本實用新型涉及過電壓檢測與開關電路，特別涉及一種基于電壓非線性元件的過電壓檢測與開關電路。

背景技術：

由于供電網故障、設備投切、錯相、線路諧振等原因，常會導致供電線路發生工頻過電壓故障，直流供電線路也會因為各種原因導致電壓過高，過高電壓會使用電設備內電子元器件失效，甚至導致火災事故。

采用電壓檢測電路，當檢測電路檢測到電源電壓超過規定電壓時，輸出信號觸發開關使電源斷開，可減少損失，避免發生事故。

現有技術普遍采用運算放大器為基的電壓比較電路對電壓進行檢測，但是這種電路存在下列不足：易受干擾，需要增加抗干擾設計；需要配置直流工作電源；制作成本較高。

技術實現要素：

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種簡單可靠、成本低廉的基于電壓非線性元件的過電壓檢測及開關電路。

本實用新型利用電壓非線性元件的伏安特性檢測電源電壓，根據電壓高低觸發或關斷處于電源回路的半導體開關器件從而控制回路中的負載通斷。

本實用新型的目的通過以下技術方案實現：

一種基于電壓非線性元件的過電壓檢測及開關電路，包括半導體開關元件、電壓敏感元件、第一電阻器、第二電阻器、穩壓二極管、電容器和開關；第二電阻器、穩壓二極管和電容器并聯連接，對應穩壓二極管的陰極的并聯端與半導體開關元件的門極或柵極連接，對應穩壓二極管的陽極的并聯端與半導體開關元件陰極或源極連接；第一電阻器與電壓敏感元件串聯連接，串聯的一端與開關一端連接，串聯的另一端與半導體開關元件的門極或柵極連接；負載一端與開關一端連接，負載的另一端與半導體開關元件的陽極或漏極連接；開關的另一端及半導體開關元件的陰極或源極與分別與電源兩端連接。

為進一步實現本實用新型目的，優選地，第一電阻器為限流電阻，選擇的阻值將流過壓敏電阻的導通電流限制在mA數量級范圍以內；當壓敏電阻導通電流達到0.1mA時，第二電阻器上的電壓觸發單向可控硅。

優選地，所述半導體開關元件為單向可控硅、N溝道場效應管或雙向可控硅。

優選地，所述電壓敏感元件為壓敏電阻或雙向瞬態抑制器。

優選地，所述電源端連接交流電源或直流電源。進一步地，所述單向可控硅的耐壓大于所連接的直流電源電壓的兩倍或交流電源電壓峰值的兩倍。進一步優選，所述單向可控硅的耐壓參數為800V。

優選地，所述穩壓二極管采用電壓參數為2.5V的穩壓二極管。

優選地，所述電容器采用0.1～0.5微法電容器。進一步優選所述電容器采用0.22微法電容器。

本實用新型所述半導體開關元件可以采用單向可控硅SCR、雙向可控硅TRIAC，也可以采用場效應管(MOSFET)；電壓非線性元件可以采用氧化鋅壓敏電阻Rv，也可以采用半導體瞬態電壓抑制元件(TVS)。

本實用新型第一電阻R1與電壓非線性元件串聯，第二電阻R2與穩壓二極管D及電容器C并聯并與半導體開關元件連接。如果半導體開關元件為可控硅，則與可控硅的門極和陰極相連；如果半導體開關元件為MOSFET，則與其柵極和源極相連。

本實用新型第二電阻R2作為分壓電阻，穩壓二極管D用作半導體開關元件的保護元件，限制半導體開關元件的觸發電壓或觸發電流，以免觸發電流或電壓過大損壞半導體開關元件。

本實用新型電容器C起抑制干擾作用，減少半導體開關元件誤觸發的發生幾率。

與現有技術相比，本實用新型具有以下優點和有益效果：

本實用新型利用電壓非線性元件的強非線性特性，實現電壓檢測與控制，與現有技術比較，由于省去了運算放大器電路及其所需直流電源，也無需增加抗干擾設計，所以簡化了電路結構，降低了制作成本，縮小了產品體積。

附圖說明

圖1為實施例1的基于電壓非線性元件的過電壓檢測及開關電路連接示意圖。

圖2為實施例2的基于電壓非線性元件的過電壓檢測及開關電路連接示意圖。

圖3為實施例3的基于電壓非線性元件的過電壓檢測及開關電路連接示意圖。

具體實施方式

為更好地理解本實用新型，下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步地說明，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例1

如圖1所示，一種基于電壓非線性元件的過電壓檢測及開關電路，包括單向可控硅SCR、壓敏電阻R_V、第一電阻器R1、第二電阻器R2、穩壓二極管D、電容器C和開關K。各元件連接方式：第二電阻器R2、穩壓二極管D和電容器C三個元件并聯連接，對應穩壓二極管D的陰極的并聯端與單向可控硅SCR的門極連接，對應穩壓二極管D的陽極的并聯端與單向可控硅SCR陰極連接；第一電阻器R1與壓敏電阻R_V串聯連接，串聯后一端與開關K一端連接，另一端與單向可控硅SCR的門極連接；負載一端與開關K一端連接，另一端與單向可控硅SCR的陽極連接；開關K的另一端及單向可控硅SCR的陰極與分別與電源兩端連接。

本實施例以壓敏電阻R_V為電壓敏感元件，采用單向可控硅SCR為半導體開關元件，實現對過電壓檢測以及觸發保護電路工作。

圖1中，開關K合閘后，當電源電壓較低時，壓敏電阻R_V不導通，第一電阻器R1和第二電阻器R2都沒有電流流過，單向可控硅SCR的門極沒有觸發信號，單向可控硅SCR不導通，負載沒有電流流過。當電源電壓升高達到一定電壓值，使壓敏電阻R_V導通，此時在第二電阻器R2有電壓降，當這個電壓降大于單向可控硅SCR的觸發電壓時，單向可控硅SCR導通，使電源電壓施加到負載上。穩壓二極管D用作單向可控硅SCR的保護元件，限制單向可控硅SCR的門極電壓，以免觸發電流或電壓過大損壞單向可控硅SCR。電容器C起抑制干擾作用，減少單向可控硅SCR誤觸發的發生幾率。

本實施例采用的壓敏電阻R_V的壓敏電壓為375V。

本實施例電源端可連接交流電源，也可連接直流電源。

將電源端連接工頻可調電源，電壓調節到260VAC以下時，接通電源(開關K合閘)，可控硅SCR不導通，負載沒有電流流過。

當將工頻可調電源電壓調節到263VAC以上時，接通電源(開關K合閘)，壓敏電阻Rv有漏電流流過，該電流使第二電阻器R2兩端形成電壓降，使得可控硅SCR導通，從而使負載兩端與交流電源接通而工作。

當電源電壓調節到260～263VAC范圍時，接通電源(開關K合閘)，可控硅SCR通斷狀態不確定，這個不確定電壓范圍決定于所采用的可控硅SCR的工作重復性等因素。電源電壓260～263VAC為本實施例過壓保護臨界交流電壓范圍。

本實施例中的電源也可以連接直流電源，連接直流電源時電源正極與開關K連接，電源負極與單向可控硅SCR陰極連接，采用的壓敏電阻壓敏電壓為375V，當將直流可調電壓源電壓調節到370V以下時，接通電源(開關K合閘)，可控硅SCR不導通，負載沒有電流流過。

當將直流可調電壓源電壓調節到373V以上時，接通電源(開關K合閘)，壓敏電阻Rv有漏電流流過，該電流使第二電阻器R2兩端形成電壓降，使得可控硅SCR導通，從而使負載兩端與交流電源接通而工作。

當電源電壓調節到370～373V范圍時，接通電源(開關K合閘)，可控硅SCR通斷狀態不確定，這個不確定電壓范圍決定于所采用的可控硅SCR的工作重復性等因素。電源電壓370～373V為本實施例過壓保護臨界直流電壓范圍。

本實施例元件參數優選為：單向可控硅SCR耐壓應該大于所連接的直流電源電壓的兩倍或交流電源電壓峰值的兩倍，本實施例選用的單向可控硅SCR耐壓參數為800V；第一電阻器R1為限流電阻，選擇適當阻值將流過壓敏電阻R_V的導通電流限制在mA數量級范圍以內；第二電阻器R2選用原則是當壓敏電阻Rv導通電流達到0.1mA時，第二電阻器R2上的電壓足以觸發單向可控硅SCR，本實施例采用100kΩ電阻；穩壓二極管D用于保護單向可控硅SCR，防止施加在門極的觸發電壓太高，本實施例采用電壓參數為2.5V的穩壓二極管，電容器C用于抑制干擾，采用0.1～0.5微法電容器均可，本實施例采用0.22微法電容器。

本實施例實現了電源過電壓的檢測與控制，當電源電壓高于設計的上限電壓時，可控硅導通，使負載得電，負載可以是繼電器或斷路器線圈，當電源電壓過高時利用繼電器或斷路器切斷電源回路以保護用電設備。

實施例2

如圖2所示，本實施例以壓敏電阻Rv為電壓敏感元件、采用N溝道場效應管NMOS為半導體開關元件，實現過電壓檢測以及觸發保護電路工作。電路元件包括開關K、N溝道場效應管NMOS、壓敏電阻Rv、第一電阻器R1、第二電阻器R2、穩壓二極管D和電容器C。

本實施例的電路連接方法與實施例1相同，但是在本實施例中用N溝道場效應管NMOS代替實施例1中的單向可控硅SCR。連接方式中，N溝道場效應管NMOS的柵極、源極和漏極分別對應單向可控硅SCR的門極、陰極和陽極。

本實施例中電源端連接可調直流電源，采用的壓敏電阻器壓敏電壓為52V，當將可調直流電源電壓調節到49V以下時，接通電源(開關K合閘)，N溝道場效應管NMOS不導通，負載沒有電流流過。

當將可調直流電源電壓調節到50V以上時，接通電源(開關K合閘)，壓敏電阻Rv的漏電流使第二電阻器R2兩端形成電壓降，使得N溝道場效應管NMOS導通，負載上有電流流過。

當電源電壓調節到49～50V范圍時，接通電源(開關K合閘)，N溝道場效應管NMOS通斷狀態不確定，這個不確定電壓范圍決定于所采用的N溝道場效應管NMOS的工作重復性等因素。電源電壓49～50V為本實施例過壓保護臨界直流電壓范圍。

所述N溝道場效應管NMOS的電性能參數應根據所連接電源最大電壓及負載最大電流進行選擇，本實施例采用耐壓200V，最大導通電流為32A的N溝道場效應管(IRFP250N 200V32A)；其他元件的選擇與實施例1相同。

實施例3

如圖3所示，本實施例以雙向瞬態抑制器TVS為電壓敏感元件、采用雙向可控硅TRIAC為半導體開關元件，實現過電壓檢測以及觸發保護電路工作；包括開關K、雙向可控硅TRIAC、雙向瞬態抑制器TVS、第一電阻器R1、第二電阻器R2、穩壓二極管D和電容器C。

本實施例的電路連接方法與實施例1相同，但是在本實施例中用雙向可控硅TRIAC代替實施例1中的單向可控硅SCR；用雙向瞬態抑制器TVS代替實施例1中的壓敏電阻Rv。

本實施例中的電源端可連接交流電源，雙向瞬態抑制器TVS的導通電壓為360V，當將工頻可調電源電壓調節到265VAC以下時，接通電源(開關K合閘)，雙向瞬態抑制器TVS不導通，雙向可控硅TRIAC不導通，負載沒有電流流過。

當將工頻可調電源電壓調節到268VAC以上時，接通電源(開關K合閘)，雙向瞬態抑制器TVS導通，該導通電流使第二電阻器R2兩端形成電壓降，該電壓觸發雙向可控硅TRIAC導通，負載上有電流流過。

當電源電壓調節到265～268VAC范圍時，接通電源(開關K合閘)，雙向可控硅TRIAC通斷狀態不確定，這個不確定電壓范圍決定于所采用的雙向可控硅TRIAC的工作重復性等因素。

本實施例中電源也可以連接直流電源，連接直流電源時電源正極與開關K連接，電源負極與雙向可控硅TRIAC連接，采用的雙向瞬態抑制器TVS導通電壓為368V，當將直流可調電壓源電壓調節到363V以下時，接通電源(開關K合閘)，雙向瞬態抑制器TVS不導通，雙向可控硅TRIAC不導通，負載沒有電流流過。

當將直流可調電壓源電壓調節到366V以上時，接通電源(開關K合閘)，雙向瞬態抑制器TVS導通，該導通電流使第二電阻器R2兩端形成電壓降，觸發雙向可控硅TRIAC導通，負載上有電流流過。

當電源電壓調節到363～366V范圍時，接通電源(開關K合閘)，雙向可控硅TRIAC通斷狀態不確定，這個不確定電壓范圍決定于所采用的雙向可控硅TRIAC的工作重復性等因素。電源電壓363～366V為本實施例過壓保護臨界直流電壓范圍。

所述雙向可控硅TRIAC的電性能參數應根據所連接電源最大電壓及負載最大電流進行選擇，本實施例采用耐壓600V，最大導通電流為1A的雙向可控硅(BT131‐600TO‐92)；所述雙向瞬態抑制器TVS的電性能參數主要考慮導通電壓參數，由于電路工作時通過該雙向瞬態抑制器TVS的電流很小(mA數量級)，其導通電流參數不必特殊考慮；其他元件的選擇與實施例1相同。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。