CN101467226A - 开关电路 - Google Patents

Abstract

公开了开关电路，如RCD，其包括：交流电源(N，L)中的一对机械触点(M)，以及用于响应于开关信号(S)来开路触点以切断电源的电路部件(SCR)。该开关电路还包括：用于限定在其期间电源电压的大小不是处于最大值的连续时间段(“激活窗口”)并且仅在该窗口期间允许所述触点响应于开关信号而开路的电路部件(Rs、Cs、D2、D3、Q1、Q2)。

Description

开关电路

技术领域

本发明涉及开关电路，其包含：交流电源(alternating currentelectricity supply)中的至少一对机械触点，以及用于响应于开关信号来改变该触点的状态(即，将其开路或闭合)的部件。本发明适用但不局限于剩余电流设备(RCD，residual current device)。

背景技术

在交流电源中，RCD用于提供保护，防止电击及危险的接地故障电流。它们中的大部分使用电子电路来检测接地故障电流，如果接地故障电流超过某个阈值长达确定时间段，该电子电路导致RCD切断(trip)。RCD通常装配在电源插座(插座)、插头和适配器中，在大多数这些应用中，可用的空间和成本是关键的参数。然而，除了尺寸和成本的约束，RCD还必须能够以一致且可靠的方式来执行其被要求的功能。

在故障情况下，RCD将开路交流电源中的一个或多个机械触点以将电源从负载处断开。所有这种设备遇到的一个问题是：需要确认对于预期流入受保护电路中的最大接地故障电流，该触点的额定值合适。根据特定的应用，在最大电源电压处，该故障电流可能处于几百甚至几千安培的范围，该触点必须具有合适的额定值以中断故障电流。开路操作可在RCD内产生相当大的电弧(arcing)、热量以及碳颗粒产物，并且必须为RCD准备措施以足够承受这些应力(stress)。通常的解决方案是：提供大触点，具有小电弧特性、高速开路动作的触点；最大化触点间隙；以及装配电弧抑制或灭弧的部件，其所有都增加了成本、尺寸和复杂性。

当触点闭合时也出现电弧，因此会发生类似的问题。

发明内容

本发明的目标是提供减轻上述缺点并能以简单且节约成本的方式来制造的开关设备。根据本发明，提供了一种开关电路，其包含：交流电源中的至少一对机械触点，以及用于响应于开关信号来改变该触点的状态的部件，该开关电路还包括：用于限定在其期间电源电压的大小不是处于最大值的连续时间段(“激活窗口”)并且仅在该窗口期间允许触点响应于开关信号来改变状态的部件。

在本发明的实施例中，该开关电路包括固态开关设备，其响应于施加在该开关设备的控制端的既定电压电平的开关信号而被导通，其中，用于限定激活窗口的部件包含用于在激活窗口的外部将控制端保持为非既定电压电平的电压的部件，并且其中，触点响应于开关设备的导通而改变状态。

在该实施例中，用于将控制端保持为非所述既定电压电平的电压的部件包含另一个固态开关设备，其连接在控制端和非既定电压的电压之间，在激活窗口的外部该另一个开关设备被导通。

优选地，通过相移电源电压所得到的信号来限定激活窗口。

在本发明的一个应用中，该开关电路是RCD，并且响应于接地故障电流产生开关信号。

附图说明

现在参考附图，通过例子的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示出典型现有技术的RCD电路。

图2示出根据本发明的第一实施例的RCD电路。

图3是图解图2的电路的操作的波形图。

图4示出根据本发明的第二实施例的RCD电路。

图5示出根据本发明的第三实施例的电路。

具体实施方式

图1中的现有技术电路包含对于负载LD的交流电源(mains supply)。电源导线(当前情况中包含火线L和零线N)穿过变流器CT。在交流电源中有两个通常闭合的机械触点M，导线L、N中各有一个。一电子电路通过二极管D1连接至交流电源，该电子电路包含：集成电路(IC)类型的WA050，其通过电阻器R1被供电；电容器C1，其通过电阻器R2获取电荷。WA050是爱尔兰的西方自动化研究与开发有限公司提供的工业标准RCD IC。

在正常情况下，流入火线L和零线N的电流的大小相等，但是，当其穿过CT时，电流在每个导线中以相反的方向流动，其结果是CT没有看到任何净电流流动。如果CT的负载端上发生接地故障，那么一部分流入火线L的电流将通到大地，而不通过零线N返回。在这种情况下，火线和零线电流的大小将不再相等，CT将产生结果输出(resultant output)。该输出将由WA050 IC感应，并且如果接地故障电流的流量的大小和持续时间超过某个预定界限，那么WA050 IC的输出S将变高以产生用于可控硅整流器SCR的开关信号，将SCR导通。当SCR导通时，电容器C1将通过电磁线圈SOL放电，因此激活了电磁线圈，并导致其自动地开路机械触点M。电阻器Rb将剩余电流的阈值设置为(或大于)使WA050 IC输出变高以导通SCR的值。该阈值可通过改变Rb的值而变化。电容器C提供对于SCR选通极(gate)的某种程度的抑制以最小化由于噪声等引起的SCR导通的风险。这种RCD电路是大家很熟悉的，这里不需要进一步的描述。

在上面的配置中，使触点开路的AC电源电压的波形点(POW)将是完全随机的。对于电阻性的故障情况，故障电流在AC电压波形的峰值处最大，在其它点将较小。如果触点在峰值处开路，那么其必须在最大电压处中断最大电流，因此须承受最大能量，但此外，结果电弧(resultant arcing)、热量与碳颗粒也将最大。如果触点在低于波形的峰值的电压处开路，那么断路电流将较小，并且电弧、热量与颗粒也将减少。因此，如果可安排配置来确保触点仅在显著低于峰值电源电压的电压处开路，并因而改善了上面的问题，那么这将会很有益。图2示出了这种配置。

图2区别于图1在于：其具有六个额外的组件：电阻器Rs、电容器Cs、二极管D2和D3、npn晶体管Q1和pnp晶体管Q2。

先不考虑电容器Cs，每当电源周期为正时，Q1将通过D3被导通，而每当电源周期为负时，Q2将通过D2被导通。结果，即使检测到故障电流，SCR的选通极也将几乎始终保持为低，而不可能通过IC的输出S处的开关信号来导通SCR并给电磁线圈通电。

然而，添加电容器Cs导致在交流电源电压与流入二极管D2和D3的电流之间的相移。众所周知，当向电容器施加AC电压时，通过电容器的电流将会超前至多90°，以致当电压处于其峰值时电流处于最小值，反之亦然。现在不考虑Rs，可得出结论：当AC电源电压处于其峰值电平(或正或负)时，D3和D2中的电流将为零，其结果是Q1和Q2均将被截止。那么在峰值AC电源电压处IC的输出S上将能够出现开关信号来导通SCR，并且触点M将开路。Rs和Cs的组合具有导致D2和D3中的电流超前交流电源电压介于0～90°之间的某一角度的效果。通过合适地选择这些电阻器和电容器值，可精确地设定电流超前电压的量。假设Rs和Cs值已选择为提供10°相移，并且先考虑交流电源的正半周期，可得出结论：当电源电压开始从零上升时，电流将已经处于某较大值，其结果是D3将在电源电压上升至显著大于0V之前导通并导通Q1。只要Q1被导通，那么SCR不会被导通。随着正周期的继续，电流最终将开始朝着0电平(level)下降，在该阶段D3将停止导通并且Q1将截止。在该点电源电压将处于大于0V的电压，并且如果IC输出S变高，那么尽管处于相对较低的电压且电压正朝着0V下降，SCR也将能够导通并导致触点M开路。

对于相同的组件值和相移，考虑交流电源的负半周期，可以看到，当电压大小为0时，通过D2的电流将会为某较大值，其结果是Q2将被导通并且SCR将被阻止导通。随着负周期继续，电流最终将开始朝着0电平(level)下降，在该阶段D2将停止导通并且Q2将截止。在该点电源电压将处于大于0V的电压，并且如果IC输出S变高，那么尽管处于相对较低的电压且电压正朝着0V下降，SCR也将能够导通并导致触点M开路。

D3/Q1及D2/Q2的组合外加Rs和Cs的相移效果确保了对于交流电源的正、负半周期，仅当电源电压正接近于0电压电平时SCR才导通。这里，将在其期间Q1和Q2均截止的连续时间段称为电磁线圈激活窗口。如果在该窗口期间IC输出S变高，那么在一相对较低且减小的电压电平处，SCR将被导通且触点M将开路。图3中的阴影线示出了几个周期的交流电源的电磁线圈激活窗口。可以看到，该窗口并不向右延伸至波形的过零点。回顾到电流将始终超前电源电压，可得出结论，趋于正半周期的末端时Q2将通过D2被导通，因而将SCR选通极钳位，而趋于负半周期的末端时，Q1将通过D3被导通，因而将SCR选通极钳位。

在这种配置下，随着电源电压的大小朝着0下降，在交流电源的正或负半周期期间的SCR的导通仅可以出现在电磁线圈激活窗口中，其结果是负载电流和故障电流也将下降。因此，电磁线圈将被通电，并且触点将开路导致一逐渐减小的故障电流，该故障电流将显著地小于如果SCR在半周期的峰值处导通而将流过的电流。结果，断路电压、电流和能量都将显著地小于在电压电平大于其属于窗口时间段期间的情形，因此电弧、热量和颗粒都将较少。

通过优化选择Cs和Rs的值可设定激活窗口的宽度，其结果是可以以最小化触点上的应力的方式来控制或同步(synchronise)波形上使得触点能够开路的点。

图2的电路使用电容器激活式(capacitor-activated)电磁线圈。图4的实施例示出使用电源操作的电磁线圈的例子。

在图4的配置中，由于D1的原因，SCR仅在交流电源的正半周期期间导通，并且可不考虑交流电源的负半周期，因此已将D2、D3和Q2消除。考虑如图3中所示的电源电压的正半周期，激活窗口和过零点之间有一小区域，其中，SCR的阳极上具有正电压，并且在该区域中，由于Q1的基极电流太小而不能使其维持导通，因而Q1将被截止。如果WA050输出变高，那么理论上在该区域中SCR可导通。实际中这将不是问题，这是由于导通将发生在期望情况下(低或减小的电源电压电平)。然而，如果在该区域中要导通SCR，那么施加给电磁线圈的电源电压的大小将会非常小，一旦低于某个电平，其不太可能导致电磁线圈的激活。通过适当地设计电磁线圈可确保在该区域中不会激活电磁线圈。对于该配置的一重要要求是：在激活窗口的电压处的电磁线圈必须具有足够的能量以确保触点的可靠工作及开路。通过合适地处理Cs和Rs的值可加宽电磁线圈激活窗口，其结果是SCR可如所需在更高的电源电压处导通，因此确保了电磁线圈的可靠工作。

如果不是通过二极管D1，而是通过全波桥式整流器来给图4中的SCR供电，那么其在交流电源的正半周期和负半周期期间均能够导通。在这种情况下，Q1将在每个过零点稍前之时截止，并且如果IC输出为高，那么SCR可为电磁线圈通电，并导致触点开路。对于之前的实施例，当电源电压和合成负载(或故障)电流大小下降时，触点上的合成应力减小，那么触点将会开路。

虽然前面已描述了用于在AC电力供应中控制触点开路的点以将该开路期间的电弧最小化的实施例，但是该原理也容易地适合于解决关于闭合触点的该问题。图5中示出一基本电路。

通过可人工操作的开关SW1，经L和N导线为该电路供电。当SW1闭合时，晶体管TR1经电阻器R1和电容器C1被导通，并且其对于每个正的电源半周期的大部分都保持导通。因此，SCR的控制输入端被绑定至接地而不能导通。然而，如对于Rs和Cs的之前描述，由于R1和C1的相移效应，在每个正半周期的末端之前的短暂时间段中TR1被截止。在该激活窗口内，SCR可通过电阻器R2而被导通，使得电流流过电磁线圈SOL以闭合触点M1。

通过电阻器R3为电磁线圈SOL和充电电容器C2供电，使得在正半周期上由通过R3的电流为SOL通电，因此触点M1保持闭合；而在负半周期期间由来自C2的电流为SOL通电，因此触点M1同样保持闭合。

上面所描述的电路的波形上的点的原理可用于电子RCD、电路断路器、继电器、接触器及其他开关设备中，并可用于确定触点闭合或开路处的波形上的点。

本发明不局限于此处所描述的实施例，其可在不脱离本发明的范围的情况下进行修改或变更。

Claims (7)

1.一种开关电路，其包含：交流电源中的至少一对机械触点，以及用于响应于开关信号来改变该触点的状态的部件，该电路还包括：用于限定在其期间电源电压的大小不是处于最大值的连续时间段(“激活窗口”)并且仅在该窗口期间允许该触点响应于开关信号来改变状态的部件。

2.如权利要求1所述的开关电路，其中，该激活窗口由通过相移电源电压所得到的信号来限定。

3.如权利要求1所述的开关电路，包括固态开关设备，其响应于施加在该开关设备的控制端的既定电压电平的开关信号而被导通，其中，用于限定该激活窗口的部件包含用于在该激活窗口的外部将该控制端保持为非该既定电压电平的电压的部件，并且其中，该触点响应于该开关设备被导通而改变状态。

4.如权利要求3所述的开关电路，其中，用于将该控制端保持为非该既定电压电平的电压的部件包括另一个连接在该控制端和非该既定电压的电压之间的固态开关设备，该另一个开关设备在该激活窗口的外部被导通。

5.如权利要求4所述的开关电路，其中，由通过相移电源电压所得到的信号将该另一个开关设备在该激活窗口的外部导通。

6.如上述的任意一项权利要求所述的开关电路，其中，每个激活窗口出现于电源电压接近于0时。

7.如上述的任意一项权利要求所述的开关电路，其中，该开关电路是RCD，并且响应于接地故障电流产生该开关信号。

Images