TW201336193A - 雷擊斷電保護裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係為一種雷擊斷電保護裝置，其包含有一斷電開關以及連接至該斷電開關之壓差偵測單元；其中該壓差控制單元係包含有一與大地迴路電連接金屬接觸端、一直流電源端、一接地端及一輸出端；當供給本發明之電源遭受雷擊時，其壓差偵測單元的直流電源端與接地端電壓會同時上升至數千伏特；但其金屬接觸端會因為電連接至大地迴路，故其電壓不會隨著雷擊而上升；此時，本發明壓差偵測單元便令斷電開關斷路；是以，藉此保護串接於本發明的斷電開關之待保護電子裝置，使其不會因為遭受雷擊而造成損壞。

Description

雷擊斷電保護裝置
本發明係為一種電路保護裝置，尤指一種體積較小又無散熱問題的雷擊斷電保護裝置。
一般電力線路大多係架設在戶外，一但戶外的線路遇到雷擊時，電力線路便會產生高達數千伏特的高壓；若此高壓循著電力線進入建築物時，則容易使並聯於電力線路上的電器遭受雷擊損壞。
目前常見的避雷器，係採用隔離變壓器進行雷擊隔離，將由雷擊所產生的高電壓隔離在變壓器的一次側，以避免連接於變壓器二次側的電路遭受一次側的雷擊損壞。
然而，由於前述之隔離變壓器體積龐大，相對於使用空間較小的電子產品而言，該隔離變壓器勢必會佔去相當大的空間；並且當前述之隔離變壓器連接於一般交流電源時，又會因為內部線路組抗的關係而有發熱的現象；使得上述電子產品在採用隔離變壓器之避雷器的使用上，必需要考慮空間大小與散熱的問題，進而增添其使用的難度。
有鑑於上述採用隔離變壓器之避雷器對於一使用在有限空間的電子產品而言相當難以使用；故本發明主要目的提供一種體積較小又無散熱問題的雷擊斷電保護裝置。
欲連上述目的所使用的主要技術手段係令該雷擊斷電保護裝置包含有：一斷電開關，係包含有一控制端，以控制該斷電開關導通與否；其中該斷電開關用來連接一電源；及一壓差偵測單元，係包含有一直流電源端、一接地端、一金屬接觸端及一輸出端；其中該金屬接觸端係連接至一與大地迴路電連接之金屬外殼，且該輸出端係連接於該斷電開關之控制端，而該直流電源端與接地端係用來連接至電源；當接地端和該金屬接觸端之間的電位差超過一電位臨界值時，便以其控制端令該斷電開關斷路，反之則保持短路。
由上述說明可知，當前述電源遭受雷擊時，該壓差偵測單元的直流電源端與接地端電壓會同時上升至數千伏特；但該金屬接觸端會因為電連接至大地迴路，故其電壓不會隨著雷擊而上升；此時，該壓差偵測單元會因為接地端與該金屬接觸端之間的電位差大到數千伏特，進而超過該電位臨界值，而令斷電開關斷路；是以，當本發明的斷電開關串接於待保護電子裝置之電源迴路中，可使其不會因為遭受雷擊而造成損壞；再者又因為該壓差偵測單元並無採用隔離變壓器，故無前述之散熱問題並又能進一步減少其體積。
本發明係為一種體積較小又無散熱問題的雷擊斷電保護裝置。
請參照圖1所示，上述雷擊斷電保護裝置係包含有：一斷電開關10，係包含有一控制端，以控制該斷電開關10導通與否；其中該斷電開關10係連接至一電源，且供該電源與一待保護電子裝置40連接，意即該斷電開關10係串接於該待保護電子裝置40的電源迴路中；於本實施例中該電源係為為一交流電源AC/Vin；及一壓差偵測單元20，係包含有一直流電源端VCC、一接地端GND、一金屬接觸端SIN及一輸出端VSW；其中該金屬接觸端SIN係連接至一與大地迴路G電連接之金屬外殼41，且該金屬外殼41係為上述電子裝置40的一部份；此外該輸出端VSW係連接於該斷電開關10之控制端，而該直流電源端VCC與接地端GND係用來連接至直流電源DC/Vin；當接地端GND和該金屬接觸端SIN之間的電位差超過一電位臨界值時，透過該斷路開關10的控制端令該斷電開關10斷路，反之則保持該斷電開關10短路；於本實例中，該直流電源端VCC所連接的直流電源DC/Vin係透過一整流電路31及一濾波電路30連接至該交流電源AC/Vin，以將該交流電源AC/Vin轉換為直流電源DC/Vin；是以，該直流電源端VCC係連接至該濾波電路30。
請參閱圖2所示，上述壓差偵測單元20係包含有一負壓驅動單元21及一正壓驅動單元22；其中
上述負壓驅動單元21，係為一電流鏡，其包含有一第一負電晶體MN1及一第二負電晶體MN2，其中該電流鏡之共閘極端及第一負電晶體MN1之汲極係透過一負壓電阻RN連接至該金屬接觸端SIN，而第二負電晶體MN2之汲極則透過一驅動電阻RT連接至該直流電源端VCC，又第一負電晶體MN1及第二負電晶體MN2的共源極則連接至電源的接地端。
上述正壓驅動單元22，係為一正電晶體MP，其汲極端係透過該驅動電阻RT連接至該直流電源端VCC，而閘極端係連接至該接地端，而源極則透過一正壓電阻RP連接至該金屬接觸SIN端。
再者，上述負壓驅動單元21第二負電晶體MN2及正壓驅動單元22正電晶體MP與驅動電阻RT的連接節點係為壓差偵測單元20的輸出端VSW。
由上述結構可知，該壓差偵測單元20在無雷擊的正常電源下，其負壓驅動單元21及正壓驅動單元22均不作動，此時該輸出端VSW係透過驅動電阻RT連接至直流電源端VCC，即將該直流電源端VCC的高電位輸出至該斷路開關10的控制端，令斷路開關10保持短路狀態。
由於雷擊時，該電源電壓會驟升至高壓或驟減至低壓，故請配合參閱圖4所示，當上述交流電源AC/Vin之電壓於雷擊瞬間驟降至低壓，如驟降170sin(ωt)-4000伏特與-4000伏特；此時，該負壓驅動單元21連接至直流電源端VCC及接地端GND的電位會隨之降低，故共源極的電位會與之降低，而第一負電晶體MN1的汲極與閘極因透過負壓電阻RN連接至該金屬接觸端SIN，而電位不因電擊而變動，是以該第一負電晶體MN1閘極與源極之間產生正偏壓而導通，同時該第二負電晶體MN2亦隨之導通；此時，正壓驅動單元22的閘極端因連接至接地端GND，其電位下降，故無法提供正電晶體MP導通偏壓，故正壓驅動單元22的正電晶體MP不導通。
由於該壓差偵測單元20的輸出端係連接至該負壓驅動單元21第二負電晶體MN2，故因第二負電晶體MN2導通而不再連接至直流電源端VCC，而連接至接地端GND；是以，該壓差偵測單元20的輸出端VSW的電位即由高電位降至低電位，而令讓斷路開關10斷路；因此，由上述的動作可知，當上述交流電源AC/Vin驟降至低壓時，要令該輸出端VSW的電位等同於接地端GND的電位，必須要使該第二負電晶體MN2導通，而使之導通的其中一個條件係必須令該第二負電晶體MN2進入飽和區，意即流經該驅動電阻RT的電流須等同於流經該第二負電晶體MN2的電流；而流經該第二負電晶體MN2的電流係同於流經該第一負電晶體MN1的電流，又流經該第一負電晶體MN1的電流係為該接地端GND與該金屬接觸端SIN之間的壓差除上該負壓電阻RN；故，該負壓驅動單元的電壓臨界值係由該負壓電阻RN的電阻值所決定。
請配合參閱圖5所示，若發生雷擊瞬間該電源電壓驟升至高壓，如170sin(ωt)+4000伏特與4000伏特，則負壓驅動單元21不作動，而正壓驅動單元22的正電晶體MP的閘極電位會隨之升高，又源極因連接至該金屬接觸SIN端而電位不變，故提供該正電晶體MP導通偏壓而使其導通。因該壓差偵測單元20的輸出端VSW連接至該正壓驅動單元21正電晶體MP與驅動電阻RT的連接節點，因此輸出端VSW的電壓會即為該正電晶體MP的汲極電壓；又因該正電晶體MP導通時其汲、源極之間的導通壓差與閘、源極之間的順向壓差係接近於零，故可得知該輸出端VSW的電壓係趨近於接地端GND的電壓；是以，該壓差偵測單元20的輸出端的電位即由高電位降至低電位，而令讓斷路開關10斷路；因此，由上述的動作可知，當上述交流電源AC/Vin驟升至高壓時，要令該輸出端VSW的電位等同於接地端GND的電位，必須要使該正電晶體MP導通，而使之導通的其中一個條件係必須令該正電晶體MP進入飽和區，意即流經該驅動電阻RT的電流須等同於流經該正電晶體MP的電流；而流經該正電晶體MP的電流係為該接地端GND與該金屬接觸端SIN之間的壓差除上該正壓電阻RP；故，該正壓驅動單元的電壓臨界值係由該正壓電阻RP的電阻值所決定。
綜合上述說明可知，本發明的該壓差偵測單元20能有效地隨著雷擊對電源的正壓或負壓變化，即時控制斷路開關10斷路，中斷待保護電子裝置40的電源迴路，一旦雷擊消失，該壓差偵測單元20的輸出端VSW將回復連接至直流電源端VCC，而又呈高電位，而斷路開關10即回復短路狀態。
此外，請參照圖3所示，係為該壓差偵測單元第二實施例；於第二實施例中上述壓差偵測單元20係包含有一負壓驅動單元21’及一正壓驅動單元22’；其中
上述負壓驅動單元21’，係為一負電晶體MN’，其中該負電晶體MN’之汲極則透過一驅動電阻RT’連接至該直流電源端VCC，而其源極則連接至電源的接地端GND，又其閘極係透過一第一負壓電阻RN1’連接至該金屬接觸端SIN，且同時亦透過一第二負壓電阻RN2’連接至電源的接地端GND；意即該第一負壓電阻RN1’與該第二負壓電阻RN2’係為串聯。
上述正壓驅動單元22，係為一正電晶體MP’，其汲極端係透過該驅動電阻RT’連接至該直流電源端VCC，而閘極端係連接至該接地端GND，而源極則透過一第一正壓電阻RP1’連接至該金屬接觸SIN端，又其閘極與源極之間係串接一第二正壓電阻RP2’。
再者，上述負壓驅動單元21負電晶體MN’及正壓驅動單元22正電晶體MP’與驅動電阻RT的連接節點係為壓差偵測單元20的輸出端VSW。
由上述結構可知，該壓差偵測單元20在無雷擊的正常電源下，其負壓驅動單元21及正壓驅動單元22均不作動，此時該輸出端VSW係透過驅動電阻RT連接至直流電源端VCC，即將該直流電源端VCC的高電位輸出至該斷路開關10的控制端，令斷路開關10保持短路狀態。
當上述交流電源AC/Vin之驟降170sin(ωt)-4000伏特與-4000伏特；此時，該負壓驅動單元21連接至直流電源端VCC及接地端GND的電位會隨之降低，故該負電晶體MN’其源極的電位會與之降低，而其閘極因透過第一負壓電阻RN1’串聯於第二負壓電阻RN2’進而得到一正偏壓而而令其導通；又正壓驅動單元22的閘極端因連接至接地端GND，其電位下降，故無法提供正電晶體MP’導通偏壓，故正壓驅動單元22的正電晶體MP’不導通。又由於決定負壓驅動單元21係在於該負電晶體MN’之偏壓，因此決定該負壓驅動單元21的電壓臨界值係取決於該第一負壓電阻RN1’與該第二負壓電阻RN2’的比例。
再者若該電源電壓驟升至170sin(ωt)+4000伏特與4000伏特時，則負壓驅動單元21不作動，而正壓驅動單元22的正電晶體MP’的閘極電位會隨之升高，又源極因透過第一正壓電阻RP1’串聯於第二正壓電阻RP2’進而得到一低於閘極的電壓，進而令其該正電晶體MP’有一正偏壓而使其導通。因該壓差偵測單元20的輸出端VSW連接至該正壓驅動單元21正電晶體MP與驅動電阻RT’的連接節點，因此輸出端VSW的電壓會即為該正電晶體MP’的汲極電壓；又因該正電晶體MP’導通時其汲、源極之間的壓差與閘、源極之間的壓差係接近於零，故可得知該輸出端VSW的電壓係趨近於接地端GND的電壓。又由於決定正壓驅動單元21係在於該正電晶體MP’之偏壓，因此只要決定該第一正壓電阻RP1與該第二正壓電阻RP2電阻值的比例，即可決定該正壓驅動單元21的電位臨界值。
由上述結構可知，本發明壓差偵測單元20第二實施例其原理係與第一實施例大致相同，均能有效地隨著雷擊對電源的正壓或負壓變化，即時控制斷路開關10斷路。
最後請參照圖6所示，係為本發明應用於LED驅動電路的例子，意即前述之電子裝置40係為該LED驅動電路；其中本發明之斷電開關10於本應用例中係多增設一個，且兩斷電開關10均串接於電源與該LED驅動電路之間；其中，兩斷電開關10於本應用例中均為一常開型態之繼電器，當該壓差控制單元20輸出端VSW連接至直流電源端VCC時，能驅動該繼電器使其保持短路令該電源連接至該LED驅動電路上；再者前述之金屬外殼41即為該LED驅動電路之外殼；另外該LED驅動電路係包含有：一LED單元42，係包含複數個LED光源；一壓控電晶體43，係串接於該LED單元使其構成一電源迴路，且具有一控制端，以調整電源迴路之迴路電流；一電流檢測單元44，係串接於該電源迴路中，以將該電源迴路之迴路電流轉換為對應的電壓訊號；一LED控制單元45，係串接於該電流檢測單元44與該壓控電晶體43之控制端；並取得目前關於電源迴路電流值的電壓訊號，藉此作為控制該壓控電晶體43控制端電壓的依據，係令電源迴路之電流維持穩定。
由上述結構可知，當前述電源遭受雷擊而使本發明之壓差偵測單元20的直流電源端VCC與接地端GND電壓同時上升至數千伏特時；該壓差偵測單元20的輸出端便連接至接地端GND，進而使得該断路開關10立即斷路；是以藉此保護上述LED驅動電路，使其不會因為遭受雷擊而造成損壞。
綜合以上所述，本發明確實可藉此上述結構保護前述之電子裝置；一但雷擊發生時，該壓差偵測電路均能確實反應，使前述之負載電路其不會因為遭受雷擊而造成損壞；再者又因為該壓差偵測單元並無採用隔離變壓器，故無前述之散熱問題並又能進一步減少其體積。
10．．．斷電開關
20．．．壓差偵測單元
21．．．負壓驅動單元
22．．．正壓驅動單元
21’．．．負壓驅動單元
22’．．．正壓驅動單元
30．．．濾波電路
31．．．整流電路
40．．．電子裝置
41．．．金屬外殼
42．．．LED單元
43．．．壓控電晶體
44．．．電流檢測單元
45．．．LED控制單元
圖1：本發明雷擊斷電保護裝置之示意圖。
圖2：本發明壓差偵測單元第一實施例之電路圖。
圖3：本發明壓差偵測單元第二實施例之電路圖。
圖4：本發明壓差偵測單元應用於負高壓時之波形圖。
圖5：本發明壓差偵測單元應用於正高壓時之波形圖。
圖6：本發明本發明應用於LED驅動電路之電路圖。
10．．．斷電開關
20．．．壓差偵測單元
30．．．濾波電路
31．．．整流電路
40．．．電子裝置
41．．．金屬外殼

Claims (8)

  1. 一種雷擊斷電保護裝置，係包含有：一斷電開關，係包含有一控制端，以控制該斷電開關導通與否；其中該斷電開關用來連接一電源；及一壓差偵測單元，係包含有一直流電源端、一接地端、一金屬接觸端及一輸出端；其中該金屬接觸端係連接至一與大地迴路電連接之金屬外殼，且該輸出端係連接於該斷電開關之控制端，而該直流電源端與接地端係用來連接至電源；當接地端和該金屬接觸端之間的電位差超過一電位臨界值時，便以其控制端令該斷電開關斷路，反之則保持短路。
  2. 如請求項1所述之雷擊斷電保護裝置，該壓差偵測單元係可透過一濾波電路連接至電源。
  3. 如請求項2所述之雷擊斷電保護裝置，該壓差偵測單元係可透過一整流電路及一濾波電路連接至電源。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之雷擊斷電保護裝置，該壓差偵測單元係包含有：一負壓驅動單元，係為一電流鏡，其包含有一第一負電晶體及一第二負電晶體，其中該電流鏡之共閘極端及第一負電晶體之汲極係透過一負壓電阻連接至該金屬接觸端，而第二負電晶體之汲極則透過一驅動電阻連接至該直流電源端，又第一負電晶體及第二負電晶體的共源極則連接至電源的接地端；及一正壓驅動單元，係為一正電晶體，其汲極端係透過該驅動電阻連接至該直流電源端，而閘極端係連接至該接地端，而源極則透過一正壓電阻連接至該金屬接觸端；再者，上述負壓驅動單元第二負電晶體及正壓驅動單元正電晶體與驅動電阻的連接節點係為壓差偵測單元的輸出端。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之雷擊斷電保護裝置，該壓差偵測單元係包含有：一負壓驅動單元，係為一負電晶體，其中該負電晶體之汲極則透過一驅動電阻連接至該直流電源端，而其源極則連接至電源的接地端，又其閘極係透過一第一負壓電阻連接至該金屬接觸端，且同時亦透過一第二負壓電阻連接至電源的接地端；意即該第一負壓電阻與該第二負壓電阻係為串聯；及一正壓驅動單元，係為一正電晶體，其汲極端係透過該驅動電阻連接至該直流電源端，而閘極端係連接至該接地端，而源極則透過一第一正壓電阻連接至該金屬接觸端，又其閘極與源極之間係串接一第二正壓電阻；再者，上述負壓驅動單元負電晶體及正壓驅動單元正電晶體與驅動電阻的連接節點係為壓差偵測單元的輸出端。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之雷擊斷電保護裝置，該斷電開關係為一常開型態之繼電器。
  7. 如請求項4所述之雷擊斷電保護裝置，該斷電開關係為一常開型態之繼電器。
  8. 如請求項5所述之雷擊斷電保護裝置，該斷電開關係為一常開型態之繼電器。
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