專(zhuān)利名稱(chēng)：保護(hù)設(shè)備免受電力沖擊的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及保護(hù)含有電氣電路的設(shè)備免受電力沖擊的損害的裝置及方法，且更具體地涉及用于通過(guò)吸收/隔離例如來(lái)自閃電沖擊的有害沖擊保護(hù)位于需被保護(hù)的設(shè)備電路與外部連接之間的電氣設(shè)備的裝置及方法。
眾所周知閃電沖擊使整個(gè)世界損失了大量的財(cái)富來(lái)更換受損的設(shè)備，特別是帶有一個(gè)或多個(gè)外部電源連接的電氣設(shè)備，這些至電源及/或通訊線路的外部連接在這些外部線路上或附近發(fā)生嚴(yán)重的閃電沖擊期間可將高能沖擊帶入設(shè)備電路。這些在各電源內(nèi)，或兩個(gè)或更多的電源與/或相對(duì)于接地裝置之間所經(jīng)受的沖擊可以是數(shù)萬(wàn)伏級(jí)并持續(xù)從10微秒到幾秒的時(shí)間。缺乏完善的保護(hù)方法說(shuō)明了為什么設(shè)備的制造者不能兌現(xiàn)保證的要求并設(shè)法逃避之。這樣設(shè)備的許多用戶出于自我保護(hù)的目的采取在不使用時(shí)，及在即使需要使用卻發(fā)生雷陣雨的期間將設(shè)備自外部電源斷開(kāi)。
通過(guò)本發(fā)明，由于即使一次非常嚴(yán)重的沖擊所造成的損失可被減少到只需更換一個(gè)或多個(gè)隔離裝置，例如可被便宜地更換的保險(xiǎn)絲，所有這些缺陷將被消除。
各種不同的保護(hù)電氣設(shè)備的方法被使用并具有以下的特證(a)箝位的方法采用并聯(lián)至設(shè)備電路的例如為變阻器或氣體放電器的一個(gè)或多個(gè)箝位裝置以通過(guò)吸收過(guò)電壓限制電沖擊，但如果未達(dá)到預(yù)定的箝位電壓則允許過(guò)電流流過(guò)設(shè)備。該箝位裝置在一次嚴(yán)重的閃電沖擊后容易被損壞變成開(kāi)環(huán)電路而不被人注意到。
(b)隔離的方法采用串聯(lián)在電路中的一個(gè)或多個(gè)隔離裝置以當(dāng)過(guò)電流流經(jīng)其足夠長(zhǎng)時(shí)間時(shí)變成開(kāi)路，并也允許過(guò)電流流經(jīng)設(shè)備直至隔離裝置變成開(kāi)路。由于串聯(lián)的設(shè)備也容易受到同樣危險(xiǎn)的過(guò)電流威脅，因此引起開(kāi)路所要求的時(shí)間及過(guò)電流可能太大。
(c)組合的方法將箝位及隔離的方法進(jìn)行組合，并可能是現(xiàn)有技術(shù)的最好的方法，它提供對(duì)第一次嚴(yán)重沖擊或幾次沖擊的接近完善的保護(hù)直至箝位裝置變成開(kāi)路或不起作用直到設(shè)備在下次沖擊期間被損壞而不被人注意到。
但多數(shù)(如果不是全部)的現(xiàn)有技術(shù)的方法中，未將足夠的重點(diǎn)放在通過(guò)確保箝位裝置不再會(huì)變成開(kāi)路而保證存在于一個(gè)或多個(gè)電源輸入中并可引起電路間火花破壞的靜電勢(shì)被明確地限制或調(diào)整至一公共的接地端。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供在電源連接與有選擇地連接的易受損的電路之間的便宜的沖擊保護(hù)元件以防止因閃電沖擊造成的損壞。
另一個(gè)目的是提供保護(hù)以防外部強(qiáng)加的高電壓或高電流沖擊至一包括一接收裝置或一發(fā)送裝置的天線的電路。
再一個(gè)目的是保護(hù)以防電沖擊對(duì)調(diào)整至一公共接地端/地面的分離但協(xié)同操作的電氣電路的損壞。
再進(jìn)一步的目的是通過(guò)在設(shè)備與外部線路，例如電源線、電信線、天線或數(shù)據(jù)線之間連接由用于限制允許的電壓或電流到達(dá)被保護(hù)的設(shè)備的元件組合成的一裝置，提供保護(hù)以防電沖擊對(duì)靈敏的電氣設(shè)備的損壞。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供有一種方法，即提供犧牲的電路元件以當(dāng)遭受電力沖擊時(shí)建立開(kāi)路狀態(tài)，從而保護(hù)靈敏的設(shè)備免受過(guò)壓或過(guò)流的損害。
上述目的根據(jù)本發(fā)明通過(guò)提供一種保護(hù)靈敏的電氣設(shè)備防止電沖擊的損害的裝置而被實(shí)現(xiàn)。該裝置在第一及第二輸入裝置接收電氣輸入并在第一及第二輸出裝置保護(hù)性地傳輸電氣輸出，該裝置包括串聯(lián)于第一輸入裝置與第一輸出裝置之間的第一隔離裝置；串聯(lián)于第二輸入裝置與第二輸出裝置之間的第二隔離裝置；與第一及第二隔離裝置之間的第一及第二輸入裝置并聯(lián)聯(lián)接的吸收裝置；串聯(lián)于吸收裝置與第一及第二輸出裝置之一之間的過(guò)流傳感裝置；及與吸收裝置和接地端串聯(lián)聯(lián)接的靜電勢(shì)限制裝置。
其中，當(dāng)一預(yù)定的過(guò)電流被感測(cè)到時(shí)，由第一及第二輸入裝置經(jīng)受的電沖擊將引起過(guò)流傳感裝置處于開(kāi)路狀態(tài)，以使第一及第二隔離裝置之一變成開(kāi)路以防止過(guò)電流至第一和第二輸出裝置并防止在靜電勢(shì)限制裝置與地之間產(chǎn)生過(guò)電勢(shì)。
本發(fā)明的另一方面提供有一種用于設(shè)備電路保護(hù)、吸收并隔離有害的電沖擊的方法，該方法包括有以下步驟提供帶有至少兩個(gè)輸入裝置的一電路，分別與該兩個(gè)輸入裝置串聯(lián)聯(lián)接的兩隔離裝置，與兩輸入裝置并聯(lián)聯(lián)接的一吸收裝置，串聯(lián)在吸收裝置與兩輸出裝置之一之間的一過(guò)流傳感裝置，及一靜電勢(shì)限制裝置。
這樣各輸入裝置被首先聯(lián)接至一選擇的隔離裝置，被選擇的隔離裝置將(a)保護(hù)當(dāng)過(guò)流傳感裝置檢測(cè)到一預(yù)定水平的過(guò)流時(shí)被觸發(fā)變成短路的吸收裝置，以防止有害的電路中的沖擊經(jīng)輸出裝置到達(dá)設(shè)備電路，并(b)保護(hù)防止相對(duì)于地電位的有害的電路中的電壓沖擊到達(dá)設(shè)備電路的靜電勢(shì)限制裝置。
本發(fā)明不同方面的細(xì)致描述闡明它如何代表防止由閃電中擊導(dǎo)致的嚴(yán)重的設(shè)備損壞及相關(guān)的費(fèi)用的重要的步驟，因?yàn)楸景l(fā)明甚至保護(hù)其它通常采用的元件以保護(hù)靈敏的設(shè)備/電路。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例的適于聯(lián)接在電源接頭1、2與聯(lián)接著靈敏的設(shè)備或電路的輸出接頭9、10之間的一種配置。
隔離元件3和4最好為具有被保護(hù)的設(shè)備或電路的通常操作所能接受的最低可能的電流額定值的被玻璃保護(hù)的保險(xiǎn)絲。吸收元件5可為具有大約兩倍于被保護(hù)的設(shè)備的通常操作電壓的擊穿電壓的TRIAC。吸收元件5可被觸發(fā)變成短路吸收經(jīng)隔離元件3及4傳輸?shù)乃心芰恐敝猎撘粋€(gè)或兩個(gè)隔離元件變成開(kāi)路而使其自身不被損壞。這是通過(guò)由被選擇的過(guò)流傳感元件11在G點(diǎn)提供一電流實(shí)現(xiàn)的。這樣，根據(jù)歐姆定律，當(dāng)檢測(cè)到一預(yù)定的過(guò)流時(shí)，它將在G點(diǎn)提供一傳送足夠的電流的電壓以觸發(fā)TRIAC。
例如，在230V交流電時(shí)如果設(shè)備的通常最大操作電流為1安培，該預(yù)定的過(guò)流可被設(shè)定為2A。假設(shè)觸發(fā)TRIAC的在G點(diǎn)所要求的電壓符合歐姆定律，所要求的作為過(guò)流傳感元件11的串聯(lián)的電阻器應(yīng)為0.5歐姆，并具有至少2W的熱耗散額定值。
隔離元件3和4可為通常的1.5A額定值的保險(xiǎn)絲，且吸收元件5TRIAC最好被額定于8A。
靜電勢(shì)限制元件7最好包括有直徑為13mm至15mm的額定值為300Vrms的金屬氧化變阻器。
用于實(shí)際的目的，為避免由于持續(xù)很短時(shí)間的電勢(shì)非損害沖擊而不得不頻繁更換保險(xiǎn)絲例如3或4，一箝位元件6可并聯(lián)地加在吸收元件5上。該箝位元件6可為一300Vrms的變阻器。最好直徑為13mm至15mm。也可再加有一電流限制電阻器15以保護(hù)吸收元件5。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的聯(lián)接于在1和2的電信源及在9和10的設(shè)備電路之間的一電路。
為了較多的應(yīng)用，在該配置中的隔離元件3、4可為額定為0.5W的各自帶有22歐姆至47歐姆值的電阻器。吸收元件5可為額定在2A/200V或更高的-TRIAC。過(guò)流傳感元件11可為額定為0.5W的2.7歐姆。靜電勢(shì)限制元件7可為直徑為9mm至13mm的在300Vrms操作的變阻器。
一典型的電信用戶線電路在振鈴期間工作在最大交流96V上并在備用期間工作在直流48V上，且工作電流在掛斷或使用狀態(tài)期間通常被限制在大約10V時(shí)接近30mA。實(shí)際中，多條并行的分線可聯(lián)接在一單個(gè)源上，帶有用于各聯(lián)接的分線的振鈴電路電容器以當(dāng)任何一設(shè)備處于使用中時(shí)，初始電流可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通常所限制的大約30mA。選擇電流傳感元件11為2～7歐姆，這樣實(shí)際上預(yù)定過(guò)流為大于300mA，其持續(xù)極短的時(shí)間對(duì)于設(shè)備電路仍可認(rèn)為是安全的。
這樣，隔離元件3和4及吸收元件5的選擇確保了吸收元件5在任何沖擊情況下幾乎永遠(yuǎn)不會(huì)被損壞，除非隔離元件3和4所使用的電阻器由于燒斷而變成短路。3和4選用碳膜電阻器將保證其不會(huì)變成短路。
當(dāng)對(duì)于接地端來(lái)說(shuō)產(chǎn)生過(guò)壓時(shí)，例如為一300Vrms的金屬氧化變阻器的靜電勢(shì)限制元件7將典型地吸收所承受的過(guò)電壓，且這樣做的同時(shí)，隔離裝置3和/或4將用于保護(hù)該變阻器。
通過(guò)這種配置及元件的選擇使得實(shí)際上不可能對(duì)本發(fā)明所保護(hù)的設(shè)備造成損壞。
由于吸收元件5對(duì)任何沖擊的反應(yīng)很快，且隔離幾乎立即發(fā)生，因此不會(huì)產(chǎn)生典型地由閃電沖擊引起的可能導(dǎo)致電話用戶的聽(tīng)力受到損害的震耳的噪聲，同樣地高壓靜電放電對(duì)用戶也是安全的。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的如前所述的與圖2相關(guān)的一電路，加入了一30V的DIAC12及—0.8A/200V的TRIAC。附加這些元件的目的是使聯(lián)接至輸出元件14和10的設(shè)備受到保護(hù)以防有害的沖擊。并且如果并聯(lián)至與輸入元件1和2同一源的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備中的任何一個(gè)已經(jīng)處于使用或“掛斷”狀態(tài)時(shí)被拒絕進(jìn)入。由于低于20V的使用電壓不能觸發(fā)—30V的DIAC12以接通TRIAC13用于需通過(guò)該TRIAC被聯(lián)接的設(shè)備，可取得所期望的使用中線路的隔離效果。
圖4示出了包括有如圖2所描述的或包括有如圖3所描述的電路的一單個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例帶有或不帶有例如一段端頭在插頭17內(nèi)的一段電纜16的連接元件，用于容易地進(jìn)行連接于模塊化的插座18的電信設(shè)備或數(shù)據(jù)設(shè)備與一通常的電源之間的接口。
這些元件的特定配置對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的主要目的，即通過(guò)隔離元件保護(hù)所采用的元件來(lái)保護(hù)設(shè)備電路是必不可少的?？捎羞x擇地包括例如指示元件以顯示隔離，即是否保護(hù)元件被開(kāi)路，或形成過(guò)流傳感元件的元件的組合狀態(tài)的附加元件。
元件的特定選擇是這樣的，隔離元件選擇為具有設(shè)備的通常操作的最低可能的電流額定值以提供對(duì)所有元件的最佳可能的保護(hù)，吸收元件5和靜電勢(shì)限制元件7被選擇為具有服從于成本及/或空間的約束的情況下盡可能高的功率額定值，但至少可有五倍以上的耐用度和/或能力以無(wú)損壞地吸收在隔離元件開(kāi)路之前所傳輸?shù)乃心芰?。這種額定值的組合可確保在任何的沖擊情況下只是例如為保險(xiǎn)絲的隔離元件3、4將被損破而可容易并便宜地被更換。
一旦過(guò)流傳感元件檢測(cè)到預(yù)定的電流，并在數(shù)毫微秒內(nèi)，例如為T(mén)RIAC的吸收元件5將變?yōu)槎搪?，這樣確保連接至本發(fā)明的輸出元件的設(shè)備電路將接受接近零伏的電壓，而例如為保險(xiǎn)絲的在該電路中形成最弱環(huán)節(jié)的一個(gè)或多個(gè)隔離元件3、4將很快地?zé)龜喽纬砷_(kāi)路狀態(tài)以保護(hù)吸收元件5和/或靜電勢(shì)限制元件7。吸收元件被觸發(fā)至隔離元件3、4變?yōu)殚_(kāi)路為止，連接至輸出元件9、10的設(shè)備電路不再受到任何危險(xiǎn)的電壓。設(shè)備電路的元件暴需在不可接受的高電壓下，直到預(yù)定的過(guò)電流水平被檢測(cè)到。
本發(fā)明可保護(hù)的電路配置包括，例如(a)其中一個(gè)方面，輸入元件被聯(lián)接至電源，該電源的靜電勢(shì)經(jīng)公共接地端至一接收裝置與一發(fā)送裝置其中之一的天線而被限制；
(b)其中一個(gè)方面，一電磁干擾濾波器(EMI濾波器)被聯(lián)接至電源與本發(fā)明的輸入元件之間；或(c)有多個(gè)各自調(diào)整至一公共接地端/地面的電路，其中這些單獨(dú)的電路具體體現(xiàn)為聯(lián)接至待被保護(hù)的設(shè)備與各種電源線、電信線、天線和/或數(shù)據(jù)傳輸線之間的分離元件。
這里還提供了一個(gè)表格，概括了本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別及其相地于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
盡管本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的描述和例示，但應(yīng)清楚地理解本發(fā)明僅是采用例示和舉例的方式而不受例示及舉例的局限，本發(fā)明的精神及范圍僅受所附權(quán)利要求的限定。
表一
續(xù)表一
權(quán)利要求
1.一種保護(hù)電氣設(shè)備免受電沖擊的沖擊保護(hù)裝置，包括串聯(lián)于第一輸入裝置與第一輸出裝置之間的第一隔離裝置；串聯(lián)于第二輸入裝置與第二輸出裝置之間的第二隔離裝置；并聯(lián)于第一及第二隔離裝置的輸出裝置之間用于當(dāng)被觸發(fā)時(shí)吸收經(jīng)第一及第二隔離裝置傳輸?shù)哪芰康奈昭b置；聯(lián)接于吸收裝置與第二輸出裝置之間的過(guò)流傳感裝置；及聯(lián)接于吸收裝置與地之間并與所述第二隔離裝置相連的靜電勢(shì)限制裝置，所述吸收裝置及所述靜電勢(shì)限制裝置聯(lián)接在一公共節(jié)點(diǎn)，其中當(dāng)在第一及第二輸入裝置接收到第一預(yù)定電壓時(shí)，靜電勢(shì)限制裝置聯(lián)接所述公共節(jié)點(diǎn)至接地端。由過(guò)流傳感裝置接收的一預(yù)定電流觸發(fā)吸收裝置，形成一短路，吸收經(jīng)第一及第二隔離裝置傳輸?shù)乃心芰坎⒒旧咸峁┝汶妷航o聯(lián)接至第一和第二輸出裝置的電氣設(shè)備，及當(dāng)在所述第一及第二輸入裝置接收到大于第一預(yù)定電壓的第二預(yù)定電壓時(shí)，至少所述第一及第二隔離裝置中的一個(gè)建立一開(kāi)路，從所述第一及第二輸入裝置中的至少一個(gè)斷開(kāi)吸收裝置與靜電勢(shì)限制裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中第一及第二輸入裝置被聯(lián)接以接收來(lái)自電信線路與數(shù)據(jù)線路其中之一的電輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中第一及第二輸入裝置被聯(lián)接至電源線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中第一及第二輸入裝置被聯(lián)接至電源線，其靜電勢(shì)經(jīng)公共接地端至一接收裝置與一發(fā)送裝置其中之一的天線而被限制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括有聯(lián)接于電源與第一及第二輸入裝置之間的電磁干擾濾波器(EMI濾波器)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，被分別提供給多個(gè)單獨(dú)的電路，其中這些單獨(dú)的電路具體體現(xiàn)為聯(lián)接在待被保護(hù)的設(shè)備與電源線、電信線、天線及數(shù)據(jù)傳輸線中的至少一條之間的分離元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，被分別提供給調(diào)整至一公共接地端的多個(gè)電氣電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中吸收裝置包括一TRIAC。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括有與第一及第二隔離裝置之間的第一及第二輸入裝置并聯(lián)聯(lián)接的箝位裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括有串聯(lián)于第一隔離裝置與第一輸出裝置之間的DIAC。
11.一種用于設(shè)備電路保護(hù)，吸收并隔離有害的電沖擊的方法，包括以下步驟提供帶有至少兩個(gè)輸入裝置的一電路，分別與該兩個(gè)輸入裝置串聯(lián)聯(lián)接的兩隔離裝置，與兩輸入裝置并聯(lián)聯(lián)接的一吸收裝置，串聯(lián)在吸收裝置與兩輸出裝置其中之一之間的一過(guò)流傳感裝置，及一靜電勢(shì)限制裝置，這樣各輸入裝置被首先聯(lián)接至一選擇的隔離裝置，被選擇的隔離裝置將(a)保護(hù)當(dāng)過(guò)流傳感裝置檢測(cè)到一預(yù)定水平的過(guò)電流時(shí)被觸發(fā)變成短路的吸收裝置以防止有害的電路中的沖擊經(jīng)輸出裝置到達(dá)設(shè)備電路，并(b)保護(hù)防止相對(duì)于地電位的有害的電路間的電壓沖擊到達(dá)設(shè)備電路的靜電勢(shì)限制裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中兩輸入裝置被聯(lián)接至電信線與數(shù)據(jù)線的其中之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中兩輸入裝置被聯(lián)接至電源線。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中兩輸入裝置被聯(lián)接至一電源，其靜電勢(shì)經(jīng)公共接地端至一接收裝置與一發(fā)送裝置其中之一的天線而被限制。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中兩輸入裝置包括采用分離的調(diào)整至公共接地端/地面的電路的電源線及電信線。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中多個(gè)所述電路具體體現(xiàn)為連接在待被保護(hù)的設(shè)備與電源線、電信線、天線及數(shù)據(jù)線其中一條之間的各自分離的元件，各元件被調(diào)整至一公共接地端/地面。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括有以下步驟在電源與本發(fā)明的兩輸入裝置之間聯(lián)接一電磁干擾濾波器(EMI濾波器)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，包括有多個(gè)輸入源采用如權(quán)利要求1的多個(gè)分別的電路，各電路被調(diào)整至一公共接地端/地面。
全文摘要
一種保護(hù)設(shè)備免受電力沖擊的裝置及方法，提供帶有至少兩個(gè)輸入裝置的一電路，分別與該兩個(gè)輸入裝置串聯(lián)聯(lián)接的兩隔離裝置，與兩輸入裝置并聯(lián)聯(lián)接的一吸收裝置，串聯(lián)在吸收裝置與兩輸出裝置之一之間的一過(guò)流傳感裝置，及一靜電勢(shì)限制裝置。通過(guò)吸收/隔離例如來(lái)自閃電沖擊的有害沖擊保護(hù)位于需被保護(hù)的設(shè)備電路與外部連接之間的電氣設(shè)備。
文檔編號(hào)H02H9/04GK1130309SQ9511832
公開(kāi)日1996年9月4日 申請(qǐng)日期1995年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月8日
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