CN1039934A - 过压保护电路 - Google Patents

Abstract

保护要保护的电路免于过压的过压保护电路，它含有连接在要保护电路两端的金属氧化物变阻器和串联在要保护电路和输入或电源电路之间的正的热敏电阻。

Description

本发明涉及过压保护电路，更准确地说，涉及一种具有增强故障控制能力的、经过改进的过压保护电路。

现有许多熟知的保护电子设备以防过压或过流的装置。在许多情况下，保护方法同时保证设备使用者的人身安全是必要的或是所希望的。有些保护器件，如保险丝和电路断路器，主要用于电路的过流，另外还设计了一些其它器件，用来限制过压时的故障电流，例如，可熔断电阻器和正温度系数（PTC）的热敏电阻器。PTC热敏电阻器在电源和设备中作为浪涌电流调节器也有广泛的应用。第三类限流器是通过迫使过载电流流过受控通路而把过压钳位到安全电平，这类例子是齐纳二极管、气体放电器件和金属氧化物变阻器（MOV）。美国通用电气公司半导体产品部发表的《瞬时电压抑制》（Transient    Voltage    Suppression）（手册）（1986年第5版）和Murata    Erie    North    America，Inc.发表的《正温度系数热敏电阻》（Posistor）（热敏电阻手册）（1986年目录No.R14E-1）中图示并描述了这些先有的过压保护器件的实例。

所有这些保护器件都有能量限制。在保险丝、电路断路器的场合下，爆炸损坏也许是由过压和过流一并造成的。类似地，电压限制器件，如果遭受极大的过电流，或是爆炸或是把电路短路。

某些类型的，在或许小于1伏安的低能量级上正常工作的系统也会遭遇包含几个千伏安的过载情况。这样的一个系统是易受到雷击或电源交扰的普通电话线。另一个例子是用万用表测量电压，这种情况下，无论是事故性的错误测量，还是内部故障都会引起爆炸损坏。这些例子的每种最坏情况是过载能量是如此之大，以致于从物理尺寸或（和）经济上考虑，常规的熔断都是不切实际的。在所有这些情况下，最佳的设计是常规过载下完全可恢复的（即，按规定的标准出现的过载）。另外，对于最坏情况的故障（甚至保护器件失效的），也应使之对生命和财产的损害最小。

根据本发明，提供用于过压保护的改进电路或器件，它利用与电压限制器（例如，金属氧化物变阻器）能量承受极限相配合的PTC热敏电阻的固有能量限制特性。PTC热敏电阻同电压限制器串联连接，这种连接方式提供了多方面的优越性。这样，对于将引起串联的保险丝或并联的电压限制器断开或更槽的伴随爆炸的损坏的过载情况，PTC热敏电阻预定可完全恢复。根据本发明，通过把保护的焦点从可恢复性转移到保护器件的非剧烈损失来处理这些极端的过压情况。

由于利用消除热敏电阻体两端之间起弧的几何形状，使得热敏电阻的故障模式比过载的保险丝或电阻的情况更可以预言。这种可预言的故障模式涉及由于热应力造成热敏电阻体材料的分离。在故障时，降低了电路电流，增加了过载电流的安全的、非剧烈中断的可能性。结合本发明，使用承受能量的MOV保证它也能从适度的过压状态完全恢复。本发明的电路允许用于极端过压情况，此时，热敏电阻提供的能量限制预防了MOV外壳的剧烈破裂。在大多数适度过载的情况下，新式电路中的热敏电阻把它的表面温度保持在限定的范围内，以防止熔化、或点燃绝缘材料，因而使火灾的危险性最小。在常用常规限流电阻的类似情况下，把温度上升限制在安全的、无危险性的水平要困难得多。

因此、本发明的目的在于提供改进了的过压保护电路，该保护电路扩展了在最极端的过载条件下的保护器件从过载状态以及非剧烈损坏中完全恢复的范围。

本发明的另一个目的在于提供用于使电路免于在输入或电源电路上过压的过压保护器件，所述过压保护器件包含变阻器装置和热敏电阻，变阻器装置与要保护的电路相并联;热敏电阻有正的电阻温度特性，串联连接在要保护的电路和输入电路之间。

本发明的更进一步的目的在于提供过压保护电路，该保护电路有并联在电路的金属氧化物变阻器和串联在要保护的电路与输入电路之间的正的热敏电阻。

参考下面的说明、权利要求和附图，本发明的上述目的和优点将更容易清楚。附图中：

图1是现有技术的过载保护电路原理图;

图2A-2C是现有技术的电话线保护电路原理图。

图3是按照本发明构成的过载保护电路原理图。

参照图1，图中所示的是普通的熔融的MOV变阻器过压保护电路。以10表示被保护的电路，MOV变阻器12和保险丝14与它相并联。同时也示出线路保险丝16。

MOV变阻器是电压相关的非线性器件，其电气特性类似于背靠背的齐纳二极管。当变阻器受到瞬时高压的作用时，其阻抗变化许多个量级，从接近开路变到高导通状态，因而把瞬时高压钳位在安全的电平上。输入的瞬时脉冲的潜在破坏能量被变阻器吸收，因此保护了被保护电路中易损坏的电路元件。虽然变阻器是结实的，但是，它们受到超过其峰值电流和能量的额定值的电冲击时，在短路状态中一开始就损坏。当它们工作在远远超过其电压额定值的稳态电压时，也会把电路短路。在所强调的后一种状态下，由于熔化铅焊料接头，会导致器件的完全开路。当器件在短路状态中损坏时，变阻器的电流主要受制于电源阻抗。所以，会引入大量的能量，从而造成外壳的机械断裂，并伴随着外壳材料以固体和气体的形式爆炸。

图1的电路说明一种使这些潜在的变阻器危险性最小的普通方法，它是通过因保险丝熔断而使变阻器断路来限制大的故障电流的。保险丝的位置可以位于电路的配电线路中，或者与变阻器相串联连接，如图1所示。按照常规的实际情况，保险丝熔断同变阻器的特性一致，以便把电流限制在变阻器外壳会发生损坏的电平以下。这种熔断详细描述于上文指出的《瞬时电压抑制》手册中。然而即使熔断达到了它的预定目的，在保险丝断开以保护变阻器的每一次过载状态之后，也还有必要严格地置换。

在大功率的工业电路中，线路电流一般如此之大，以致拒绝考虑使用线路保险丝作为变阻器的保护，在变阻器发生故障的情况下，保险丝没有拆除或开路，就会损坏变阻器。在小功率应用中，只使用线路保险丝16才是可行的。使用线路保险丝16而不用保险丝14不会有保险丝电弧电压加到电路两端的问题。反过来说，单独使用保险丝14，保险丝电弧电压就叠加到变阻器电压上，结果增加了瞬间钳位电压。因为某些保险丝的峰值电弧电压可以超过两倍的峰值工作电压，所以保险丝的清洁对保护电平有显著的影响。保险丝位置选择的另一个因素是系统断路的后果。保险丝位置16将引起电路断路，而位置14则不会。当保险丝14拆除，保护不再存在时，电路仍可继续工作。为此，能够监视保险丝14的状况。

参照图2A、2B和2C，图中表示出利用变阻器和电阻或保险丝保护电话系统电路的典型电路。参照图2A-2C，所示的变阻器18-28用线路电阻或保险丝34和36，连接于塞尖和振铃线30、32与地线之间。这种电路在上述的《瞬时电压抑制》手册中也有描述。与图1相关的上述说明也可用于这些电路。

参照图3，图中表示出根据本发明的最佳实施例构成的过压保护电路。该图中，以38表示要保护的装置，作为例子，它可以指定为含有被保护电路40的万用表。一对MOV变阻器42和44串联跨接在被保护电路40的两端或两输入接点。另外，如果买得到的话，也可以使用电压额定值相近的单个MOV变阻器。作为例子，可以从通用电气公司得到适合的MOV，如列于上文提到的《瞬时电压抑制》手册中的MOV。

万用表备有输入端46和48，用以连接到电源电路。将端48连接到MOV44以及被保护电路40的一端或连接点;将另一输入端46通过PTC热敏电阻50和电阻52连接到另一个MOV42以及被保护电路40的另一端或连接点。作为例子，可以从Murata    Erie得到适合的PTC热敏电阻，如列于上述所指出的《热敏电阻》手册目录中的。与热敏电阻50相关的杂散电容示于幻象电路中54处。

作为说明实例，端46和48的输入电压可以是承受瞬时峰值电压6000V的1000V工作电压，可以选择MOV42和48以提供1800V的极限值。电阻52可以是500Ω， 1/2 W的电阻，用来吸收通过杂散电容54耦合到被保护的电路40的快速瞬时电压。PTC热敏电阻54可以具有1500Ω的标称值。即，初始值。一般地说，PTC热敏电阻把这个开始的电阻值保持恒定不变，直到一定的温度。超过该温度，电阻值突然增加，突然发生变化的这一点称为居里点（Curie point）。

本发明的电路利用了PTC热敏电阻同电压限制器（例如：MOV42和44）串联连接时所固有的能量限制特征。基本原理是让通过热敏电阻的能量与电压限制器MOV所承受的能量相协调。与图1和图2的现有技术保护电路相比较，本发明的电路优点包括下面几点：

1.可以把PTC热敏电阻50设计成对会引起图1和图2中所示的保险丝和电阻开路或更槽的伴有保险丝爆炸的损坏的过载条件完全可以恢复的。因此，新式保护电路提供较宽范围的可恢复保护。

2.对于极端过压的情况，保护的焦点从可恢复性转移到保护器件的非剧烈损坏。由于热敏电阻的几何形状设计可消除热敏电阻体两端的起弧，所以，它的损坏状态比过载的保险丝或电阻的情况更可预言。这种较好预言的损坏状态涉及在热应力下热敏电阻体材料的分离。由于在损坏时，电路电流降低，所以，增加了过载电流的安全的、非剧烈中断的可能性。于是，这种新式电路保证了比较安全和更可控的破坏性损坏。

3.通过选择合适的能量承受额定值的MOV器件，也能使之从适度的过载条件中完全恢复。这样的MOV器件可以含有一个或多个串联的MOV，由MOV的电压额定值和所考虑电路的电压参考而定。这种构形中热敏电阻器件提供的能量限制可预防剧烈的MOV外壳破裂。对于这样一种极端状况，MOV损坏不仅是可以接受的，而且也是所希望的，因为它是通过内部短路而不是外壳破裂受到损坏。本发明的电路提供了这种保护。

4.在适度过载的某些条件下，热敏电阻50将把它的表面温度保持在极限温度以内，该极限温度既防止熔化又防止点燃绝缘材料，因此，使得火灾的危险性最小。在类似的条件下，用普通电阻限流，把温度上升限制到安全、无危险性的水平要困难得多。

5.在一次过载以后，保险丝或可熔断电阻总是要求进行严格的更换，可以预先采取措施加以防止的不恰当的更换，在接着发生的过载期间会导致危险的损坏。热敏电阻、MOV组合的可恢复特性取消了例行过载后元件更换的要求。

虽然已经详细地说明并图示了本发明，但还要弄明白，上述情况是作为图解说明和实例，并不是作为限制，本发明的实质和范围仅受所附各项权利要求的限制。

Claims (12)

1、一种其电源输入端适合于连接到电源接线端的过压保护电路，其特征在于包括：

连接到所述电源输入端的要保护的电路；跨接于所述电源输入端的变阻器装置；具有正电阻温度特性、连接于所述输入端之一和所述电源接线端之一之间的热敏电阻装置。

2、按照权利要求1的装置，其特征在于：所述变阻器装置含有金属氧化物变阻器。

3、按照权利要求2的装置，其特征在于：所述热敏电阻装置含有正的热敏电阻。

4、按照权利要求3的装置，其特征在于包括连接于所述热敏电阻和所述输入端之间的电阻装置。

5、一种适合于连接到电源电路的过压保护电路，其特征在于包括：要保护的电路;跨接于所述被保护电路的变阻器装置;以及具有正电阻温度特性、串联连接在所述要保护的电路和所述电源电路之间的热敏电阻装置。

6、按照权利要求5的装置，其特征在于：所述变阻器装置含有金属氧化物变阻器。

7、按照权利要求6的装置，其特征在于，所述热敏电阻装置含有正的热敏电阻。

8、按照权利要求7的装置，其特征在于包括连接于所述热敏电阻和所述要保护的电路之间的电阻装置。

9、一种使待保护的电路免于在其输入电路上过压的过压保护装置，其特征在于包括：跨接在所述要保护电路两端的变阻器装置和热敏电阻装置，所述热敏电阻装置具有正的电阻温度特性，并串联连接在所述要保护的电路和所述输入电路之间。

10、按照权利要求9的装置，其特征在于，所述变阻器装置含有金属氧化物变阻器。

11、按照权利要求10的装置，其特征在于，所述热敏电阻装置含有正的热敏电阻。

12、按照权利要求11的装置，其特征在于包括连接在所述热敏电阻和所述要保护的电路之间的电阻装置。

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