CN213817234U - 一种ac220v设备接到ac380v的保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种AC220V设备接到AC380V的保护电路,包括电路输入单元、后续电路,电路输入单元包括整流输入电压的阳极和整流输入电压的阴极,后续电路接入电路输入单元,还包括过压保护单元,所述过压保护单元与后续电路并联接入电路输入单元。本发明电路在供电电压异常升高时,能够快速切断后接电源设备的供电,而在供电正常的时候能够无失真地接通后续电源电路的供电。
Description
技术领域
本发明涉及电压保护电路,具体的说是一种AC220V设备接到AC380V的保护电路。
背景技术
随着物联网技术的普及,各种各样的智能控制器得到普遍应用,但是,在一些小规模的配电控制系统改造和楼宇控制系统的调试阶段,由于施工缺陷,特别是在3相4线的空开接线或者使用过程中时,出现地线忘接或接触不好,从而导致物联网控制器的单相AC220意外升高,引起控制器内部的供电电源发生过压损坏,无法完成对配电系统的检测和保护。
正常情况下,用电器A、B、物联网控制器C的供电电压都是额定单相220V,如果供电回路的导线接触不好或断开,实际电路中,物联网控制器的功率远小于用电器A、B的功率,也就是电源内部的等效阻抗远大于用电器A、B的阻抗,3相供电线与线之间的电压是AC380V,此时,控制器两端的电压会高于正常的AC220V,甚至于会达到接近AC380V,如果,控制器内部的开关电源不能承受高压输入,就会导致控制器损坏。
发明内容
为了解决上述技术问题本发明提出一种AC220V设备接到AC380V的保护电路,以解决供电电压异常升高时,能够快速切断后接电源设备的供电,而在供电正常的时候能够无失真地接通后续电源电路的供电。
本发明一种AC220V设备接到AC380V的保护电路,包括电路输入单元、后续电路,电路输入单元包括整流输入电压的阳极和整流输入电压的阴极,后续电路接入电路输入单元。还包括过压保护单元,所述过压保护单元与后续电路并联接入电路输入单元。
较佳地,所述电路输入单元为半波整流电路或桥式整流电路。
较佳地,所述过压保护单元包括过压检测电路和主开关电路。
所述过压检测电路由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成。
双向瞬态电压抑制二极管V1一端与整流输入电压的阳极相连,双向瞬态电压抑制二极管V1的另一端与电阻R1的上端相连,电阻R1的另一端与低压小电流的场效应管V3的栅极g相连;在场效应管V3的栅极g与源极s之间并联有稳压二极管V2、泄放电阻R2、延时电容C1;泄放电阻R2、延时电容C1的上端和稳压二极管V2的阴极均与场效应管V3的栅极相连,泄放电阻R2、延时电容C1的另一端和稳压二极管V2的阳极均与场效应管V3的源极相连,且与整流输入电压的阴极连接。
主开关电路由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、抗干扰电容C2组成。
偏置电阻R3的一端连接整流输入电压的阳极,偏置电阻R3的另一端连接到场效应管V3的漏极d,同时也连接到稳压管V4的阴极、抗干扰电容C2的一端、主开关管V5的栅极g;稳压管V4的阳极连接到抗干扰电容器C2的另一端,同时也连接到主开关管V5的源极s,主开关管V5的源极与整流输入电压的阴极连接;主开关管V5的漏极d则连接到过压保护电路的后续电路的低电位。
较佳地,所述稳压二极管V2的稳压值为15V,用来保证其上的电压不超过场效应管V3的栅极安全电压。
所述泄放电阻R2是一个高阻值电阻,在供电正常时保证稳压二极管V2的栅极电压为低电平,而在输入过电压时不影响场效应管V3的栅压;延时电容C1是抗干扰电容,电容的数值也决定了过电压保护动作的时间延迟,为了保证过压响应速度,延时电容C1的取值应比较小。
所述稳压管V4的作用也是对主开关管的栅极电压进行钳位,稳压值为15V;抗干扰电容器C2和偏置电阻R3决定了第二级场效应管的导通延时,电容器C2的容量一般要大于延时电容C1的容量。
较佳地,额定交流输入电压是AC220V(市电可以允许的最高电压为AC260V),这样整流后的电压峰值约为367V,因此,可以使用额定击穿电压400V(1mA)的商用TVS为V1,保证正常情况下V1不会击穿导通,过压电路不会动作;如果,电源输入交流电压意外升高,甚至达到AC380V或更高,V1就会击穿导通,过压保护电路会起作用;电阻R1选1MΩ,泄放电阻R2选择2MΩ,偏置电阻R3选择2MΩ;延时电容C1选0.01uF,抗干扰电容C2选0.1uF;场效应管V3选40V1A的小功率管,V5是主开关管,V5的耐电压、电流要能够承受电路的最高输入电压和流过的最大电流(与负载功率有关),选耐压600V以上电流5A以上的开关管,该耐压值可以保证交流过压达AC420V。稳压二极管V2、稳压管V4选15V的稳压管。
较佳地,在过电压保护单元起作用后,如果过电压消失,延时电容C1上电荷经过几十ms的延时释放,场效应管V3截止,主开关管V5恢复导通,过压保护单元后续电路得电正常工作。
作为本发明的替代方案,采用二极管与稳压管串联或者单相TVS来代替双向瞬态电压抑制二极管V1。可以采用IGBT(绝缘栅双极性晶体管)来充当主开关V5的电路,IGBT的耐压和耐电流更好,成本也低。
有益效果:本发明采用了两级保护电路,第一级由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成的过压检测电路,第二级由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、抗干扰电容C2组成的主开关电路。本发明电路在供电电压异常升高时,能够快速切断后接电源设备的供电,而在供电正常的时候能够无失真地接通后续电源电路的供电。
附图说明
图1为本发明AC220V设备接到AC380V的保护电路示意图;
图2为使用可控硅作为主开关V5的过压保护电路示意图(波形会失真);
图3场效应管V5主开关的正常工作波形(左:半波,右:桥式);
图4可控硅V5做主开关的正常工作波形(左:半波,右:桥式);
图5场效应管V5做主开关的过压突加保护波形(左:半波,右:桥式);
图6 场效应管V5做主开关的中途过压保护波形(左:半波,右:桥式);
图7场效应管V5做主开关的过压保护后恢复波形(左:半波,右:桥式)。
具体实施方式
实施例1:如图1所示,一种AC220V设备接到AC380V的保护电路,包括电路输入单元、后续电路,电路输入单元包括整流输入电压的阳极和整流输入电压的阴极,后续电路接入电路输入单元。还包括过压保护单元,所述过压保护单元与后续电路并联接入电路输入单元。
较佳地,所述电路输入单元为半波整流电路或桥式整流电路。
较佳地,所述过压保护单元包括过压检测电路和主开关电路。
所述过压检测电路由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成。
双向瞬态电压抑制二极管V1一端与整流输入电压的阳极相连,双向瞬态电压抑制二极管V1的另一端与电阻R1的上端相连,电阻R1的另一端与低压小电流的场效应管V3的栅极g相连;在场效应管V3的栅极g与源极s之间并联有稳压二极管V2、泄放电阻R2、延时电容C1;泄放电阻R2、延时电容C1的上端和稳压二极管V2的阴极均与场效应管V3的栅极相连,泄放电阻R2、延时电容C1的另一端和稳压二极管V2的阳极均与场效应管V3的源极相连,且与整流输入电压的阴极连接。
主开关电路由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、电容C2组成。
偏置电阻R3的一端连接整流输入电压的阳极,偏置电阻R3的另一端连接到场效应管V3的漏极d,同时也连接到稳压管V4的阴极、电容C2的一端、主开关管V5的栅极g;稳压管V4的阳极连接到电容器C2的另一端,同时也连接到主开关管V5的源极s,主开关管V5的源极与整流输入电压的阴极连接;主开关管V5的漏极d则连接到过压保护电路的后续电路的低电位。
较佳地,所述稳压二极管V2的稳压值为15V,用来保证其上的电压不超过场效应管V3的栅极安全电压。
所述泄放电阻R2是一个高阻值电阻,在供电正常时保证稳压二极管V2的栅极电压为低电平,而在输入过电压时不影响场效应管V3的栅压;延时电容C1是抗干扰电容,电容的数值也决定了过电压保护动作的时间延迟,为了保证过压响应速度,延时电容C1的取值应比较小。
所述稳压管V4的作用也是对主开关管的栅极电压进行钳位,稳压值为15V;电容器C2和偏置电阻R3决定了第二级场效应管的导通延时,抗干扰电容器C2大于延时电容C1的值。
较佳地,额定交流输入电压是AC220V(市电可以允许的最高电压为AC260V),这样整流后的电压峰值约为367V,因此,可以使用额定击穿电压400V(1mA)的商用TVS为V1,保证正常情况下V1不会击穿导通,过压电路不会动作;如果,电源输入交流电压意外升高,甚至达到AC380V或更高,V1就会击穿导通,过压保护电路会起作用;电阻R1选1MΩ,泄放电阻R2选择2MΩ,偏置电阻R3选择2MΩ;延时电容C1选0.01uF,抗干扰电容C2选0.1uF;场效应管V3选40V1A的小功率管,V5是主开关管,V5的耐电压、电流要能够承受电路的最高输入电压和流过的最大电流(与负载功率有关),选耐压600V以上电流5A以上的开关管,该耐压值可以保证交流过压达AC420V。稳压二极管V2、稳压管V4选15V的稳压管。
较佳地,在过电压保护单元起作用后,如果过电压消失,延时电容C1上电荷经过几十ms的延时释放,场效应管V3截止,主开关管V5恢复导通,过压保护单元后续电路得电正常工作。
作为本发明的替代方案,采用二极管串联稳压管或者单相TVS来代替双向瞬态电压抑制二极管V1。采用可控硅SCR来充当主开关V5的电路。
本发明采用了两级保护电路,第一级由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成的过压检测电路,第二级由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、电容C2组成的主开关电路。在输入电压处于正常范围内,直流电压的峰值小于双向瞬态电压抑制二极管V1的击穿电压,第一级电路不工作,只考虑第二级电路的工作状态。
当整流器输出电压的峰值超过双向瞬态电压抑制二极管TVS的动作电压时,V1导通,流过R1的电流给C1充电,V3快速导通;而此时电容C2上的电压才刚刚变化了一点点,随着V3的导通,C2的两端被V3的d、s短路,C2上的电荷被瞬时释放,主开关V5维持截止状态或立即进入截止状态,实现了过压保护,此时过压保护电路前面和后面完全脱离,后接的电路电压保持为零,或者电容C3上的电压慢慢泄放到零。从而完成过压保护。
在过电压保护电路起作用后,如果过电压消失,电容器C1上电荷经过几十ms的延时释放,V3截止,V5恢复导通,过压保护电路后续电路又得电正常工作。
由过压检测电路和主开关电路完成过电压保护和正常无失真的功能。
实施例2:如图1所示,
本发明整个过电压保护电路如图1中的虚线框内,电路的输入可以是简单的半波整流,也可以是标准的桥式整流电路。虚线框内可以分为两级,第一级是由V1、V2、V3、R1、R2、C1组成的过压检测电路,第二级是由V4、V5、R3、C2组成的主开关电路。
双向瞬态电压抑制二极管V1(TVS)一端与整流输入的“+”相连,V1的另一端与电阻R1的上端相连,R1的另一端与低压小电流的场效应管V3的栅极(g)相连;在V3的栅极(g)与源极(s)之间并联有稳压二极管V2、泄放电阻R2、延时电容C1;V2的稳压值推荐为15V,用来保证其上的电压不超过场效应管V3的栅极安全电压;电阻R2是一个高阻值电阻,在供电正常时保证V2的栅极电压为低电平,而在输入过电压时几乎不影响V3的栅压;电容器C1是抗干扰电容,电容的数值也决定了过电压保护动作的时间延迟,为了保证过压响应速度,C1的取值应比较小。R2、C1的上端和V2的阴极均与V3的栅极相连,R2、C1的另一端和V2的阳极均与V3的源极相连,且与输入电压的“-”端连接。
接下来第二级偏置电阻R3的一端连接输入电压的“+”,R3的另一端连接到V3的漏极(d),同时也连接到稳压管V4的阴极、电容C2的一端、主开关管V5的栅极(g);稳压管V4的阳极连接到电容器C2的另一端,同时也连接到开关管V5的源极(s),V5的源极还要与输入电源的“-”;而V5的漏极(d)则供连接到过压保护电路的后续电路的低电位,在图1中以电容C3、电阻R5代替后续电路。
稳压管V4的作用也是对主开关管的栅极电压进行钳位,推荐稳压值也为15V;电容器C2和偏置电阻R3决定了第二级场效应管的导通延时,一般我们要求第二级的延时要明显大于第一级的延时,也就是C2要明显大于C1的值。
本发明电路的工作原理如下:
保护电路的过电压值由双向瞬态电压抑制二极管V1的击穿电压确定,假设正常工作时的额定交流输入电压是AC220V,考虑最高电压允许AC260V,则整流后的电压峰值约为367V,因此,可以选择额定击穿电压400V(1mA)的商用TVS为V1。为了降低整个保护电路的功耗,电阻R1可以选1MΩ,电阻R2可以选择2MΩ,电阻R3可以选择2MΩ;电容C1选0.01uF,电容C2选0.1uF;场效应管V3选40V1A的小功率管,V5是主开关管,后续电路的电流全部流过它,因此,V5的电压、电流要能够承受电路的最高输入电压和流过的最大电流,推荐选600V以上电流5A以上的管子。稳压管V2、V4选15V的稳压管即可。
正常工作:
在输入电压处于正常范围内,直流电压的峰值小于TVS的击穿电压,第一级电路不工作,只考虑第二级电路的工作状态。在额定输入电压AC220V时,输入整流电压(半波或桥式整流)的峰值为310V,V5的导通门限约为5V左右,此时流过限流电阻R3的最大充电电流约:300V/2M=0.15mA,那么C2的充电到5V的最短时间t2=0.1u×5V/0.15m=3.3ms。实际上,整流电压是一个半正弦波,充电电流会小于0.15mA,充电时间会超过3.3ms,最长约10ms(参见附图 2、3)。此时,场效应管V5完成导通,后接的大容量的滤波电容C3和开关电源进入工作模式。
在V5导通后,半波或桥式整流器后面电压有大容量的电容器维持,会逐步达到一个有一定纹波电压的直流电压,这样,电容器C2的充电过程会继续进行,直到达到V4的稳压值(15V),过压保护电路处于持续导通状态,实现了整流器与滤波电容的无损连接,保证了整流电压的无失真传输。场效应管做主开关的正常工作波形参见附图3,左边是半波整流,右边是桥式整流电路,试验中TVS的击穿电压为200V。
如图2也有采用可控硅(SCR)来充当主开关V5的电路,该电路的工作状况不如人意。主要是由于SCR是电流型控制器件,控制极(g)和阴极(k)之间的输入阻抗低,电流越大的器件阻抗越低,甚至会小到几十欧,这样为了保证可靠触发SCR就要相应降低电阻R3的阻值来增加触发电流,导致R3的功耗会显著加大;另外,如果SCR中的电流没有超过其本身的维持电流,如果触发消失就会导致刚刚导通的SCR又恢复到截止状态。从波形(图4)上看到过压保护开关电路的前、后电压波形不一致,也就是说这个开关不能保证电压的无失真传输。由于R3阻值减小,电容器C2的容量就要加大大增加,才能满足第二级的延时合适;以1A的SCR为例,R3可以取200K,C2要取到22uF才可以,再大电流的SCR阻值和容量要做更大的调整。图4表示SCR开关在半波(左边)、桥式整流(右边)情况下的工作波形。
过压保护工作过程如下:
当整流器输出电压的峰值超过TVS的动作电压时,V1导通,流过R1(1MΩ)的电流给C1(0.01uF)充电,假设输入电压峰值达到510V(AC380V的峰值),最大充电电流为(510-400)/1M=0.11mA,场效应管V3的导通门槛电压约为2V,则C1充电到2V的时间为:t1=(0.01u×2)/0.11m=0.18ms。可以看到t1比t2短多了,也就是在过电压出现约0.18ms时,V3就快速导通;而此时电容C2上的电压才刚刚变化了一点点,随着V3的导通,C2的两端被V3的d、s短路,C2上的电荷被瞬时释放,主开关V5维持截止状态或立即进入截止状态,实现了过压保护,此时过压保护电路前面和后面完全脱离,后接的电路电压保持为零,或者电容C3上的电压慢慢泄放到零。随后,C1上电压会继续上升,最后的电压由R1、R2、V2确定,试验中的电压约为7V。
在开关前后脱离的情况下,整流器输出电压是间隔的半个正弦波(半波整流)或连续的半正弦波(桥式整流),要持续保持V3处于导通、主开关处于截止状态是电路可靠工作的关键。这就要限制在输入整流电压下降或者为零(半波)的半个周期(10ms)内,C1的电压能够维持V3导通就行。我们使用双向TVS作为V1,就是保证V1中只有定向的充电电流而没有放电电流,当然我们也可以使用二极管串联稳压管或者单相TVS来代替双向TVS来达到这个目的,也就是在整流电压下降到TVS击穿电压后,R1、V1不参与C1的充电、放电过程,此时只有并联在C1上的R2会短暂消耗C1中的电荷。
C1电压由7V降低到2V需要的时间可以简单得出:R2、C1的时间常数为t3=2M×0.01u=20ms,该时间已经超过了输入交流电压的半个周期(10ms),因此,即使是半波整流,过压保护电路仍然能够可靠地维持在保护隔离状态,不会出现一会儿通、一会儿断的现象。
图5是场效应管做主开关的过电压突加实验时的波形,左边是半波整流、右边是桥式整流过电压压保护波形,试验中TVS的击穿电压为200V。
图6是场效应管做主开关的中途突加过电压实验时的波形,左边是半波整流、右边是桥式整流过电压压保护波形,试验中TVS的击穿电压为200V。
在过电压保护电路起作用后,如果过电压消失,电容器C1上电荷经过几十ms的延时释放,V3截止,V5恢复导通,过压保护电路后续电路又得电正常工作。这个就是本发明完整的无失真的过电压保护电路的工作原理。
图7是场效应管做主开关的过电压消失恢复正常供电时的波形,左边是半波整流、右边是桥式整流恢复工作波形,恢复响应的时间约200ms,试验中TVS的击穿电压为200V。
实验波形:
试验电路参照图1来进行,整流电路分别采用常用的半波整流和桥式整流电路,图3、5、6、7采用场效应管做主开关来进行;图4对比采用了可控硅作为主开关,并调整了R3、C2数值来进行,可以发现正常工作的时候,开关前后的波形不一致。
实验波形采用相互隔离4通道的示波器进行观察记录并用U盘拷贝波形数据,试验电路中TVS的击穿电压为200V,输入交流电压由调压器模拟产生正常、过电压交流输入。
通道A(红色)是输入整流电压,100V/div;
通道B(蓝色)是保护电路的输出电压,100V/div;
通道C(黑色)是过压检测管V3的栅极电压,5V/div;
通道D(绿色)是主开关V5栅极电压,10V/div。
Claims (5)
1.一种AC220V设备接到AC380V的保护电路,包括电路输入单元、后续电路,电路输入单元包括整流输入电压的阳极和整流输入电压的阴极,后续电路接入电路输入单元,其特征在于:还包括过压保护单元,所述过压保护单元与后续电路并联接入电路输入单元。
2.根据权利要求1所述的AC220V设备接到AC380V的保护电路,其特征在于:所述电路输入单元为半波整流电路或桥式整流电路。
3.根据权利要求1所述的AC220V设备接到AC380V的保护电路,其特征在于:所述过压保护单元包括过压检测电路和主开关电路;
所述过压检测电路由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成;
双向瞬态电压抑制二极管V1一端与整流输入电压的阳极相连,双向瞬态电压抑制二极管V1的另一端与电阻R1的上端相连,电阻R1的另一端与低压小电流的场效应管V3的栅极g相连;在场效应管V3的栅极g与源极s之间并联有稳压二极管V2、泄放电阻R2、延时电容C1;泄放电阻R2、延时电容C1的上端和稳压二极管V2的阴极均与场效应管V3的栅极相连,泄放电阻R2、延时电容C1的另一端和稳压二极管V2的阳极均与场效应管V3的源极相连,且与整流输入电压的阴极连接;
主开关电路由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、抗干扰电容C2组成;
偏置电阻R3的一端连接整流输入电压的阳极,偏置电阻R3的另一端连接到场效应管V3的漏极d,同时也连接到稳压管V4的阴极、抗干扰电容C2的一端、主开关管V5的栅极g;稳压管V4的阳极连接到抗干扰电容器C2的另一端,同时也连接到主开关管V5的源极s,主开关管V5的源极与整流输入电压的阴极连接;主开关管V5的漏极d则连接到过压保护电路的后续电路的低电位。
4.根据权利要求3所述的AC220V设备接到AC380V的保护电路,其特征在于:采用二极管与稳压管串联或者单相TVS可以来代替双向瞬态电压抑制二极管V1。
5.根据权利要求3所述的AC220V设备接到AC380V的保护电路,其特征在于:可以采用绝缘栅双极性晶体管IGBT来充当主开关V5的电路。
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Legal Events
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GR01 | Patent grant | ||
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