CN109787203A - 一种防雷防浪涌电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防雷防浪涌电路，涉及防雷技术领域，包括跨接于电源的火线和零线之间的：防雷电路，用于抑制雷击浪涌；和防浪涌电路，设置于防雷电路之后，用于抑制连续浪涌，和进一步抑制雷击残压；所述防浪涌电路，包括桥式整流器和消波电路，所述桥式整流器的输入跨接于电源两端，所述消波电路跨接在桥式整流器的输出端，用于提供快速储能及泄放功能。本发明提供了一种具有限流功能，且能吸收连续浪涌的防雷防浪涌电路，可实现12KV的防雷效果，并有效提高防雷、防浪涌器件的寿命，有效地保证了防雷防浪涌电路的长期可靠性。

Description

一种防雷防浪涌电路

技术领域

本发明涉及防雷技术领域，尤其涉及一种防雷防浪涌电路。

背景技术

LED光源具有耗电少、寿命长、色温多样可选、外观随意可设等优点，因此被广泛应用于室内外的照明、装饰等。虽然LED光源的使用寿命特别长，但LED光源的抗过压过流能力特别弱，因此对LED驱动电源的防雷和防浪涌能力要求特别高。尤其在户外使用时，因更换成本特别高，提高保护电路自身的使用寿命，成为电源可靠性的关键之一。

常用防雷元件的压敏电阻、气体放电管都有极强的单次吸收雷击感应电压电流的能力，如何让防雷器件的寿命大幅度提高是设计防雷电路的关键，雷电的特点是能量集中、持续时间短(数微秒)，间隔时间长。

根据科学研究和实验分析，压敏电阻有效吸收雷击电流的次数＝0.5×3ⁿ(n＝压敏电阻一次性保护电流÷压敏电阻实际通过电流)，比如470V14D的压敏电阻，一次性保护电流是5000A(即：压敏电阻通过电流为5000A时，只能保护一次)，如果实际电流Ir＝2500A，防雷次数4次，Ir＝1000A，防雷121次，Ir＝500A，防雷次数高达30000次左右(超过电源使用寿命)。可见，适当限流，是提升防雷寿命的根本办法。

专利号为CN202190073U公布的一种外置式12kV防雷电路中采用了4级防雷电路(见图1)，该电路中接入了电感和电容等元件，但它只在2、3两级防雷电路之间接入电感，且电容是直接并联交流电源的，是小电容，所以其电感和电容只能是用于吸收气体放电管因反应迟钝和断续性导通所产生的尖峰电压，没有限流和抗浪涌能力，所以此电路虽然防雷效果很好，但不能起到延长压敏电阻使用寿命和吸收连续浪涌电压的作用。

压敏电阻的特点是：瞬时吸收功率极大(如470V/14D，瞬时高达3500KW)，但平均吸收功率Pw极小(470V/14D的平均吸收功率≤0.8W)，当AC供电电网中并接有像冲击钻、电焊机这种有电流突变的电器设备时，电力变压器会产生相应的连续的尖峰电压(浪涌)，这种浪涌的平均功率往往大大超过压敏电阻的平均吸收功率Pw，极易让压敏电阻早衰或击穿，导致防雷失效，电源损坏。所以，AC保护电路既要防雷，更要防浪涌。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种具有限流功能，且能吸收连续浪涌的防雷防浪涌电路，可提高防雷器件的寿命，提高防雷防浪涌电路的长期可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种防雷防浪涌电路，包括跨接于电源的火线和零线之间的：

防雷电路，用于抑制雷击高压；

和防浪涌电路，设置于防雷电路之后，用于抑制连续浪涌，和进一步抑制雷击残压；

所述防浪涌电路，包括桥式整流器和消波电路，所述桥式整流器的输入跨接于电源两端，所述消波电路跨接在桥式整流器的输出端，用于提供快速储能及泄放功能。

进一步的，所述消波电路包括电解电容、第一电阻、抑制二极管，电解电容的正极和桥式整流器的正向输出端连接，电解电容的负极和桥式整流器的负向输出端连接；所述第一电阻、抑制二极管和电解电容并联。

进一步的，所述消波电路还包括第二电阻，第二电阻和抑制二极管串联。

进一步的，所述防雷电路包括第一保护电路，所述第一保护电路包括第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻成Y型连接，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻的另一端分别连接到火线、零线和地线。

进一步的，所述第一保护电路前还设置有第一限流电路。

进一步的，所述第一限流电路包括第一空心电感和第二空心电感，所述第一空心电感和第二空心电感分别设置在火线和零线上。

进一步的，所述防雷电路还包括第二保护电路，所述第二保护电路设置于第一保护电路之后，包括第四压敏电阻，所述第四压敏电阻的两端分别连接到火线和零线上。

进一步的，所述第一保护电路和第二保护电路之间还设置有第二限流电路。

进一步的，所述第二限流电路包括第三空心电感，所述第三空心电感设置在火线上。

本发明还提供一种防雷防浪涌电路，包括跨接于电源的火线和零线之间的：

防雷电路，用于抑制雷击高压；和防浪涌电路，设置于防雷电路之后，用于抑制连续浪涌，和进一步抑制雷击残压；

所述防雷电路包括第一保护电路和第一限流电路，所述第一保护电路包括第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻成Y型连接，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻的另一端分别连接到火线、零线和地线；

所述第一保护电路前还设置有第一限流电路，所述第一限流电路包括第一空心电感和第二空心电感，所述第一空心电感和第二空心电感分别设置在火线和零线上。

本发明的有益效果：

(1)防雷电路的压敏电阻采用Y型接法，从而既降低了压敏电阻的体积和成本，又提高了压敏电阻的防雷寿命。

(2)通过在压敏电阻前置空心电感，能将雷能的泄放时间大大拉长，使雷能的瞬时电流大大减少，从而使同样规格的压敏电阻，防雷次数大幅度提升，进而延长了压敏电阻的使用寿命。

(3)在防浪涌电路中采用较大容量的电解电容来吸收雷击残压，和连续吸收普通的电网浪涌。针对普通的电网浪涌，浪涌电压通常会箝位在500V以下，使前级的防雷电路基本无需工作，有效保护的压敏电阻的使用寿命。

本发明提供了一种通过LC增强，具有限流功能，且能吸收连续浪涌的防雷防浪涌电路，可实现12KV及以上的防雷效果，并有效提高了防雷、防浪涌器件的使用寿命，保证电路的长期可靠性。

附图说明

图1是现有的防雷防浪涌电路原理图；

图2是本发明的一个优选实施例的防雷防浪涌电路原理图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明公开了一种防雷防浪涌电路，连接于用电设备的电源输入端，给用户设备提供电源的防雷防浪涌保护。

图2是本发明的优选实施例的电路原理图，具体应用于一种户外的LED灯的电源输入保护。包括火线L、零线N和地线PE，火线L和零线N之间并联有第一保护电路1、第二保护电路2和第三保护电路3，在火线L和零线N的主电路中，串接有第一限流电路4和第二限流电路5。

在本实施例中，第一保护电路1，包括压敏电阻RV1、RV2、RV3，压敏电阻RV1、RV2、RV3成Y型连接，各压敏电阻的另一端分别连接到火线L、零线N和地线PE上，用于抑制共模浪涌和差模浪涌，将火线L和零线N的共模浪涌电流进行吸收或泄放到地线PE中，或将火线L和零线N之间的差模浪涌电流进行吸收或泄放。此时，每个泄放通路中，均有两个压敏电阻串联，压敏电阻RV1、RV2、RV3可采用阈值电压较低的压敏电阻。

在本实施例中，在第一保护电路1之前的主电路上设有第一限流电路4，第一限流电路4包括空心电感L1、L2，空心电感L1、L2分别设置在火线和零线上，空心电感L1、L2能有效扼制电流的快速增长，产生反电动势，从而抑制浪涌电流流入下一级保护电路。浪涌电流经空心电感L1、L2平滑后以较小的峰值电流通过压敏电阻RV1、RV2、RV3，从而相对的延长压敏电阻RV1、RV2、RV3的使用寿命。

在本实施例中，通过第一保护电路1和第一限流电路4的组合，压敏电阻RV1、RV2、RV3采用330V/14D的压敏电阻即可，这里的压敏电阻RV1、RV2、RV3组成Y型接法，它要好于通常采用的Δ型接法，表现在其AC输入端的LNG三线上任意二线之间的雷能都有两个串联的压敏电阻分担，每个压敏电阻所负担的能量只有Δ型接法的一半，且同等情况下压敏电阻的电压值也只要Δ型接法的一半，从而实现了既降低压敏电阻的体积和成本，又提高了压敏电阻的防雷寿命之优点。这里的防雷电路还串入了限流电感(空心电感L1、L2、L3均为限流电感)，而常规防雷电路通常采用压敏电阻RV1、RV2，(或和放电管的组合)，没有第一限流电路4，万伏的雷压未经任何缓冲就直接加在压敏电阻RV1，或压敏电阻RV2，或压敏电阻RV3上，(放电管导通时的两端电压很低，一般在10V-30V之间，而压敏电阻的吸收电压则是标称电压的1.3－2倍，通过的电流越大电压越高)，雷击的能量就会变得高度集中，压敏电阻RV1、或RV2、或RV3极易因瞬时能量过大而损坏。本发明是在压敏电阻中串入限流电感，情况就大不相同了，它能把雷能的时间大大拉长，使雷能的瞬时电流大大减少，从而使同样规格的压敏电阻，防雷次数大幅度提升，进而延长了压敏电阻的使用寿命。本发明选用空心电感的好处是：一是在大电流下不饱和，限流线性好，二是内阻可忽略，不影响电源的工作效率。所以第一级的Y型接法是本发明的重要特征，而空心电感的串入，是本发明的最重要的特征之一。

在本实施例中，第二保护电路2，包括压敏电阻RV4，压敏电阻RV4跨接在火线和零线之间，浪涌电流通过压敏电阻RV4吸收。第二保护电路2是对第一保护电路1在差模浪涌的增强防护。同时在第一保护电路1和第二保护电路2之间的主电路上设有第二限流电路5，包括空心电感L3，空心电感L3一般接在火线上，其作用和空心电感L1、L2的作用相同，起到限流作用，在雷击或浪涌冲击时，可平滑雷击或浪涌冲击曲线，降低通过压敏电阻RV4的雷击、浪涌冲击电流，延长了压敏电阻RV4的使用寿命。

在本实施例中，通过第二保护电路2和第二限流电路的组合，可降低压敏电阻RV4功率要求，可采用470V/14D的压敏电阻。在同等条件下，常规防雷电路，由于没有限流电路，压敏电阻RV4受雷击冲击大，通常需要470V/20D以上更大功率的压敏电阻，体积大，成本高，防雷次数不易提高。

在本实施例中，第三保护电路3，包括桥式整流器D1、电解电容C1、电阻R1、电阻R2和抑制二极管DB1。其中，桥式整流器D1的一对输入端跨接在主线路的火线L和零线N上；电解电容C1跨接在桥式整流器D1的一对输出端上，电解电容C1的正极和桥式整流器D1的正向输出端连接，电解电容C1的负极和桥式整流器D1的负向输出端连接；电阻R1、R2串联后和电解电容C1并联，电阻R2和电解电容C1的正极连接，电阻R1和电解电容C1的负极连接；抑制二极管DB1和电阻R1并联。电阻R1、电阻R2和抑制二极管DB1组成泄放电路。在其它实施例中，电阻R1可直接和电解电容C1并联，电阻R2和抑制二极管DB1串联后和电解电容C1并联，电阻R2是限流电阻。

电解电容C1，具有大的电容值，从而具有很强的浪涌抑制能力，采用较大容量的电解电容来吸收雷击残压，和连续吸收普通的电网浪涌，为本发明的另一重要特征。在正常工作电压下，电解电容C1处于持续小电流充放电状态(通过电阻R1放电)，电解电容C1的电压和主线路的工作电压的峰值电压保持同步。

当AC供电电网中并接有像冲击钻、电焊机这种有电流突变的电器设备时，电力变压器会产生相应的连续的尖峰电压，即浪涌，其尖峰电压大大高于正常工作电压，无箝位电路时通常有1kV左右，而电解电容C1的加入，浪涌电压通常会箝位在500V以下，且第一级和第二的防雷基本无需工作，有效保护的压敏电阻的使用寿命。即主线路通过桥式整流器D1给电解电容C1充电，电容有抑制电压突变的效果，尖峰电压转化为给电容充电的尖峰电流，电解电容C1将迅速充电蓄能，从而抑制主线路的电压波动，电容量越大，蓄能和浪涌抑制的能力越强。由于电解电容C1是通过桥式整流器D1连接到火线L和零线N上的，电解电容C1在充电蓄能后电压升高，同时通过泄放电路进行能量释放。当电解电容C1的电压高于正常工作电压的峰值，需要通过泄放电路进行能量释放，并将电解电容C1的电压恢复到正常工作电压的峰值。当作用于抑制二极管DB1的电压低于其击穿电压时，抑制二极管DB1处于高阻状态，电解电容C1通过串联的电阻R1和电阻R2进行小电流泄放，形成漏电流，保持电解电容C1的电压和主线路工作电压的动态平衡；当作用于抑制二极管DB1的电压达到其击穿电压时，抑制二极管DB1能迅速齐纳击穿，由高阻状态变为低阻状态，对浪涌电压进行分流和箝位，从而对火线L和零线N的输出电压进行箝位，从而保护电解电容C1和连接于主线路后级的设备不会因长时间过电压冲击而损坏。当浪涌通过后，抑制二极管DB1恢复高阻状态，电解电容C1通过电阻R1继续小电流放电，直至电解电容C1的电压和电源电压的峰值下保持一个动态平衡。通过电解电容C1和抑制二极管DB1的组合应用，可对浪涌电流进行快速吸收和泄放，抑制二极管DB1提升电解电容C1对浪涌电流的反复快速吸收和泄放能力，同时将正常工作电压下的漏电流控制在相应规范之内。

在本实施例中，电解电容C1选用22μF/500V的电解电容，电容的容量可根据CU＝It这个公式进行估算，C是电容值(μF)，U是电容吸收浪涌时升高的电压差值(V)，I是经第一级第二级防雷限流限压后，可能的最大残流(A)，t是残流持续的最大时间(秒)。电解电容C1耐压高于抑制二极管的击穿电压，以保证电解电容C1的充电电压在其耐压范围之内，以保证电解电容C1的使用寿命；桥式整流器D1可以是集成器件或分立器件的桥式整流器；抑制二极管DB1采用单向或双向抑制二极管都可满足应用要求。

在本实施例中，还设有保险丝F1，保险丝F1串联在火线L上，且设置在电路输入方向的最前端。

本防雷防浪涌电路应用于户外LED灯电源保护，其工作原理：

(1)当火线L和零线N输入的为正常交流电源时，作用于压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4两端的电压小于其保护阈值，压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4呈现高阻态，其所在电路可视为断路，空心电感L1、L2体现为低阻状态，第三保护电路3的电解电容C1的电压和电源电压的峰值下保持一个动态平衡，电解电容C1上的电压小于抑制二极管DB1的击穿电压，电解电容C1通过电阻R1、R2进行小电流泄放，形成漏电流。电源电压大部分作用于负载的LED灯，LED灯正常工作。

(2)当因雷电天气等因素影响，输入的电压、电流激增，当电压超过压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4的保护阈值，压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4的阻值迅速减小，对输入电压进行箝位，同时流过压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4的电流也突然增大，而串接在压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4前的空心电感L1、L2、L3可以有效抑制电流的增大，降低通过压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4的瞬态电流。由于压敏电阻的特性，当雷击电涌通过第一保护电路1、第二保护电路2后仍然具有较高的残压，这时通过第三保护电路3进行进一步的抑制，通过电解电容C1和抑制二极管DB1的组合对浪涌电流进行快速吸收和泄放。进而输出安全的电源电压给LED灯电源，保证LED电源的正常工作。

(3)因工作环境影响，如电源线路上并联有冲击钻、电焊机这种有电流突变的电器设备时，电源上会有连续的尖峰电压(浪涌)产生，这种浪涌一般电压不高，会直接作用于第三保护电路3，在浪涌来临时，通过电解电容C1和抑制二极管DB1的组合可对连续的浪涌电流进行连续的快速吸收和泄放。进而输出安全的电源电压给LED灯电源，保证LED电源的正常工作。

所以除了Y型接法之外，限流空心电感L1、L2、L3和电解电容C1的巧妙应用是本发明的最重要的两个特征。电解电容不仅能抑制浪涌电压，而且是无缝抑制(无时差)，无突变电压、无误差电压(普通压敏电阻、放电管的误差电压都特别大)，电解电容C1是很好的防雷之补充，和最好的防电网各种浪涌之核心。电解电容C1是通过第三保护电路3，将雷击的残压和电网的浪涌电压进行快速的吸收和泄放，使电源经过本电路后的输出电压更稳定。通过电解电容C1的储能和泄放，特别是通过抑制二极管DB1进行箝位和快速泄放，使其具备对连续浪涌的防护能力；更优选的，通过两级限流电路，降低瞬态通过第一保护电路、第二保护电路的电流，提升了整个防雷防浪涌电路的使用寿命，为连接于本电路后端的电子设备提供长时间的安全的工作环境，为电子设备的可靠性提供了保障。本电路通过采用防护等级较低的保护器件即可实现高的防护等级，同时延长其使用寿命；本电路降低了设备的防雷防浪涌的成本，具有明显的现实意义。

本实施例的一具体应用电路的器件清单：

名称	位号	规格
			压敏电阻	RV1、RV2、RV3	330V/14D
压敏电阻	RV4	470V/14D
			空心电感	L1、L2、L3
桥式整流器	D1	2A/1000V
			电解电容	C1	22μF/500V
抑制二极管	DB1	P4KE400A
			电阻	R1	470Ω
电阻	R2	470KΩ

本防雷防浪涌电路应用于220V市电电压，具有12KV的防雷能力和连续防浪涌能力，其中的压敏电阻RV1、RV2、RV3和RV4优选一次浪涌电流为5000A/6000A的压敏电阻，即芯片直径为14mm(14D)的压敏电阻,也可选择一次浪涌电流为10000A的压敏电阻，及芯片直径为20mm(20D)的压敏电阻，以使该防雷防浪涌电路具有更长的使用寿命。

电解电容C1选用22μF/500V的电容，本领域技术人员可根据防雷防浪涌等级选用不同电容量的电解电容，以满足不同浪涌抑制能力的要求。

抑制二极管DB1的击穿电压需高于正常工作电压范围内的最大峰值电压，优选10/1000μs波脉冲功率为400W或600W、击穿电压为380V或400V的产品，如P4KE380A、P4KE400A、P6KE380A或P6KE400A等,此时抑制二极管DB1的脉冲峰值电流约为1A。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种防雷防浪涌电路，包括跨接于电源的火线和零线之间的：

防雷电路，用于抑制雷击高压；

和防浪涌电路，设置于防雷电路之后，用于抑制连续浪涌，和进一步抑制雷击残压；

其特征在于：

所述防浪涌电路，包括桥式整流器和消波电路，所述桥式整流器的输入跨接于电源两端，所述消波电路跨接在桥式整流器的输出端，用于提供快速储能及泄放功能。

2.如权利要求1所述的防雷防浪涌电路，其特征在于：所述消波电路包括电解电容、第一电阻、抑制二极管，电解电容的正极和桥式整流器的正向输出端连接，电解电容的负极和桥式整流器的负向输出端连接；所述第一电阻、抑制二极管和电解电容并联。

3.如权利要求2所述的防雷防浪涌电路，其特征在于：所述消波电路还包括第二电阻，第二电阻和抑制二极管串联。

4.如权利要求1所述的防雷防浪涌电路，其特征在于：所述防雷电路包括第一保护电路，所述第一保护电路包括第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻成Y型连接，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻的另一端分别连接到火线、零线和地线。

5.如权利要求4所述的防雷防浪涌电路，其特征在于：所述第一保护电路前还设置有第一限流电路。

6.如权利要求5所述的防雷防浪涌电路，其特征在于：所述第一限流电路包括第一空心电感和第二空心电感，所述第一空心电感和第二空心电感分别设置在火线和零线上。

7.如权利要求4所述的防雷防浪涌电路，其特征在于：所述防雷电路还包括第二保护电路，所述第二保护电路设置于第一保护电路之后，包括第四压敏电阻，所述第四压敏电阻的两端分别连接到火线和零线上。

8.如权利要求7所述的防雷防浪涌电路，其特征在于：所述第一保护电路和第二保护电路之间还设置有第二限流电路。

9.如权利要求8所述的防雷防浪涌电路，其特征在于：所述第二限流电路包括第三空心电感，所述第三空心电感设置在火线上。

10.一种防雷防浪涌电路，包括跨接于电源的火线和零线之间的：

防雷电路，用于抑制雷击高压；

和防浪涌电路，设置于防雷电路之后，用于抑制连续浪涌，和进一步抑制雷击残压；

其特征在于：

所述防雷电路包括第一保护电路和第一限流电路，所述第一保护电路包括第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻成Y型连接，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻的另一端分别连接到火线、零线和地线；

所述第一保护电路前还设置有第一限流电路，所述第一限流电路包括第一空心电感和第二空心电感，所述第一空心电感和第二空心电感分别设置在火线和零线上。