NO327950B1 - Beskyttelse mot overspenningsspisser - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og et apparat for å beskytte elektrisk utstyr mot interferens, spesielt overspenningsspisser som opptrer i utstyret.

Overspenningsspisser er enkelte, ekstremt hurtige spenningsspisser, hvis maksimale størrelse kan overskride 500 volt, og hvis varighet kan være i størrelse 1-5 \ is. Slike enkeltspenningsspisser inneholder mye energi, noe som fører til at en interferensspiss kan ødelegge den aktuelle innretningen. Svitsjer som ulike innretninger er utstyrt med, er særlig utsatt for ødeleggelse.

Ulempen beskrevet ovenfor opptrer spesielt i felteffekttransistorer, som ofte benyttes som svitsjer i dimmeranvendelser. 1 dette tilfellet er forsyningsspenningen eller en tilsvarende AC-spenning forbundet til én side av

felteffekttransistorsvitsjeenheten, og tilsvarende er lasten forbundet til den andre siden av felteffekttransistorsvitsjeenheten. I dette henseende henviser vi til f.eks. finsk patentsøknad 945,095. Laststrøm går i en kanal mellom dren og kilde i én eller flere felteffekttransistorer, og nevnte kanal reguleres til ledende/ikke-ledende tilstand, dvs. til på-/av-posisjoner periodisk under halvperioden for AC-spenningen ved hjelp av en kontrollspenning anordnet på felteffekttransistorgitteret. Fra tid til annen kan dimmeren motta overspenningsspisser av den ovenfor beskrevne typen fra det elektriske nettverket. Overspenningsspisser opptrer også når en fluorescerende lampe slås av. Dersom overspenningsspissen er tilstrekkelig sterk, ødelegges felteffekttransistorsvitsjeenheten.

Publikasjonen JP 5276650 viser en krets for å beskytte et halvlederbryterelement mot overspenninger, hvor kretsen omfatter en seriekrets med en motstand og en FET-transistor, som er koblet i parallell med en kondensator for å absorbere en overspenning. Når spenningen over kondensatoren stiger til et bestemt nivå slås FET-transistoren på for å utlade kondensatoren gjennom motstanden. Når spenningen faller til under et bestemt nivå slås FET-transistoren av igjen..

Felteffekttransistorer, FET'er, benyttes i dag generelt i mange ulike svitsjeanvendelser. Strukturen for en felteffekttransistor er normalt slik at den inneholder et stort antall små felteffekttransistorkretser utført på én og samme halvlederbrikke, idet nevnte kretser er anordnet for å funksjonere sammen i parallell. Når felteffekttransistoren er realisert på denne måten, har dens svitsjeegenskaper og strømresistans blitt merkbart forbedret, sammenlignet med enkeltkrets-felteffekttransistorer.

Ulemper med de nevnte felteffekttransistorer er imidlertid plutselige, sterke overspenningsspisser, som felteffekttransistoren når de opptrer over en felteffekttransistor som er slått av, dvs. ikke-ledende. I prinsippet er ødeleggelsesmekanismen slik at sammenbrudd begynner med én felteffekttransistorkrets og sprer seg fra denne til de andre. I dette tilfellet blir spesielt nevnte punktlignende startsted ødelagt i felteffekttransistoren, hvoretter transistoren ikke funksjonerer på egnet måte lenger.

For tiden finnes det komponenter og kretsarrangementer hvorved en elektronisk krets eller komponent kan beskyttes mot overspenningsspisser. En slik metode, anvendt spesielt i forbindelse med svitsjer, er å svitsje en varistor over svitsjen for å eliminere overspenningsspissen. Et problem ved bruken av en varistor er imidlertid at den er en fysisk stor komponent, i hvilket tilfelle den ikke kan benyttes i små innretninger. Spesielt er bruken av en varistor problematisk f.eks. i forbindelse med dimmere, fordi de ofte plasseres i en liten boks, hvor bruken av en varistor er umulig.

Hensikten med oppfinnelsen er å introdusere en fremgangsmåte hvorved spesielt en felteffekttransistorsvitsjeenhet som tjener som en svitsj kan beskyttes mot overspenningsspisser. En annen hensikt med oppfinnelsen er å introdusere et enkelt apparat for å beskytte nevnte felteffekttransistorsvitsjeenhet.

En fremgangsmåte for beskyttelse i samsvar med oppfinnelsen er kjennetegnet ved det som fremgår av den karakteriserende del av det selvstendige krav 1. Et apparat i samsvar med oppfinnelsen er kjennetegnet ved det som fremgår av den karakteriserende del av det selvstendige krav 2. En foretrukket utførelsesform av apparatet fremgår av det uselvstendige krav 3.

En fordel med oppfinnelsen er at overspenningsspissen for

felteffekttransistorsvitsjeenheten kan realiseres på en enkel og gjennomførbar måte. Takket være oppfinnelsen er felteffekttransistorsvitsjeenheten pålitelig beskyttet mot overspenningsspisser, slik at f.eks. en felteffekttransistor benyttet i dimmeranvendelser ikke ødelegges som følge av en overspenningsspiss. Som resultat av beskyttelsen i samsvar med oppfinnelsen, kan en felteffekttransistor utstå flere hundre, selv tusener av slike tilfeldige overspenningsspisser.

En fordel med apparatet i samsvar med oppfinnelsen er at det kan realiseres ved hjelp av bare noen få elektroniske komponenter. En annen fordel er at det kan tilpasses på liten plass, og er således egnet til å benyttes spesielt i forbindelse med slike felteffekttransistorer som er anordnet f.eks. i en dimmer, som reguleringssvitsjer for AC-strømmen.

Oppfinnelsen beskrives nedenfor i henhold til de vedføyde tegninger, hvor:

fig. 1 er et blokkdiagram som illustrerer en svitsjeenhet og en beskyttelsesanordning i samsvar med oppfinnelsen,

fig. 2a illustrerer forekomsten av en overspenningsspiss i en likerettet forsyningsspenning,

fig. 2b illustrerer bølgemønstre for dimmer-lastspenningen,

fig. 2c illustrerer spenningen som ligger over svitsjeenheten,

fig. 3 illustrerer et kretsdiagram for svitsjeenheten realisert ved hjelp av en felteffekttransistor og en beskyttelsesanordning i samsvar med oppfinnelsen,

fig. 4 illustrerer en beskyttelsesanordning i samsvar med oppfinnelsen i effektregulatoren for en lyskilde, og

fig. 5 illustrerer kurveformen for forsyningsspenningen som mates inn i effektregulatoren i fig. 4.

Like nummer for like deler er benyttet i tegningene.

Fig. 1 er et blokkdiagram som illustrerer anordningen i samsvar med oppfinnelsen for å beskytte svitsjeenheten 11 mot overspenningsspisser. Svitsjeenheten 11 kan omfatte én eller flere felteffekttransistorer. AC-spenningen Uv tas fra lysnettet eller fra en tilsvarende AC-kilde og mates inn i en likeretter 14.1 dette tilfellet blir den likerettede AC-spenningen Uvt, fig- 2a, fremskaffet fra likeretteren 14, matet videre, her via svitsjeenheten 11, til lasten L. Ved hjelp av svitsjeenheten 11 blir AC-effekten for lasten L regulert. Lasten L er forbundet til lysnettet under halvperioden T/2 for forsyningsspenningen Uv ved et tidspunkt t (regnet fra begynnelsen av halvperioden) ved å svitsje svitsjeenheten 11 til ledende tilstand, idet nevnte tidspunkt t alltid finner sted desto tidligere (nærmere begynnelsen av halvperioden), jo større den ønskede AC-effekten matet inn til lasten L er, og tilsvarende koblet fra lysnettet ved enden av halvperioden, mens forsyningsspenningen er 0. Kurveformen for spenningen Ul som ligger over lasten L er illustrert i fig. 2b. Spenningen Uf som befinner seg over svitsjeenheten 11 er illustrert i fig 2c. Svitsjeenheten 11 er således ikke-ledende under periodene 0, t og T/2, T/2+t, og tilsvarende ledende under resten av halvperiodene, dvs. i periodene t, T/2 og T/2+t, T.

Dersom en overspenningsspiss opptrer i forsyningsspenningen Uv og videre i den likerettede forsyningsspenningen Uvt i løpet av tiden svitsjeenheten er ikke-ledende, dvs. under perioden 0, t og T/2, T/2+t (fig. 2b), ødelegger den svitsjen som svitsjeenheten 11 er utstyrt med. For å unngå dette, er det i koblingen i fig. 1 anordnet en overspenningsbeskyttelse i samsvar med oppfinnelsen. Den omfatter med fordel en annen svitsjeenhet, dvs. en beskyttelsessvitsjeenhet 12 koblet i parallell med svitsjeenheten 11, og ved hjelp av nevnte enhet 12 blir svitsjeenheten 11 passende beskyttet; dessuten en detekterings- og kontrollenhet 13 for å detektere overspenningsspisser og for videre å kontrollere beskyttelsessvitsjeenheten 12 koblet i parallell med svitsjeenheten 11 som sådan. I samsvar med en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, kan den samme detekterings- og kontrollenheten 13 også kontrollere svitsjeenheten 11 som sådan. Med fordel omfatter detekterings- og kontrollenheten 13 midler for å kontrollere spenningen Uf som ligger over svitsjeenheten og for å sende et kontrollsignal på grunnlag av størrelsen av spenningsforskjellen.

Fig. 3 illustrerer en overspenningsbeskyttelsesanordning for å beskytte felteffekttransistoren 1 la som tjener som en svitsj, mot overspenningsspisser. I denne foretrukne utførelsesformen omfatter svitsjeenheten 11 bare én felteffekttransistor 1 la, men det kan også være flere svitsjer koblet i serie og/eller i parallell. Forsyningsspenningen Uv eller en tilsvarende AC-strømkilde er koblet via en likeretter 14, slik som en diodelikeretter, til inngangspolen for felteffekttransistorsvitsjen lia. Svitsjen i beskyttelsessvitsjeinnretningen 12, som i denne foretrukne utførelsesformen er en tyristor 12a, er videre koblet over felteffektransistorsvitsjen 1 la, i foroverretning, fra dens inngangspol til dens utgangspol. Tilsvarende er detekterings- og kontrollenheten 13 for beskyttelsessvitsjen med fordel koblet inn mellom inngangs- og utgangspolene for felteffekttransistorsvitsjen lia.

Det er opplagt for en fagmann at dersom svitsjeenheten 11 omfatter mer enn én felteffekttransistor 1 la, er beskyttelsessvitsjeenheten 12 og detekterings- og kontrollenheten 13 koblet over alle de nevnte felteffekttransistorsvitsjer, slik at den første enden av dem er ved inngangspolen for den første felteffekttransistorsvitsjen, og den andre enden er ved utgangspolen for den siste felteffekttransistoren som tjener som en svitsj. Installeringen av beskyttelsessvitsjeenheten 12 og av detekterings- og kontrollenheten 13 i parallell med svitsjeenheten 11 som sådan kan også realiseres på annen måte enn det som er beskrevet ovenfor, forutsatt at den er egnet for de andre elementene i anordningen.

Med fordel omfatter detekterings- og kontrollenheten 13 minst to zenerdioder 13a og 13b, koblet i serie, og ledende i motsatte retninger. Nevnte dioder tjener som spenningsreferanser over svitsjeenheten 11. Når spenningsreferansen som utgjøres av zenerdioden 13a, 13b overskrides, overlates kontrollen til beskyttelsessvitsjeenheten 12, som øyeblikkelig svitsjer over til ledende tilstand. Beskyttelsesenheten kan f.eks. være en tyristor 12a, som reagerer raskt på et kontroll signal. En annen mulighet er å benytte f.eks. en triac, men for en fagmann er det opplagt at det også kan anvendes en hvilken som helst annen komponent som beskyttelsessvitsj, som ved sin funksjon er egnet til å erstatte tyristoren 12a beskrevet ovenfor som eksempel. Likeledes er det opplagt for en fagmann at antallet zenerdioder i overspenningsdetekterings- og kontrollenheten 13 ikke på noen måte er begrenset, men flere zenerdiodepar i samsvar med den ovenstående beskrivelsen kan kobles i serie dersom nødvendig. Fig. 3 illustrerer også en felteffekttransistorkontrollkrets 31, som ikke utgjør noen del av oppfinnelsen som sådan, og som ikke skal omtales videre i denne sammenheng.

La oss nå beskrive virkemåten for overspenningsbeskyttelsesanordningen nærmere i detalj, med henvisning til figurene 2a, 2c og 3. Når det inntreffer en sterk overspenningsspiss Uov i forsyningsspenningen Uv og videre i den likerettede forsyningsspenningen Uvt, og den opptrer ved et tidspunkt i

forsyningsspenningshalvperioden når felteffekttransistoren lia som tjener som

svitsjen er ikke-ledende, forårsaker overspenningsspissen en sterk spenningsøkning Uovi over svitsjeenheten 1 la som tjener som svitsj, og nevnte spiss detekteres i detekterings- og kontrollenheten 13. Dette betyr at spenningen ved det mellomliggende punktet P, dannet mellom de forbundne katodene for zenerdiodene 13a, 13b, stemmer overens med spenningsøkningen Uovi, og øker brått og overskrider den forhåndsbestemte terskelspenningsverdien Uk, som f.eks. er 400 V. Når terskel spenn i ngen Uk overskrides, sender detekterings- og kontrollenheten 13 et kon tro 11 sign al til beskyttelsessvitsjeenheten 12, som f.eks. er en tyristor 12a. Etter å ha mottatt kontrollsignalet, blir tyristoren 12a ledende, og leder således overspenningsspissen Uov direkte gjennom lasten L, som her er en lysinstallasjonsbelastning. Overspenningsspissen Uov ødelegger således ikke den ikke-ledende felteffekttransistoren lia i svitsjeenheten. Det påpekes at detekterings-og kontrollenheten 13 er anordnet for å virke svært raskt, og den er istand til å detektere raske overspenningsspisser, slik at det er tid til å lede overspenningsspissene via beskyttelsessvitsjeinnretningen 12 til lasten før den ødelegger felteffekttransistorsvitsjen 1 la som er raskere enn

beskyttelsesanordningen. Når overspenningsspissen har passert gjennom tyristoren 12a som tjener som beskyttelsessvitsj, er den ledende frem til det neste nullpunkt for strømmen, hvorved den igjen settes til ikke-ledende tilstand. Fig. 2c illustrerer spenningen Uf over svitsjeenheten 11, spesielt når overspenningsspissen Uov opptrer i en likerettet forsyningsspenning Uvt i samsvar med fig. 2a.

Fig. 4 illustrerer en fordelaktig anvendelse for en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen. Den aktuelle innretningen er en elektrisk effektregulator som kan benyttes f.eks. for å regulere lyseffekten for en lysinstallasjon. Nevnte elektroniske effektregulator er beskrevet i nærmere detalj f.eks. i finsk patentsøknad 964,021. Her konsentrerer vi oss hovedsakelig om svitsjeenheten i effektregulatoren, hvilken svitsjeenhet omfatter en felteffekttransistorsvitsjeenhet 41 og en tyristorsvitsjeenhet 42, koblet i parallell. I denne utførelsesformen er felttransistorsvitsjeenheten 41 dannet av to felteffekttransistorer 41a, 41b. Kildepolene for felteffekttransistorene 41a, 41b er koblet sammen, og drenpolene til inngangspolen for effektregulatoren, dvs. til forsyningsspenningsinngangsspolen (IN) og respektivt til utgangspolen, dvs. til lastforbindelsespolen (OUT) i samsvar med fig. 4. Tyristorsvitsjeenheten 42 omfatter to tyristorer 42a, 42b, som er koblet for å virke i motsatte retninger i samsvar med den ovenstående beskrivelsen, mellom inngangspolen (IN) og utgangspolen (OUT). I denne eksempelutførelsen er det på gitterne for tyristorene 42a, 42b, koblet to zenerdiodepar 43a, 43b, hvorved spenningen mellom inngangspolen (IN) og utgangspolen (OUT) måles, og som sammen med diodene Di, D2 og motstandene Ri, R2 utgjør spenningsdetekterings- og kontrollenheten 44. Det påpekes at det til denne svitsjeenheten mates direkte forsyningsspenning Uv eller en tilsvarende AC-spenning (fig. 5). Når referanse- eller terskelspenningen Uk definert av zenerdiodeparet 43a, 43b overskrides, dvs. en overspenningsspiss Uov opptrer under en positiv halvperiode for forsyningsspenningen, kontrolleres tyristoren 42a via dioden Di, dvs. zenerdiodeparene 43a, 43b, i hvilket tilfelle den blir ledende og leder overspenningsspissen Uov direkte gjennom til lasten (OUT). Dersom på den annen side en forhåndsbestemt negativ referansespenning -Uk overskrides som følge av en negativ overspenningsspiss -Uov under en negativ halvperiode for forsyningsspenningen, mens felteffekttransistorsvitsjeenheten 41 er åpen, dvs. ikke-ledende, mottar tyristoren 42b og gitteret et kontrollsignal via dioden D2 såvel som via zenerdiodeparet 43a, 43b, og svitsjes til ledende tilstand, i hvilket tilfelle overspenningsspissen -Uov fortsetter via tyristoren 42b direkte til lasten (OUT).

Det er vesentlig å påpeke at grensestørrelsen for terskelspenningen + Uk er definert ved hjelp av zenerdiodeparene 43a, 43b for spenningsdetekterings- og kontrollenheten 44, slik at når nevnte grense overskrides, ledes overspenningsspissen + Uov direkte til lasten via tyristorene 42a, 42b. Fordi zenerdiodeparene her omfatter to zenerdioder vendt mot hverandre, kan størrelsen av terskelspenningen + Uk i det vesentlige defineres slik at den er summen av alle sammenbruddsspenninger som opptrer i den ikke-ledende retning med hensyn til overspenningsspisser, dvs. i f.eks. denne utførelsesformen av oppfinnelsen er det to zenerdiodepar 43a, 43b, og følgelig er det i hver situasjon to zenerdioder 1 ikke-ledende retning, og nevnte dioder definerer størrelsen av terskelspenningen Uk-Dersom sammenbrudsspenningen for en enkelt zenerdiode er f.eks. 230 V, vil terskelspenningen i anordningen illustrert i fig. 4 være omlag 460 V (230 V + 230 V). For en fagmann er det opplagt at antallet zenerdiodepar med fordel kan benyttes for å innstille terskelspenningen UkSlik at den blir passende for hver anvendelse. Det skal forstås at spenningsdetekterings- og kontrollenheten 44 også omfatter andre komponenter som påvirker størrelsen av terskelspenningen Uk, men zenerdiodeparet 43a, 43b er essensielle komponenter takket være enkelheten og effektiviteten for kretsen.

Vi skal ikke beskrive i nærmere detalj andre komponenter illustrert i anordningen i fig. 4, men som ikke er nevnt ovenfor, slik som kondensatoren C, fordi de ikke er essensielt forbundet med oppfinnelsen som presenteres i denne patentsøknaden. En fagmann innser at anordningen i fig. 4 er forenklet, for bedre å illustrere idéen for den nye oppfinnelsen som er presentert her.

I den ovenstående beskrivelsen er oppfinnelsen beskrevet med henvisning til eksempelanordninger benyttet i lysinstallasjonsteknologien. Det er klart for en fagmann at den foreliggende oppfinnelsen i alle deler kan anvendes i andre arrangementer hvor det finnes en risiko for at en overspenningsspiss mottatt fra lysnettet kan ødelegge felteffekttransistorer som tjener som svitsjer i arrangementet.

De komponenter som er beskrevet ovenfor er på ingen måte begrenset til bestemte typer, men i forbindelse med oppfinnelsen er det også mulig å benytte andre komponenter som fordelaktig er egnet for å tilveiebringe beskyttelsen i samsvar med oppfinnelsen, og som er mulige innen den oppfinneriske idé definert ved de ved føyde krav.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for å beskytte en svitsjeenhet (11; 41) mot overspenningsspisser, idet nevnte svitsjeenhet (11; 41) omfatter en felteffekttransistorsvitsjeenhet (11; 41) og en tyristorsvitsjeenhet (12; 42) koblet i parallell, karakterisert ved at - for å bestemme en overspenningsspiss (Uov) observeres spenningen (Uf) som befinner seg over svitsjeenheten (11; 41), spesielt når svitsjeenheten (11; 41) er ikke-ledende, - når spenningen (Uf) som befinner seg over svitsjeenheten (11; 41) plutselig overskrider den forhåndsbestemte terskelspenningen (Uk), slik at den tolkes som en overspenningsspiss (Uov), svitsjes tyristorsvitsjeenheten (12; 42) til ledende tilstand, i hvilket tilfelle overspenningsspissen (Uov) bevirkes å bli ført gjennom tyristorsvitsjeenheten (12; 42) som tjener som beskyttelsessvitsjeenheten (12; 42).

2. Apparat for å beskytte en felteffekttransistorsvitsjeenhet (11; 41) mot en overspenningsspiss (Uov), idet nevnte svitsjeenhet (11; 41) omfatter en felteffekttransistorsvitsjeenhet (11; 41) og en tyristorsvitsjeenhet (12; 42), koblet i parallell, karakterisert ved at apparatet omfatter en spenningsdetekterings- og kontrollenhet (13; 44) for å observere spenningen (Uf) som befinner seg over svitsjeenheten (11; 41) for å detektere en overspenningsspiss (Uov) og for å styre tyristorsvitsjeenheten (12; 42) som en beskyttelsessvitsjeenhet (12; 42), slik at overspenningsspissen (Uov) settes til å ledes via tyristorsvitsjeenheten (12; 42) umiddelbart etter at overspenningsspissen (Uov) er detektert.

3. Apparat i samsvar med krav 2, karakterisert ved at spenningsdetekterings- og kontrollenheten (13, 44) omfatter minst to zenerdioder (3a, 13b; 43a, 43b) koblet i serie og ledende i motsatte retninger, og at detektering av spenningen (Uf) som befinner seg over svitsjeenheten (11; 41) finner sted mellom nevnte zenerdioder.