CN1044756C - 一种短路限流保护器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电流限流短路保护器，它通过利用电的和热的反馈原理以实现保护器的精确和快速的关断，该保护器容易复位。该电路原理上使用了一个在一个场效应晶体管M1的集电极电路里的大功率热变电阻器R5，它用作一个电流阀，而且流过它的总电流被监视。该电路替代通常的熔断器，也能用作负载拉通/关断的控制装置。当负载发生故障，不正常的电流被限制在此通常的熔断器使用时要低得多的强度。

Description

本发明涉及一种短路限流保护器，更具体地涉及一种电子熔断器，它在正常工作状态下具有极小的功率损耗，在一个预定的电流强度下将被迅速地和可靠地触发。
给该电路提供工作电压的不同的电子电路和单元需要一个安全装置，该装置是以熔断器的形式，当由该熔断器提供的被保护电路中的电流过高，例如由于短路产生的，该熔断器将触发。
最普通类型的熔断器是热熔断器，它通常包含一个玻璃管，该玻璃管包含一个细丝或金属丝，当通过该金属丝的电流为一给定电流值时，该金属丝熔化或烧毁，由于金属丝的电阻和电流产生热，当流过的电流过大时，所产生的热熔化该金属丝。
由于该熔断器的启动相当地快，这种熔断器将完全适应万一发生完全的短路的情况。万一发生了短路，该熔断器允许较高的短路电流通过，该电流只由电源的阻抗所限定。如此高的短路电流易于损坏导体，电触点和其他的电子装置，也可能干扰并联供电的电子装置。另一方面，如果该电流接近或刚刚高于熔断的额定值，该熔断器的启动需要相当长的时间，由于其他电路部件的过载，有时能引起重大的问题。此外，这种熔断器可以制成慢的或快的，而且当负载接近它的额定值，由于老化，这种熔断器能发生变化，以致于在较长的安装时间以后，这样熔断器不按原来的额定值启动，而要超过该额定值。
最新的电压源单元常常具有一些限制电流的方式，它允许由电路从电源中取出最大的功率，这常常是靠允许电流达到一给定的最大值来实现的，然后减小电压，使电流决不会超过限制的值。当电压减小时，由于电压电平变得临界，使得许多电路功能不安全，这可能对所有的应用带来危害。
为了克服这个缺点，除了监视电流外，还必须监视电压。当电压降到一个预定值以下，电源将切断，并且有故障指示。这导致了更加复杂的安全系统，该系统比起监视或监督的细节更加全面。这里有一个问题，例如，在为很多用户服务的设备中有一个必然的要求，那就是涉及一个用户的故障不影响其他的用户。例如，在电话网络中的应用，例如，如果一个用户遭遇到了故障，该故障决不能影响可能是几十万用户的其他用户。对于用最简单但最有效的方法监视电流是重要的应用，以便使安装费降到一适当的水平。在电子和数据技术领域中有了类似的应用，一种过负载保护器是合乎需要的，它迅速和精确，既不产生无线电干扰，又不太复杂。这种保护器不需要新的替换元件，而很容易复位，在排除故障源后手动或者自动复位。
美国专利4531083和4531084教导了一种用于直流电源单元的电流调节电路，它打算用于给可充电电池充电，而不需要使用变压器、电容器或线圈。第一和第二晶体管的发射极通过一个第5电流限制的PTC电阻器相连，该PTC电阻器能起到熔断器的作用。使用MOS场效应晶体管替代复合晶体管电路中的多个晶体管，该 PCT(正温度系数)电阻器工作在电池充电过程中标称的125℃下，其中该电阻器的工作温度每增加1℃，充电电流将减小0.45％。这个电阻器最好是由能够使电阻器起到熔断器作用的材料金属化而制成。
徳国专利2533182教导了一种电路装置该装置用以指示在一电流源装置中触发或熔断的熔断器，这里使用了一个光致开关指示一个显文装置，表明它的熔断器已经启动。
因此需要提供一个既迅速又精确的电流限制装置，其中，它的功率损耗在正常工作条件下是很小的。
因此，本发明的目的在于提供一种短路限流保护器，它将满足下列规范。
(a)在选择的电流值下将迅速和立即触发；
(b)在正常电流值的情况具有极小的功耗；
(C)在触发电流下有一非线性特征，因此装置的触发将是加速的；
(d)短路电路将被限制在一希望的水平上，与电源的内部阻抗无关；
(e)该装置在工作时不产生射频干扰；和
(f)当切断不正确的电流时，该装置将感应的过电压限制在一预先确定的值。
根据本发明并根据上述规范提供了一种装置，在证实和消除了电流浪涌的起因后，该装置的触发状态很容易复位。
根据本发明提供了一种短路限制装置，它利用电和热的反馈原理的结合。
本发明还提供了一种装置，当标称的或额定电流达到后，该装置呈现一种精细建立起来的延迟，并且在延迟过后该装置被迅速触发或“熔断”；因此，万一负载出现了故障，该不正常的电流被限制在比通常的熔断器更低的值上。
根据本发以及上述过的规范还提供了一种装置，它能自动地或手动地复位，它还可以调整到一种不起作用的状态，而不需要除去该装置。
本发明将参照一些举例说明的实施例以及附图进行描述，其中
图1是发明的短路限流装置的基本描绘的实施例的电路图；图2是发明的短路限流装置的第二实施例的电路图；图3是发明的短路限流装置的第三实施例的电路图；图4是发明的短路限流装置的第四实施例的电路图；图5是发明的短路限流装置的第五实施例的电路图。图1是根据本发明将电和热反馈的原理相结合的一个示例电路的电路图，该电路图中包括数个电阻器R2,R3,R4,R7,R8,R9和一个非线性热敏电阻器R5。该电路还包括一个该非线性热敏电阻器R5串联的场效效应晶体管M1，以及一个硅二极管D1和两个稳压二极管Z1和Z2，双极性NPN晶体管Q1和两个电容器C1和C2。根据本发明，图示电路的主要功能部分主要包括元器件M1,R5,Q1,R4,R3和R8。在图示实施例中电阻器R5是由法国Raychen PontaiscSA制造的型号为RUE 800的PCT电阻器。场效应晶体管M1是功率MOSFET，例如由MOtorola制造的型号为MTW 45NIOE的MOSFET，晶体管Q1例如是MOtorola制造的BC847B晶体管，其余包含的电阻器、电容器和二极管可使用标准元器件。稳压二极管Z1的稳压额定电压是12伏，而稳压二极管Z2的额定电压是90伏。
SW1标示一个开关，它有三种状态，关断，接通和复位。当开关处于关断状态，通过电阻2有足够大的电位加给晶体管Q1使其导通，此外阻断了场效应晶体管M1，因此它不允许电流通过，换言之，负载L被断开。
如果开关SW1瞬间转换到RESET复位状态位置，晶体管Q1被触发，并且加在M1的栅极上的电压迅速增加到由稳压二极以及由电阻器R4和R7组成的分压器决定的电平，其中电阻器R4连接到供电给负载L的电压源的正极端点。场效应管M1于是导通电流，并且负载L于是被开启。M1的栅极得到使其完全导通的电位，以适当的电流情形下，横跨M1上的电压降将几乎可以忽略(十分之一或十分之几伏)。当开关SW1留在中心位置，即其打开位置(ON)时，该电路将以它的工作模式工作。
非线性热敏电阻器R5在和晶体管M1的集电极连接处和所产生的电路串连。该热敏电阻R5的电阻值在正常工作温度下是小的，和M1的输入电阻是相同的量级。优选实施例的两个元器件M1和R5是这样安装的，以致于当工作在正常电流下，在耗散功率和由M1和R5冷却的加热功率间达到平衡。这些安装的元器件和元器件承载板提供的(玻璃纤维板、陶瓷基片或金属板与元器件保持绝缘)保持好的热接触，该非线性热敏电阻器的合适的安装便由晶体管M1产生的热能影响该电阻器。在实施例情况，包括分立的和密封的元器件，晶体管M1适当地提供致冷散热片。当开关SW1处在它的接近位置，和负载L以及电压源的正负极串连的被建立起来的电路工作在它的工作模式中，从而监视电路的状态，以便在预先确定的过流情况下以备立即功断负载L的电路。
当流过负载L的电流超过选择的过流断路值时，发生下列情形。M1和R5的温度将显著地增加，R5的温度的增加使得它的电阻迅速地增加，这种增加是以一种加速的方式(非线性的相关性)。R5的电阻的迅速增加，M1在某种程度也是如此，和不正常的电流一起将导致和M1串连的R5上的电压降的增加，由丁由负载L和M1和R5结合所构成的第一分压器的作用，供给晶体管Q1的由电阻器R3和R8组成的分压器两端的电压增加。当供给晶体管Q1基极的电阻器R3和R8的连接点的电位超过一给定的阀值，Q1变为导通，它是发生在很短时间的典型情形，该断流过负载L的电流后，整个的电流电压随后供给由电阻器R3和R8构成的第二分压器，因此有足够的基极电流供给Q1，从而使其完全导通，因此M1保持截止和不导通的状态。
当负载L发生短路时，短路电流将迅速增加，随即M1和R5上的电压降也迅速增加。当加在Q1上的基极一发射扳的电压超过阀值电平时，结果断路或关断开始启动。通过适当的选择电容器C1的容值以得到一需要的时间延迟，该时间处于非系统电流(non-system)建立时间(发生于短路情况)和M1关断时间之间。通过M1的峰值电流是由电容器C1的容值和负载L的电感量所决定。如果没有电容器C1，峰值电流部分地是由Q1的基极一发射极电压和部分的由R3/R8的商值所决定。如果晶体管M1不能关断短路电流，R5将限制最大电流到一适当的值。然后迫使电流降到接近O，这是由于R5的电阻非常迅速地增加到几万欧姆。
S1是典型的标准的保险丝，它具有相当大的电流通量，这也是权威方面根据需要调整放在上面的保险丝(权威方面不同意单独使用一个电子电路作为短路保护器)，虽然该保险丝S1不容易断开或触发。
当感性负载断开，稳压二极管Z2和场效应晶体管M1共同作用限制瞬态的电压。该关断时间是由稳定电压和M1所吸取的感性能量的大小所确定。二极管D1是防止当M1完全导通时电流通过Z2。电阻器R9和电容器C2是用作当M1被关断时对振进行衰减(所谓的减振电路)。
图2表示了本发明的另一个实施例。在图2的实施例中，用另一个双极性晶体管Q2补充在图1所示的电路中，例如是BC847B的型号，它和由电阻器R10和R11构成的第三分压器相结合，此外还有电容器C3和硅二极管D2。
除去图2所示电路在断路后经过一个给定的周期后能够自动复位以外，图2所示的电路的基本功能和图1所示的电路的基本功能是相同的。晶体管Q2和电阻器R8相关联，并且连接在晶体管Q1的基极和发射极之间。晶体管Q2的基极是通过第三分压器的电阻器R10和R11供电的、当晶体管M1关断通过负载L的电流以及第二个分压器R3和R8上的电压等于电源电压时，在第三分压器上也是这个电源电压。给电容器C3充电的同时也流过电阻器R10，充电到对应电阻器R10和R11分压比所决定的一个电压，当基极上的电压超过Q2的阀值电压，经过一段时间后，Q2开始导通，并且晶体管Q2旁路掉晶体好Q1的基极电压电平，随即Q1停止导通。当晶体管Q1变为不开通，在场效应管M1的栅极上再次出现控制电压，M1然后再次转换成完全导通状态，而且电流能再次流过负载L。当M1再次变为导通，在第二和第三个分压器上的电压就消失了。二极管D2然后使得电容器C3快速放电，随即该整个装置再次进入工作模式。
如果故障(短路)保持下去，经过一给定的时间该装置再次进入阻断状态，该持续时间尤其取决于Q9和C2以及R3、R8和C3构成的时间常数。然而该装置关断和流过电流是按照给定的重复频率，该频率取决于除去前述的由R10,R11和C3构成的时间常数外所选择的时间常数。
图2所述的电路包括两个通常的发光二极管D3和D4，它们分别和电流限制电阻器R1和R6相串连，当加上电源电压和晶体管M1处于导通时，二极管D3能闪光指示处在接通状态。如果电源电压仍保持，但没有电流流过负载L，并且有足够的电压随即加在第二(和第三)分压器，二极管D4将发光以指示该电路的触发。当图2实施例的装置重复地关断和使电路流过电流，二极管D3和D4将交替闪光以便指示这种状态。当重复的频率足够高时，观看者的眼睛感觉两个二极管发出一种标志光以指示负载L中的连续的故障。
图3示出了本发明的第三实施例，在该电路中表示了图1所示的电路增添了二极管D3和D4以及一个光致开关OP1，在该实施例中OP1是由Telefunken公司制造的CNY 744型号的产品。在这种情形，发光二极管D3表示当电压加到电路上时M1正在导通，而发光二极管D4表示该电路被触发。光致开关OP1和D4串连，在D4接通电压和发光的同时，光致开关OP1接通相同的电流并用作遥示该电路已经断开了。
图4所示的电路是图3所示电路的延伸，该电路图用和OP1相对应型号的两个另外的光致开关OP2和OP3帮助进行遥控。在这种情形，光致开关OP3的光电晶体管的发射极通过电阻器R12连接到光致开关OP2的光电晶体管的集电极以及晶体管Q1的基极接点。除去前面叙及的开关SW1的直接控制，在两个光致开关的帮助下可以遥控电流监视电路。当光致开关OP3接入电源电压，因而与它结合的发光二极管发光，该结合的光电晶体管打开，而且通过另一个电阻器R12将电流引入晶体管Q1的基极，该基极有电流流过，依次转换场效应晶体管到不导通的状态，这与前面述及的一致。因此，这样得到的功能和开关SW1转换到它的关断位置的功能是相同的。这样通过遥控可以使负载L转换到接通和关断。
类似地，当光致开关OP2接入控制电压，它的光电晶体管将以对应的方式将晶体管Q1的基极短路到电源负端，这对应着手动开天转换致复位的功能。换言之，通控遥控可以复位该电路。最后，图5图示一个实施例，其电路和图3用集成电路替代光致开天OP2、和OP3，过后的电路一致，这个实施例中，集成电路包含5伏的TTL或CMOS逻辑电路，其输出最好是具有二种状态电平。在实施例中通常在电路中使用型号为74LS123的集成电路，在这种情形，逻辑电路的输出在复位状态功能时接到负电源，在关断状态功能时接到正电源，而当电路处在接通状态功能时，输出一般接入它的悬浮状态，随即实际监视通过负载L的电流，按照现有技术控制集成电路并能够使该电路容易地应用于数字技术应用。

Claims (6)

1．一种电子短路电流限制器，它在额定电流下具有最小的功率损耗，在电流通路中包括一个MOS场效应晶体管(M1)和一个热敏电阻(R5)，其中，所述MOS场效应晶体管(M1)由一个检测短路电流的检测电路所控制，其特征在于：所述电流限制器的构成是：
所述热敏电阻器(R5)受到由所述MOS场效应晶体管(M1)发出的热能的影响；
所述热敏电阻(R5)与所述MOS场效应晶体管(M1)电气地串联连接，其中流过所述MOS场效应晶体管(M1)与所述热敏电阻(R5)的串联连接的电流被监视；
所述MOS场效应晶体管(M1)的栅极在正常的工作状态下，借助于一电阻器(R4)和一稳压二极管(Z1)而被维持于一高电平，从而使MOS场效应晶体管(M1)在正常的工作状态下是完全导通的；
一个分压器(R3,R8)，由两个电阻器构成，它跨接于所述MOS场效应晶体管(M1)和所述热敏电阻(R5)的串联连接；
一个第二晶体管(Q1)，它的基极被连接到所述两个电阻器，(R3,R8)的接合处，该第二晶体管(Q1)还与稳压二极管(Z1)并联连接，从而当所述第二晶体管(Q1)导通电流时，即其基极的电位超过一阈值时，该稳压二极管(Z1)被该第二晶体管(Q1)所导通，以及
该电流限制器具有两个稳定状态；在第一稳定状态，所述第二晶体管(Q1)基本上不导通，而所述MOS场效应晶体管(M1)则完全导通，在第二稳定状态，所述第二晶体管(Q1)导通，而所述MOS场效应晶体管(M1)不导通，其中，该装置在MOS场效应晶体管(M1)的线性工作范围内不具有一种稳定状态。
2．根据权利要求1的电流限制器，其特征在于，所述热敏电阻器(R5)具有非线性的特性，其中随着电流的增加，在电阻器(R5)上的电压降迅速增加，而且在分压器(R3,R8)上的电压也迅速增加，第二晶体管(Q1)开始导通电流，随即引起MOS场效应晶体管(M1)转换到非导通状态。
3．根据权利要求2的电流限制器，其特征在于，一个电容器(C1)连接到第二晶体管(Q1)的基极，所以在晶体管(Q1)响应所述分压器(R3,R8)上的电压的增加在开始导通前提供了一个确定的时间常数，从而使MOS场效应晶体管(M1)的关断要延迟一段时间，该延迟时间对应于第二晶体管(Q1)的基极上的时延电路的RC乘积。
4．根据权利要求2的电流限制器，其特征在于，另一个分压器(R10,R11)它与所述分压器(R3,R8)相并联，一个第三晶体管(Q2)，连接到第二晶体管(Q1)的基极，并以并联的方式连接在分压器(R3,R8)的电阻器(R8)的两端；分压器(R10,R11)的输出和另一电容器(C3)一道连接到第三晶体管(Q2)的基极，为的是在经过由另一分压器(R10,R11)与另一电容器(C3)的RC乘积所确定的一段时间后自动地复位电流限制器。
5．根据权利要求3的电流限制器，其特征在于，另一个分压器(R10,R11)，它与所述分压器(R3,R8)相并联，一个第三晶体管(Q2)，连接到第二晶体管(Q1)的基极，并以并联的方式连接在分压器(R3,R8)的电阻器(R8)的两端；分压器(R10,R11)的输出和另一电容器(C3)一道连接到第三晶体管(Q2)的基极，为的是在经过由另一分压器(R10,R11)与另一电容器(C3)的RC乘积所确定的一段时间后自动地复位电流限制器。
6．根据前面的任何一个权利要求的电流限制器，其特征在于，电流限制器包含一个有三个开关位置的单刀开关(SW1)，其中，第二晶体管(Q1)的基极通过第一开关位置能暂时连接到第二晶体管(Q1)的发射极上，以便电流限制器复位；或者第二晶体管(Q1)的基极通过第二开关位置和通过电阻器(R2)使该基极能连接到电压源，以维持第二晶体管(Q1)连续地处于导通状态，而且电流限制器处在不导通的状态；开关还有在第一和第二开关位置之间的中间位置。
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