 一种基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路 - Google Patents

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颜健
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Abstract

本发明公开了一种基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路；其第二电阻器、稳压二极管和电容器并联连接，对应稳压二极管的阴极的并联端与半导体开关元件的门极或栅极连接，对应稳压二极管的阳极的并联端与半导体开关元件阴极或源极连接；第一电阻器与电压敏感元件串联连接，串联的一端与开关一端连接，串联的另一端与半导体开关元件的门极或栅极连接；负载一端与开关一端连接，负载的另一端与半导体开关元件的阳极或漏极连接；开关的另一端及半导体开关元件的阴极或源极与分别与电源两端连接。本发明实现电压检测与控制，省去了运算放大器电路及其所需直流电源，也无需增加抗干扰设计，简化了电路结构，降低了制作成本，缩小了产品体积。

Description

一种基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路
技术领域
本发明涉及过电压检测与开关电路，特别涉及一种基于电压非线性元件的过电压检测与开关电路。
背景技术
由于供电网故障、设备投切、错相、线路谐振等原因，常会导致供电线路发生工频过电压故障，直流供电线路也会因为各种原因导致电压过高，过高电压会使用电设备内电子元器件失效，甚至导致火灾事故。
采用电压检测电路，当检测电路检测到电源电压超过规定电压时，输出信号触发开关使电源断开，可减少损失，避免发生事故。
现有技术普遍采用运算放大器为基的电压比较电路对电压进行检测，但是这种电路存在下列不足：易受干扰，需要增加抗干扰设计；需要配置直流工作电源；制作成本较高。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种简单可靠、成本低廉的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路。
本发明利用电压非线性元件的伏安特性检测电源电压，根据电压高低触发或关断处于电源回路的半导体开关器件从而控制回路中的负载通断。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，包括半导体开关元件、电压敏感元件、第一电阻器、第二电阻器、稳压二极管、电容器和开关；第二电阻器、稳压二极管和电容器并联连接，对应稳压二极管的阴极的并联端与半导体开关元件的门极或栅极连接，对应稳压二极管的阳极的并联端与半导体开关元件阴极或源极连接；第一电阻器与电压敏感元件串联连接，串联的一端与开关一端连接，串联的另一端与半导体开关元件的门极或栅极连接；负载一端与开关一端连接，负载的另一端与半导体开关元件的阳极或漏极连接；开关的另一端及半导体开关元件的阴极或源极与分别与电源两端连接。
为进一步实现本发明目的，优选地，第一电阻器为限流电阻，选择的阻值将流过压敏电阻的导通电流限制在mA数量级范围以内；当压敏电阻导通电流达到0.1mA时，第二电阻器上的电压触发单向可控硅。
优选地，所述半导体开关元件单向可控硅、N沟道场效应管或双向可控硅。
优选地，所述电压敏感元件为压敏电阻或双向瞬态抑制器。
优选地，所述电源端连接交流电源或直流电源。进一步地，所述单向可控硅的耐压大于所连接的直流电源电压的两倍或交流电源电压峰值的两倍。进一步优选，所述单向可控硅的耐压参数为800V。
优选地，所述稳压二极管采用电压参数为2.5V的稳压二极管。
优选地，所述电容器采用0.1～0.5微法电容器。进一步优选所述电容器采用0.22微法电容器。
本发明所述半导体开关元件可以采用单向可控硅SCR、双向可控硅TRIAC，也可以采用场效应管(MOSFET)；电压非线性元件可以采用氧化锌压敏电阻Rv，也可以采用半导体瞬态电压抑制元件(TVS)。
本发明第一电阻R1与电压非线性元件串联，第二电阻R2与稳压二极管D及电容器C并联并与半导体开关元件连接。如果半导体开关元件为可控硅，则与可控硅的门极和阴极相连；如果半导体开关元件为MOSFET，则与其栅极和源极相连。
本发明第二电阻R2作为分压电阻，稳压二极管D用作半导体开关元件的保护元件，限制半导体开关元件的触发电压或触发电流，以免触发电流或电压过大损坏半导体开关元件。
本发明电容器C起抑制干扰作用，减少半导体开关元件误触发的发生几率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明利用电压非线性元件的强非线性特性，实现电压检测与控制，与现有技术比较，由于省去了运算放大器电路及其所需直流电源，也无需增加抗干扰设计，所以简化了电路结构，降低了制作成本，缩小了产品体积。
附图说明
图1为实施例1的过电压保护触发电路连接示意图。
图2为实施例2的过电压保护触发电路连接示意图。
图3为实施例3的过电压保护触发电路连接示意图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，包括单向可控硅SCR、压敏电阻RV、第一电阻器R1、第二电阻器R2、稳压二极管D、电容器C和开关K。各元件连接方式：第二电阻器R2、稳压二极管D和电容器C三个元件并联连接，对应稳压二极管D的阴极的并联端与单向可控硅SCR的门极连接，对应稳压二极管D的阳极的并联端与单向可控硅SCR阴极连接；第一电阻器R1与压敏电阻RV串联连接，串联后一端与开关K一端连接，另一端与单向可控硅SCR的门极连接；负载一端与开关K一端连接，另一端与单向可控硅SCR的阳极连接；开关K的另一端及单向可控硅SCR的阴极与分别与电源两端连接。
本实施例以压敏电阻RV为电压敏感元件，采用单向可控硅SCR为半导体开关元件，实现对过电压检测以及触发保护电路工作。
图1中，开关K合闸后，当电源电压较低时，压敏电阻RV不导通，第一电阻器R1和第二电阻器R2都没有电流流过，单向可控硅SCR的门极没有触发信号，单向可控硅SCR不导通，负载没有电流流过。当电源电压升高达到一定电压值，使压敏电阻RV导通，此时在第二电阻器R2有电压降，当这个电压降大于单向可控硅SCR的触发电压时，单向可控硅SCR导通，使电源电压施加到负载上。稳压二极管D用作单向可控硅SCR的保护元件，限制单向可控硅SCR的门极电压，以免触发电流或电压过大损坏单向可控硅SCR。电容器C起抑制干扰作用，减少单向可控硅SCR误触发的发生几率。
本实施例采用的压敏电阻RV的压敏电压为375V。
本实施例电源端可连接交流电源，也可连接直流电源。
将电源端连接工频可调电源，电压调节到260VAC以下时，接通电源(开关K合闸)，可控硅SCR不导通，负载没有电流流过。
当将工频可调电源电压调节到263VAC以上时，接通电源(开关K合闸)，压敏电阻Rv有漏电流流过，该电流使第二电阻器R2两端形成电压降，使得可控硅SCR导通，从而使负载两端与交流电源接通而工作。
当电源电压调节到260～263VAC范围时，接通电源(开关K合闸)，可控硅SCR通断状态不确定，这个不确定电压范围决定于所采用的可控硅SCR的工作重复性等因素。电源电压260～263VAC为本实施例过压保护临界交流电压范围。
本实施例中的电源也可以连接直流电源，连接直流电源时电源正极与开关K连接，电源负极与单向可控硅SCR阴极连接，采用的压敏电阻压敏电压为375V，当将直流可调电压源电压调节到370V以下时，接通电源(开关K合闸)，可控硅SCR不导通，负载没有电流流过。
当将直流可调电压源电压调节到373V以上时，接通电源(开关K合闸)，压敏电阻Rv有漏电流流过，该电流使第二电阻器R2两端形成电压降，使得可控硅SCR导通，从而使负载两端与交流电源接通而工作。
当电源电压调节到370～373V范围时，接通电源(开关K合闸)，可控硅SCR通断状态不确定，这个不确定电压范围决定于所采用的可控硅SCR的工作重复性等因素。电源电压370～373V为本实施例过压保护临界直流电压范围。
本实施例元件参数优选为：单向可控硅SCR耐压应该大于所连接的直流电源电压的两倍或交流电源电压峰值的两倍，本实施例选用的单向可控硅SCR耐压参数为800V；第一电阻器R1为限流电阻，选择适当阻值将流过压敏电阻RV的导通电流限制在mA数量级范围以内；第二电阻器R2选用原则是当压敏电阻Rv导通电流达到0.1mA时，第二电阻器R2上的电压足以触发单向可控硅SCR，本实施例采用100kΩ电阻；稳压二极管D用于保护单向可控硅SCR，防止施加在门极的触发电压太高，本实施例采用电压参数为2.5V的稳压二极管，电容器C用于抑制干扰，采用0.1～0.5微法电容器均可，本实施例采用0.22微法电容器。
本实施例实现了电源过电压的检测与控制，当电源电压高于设计的上限电压时，可控硅导通，使负载得电，负载可以是继电器或断路器线圈，当电源电压过高时利用继电器或断路器切断电源回路以保护用电设备。
实施例2
如图2所示，本实施例以压敏电阻Rv为电压敏感元件、采用N沟道场效应管NMOS为半导体开关元件，实现过电压检测以及触发保护电路工作。电路元件包括开关K、N沟道场效应管NMOS、压敏电阻Rv、第一电阻器R1、第二电阻器R2、稳压二极管D和电容器C。
本实施例的电路连接方法与实施例1相同，但是在本实施例中用N沟道场效应管NMOS代替实施例1中的单向可控硅SCR。连接方式中，N沟道场效应管NMOS的栅极、源极和漏极分别对应单向可控硅SCR的门极、阴极和阳极。
本实施例中电源端连接可调直流电源，采用的压敏电阻器压敏电压为52V，
当将可调直流电源电压调节到49V以下时，接通电源(开关K合闸)，N沟道场效应管NMOS不导通，负载没有电流流过。
当将可调直流电源电压调节到50V以上时，接通电源(开关K合闸)，压敏电阻Rv的漏电流使第二电阻器R2两端形成电压降，使得N沟道场效应管NMOS导通，负载上有电流流过。
当电源电压调节到49～50V范围时，接通电源(开关K合闸)，N沟道场效应管NMOS通断状态不确定，这个不确定电压范围决定于所采用的N沟道场效应管NMOS的工作重复性等因素。电源电压49～50V为本实施例过压保护临界直流电压范围。
所述N沟道场效应管NMOS的电性能参数应根据所连接电源最大电压及负载最大电流进行选择，本实施例采用耐压200V，最大导通电流为32A的N沟道场效应管(IRFP250N200V32A)；其他元件的选择与实施例1相同。
实施例3
如图3所示，本实施例以双向瞬态抑制器TVS为电压敏感元件、采用双向可控硅TRIAC为半导体开关元件，实现过电压检测以及触发保护电路工作；包括开关K、双向可控硅TRIAC、双向瞬态抑制器TVS、第一电阻器R1、第二电阻器R2、稳压二极管D和电容器C。
本实施例的电路连接方法与实施例1相同，但是在本实施例中用双向可控硅TRIAC代替实施例1中的单向可控硅SCR；用双向瞬态抑制器TVS代替实施例1中的压敏电阻Rv。
本实施例中的电源端可连接交流电源，双向瞬态抑制器TVS的导通电压为360V，当将工频可调电源电压调节到265VAC以下时，接通电源(开关K合闸)，双向瞬态抑制器TVS不导通，双向可控硅TRIAC不导通，负载没有电流流过。
当将工频可调电源电压调节到268VAC以上时，接通电源(开关K合闸)，双向瞬态抑制器TVS导通，该导通电流使第二电阻器R2两端形成电压降，该电压触发双向可控硅TRIAC导通，负载上有电流流过。
当电源电压调节到265～268VAC范围时，接通电源(开关K合闸)，双向可控硅TRIAC通断状态不确定，这个不确定电压范围决定于所采用的双向可控硅TRIAC的工作重复性等因素。
本实施例中电源也可以连接直流电源，连接直流电源时电源正极与开关K连接，电源负极与双向可控硅TRIAC连接，采用的双向瞬态抑制器TVS导通电压为368V，当将直流可调电压源电压调节到363V以下时，接通电源(开关K合闸)，双向瞬态抑制器TVS不导通，双向可控硅TRIAC不导通，负载没有电流流过。
当将直流可调电压源电压调节到366V以上时，接通电源(开关K合闸)，双向瞬态抑制器TVS导通，该导通电流使第二电阻器R2两端形成电压降，触发双向可控硅TRIAC导通，负载上有电流流过。
当电源电压调节到363～366V范围时，接通电源(开关K合闸)，双向可控硅TRIAC通断状态不确定，这个不确定电压范围决定于所采用的双向可控硅TRIAC的工作重复性等因素。电源电压363～366V为本实施例过压保护临界直流电压范围。
所述双向可控硅TRIAC的电性能参数应根据所连接电源最大电压及负载最大电流进行选择，本实施例采用耐压600V，最大导通电流为1A的双向可控硅(BT131‐600TO‐92)；所述双向瞬态抑制器TVS的电性能参数主要考虑导通电压参数，由于电路工作时通过该双向瞬态抑制器TVS的电流很小(mA数量级)，其导通电流参数不必特殊考虑；其他元件的选择与实施例1相同。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，包括半导体开关元件、电压敏感元件、第一电阻器、第二电阻器、稳压二极管、电容器和开关；第二电阻器、稳压二极管和电容器并联连接，对应稳压二极管的阴极的并联端与半导体开关元件的门极或栅极连接，对应稳压二极管的阳极的并联端与半导体开关元件阴极或源极连接；第一电阻器与电压敏感元件串联连接，串联的一端与开关一端连接，串联的另一端与半导体开关元件的门极或栅极连接；负载一端与开关一端连接，负载的另一端与半导体开关元件的阳极或漏极连接；开关的另一端及半导体开关元件的阴极或源极与分别与电源两端连接。
2.根据权利要求1所述的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，第一电阻器为限流电阻，选择的阻值将流过压敏电阻的导通电流限制在mA数量级范围以内；当压敏电阻导通电流达到0.1mA时，第二电阻器上的电压触发单向可控硅。
3.根据权利要求1所述的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，所述半导体开关元件单向可控硅、N沟道场效应管或双向可控硅。
4.根据权利要求1所述的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，所述电压敏感元件为压敏电阻或双向瞬态抑制器。
5.根据权利要求1所述的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，所述电源端连接交流电源或直流电源。
6.根据权利要求5所述的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，所述单向可控硅的耐压大于所连接的直流电源电压的两倍或交流电源电压峰值的两倍。
7.根据权利要求6所述的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，所述单向可控硅的耐压参数为800V。
8.根据权利要求1所述的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，所述稳压二极管采用电压参数为2.5V的稳压二极管。
9.根据权利要求1所述的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，所述电容器采用0.1～0.5微法电容器。
10.根据权利要求9所述的基于电压非线性元件的过电压检测及开关电路，其特征在于，所述电容器采用0.22微法电容器。
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