УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСА ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H03K17/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для защиты электрических приборов от помех и, в особенности, от возникающих в них пиков, или импульсов перенапряжения.

Уровень техники

Импульсы (пики) перенапряжения представляют собой одиночные, очень быстрые выбросы напряжения, максимальная величина которых может достигать более 500 вольт, а их длительность иметь порядок 1-5 мкс. Такие одиночные пики напряжения несут в себе большую энергию, и в случае их появления помеха в виде такого пика может вывести рассматриваемое устройство из строя. Электронные ключи, которые устанавливаются в различных устройствах, особенно подвержены такого рода повреждениям.

Вышеупомянутый недостаток в особенности присущ полевым транзисторам, которые часто используются в качестве электронных ключей (т.е. контуров коммутации) в регуляторах освещения. В этом случае источник питания или соответствующее напряжение переменного тока присоединяется к одной стороне контура коммутации на полевых транзисторах, а соответственно, нагрузка - к другой стороне указанного контура коммутации на полевом транзисторе. В этом отношении, можно сослаться на патентную заявку Финляндии №945095. Ток нагрузки протекает в канале между стоком и истоком одного или нескольких полевых транзисторов, и указанным каналом управляют, устанавливая его в проводящее/непроводящее состояние. Более конкретно, периодически во время действия полупериода напряжения переменного тока канал устанавливают в включенное/выключенное состояние посредством управляющего напряжения, которое создают на затворе полевого транзистора. Время от времени регулятор освещения может принимать из электрической сети пики перенапряжения того вида, о котором шла речь выше. Также пики перенапряжения возникают при выключении флуоресцентных ламп. Если пик перенапряжения достаточно сильный, устройство на полевом транзисторе выходит из строя.

В настоящее время полевые транзисторы (ПТ) повсеместно используются во множестве переключающих (коммутирующих) схем. Структура полевого транзистора обычно такова, что он состоит из большого числа чипов небольших полевых транзисторов, выращенных на одном и том же кристалле полупроводника, при этом указанные чипы организованы так, что работают вместе, параллельно. Когда полевой транзистор реализован таким образом, его коммутирующие свойства и сопротивление току получаются заметно лучшими по сравнению с полевыми транзисторами, состоящими из одного чипа.

Однако недостатком указанных полевых транзисторов является их восприимчивость к внезапным, мощным пикам перенапряжения, которые выводят транзистор из строя, если прикладываются к полевому транзистору в запертом, т.е. непроводящем состоянии. В принципе, механизм разрушения таков, что пробой начинается в одном чипе полевого транзистора и затем распространяется на другие чипы. В этом случае в полевом транзисторе происходит начальное разрушение точечного участка, после чего транзистор далее уже не в состоянии функционировать надлежащим образом.

В настоящее время известны элементы и схемные решения, благодаря которым электронная схема или элемент могут быть защищены от импульсов (пиков) перенапряжения. Один такой способ, который, в частности, имеет применение в отношении электронных ключей, состоит в том, что для того чтобы погасить пик перенапряжения, параллельно ключу подключают варистор. Однако проблема использования варистора заключается в том, что, физически, варистор - крупный элемент и в этом случае он не может быть использован в малогабаритных устройствах. В частности, например, проблематичным является использование варисторов в регуляторах освещения, так как их часто размещают в небольших корпусах, где использование варистора невозможно.

Сущность изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения - предложить способ, при котором коммутирующий контур на полевых транзисторах, входящий в состав контура коммутации, который служит в качестве электронного ключа, мог бы быть защищен от пиков перенапряжения. Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить простое устройство для защиты указанного контура на полевых транзисторах.

Согласно настоящему изобретению решение поставленной задачи обеспечивается созданием способа защиты от пиков перенапряжения (U_OV) коммутирующего контура на полевых транзисторах в контуре коммутации, дополнительно содержащем тиристорный коммутирующий контур, соединенный параллельно с указанным контуром на полевых транзисторах, причем способ по настоящему изобретению характеризуется тем, что

- для обнаружения пика перенапряжения (U_OV) контролируют напряжение (U_F), приложенное к контуру коммутации, в частности, когда коммутирующий контур находится в непроводящем состоянии,

- при внезапном выходе напряжения (U_F), приложенного к коммутирующему контуру (11; 41), за пределы заданного порогового значения (U_K), интерпретируемом как появление пика перенапряжения (U_OV), тиристорный коммутирующий контур (12; 42) переводят в проводящее состояние, при этом пик перенапряжения (U_OV) вынуждают пройти через тиристорный коммутирующий контур (12; 42), который служит в качестве защитного коммутирующего контура.

Устройство, соответствующее настоящему изобретению, т.е. обеспечивающее защиту от пика перенапряжения (U_OV) коммутирующего контура на полевых транзисторах в контуре коммутации, дополнительно содержащем тиристорный коммутирующий контур, соединенный параллельно с указанным контуром на полевых транзисторах, характеризуется тем, что содержит контур обнаружения напряжения и управления, выполненный с возможностью контроля напряжение (U_F), приложенного к контуру коммутации, обнаружения пика перенапряжения (U_OV) и управления тиристорным коммутирующим контуром как защитным коммутирующим контуром, с принудительным направлением пика перенапряжения (U_OV) через тиристорный коммутирующий контур незамедлительно после обнаружения указанного пика.

В своем предпочтительном варианте выполнения устройство по изобретению содержит, по меньшей мере, два стабилитрона, соединенных встречно-последовательно, и обнаружение напряжения (U_F), приложенного к коммутирующему контур, производится по напряжению между указанными стабилитронами.

Преимуществом настоящего изобретения является то, что защита контура на полевых транзисторах от пиков перенапряжения может быть реализована простым и выполнимым способом. Благодаря настоящему изобретению коммутирующий контур на полевых транзисторах оказывается надежно защищенным от пиков перенапряжения, так что полевой транзистор, например, используемый в регуляторе освещения, не испытывает разрушения из-за пика перенапряжения. В результате защиты в соответствии с настоящим изобретением полевой транзистор может выдерживать сотни и даже тысячи случайных пиков перенапряжения.

Преимущество устройства, соответствующего настоящему изобретению, состоит и в том, что его можно осуществить посредством всего нескольких электронных компонентов. Другим преимуществом является то, что оно может быть встроено в небольшой объем, и, таким образом, подходит для применения, в частности, совместно с такими полевыми транзисторами, которые применяются, например, в регуляторах освещения в качестве регулируемых ключей переменного тока.

Перечень чертежей

Ниже настоящее изобретение будет описано подробнее со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает блок-схему, иллюстрирующую контур коммутации и устройство защиты, соответствующее настоящему изобретению;

фиг. 2а изображает возникновение пика перенапряжения в выпрямленном напряжении питания;

фиг. 2b изображает форму напряжения на нагрузке регулятора освещения;

фиг. 2с изображает напряжение; приложенное к контуру коммутации;

фиг. 3 изображает схему контура коммутации, реализованного на полевом транзисторе, и схему устройства защиты, соответствующего настоящему изобретению;

фиг. 4 иллюстрирует устройство защиты, соответствующее настоящему изобретению, в регуляторе мощности для питания источника света; и

фиг. 5 изображает форму напряжения питания, подаваемого в устройство, показанное на фиг. 4.

На схемах для одних и тех же элементов используются одинаковые цифровые обозначения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Фиг. 1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую устройство, соответствующее настоящему изобретению, для защиты контура 11 коммутации от пиков перенапряжения. Контур 11 коммутации может содержать один или несколько полевых транзисторов. Напряжение U_V берется из сети или от соответствующего источника переменного тока и подается на выпрямитель 14. При этом выпрямленное переменное напряжение U_VТ, фиг. 2а, полученное от выпрямителя 14, подается далее, через контур 11 коммутации к нагрузке L. Посредством контура 11 коммутации производится регулирование мощности переменного тока в нагрузке L. Нагрузка L подключается к сети во время действия полупериода Т/2 напряжения питания U_V, в момент времени t (отсчитываемый от начала полупериода) за счет перевода контура 11 коммутации в проводящее состояние, причем, чем раньше наступает момент времени t (т.е. чем ближе он к началу полупериода), тем большая мощность переменного тока подается в нагрузку L, и, соответственно, нагрузка отключается от сети в конце полупериода, когда напряжение питания равно 0. Кривая напряжения U_L на нагрузке L показана на фиг. 2b. Напряжение U_F на контуре 11 коммутации показано на фиг. 2с. Таким образом, контур 11 коммутации находится в непроводящем состоянии в периоды времени 0, t и Т/2, T/2+t и, соответственно, в проводящем состоянии - в оставшиеся части полупериодов, т.е. в периоды времени t, Т/2 и T/2+t, Т.

Если в питающем напряжении U_V возникает пик перенапряжения и далее он оказывается в выпрямленном напряжении питания U_VТ в то время, когда контур коммутации находится в непроводящем состоянии, т.е. в период времени 0, t и Т/2, T/2+t (фиг. 2b), то он выводит из строя ключ, находящийся в контуре 11 коммутации. Чтобы предотвратить это, в схеме на фиг. 1 в соответствии с настоящим изобретением предусмотрена защита от перенапряжения. В предпочтительном варианте указанная схема содержит еще один контур коммутации, т.е. защитный коммутирующий контур 12, подключенный параллельно контуру коммутации 11, т.е. посредством указанного коммутирующего контура 12 защищается собственно контур 11 коммутации. Имеется также контур 13 обнаружения напряжения и управления для обнаружения пиков перенапряжения и для последующего управления защитным коммутирующим контуром 12, присоединенным параллельно к собственно контуру коммутации 11. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения тот же контур 13 обнаружения напряжения и управления может также и управлять собственно контуром 11 коммутации. Контур 13 обнаружения напряжения и управления предпочтительно содержит средства для контроля за напряжением U_F, приложенным к контуру коммутации, и для подачи управляющего сигнала в зависимости от величины разности напряжений.

На фиг. 3 представлено защитное устройство для предохранения полевого транзистора 11а, работающего в качестве ключа, от пиков (импульсов) перенапряжения. В этом предпочтительном варианте осуществления контур 11 коммутации содержит только один полевой транзистор 11а, но в нем могут быть и несколько ключей, соединенных последовательно и/или параллельно. Напряжение питания U_V или напряжение соответствующего источника переменного тока подключено через выпрямитель 14, такой как диодный выпрямитель, к входу ключа 11а на полевом транзисторе. Ключ защитного контура коммутации 12, который в данном предпочтительном варианте осуществления представляет собой тиристор 12а, подключен параллельно ключу 11а на полевом транзисторе, в прямом направлении, от входа к выходу полевого транзистора. Соответственно, контур 13 обнаружения напряжения и управления защитным ключом, в оптимальном варианте, подключен между входом и выходом ключа 11а на полевом транзисторе.

Для специалистов в данной области очевидно, что если контур 11 коммутации содержит более чем один полевой транзистор 11а, защитный коммутирующий контур 12 и контур 13 обнаружения напряжения и управления подключаются параллельно всем указанным ключам на полевых транзисторах, так что один конец подключается ко входу первого ключа на полевом транзисторе, а другой конец - к выходу последнего полевого транзистора, работающего в качестве ключа. Подключение защитного контура коммутации 12 и контура 13 обнаружения напряжения и управления параллельно собственно контуру коммутации 11 может быть осуществлено и каким-либо другим способом, отличным от описанного выше, при условии, что он является подходящим для остальных элементов схемы.

Желательно, чтобы контур 13 обнаружения напряжения и управления содержал, по меньшей мере, два стабилитрона 13а и 13b, соединенных встречно-последовательно. Указанные стабилитроны задают порог напряжения в ветви, параллельной контуру коммутации 11. Когда напряжение на контуре 11 становится больше порога, задаваемого стабилитронами 13а и 13b, управление передается защитному контуру коммутации 12, которое немедленно переводится в проводящее состояние. Защитный контур может представлять собой, например, тиристор 12а, который быстро реагирует на управляющий сигнал. Другой возможностью является использование, например, симистора, но для специалистов в данной области очевидно, что в качестве защитного ключа здесь может быть применен любой другой элемент, который функционально может заменить тиристор, выбранный выше лишь в качестве примера. Для специалистов в этой области очевидно также, что число стабилитронов в устройстве 13 обнаружения напряжения перенапряжения и управления ни в коей мере не ограничено, ибо при необходимости в соответствии с вышеописанным могут быть включены последовательно несколько пар стабилитронов. На фиг.3 также изображена схема 31 управления полевым транзистором, которая как таковая не является частью изобретения и поэтому далее не обсуждается.

Далее работа схемы защиты от перенапряжения описана более подробно со ссылками на фиг.2а, 2с и 3. Если в напряжении питания U_V и, далее, в выпрямленном питающем напряжении U_VТ возникает мощный пик перенапряжения U_OV, причем он возникает во время действия полупериода питающего напряжения в тот момент, когда полевой транзистор 11а, работающий как ключ, находится в непроводящем состоянии, то этот пик перенапряжения приводит к сильному скачку напряжения U_OV1 на контуре 11 коммутации, служащем ключом, и указанный пик обнаруживается контуром 13 обнаружения напряжения и управления. Это означает, что в промежуточной точке Р, образованной соединенными катодами стабилитронов 13а, 13b, напряжение по форме повторяет скачок напряжения U_OV1 и, резко нарастая, становится больше заданного порогового значения напряжения U_K, которое, например, равно 400 В. Когда пороговое напряжение U_K превышено, контур 13 обнаружения напряжения и управления посылает управляющий сигнал в защитный коммутирующий контур 12, который, например, представляет собой тиристор 12а. После получения управляющего сигнала тиристор 12а открывается и позволяет пику перенапряжения U_OV прямо пройти к нагрузке L, которая в данном случае является осветительным прибором. Таким образом, пик перенапряжения U_OV не пробивает запертый полевой транзистор 11а переключающего устройства. Следует подчеркнуть, что схема контура 13 обнаружения напряжения и управления срабатывает очень быстро и она способна обнаруживать резкие пики перенапряжения, так что есть время отвести пик перенапряжения через защитный коммутирующий контур 12 в нагрузку прежде, чем он выведет из строя ключ 11а на полевом транзисторе, который является более медленно действующим, чем схема защиты. Когда пик перенапряжения пройдет через тиристор 12а, служащий в качестве защитного переключателя, тиристор останется открытым до следующей точки, когда ток станет равным 0. В этой точке он снова перейдет в запертое состояние. Фиг. 2с показывает напряжение U_F на контуре 11 коммутации, в частности, когда в выпрямленном питающем напряжении U_VТ возникает пик перенапряжения U_OV, что соответствует фиг. 2а.

Фиг. 4 иллюстрирует применение предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения. Представленное на фиг. 4 устройство - это электронный регулятор мощности, который может быть использован, например, для регулирования силы света осветительного прибора. Указанный электронный регулятор мощности более подробно описан, например, в патентной заявке Финляндии №964021. Рассмотрим контур коммутации регулятора мощности, который содержит контур 41 коммутации на полевом транзисторе и тиристорный коммутирующий контур 42, соединенные параллельно. В этом варианте осуществления контур 41 коммутации на полевом транзисторе образован двумя полевыми транзисторами 41а и 41b. Истоки полевых транзисторов 41а и 41b соединены вместе, а их стоки подключены к входу регулятора мощности, т.е. к входу питающего напряжения (IN), и, соответственно, к выходу регулятора мощности, т.е. к выводу (OUT) для подключения нагрузки, в соответствии с фиг.4. Тиристорный коммутирующий контур 42 содержит два тиристора 42а и 42b, которые, как указано выше, включены встречно-параллельно между выводами входа (IN) и выхода (OUT). В этом варианте осуществления к управляющим электродам тиристоров 42а, 42b подключены две пары стабилитронов 43а, 43b, посредством которых измеряется напряжение между входом (IN) и выходом (OUT) и которые вместе с диодами D₁, D₂ и резисторами R₁, R₂ образуют контур 44 обнаружения напряжения и управления. Следует отметить, что имеется напряжение питания U_V или какое-то соответствующее напряжение переменного тока (фиг. 5), которое напрямую подается на данный контур коммутации. Когда опорное или пороговое напряжение U_K, определяемое парами стабилитронов 43а, 43b, окажется превышенным, т.е. пик перенапряжения U_OV начнет действовать во время положительного полупериода питающего напряжения, тиристор 42а получит сигнал управления через диод D₁, т.е. через пару стабилитронов 43а, 43b. В этом случае он отопрется и напрямую пропустит пик перенапряжения U_OV к нагрузке (OUT). С другой стороны, если из-за отрицательного пика перенапряжения -U_OV, действующего во время отрицательного полупериода питающего напряжения, когда коммутирующий контур 41 на полевых транзисторах заперт, т.е. не проводит ток, оказывается превышенным заданное отрицательное опорное напряжение -U_K, управляющий электрод тиристора 42а получает сигнал управления через диод D₂, а также через пары стабилитронов 43а, 43b. При этом тиристор переключается в проводящее состояние, при котором пик перенапряжения -U_OV следует через тиристор 42b прямо к нагрузке (OUT).

Важно отметить, что посредством пар стабилитронов 43а, 43b контура 44 обнаружения напряжения и управления задается предельная абсолютная величина порогового напряжения ±U_K, так что, когда имеет место превышение этой величины, пик перенапряжения ±U_OV напрямую передается в нагрузку через тиристоры 42а, 42b. Так как каждая пара стабилитронов содержит два встречно включенных стабилитрона, то величину порогового напряжения ±U_K можно определить как сумму напряжений пробоя всех стабилитронов, включенных в запорном направлении по отношению к пику перенапряжения, т.е., например, в данном варианте осуществления изобретения имеются две пары стабилитронов 43а, 43b и, следовательно, всегда есть два стабилитрона, включенных в запорном направлении, и указанные стабилитроны определяют величину порогового напряжения U_K. Если напряжение пробоя одного стабилитрона составляет, к примеру, 230 В, то в схеме, приведенной на фиг. 4, пороговое напряжение составит около 460 В (230 В + 230 В). Для специалиста в данной области очевидно, что можно варьировать число используемых пар стабилитронов, чтобы подобрать оптимальное пороговое напряжение U_K, подходящее для каждой конкретной схемы. Следует понимать, что контур 44 обнаружения напряжения и управления включает в себя также и другие элементы, которые могут оказывать влияние на величину порогового напряжения U_K; однако существенно важными элементами являются пары стабилитронов 43а, 43b, благодаря простоте и эффективности схемы.

Нет смысла более подробно обсуждать прочие элементы, показанные на схеме фиг. 4, но не упомянутые выше, такие как конденсатор С, потому что они существенно не связаны с настоящим изобретением. Специалисту в данной области должно быть понятно, что схема на фиг. 4 является упрощенной, чтобы лучше проиллюстрировать идею настоящего изобретения.

Как видно из вышеизложенного, изобретение описано на примерах схем, используемых в технике осветительных приборов. Для специалиста в данной области ясно, что настоящее изобретение может во всех своих частях быть применено в других схемах, в которых имеется риск того, что пик перенапряжения, принятый из сети, вызовет пробой полевых транзисторов, которые в указанной схеме работают в качестве ключей.

Вышеописанные элементы ни в коем случае не ограничиваются определенными типами, напротив, в данном изобретении возможно использование других элементов, которые оптимальным образом подходят для обеспечения защиты, соответствующей настоящему изобретению, и которые допустимы в рамках идеи изобретения, которая определена в прилагаемой формуле.

Изобретение касается способа и устройства для защиты коммутирующего контура 11 на полевых транзисторах от пиков перенапряжения. В соответствии с изобретением параллельно коммутирующему контуру 11 на полевых транзисторах подключают защитный коммутирующий контур 12 с целью обнаружения пиков перенапряжения; напряжение U_F, приложенное к коммутирующему контуру 11 на полевых транзисторах, контролируют, в частности, когда контур 11 на полевых транзисторах находится в непроводящем состоянии; и, когда напряжение U_F, приложенное к коммутирующему контуру 11 на полевых транзисторах, внезапно выходит за пределы заданного порогового напряжения, так, что это истолковывается как пик перенапряжения, защитный коммутирующий контур 12 переводят в проводящее состояние, при этом пик перенапряжения вынуждают пройти через защитный коммутирующий контур 12. Технический результат - защита от пиков перенапряжения. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ защиты от пиков перенапряжения (U_OV) коммутирующего контура на полевых транзисторах (11; 41) в контуре коммутации, дополнительно содержащем тиристорный коммутирующий контур (12; 42), соединенный параллельно с указанным контуром на полевых транзисторах (11; 41), отличающийся тем, что для обнаружения пика перенапряжения (U_OV) контролируют напряжение (U_F), приложенное к контуру коммутации, в частности, когда коммутирующий контур (11; 41) находится в непроводящем состоянии, при внезапном выходе напряжения (U_F), приложенного к коммутирующему контуру (11; 41), за пределы заданного порогового значения (U_К), интерпретируемом как появление пика перенапряжения (U_OV), тиристорный коммутирующий контур (12; 42) переводят в проводящее состояние, при этом пик перенапряжения (U_OV) вынуждают пройти через тиристорный коммутирующий контур (12; 42), который служит в качестве защитного коммутирующего контура (12; 42).2. Устройство для защиты от пиков перенапряжения (U_OV) коммутирующего контура на полевых транзисторах (11; 41) в контуре коммутации, дополнительно содержащем тиристорный коммутирующий контур (12; 42), соединенный параллельно с указанным контуром на полевых транзисторах (11; 41), отличающееся тем, что содержит контур (13; 44) обнаружения напряжения и управления, выполненный с возможностью контроля напряжение (U_F), приложенного к контуру коммутации, обнаружения пика перенапряжения (U_OV) и управления тиристорным коммутирующим контуром (12; 42) как защитным коммутирующим контуром (12; 42), с принудительным направлением пика перенапряжения (U_OV) через тиристорный коммутирующий контур (12; 42) незамедлительно после обнаружения указанного пика.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что контур (13; 44) обнаружения напряжения и управления содержит по меньшей мере два стабилитрона (13а, 13b; 43а, 43b), соединенных встречно-последовательно, и присоединен параллельно контуру коммутации.