CN110391647A - 机械运作设备的电气保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明的电气保护装置用于机械运作设备的控制器，且包括电路板、前级保护电路及后级保护电路。前级保护电路及后级保护电路形成于电路板上。前级保护电路连接电源及控制器的前级。前级保护电路有电气保护条件，用以在电源的瞬间突波能量超过电气保护条件时，阻挡瞬间突波能量进入控制器。后级保护电路连接前级保护电路及控制器的后级。在瞬间突波能量发生时后级保护电路的反应速度较前级保护电路的反应速度慢。本发明的电气保护装置可有效阻隔瞬间突波能量以避免机械运作设备的电子***损坏。

Description

机械运作设备的电气保护装置

技术领域

本发明与电气保护装置有关，特别是指一种机械运作设备的电气保护装置。

背景技术

控制器是用以控制自动化或机械设备的各种运作，例如加工、量测及输送等，运作过程通常包含各种不同行程，例如旋转、移动及抓取等，控制器则通过程序或指令安排来完成各种行程及运作。

控制器运作过程中电源能量可能会受到周围设备、环境设备、电源线感应、闪电及电源接触等发生瞬间突波，瞬间突波随着电源路径进入控制器，而造成控制器或终端负载损坏。

目前为了防止瞬间突波产生的损坏，通常会依据控制器内电子零件的反应来设计对应的保护电路或保护装置，但这种方式需要完整考虑全部控制器内的电子组件反应条件，再者，相同规格的电子组件也会因为参数误差而造成反应能力的误差，因此，保护装置设计是较为困难。

此外，各机械运作设备内部可用空间是被受限，因此，保护电路能使用的空间通常是狭小的，因此，如何在这狭小空间内选择适合的保护装置已为业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的电气保护装置可以忽略机械运作设备的***内电子组件的反应状态，并可有效隔离瞬间突波造成的损坏。

为了达成上述目的，本发明的电气保护装置用于一机械运作设备的一控制器，且包括一电路板、一前级保护电路及一后级保护电路。前级保护电路及后级保护电路形成于电路板上。前级保护电路连接一电源及控制器的前级。前级保护电路有一电气保护条件，用以在电源的瞬间突波能量超过电气保护条件时，阻挡瞬间突波能量进入控制器。后级保护电路连接前级保护电路及控制器的后级。在瞬间突波能量发生时后级保护电路的反应速度较前级保护电路的反应速度慢。

因为本发明的电气保护装置通过前级保护电路及后级保护电路的配置，且在瞬间突波能量发生时延迟后级保护电路的反应，因此，本发明的电气保护装置可以忽略控制器或负载有配置反应较前级保护电路更快速的电子组件，以简化保护电路的设计，更可有效阻隔瞬间突波能量。

附图说明

图1是本发明的电气保护装置的方块图。

图2-5分别是图1中本发明的电气保护装置的实施例的电路图。

【符号说明】

10电气保护装置 11电路板

13、63、73前级保护电路 131、531前级电压抑制器

133耐高压二极管 15、65、75后级保护电路

151、551、651、751分流组件 153、553、653后级电压抑制器

20控制器 21换流器

23处理器 25、25a光继电器

27前级 29后级

30电源 40、40a负载

7511电阻器 7513开关

具体实施方式

本发明的电气保护装置是应用于机械运作设备的控制器，机械运作设备例如机器人、电动夹爪、滑轨等。

如图1所示，电气保护装置10连接控制器20及电源30，用以避免电源产生瞬间突波能量造成控制器20或机械运作设备内部电子零件损坏。负载40是机械运作设备的执行装置，例如电动夹爪及滑轨等。

如图1及2所示，控制器20包括换流器21、处理器23及光继电器25。换流器21连接电气保护装置10，且接收通过电气保护装置10的电源能量。处理器23连接换流器21及光继电器25，且用以输出负载40的控制指令，或接收负载40的回授信号。其他实施例中，控制器20还包括其他模块或存在更多处理器，模块例如整流器及逆变器等。

电气保护装置10包括一电路板11、一前级保护电路13及一后级保护电路15，前级保护电路13及后级保护电路15是形成在电路板11上。电路板11的贴合面优选是21*50mm，且电路板可以选择单层或多层导体的结构。贴合面是用以承载电子组件。其他实施例中，电路板的尺寸可以更小或更大，例如贴合面的长边改为50-85mm，贴合面的短边改为21-35mm，因此，尺寸不以上述为限，且长边及短边也可以是相同尺寸。前级保护电路13连接电源30及控制器20的前级27，后级保护电路15连接前级保护电路13及控制器20的后级29。前级27及后级29分别泛指控制器20的输入及输出，控制器20的后级29通常是指连接负载40的端点，以输出指令给负载，因此，控制器20的前级27及后级29也被称为输入端及输出端。

前级保护电路13在电源30输入的瞬间突波能量符合电气保护条件时，阻挡瞬间突波能量输入控制器20。本实施例的电气保护条件是±1千伏特(KV)，换言之，瞬间突波能量超过±1KV时，前级保护电路13会被触发，其他实施例中，电器保护条件的参数可以更大或更小。

瞬间突波能能量可分成顺向瞬间突波能量及逆向瞬间突波能量。顺向是指从高电位流向低电位的能量，逆向是指从低电位流向高电位的能量。突波是短暂或瞬间的能量激增，而造成***无法负荷的能量。电气保护条件包括顺向保护参数及逆向保护参数，其中，能量及参数可以是电流、电压、功率或经过运算转换的数字参数。

符合电气保护条件是瞬间突波能量大于顺向保护参数及瞬间突波能量小于逆向保护参数。在瞬间突波能量大于顺向保护参数时，前级保护电路13以短路方式将瞬间突波能量导引至接地端，以避免瞬间突波能量进入控制器20。在瞬间突波能量小于逆向保护参数时，前级保护电路13以断路方式将瞬间突波能量阻隔在控制器20外，以避免瞬间突波能量进入控制器20。

前级保护电路13包括一前级电压抑制器131及一耐高压二极管133，前级电压抑制器131与电源30并联连接，耐高压二极管133的正极连接前级电压抑制器131的正极，耐高压二极管133的负极连接后级保护电路15及控制器20的前级27。其中，顺向保护参数与前级电压抑制器131有关，本实施例中，前级电压抑制器131是瞬态电压抑制二极管(TVS)，瞬态电压抑制二极管优选是选用双向24伏特，且能承受300安培(A)/3千瓦(KW)。耐高压二极管优选选用耐电压1千伏特(KV)，但其他实施例也不以所选用参数为限。其他实施例的前级电压抑制器131可以是金属氧化物变阻组件(MOV)或其他能承受瞬间突波能量的电子组件或组合。

在瞬间突波能量发生时后级保护电路15的反应速度较前级保护电路13的反应速度慢，后级保护电路15还用以防止外部静电进入控制器20。其中，瞬间突波能量大于顺向保护参数时，后级保护电路15的阻抗是大于前级保护电路13的阻抗，以延迟后级保护电路15的反应。瞬间突波能量小于逆向保护参数时，前级保护电路13与后级保护电路15之间形成断路，以延迟后级保护电路15的反应。

本实施例中，后级保护电路15包括分流组件151及后级电压抑制器153。分流组件151是造成后级保护电路15在瞬间突波能量发生时反应较慢的主要原因，这里以电阻器为例。电阻的两端连接前级保护电路13的耐高压二极管133的负极及后级电压抑制器153，后级电压抑制器153连接控制器20的后级29，且形成并联关系。

分流组件151用以在瞬间突波能量发生时延迟后级电压抑制器153的反应时间，以保护后级电压抑制器153及光继电器25等，因为，瞬间突波能量发生时，前级保护电路13会优先反应，特别是顺向瞬间突波能量发生时，前级电压抑制器131形成短路，故前级电压抑制器131的阻抗远小于分流组件的阻抗，因此，大部分瞬间突波能量通过短路的前级电压抑制器131，而不会进入控制器20或后级保护电路。

其中，后级电压抑制器153选用的组件与前级电压抑制器131相同，但组件的各参数条件可以不同，例如耐电压程度及反应时间等。

其他实施例中，分流组件151也可以选用其他可以形成阻抗的组件或模块，故不以电阻器为限，且电阻器的数量也可以更多。

因为本实施例选用的电路板10体积小，所以选用瞬态电压抑制二极管的尺寸为8*5.9*2.6mm或2.6*1.3*1.1mm、耐高压二极管的尺寸是5*2.7*2.2mm，但组件尺寸可能更小或更大，但需能配置在电路板10上。电阻器的电阻值介于20-60欧姆(Ω)。如此，本发明的电气保护装置10所述的各组件可以完整配置在电路板11，以装入机械运作设备内。

应用中，当电源产生瞬间突波能量时，且分成顺向及逆向突波能量。顺向瞬间突波能量会触发前级保护电路13的前级电压抑制器131，以使前级电压抑制器131导通而形成短路，因此，顺向瞬间突波能量会从短路的前级电压抑制器131流入接地端，而不会进入控制器20内。当逆向瞬间突波能量经由电源30进入电气保护装置10内时，逆向瞬间突波能量能通过前级电压抑制器131，但耐高压二极管133呈现断路状态，因此，逆向瞬间突波能量无法进入控制器内。如此，前级保护电路13可有效保护控制器20，以避免控制器20被顺向或逆向突波能量击坏。

再者，因为前级电压抑制器131及后级电压抑制器153都选用反应迅速的组件，为了避免后级电压抑制器153反应早于前级电压抑制器131，因此，通过后级保护电路15的分流组件151可以有效延迟后级电压抑制器153的反应，来避免控制器20或后级电压抑制器153损坏。

此外，后级电压抑制器153可以有效阻挡负载40产生的静电电压，以保护控制器20的光继电器25。

因为本发明的电气保护装置通过前级保护电路13及后级保护电路15的配置可以忽略控制器20、负载40或其他***内有配置反应较前级电压抑制器131更快速的电子组件，以简化保护电路的设计并降低电路成本，更可有效阻隔瞬间突波能量。

如图3所示，该图是本发明的电气保护装置的其他实施例，图中的间隔黑点表示线路或组件的数量可以更多。相同的部分如前述实施例所述，故不赘述。该图中前级电压抑制器531是选用金属氧化物变阻器(MOV)，其可达成避免控制器20被瞬间突波能量损害。金属氧化物变阻器可处理大电流、吸收突波能量及反应迅速以保护控制器20。其他实施例中，前级电压抑制器531也可以选用其他能承受或吸收瞬间突波能量的电子组件，而不以本说明书所述为限。

此外，控制器20有多个输出，因此，这些输出对应多个光继电器25a，后级保护电路55只有一个分流组件(即电阻器)551，但有多个后级电压抑制器553，后级电压抑制器553一对一并联连接光继电器25a，且连接多个负载40a。

如此，本发明的电气保护装置可通过一个分流组件551达成延迟多个后级电压抑制器553反应的目的。

如图4所示，该图是本发明的电气保护装置的其他实施例，相同的部分如前述实施例所述，故不赘述。该图中后级保护电路65的分流组件651是选用多个电阻器连接前级保护电路63，电阻器的数量与后级电压抑制器653的数量成正比关系，且一对一配置。这些电阻器可以依据实际电路设计选用相同或不同的电阻值。如此，后级电压抑制器653的反应时间可以是相同的或不同。

如图5所示，该图是本发明的电气保护装置的其他实施例，相同的部分如前述实施例所述，故不赘述。该图中后级保护电路75的分流组件751除了电阻器7511外还包括一开关7513，开关7513连接前级保护电路73、接地端及电阻器7511，其中，电阻器7511的连接与前述实施例相同，于此不赘述。

开关7513可以选用机械式开关或电子式开关。机械式开关例如电驿，电子开关例如晶体管或晶体管组成的开关电路。开关7513可以选择中断后级电压抑制器与耐高压二极管的连接路径，以使该路径形成断路，或直接连接至接地端。

当开关切换在使后级电压抑制器与耐高压二极管连接路径时，提供至负载的电流是电源提供，这个状态也称为sourcing模式。当开关切换在后级电压抑制器与开关的接地端的连接路径时，也就是将后级电压抑制器短路至接地端(0V)，这个时候提供至负载的电流是从负载提供，然后流过后级电压抑制器而到接地端，这个状态称为sinking模式。

如此，本发明的电气保护装置可以有效隔离或吸收电源或电力线产生的瞬间突波能量，以避免瞬间突破能量造成机械运作设备内部电子零件损坏。又，本发明的电气保护装置不需考虑机械运作设备内电子零件的电气特性，而可通过前级保护电路有效阻隔大部分瞬间突波能量进入控制器或其他机械运作设备内。

Claims (10)

1.一种电气保护装置，用于一机械运作设备的一控制器，且包括：

一电路板；

一前级保护电路，形成于该电路板上，且连接一电源及该控制器的前级，该前级保护电路有一电气保护条件，用以在该电源的瞬间突波能量超过该电气保护条件时，阻挡该瞬间突波能量进入该控制器；及

一后级保护电路，形成于该电路板上，且连接该前级保护电路及该控制器的后级，在该瞬间突波能量发生时该后级保护电路的反应速度较该前级保护电路的反应速度慢。

2.如权利要求1所述的电气保护装置，其中，该前级保护电路包括一前级电压抑制器及一耐高压二极管，该前级电压抑制器与该电源形成并联连接，且用以阻挡顺向该瞬间突波能量进入该控制器，该耐高压二极管连接该前级电压抑制器及该后级保护电路，且用以阻挡逆向该突波瞬间能量进入该控制器。

3.如权利要求2所述的电气保护装置，其中，该前级电压抑制器是瞬态电压抑制二极管及金属氧化物变阻器的其中一者。

4.如权利要求1所述的电气保护装置，其中，该电气保护条件包括一顺向保护参数及一逆向保护参数，该瞬间突波能量大于该顺向保护参数时，该后级保护电路的阻抗是大于该前级保护电路的阻抗，以延迟该后级保护电路的反应，该瞬间突波能量小于该逆向保护参数时，该前级保护电路与该后级保护电路之间形成断路，以延迟该后级保护电路的反应。

5.如权利要求4所述的电气保护装置，其中，该后级保护电路包括一分流组件及一后级电压抑制器，该分流组件连接该前级保护电路及该后级电压抑制器，该分流组件有一阻抗值，该后级电压抑制器连接该控制器的后级。

6.如权利要求4所述的电气保护装置，其中，该分流组件包括一电阻器，该后级电压抑制器是瞬态电压抑制二极管及金属氧化物变阻器的其中一者。

7.如权利要求4所述的电气保护装置，其中，该后级保护电路包括多个分流组件及多个后级电压抑制器，该多个分流组件连接该前级保护电路及该多个后级电压抑制器，该多个分流组件分别有一阻抗值，该多个后级电压抑制器连接该控制器的多个后级。

8.如权利要求7所述的电气保护装置，其中，该多个分流组件分别包括多个电阻器，该多个后级电压抑制器分别是瞬态电压抑制二极管及金属氧化物变阻器的其中一者。

9.如权利要求8所述的电气保护装置，其中，该分流组件还包括一开关，该开关连接该前级保护电路及该多个电阻器。

10.如权利要求1所述的电气保护装置，其中，该电路板的贴合面有一短边及一长边，该短边介于21-35毫米，该长边介于50-85毫米。