CN1050458C - 过电流保护装置 - Google Patents

Abstract

过电流保护装置包含与待保护电路线路串联连接并允许正常电路电流通过但当过电流时开路的开关电路。该装置包括当开关电路已开路时产生脉冲复位或试图复位开关电路为其导通状态的脉冲发生器。它只产生预定有限数且或预定有限时间的脉冲，以便使电路受到电流瞬变后迅速重新工作但在设备故障时不继续试图进行复位。

Description

过电流保护装置

本发明涉及防止电气电路过电流，例如防止由设备故障引起的过电流以及由闪电、静电放电、设备感应瞬变或其它现象引起的瞬态过电流。

许多电路例如电话系统及其它信息分配系统遭受瞬态过电流和例如由于设备故障或设备坏损造成短路引起的长期间的过电流。在这种情形下，最好将能够保护该系统免于两种类型过电流而且在瞬态过电流过去后自动使系统继续运行的装置连接到该系统中。

在Glynn等人的澳大利亚专利申请48128/85号中描述了这样一种装置，即将达林顿(Darlington)结构的一对开关晶体管与电路线串联连接，管子基极由对与开关晶体体串联的电阻端电压降进行检测的可控硅整流器(SCR)所控制。此外，配置复位电路在开关装置断开的情况下定期性地复位或试图复位开关装置。另一过电流保护电路已在Sears的美国专利4,202,023号中加以描述，该电路在瞬态过电流后将自身恢复为正常操作。然而，这两种电路存在若干缺陷。例如，串联电阻的存在增加了所用装置的电压降并且由于在正常使用中电阻须载有负载电流而增大了以集成电路形式制造该装置的难度及成本。此外，当系统遭受例如由设备故障引起的长时间过电流时两种电路试图不确定地将它们复位，其结果是有必要在故障被修复之前关断该系统。而且，在Glynn等人电路的场合下，当电路跳闸到其断开(OFF)状态时，则保持通过SCR相当大的10到20mA量级的泄漏电流。

这样，按照本发明，提供了一种过电流保护装置，它包含旨在与被保护电路线路串联连接并允许正常电路电流通过但当受到过电流时将会开路的开关电路，该装置包含一个脉冲发生器，当开关电路开路时产生脉冲达到预定的有限的最大数目或一预定的时间，用来复位或试图复位开关电路到其导通状态。

本发明优点在于如此限制用于复位或试图复位该装置的脉冲的个，数或产生的时间，使得在例如设备故障情形下，电源不会继续地转接到故障设备。这样，保护可在瞬时和永久性系统故障之间加以区分。在过电流时，开关电路迅速切断，并在过电流是由于外部感应的瞬变引起时将自身复位或试图将自身复位一或多次。然而，例如，如果由于过电流是由负载电路故障造成而持续时，开关电路一旦当复位脉冲结束就立即反转到其断开(OFF)状态。一旦对于预定个数脉冲出现这种情况，该装置便不确定地保持其断开(OFF)状态。

该开关电路最好包含用以和电路线串联连接的开关晶体管，确定开关晶体管基极或栅极电压的控制晶体管，该晶体管基极或栅极取决于开关电路两端电压降。例如，该控制晶体管可形成横跨开关晶体管并设置开关晶体管基极或栅极偏置的分压器的一个支路，该控制晶体管并联连接于开关晶体管的基极射极之间或栅极源极之间。控制晶体管的基极或栅极偏置也可由横跨该开关晶体管的分压器确定。在这种形式的开关电路正常运行时，当无电流沿电路线路通过时，开关和控制晶体管管断开。随着线路电压增大，由于处在其断开状态的控制晶体管的相当高阻抗而使开关晶体管基极或栅极正向偏置上升直至开关晶体管导通。在正常运行时，该布局使通过的电路电流在开关晶体管上电压降很小，对增强型MOSFEF约为1.5V，对单个双极结型晶体管约为0.65V。

当线路遭受过电流时，开关晶体管上电压降增大，因此控制晶体管基极或栅极正向偏置增大直至控制晶体管导通，从而短接开关晶体管的基极射级或栅源极并使开关晶体管截上。这时开关晶体管端电压上升，从而增加了控制晶体管基极或栅极正向偏置并将该装置锁定为断开状态，即使有瞬态过电流已通过。

这种形式电路的优点是无须将任何串联电阻器设置于电气电路的线路上用于判定有无过电流，从而使开关电路电压降仅取决于开关晶体管集射极或漏源极电压降。此外，没有串联电阻减少了负载电流携载元件数量从而使该装置更容易集成化。

如果开关电路具有这种结构，最好设置脉冲发生器短接控制晶体管的基射极或栅源极，从而使之截止再使开关晶体管导通。这可提供复位晶体管来短接控制晶体管基射极或栅源极，从脉冲发生器取得复位晶体管的基极或栅极电压来实现。

开关电路的另一种形式可由控制电路电流的晶体管开关提供，该电路有一控制输入和一控制该控制输入的电压的控制装置，该控制装置响应通过开关的过电流，控制装置包含将开关端电压的部分与基准电压相比较并当该部分大于基准电压时使开关开路的比较器电路。

该装置的优点在于可获得相对于温度的非常平缓的性能变动。此外，有可能以相当高的电路电流运行本发明的电路保护装置而无在正常电路电流下断开的危险。在许多情况下，该装置可运行于高达80％跳闸电流而无跳闸之虞。

比较器电路最好由晶体管开关的电压降来加电，从而免除对独立电源需要。

装置的最简形式包含比较器电路，例如以开环运算放大器形式，其一个输入端连接到基准电压而另一端通过分压器采样开关的电压差。电压基准应有相对温度稳定性能，最好有不大于±0.5％x^-1的温度系数，更好的是不大于±0.5％K^-1以及特别是不大于±0.1％K^-1。通常将齐纳二极管或带隙器件用作电压调节器。

脉冲长度、间隔及个数取决于应用。典型而言，以1秒到1小时脉冲间隔产生长达15ms-250mS的脉冲。该装置通常包括脉冲发生器，该脉冲发生器在停止之前产生例如多至10尤其是多达3个脉冲的少量复位脉冲。在许多装置中，脉冲发生器在停止之前只产生单个脉冲是合手要求的，这样该保护装置可区分线路瞬变和由于负载电路故障产生的过电流。

本发明的过电流保护装置使用双极型晶体管和/或场效应晶体管。所用双极型晶体管以达林顿结构用于开关晶体管以减小晶体管导通时所需基极电流。该基极电流须通过连接在开关晶体管的基极与集电极之间的电阻供给的。当该电路切换到其截止状态，开关晶体管基极电流通过控制晶体管(现为导通)改变方向并成为漏电流。然而，由于电阻端电压降在装置处于阻塞状态时要大得多，则该漏电流大于开关晶体管基极电流。如将达林顿二元组或三元组用作开关晶体管，则可显著增大有效直流电流增益以使使用大得多的电阻。

使用场效应晶体管场合下，最好使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，尤其是增强型的MOSFET。该装置也可作为集成电路加以生产，这种情形下，开关电路中(以及脉冲发生器电路中)所用电阻可由MOSFET提供，例如由以NMOS逻辑连接的栅极和漏极。另一方面，控制晶体管以及一起构成开关晶体管基极或栅极的分压器的电阻可由以CMOS逻辑方式连接的一对互补的n沟道和p沟道FET(场效应晶体管)提供。

如需要的话，该电路可包括发光二极管或其它指示电路转换的装置。

可将任意多个装置用于产生脉冲。尤其在将产生大量脉冲场合，例如可用已知的非稳态振荡器来产生这些脉冲。为了在脉冲间提供足够时间延迟，脉冲发生器包括一个分频器例如计数器或移位寄存器是合适的，分频器的输入由相当快振荡器例如晶体管器件或其它电路提供。的确，用户有可能通过选择分频器输出来规定脉冲频率用以对开关复位。尽管可使用单稳态振荡器，但分频器的输出一般可通过高通滤波器馈送到比较器输入。如果脉冲发生器或任何其它元件需电源，通常最简单的便是在例如借助齐纳二极管进行适当电压调整之后可选择地从开关端电压差获取电源。

按照本发明的装置可用分立元件构成或用已知技术做成单块芯片。最好将该装置做成单片集成形式，以使该装置较便宜也较小并更可靠。使用如上所述的分频器的好处在于脉冲发生器电路中任何电容器的数值可远远小于没有分频器时所需的电容器的数值，从而使电路更适合于单片集成。

该装置不包括与晶体管开关串联连接的电阻元件是有利的。这样，装置不但可减小电路线上电压降，而且，更为重要的是，减小了该装置集成电路设计时所需使用硅片的面积，从而降低了成本。

按照本发明的若干电路可参考附图，通过实例说明如下，附图中：

图1是本发明保护装置第一种形式的电路图，

图2是本发明装置第二种形式的电路图，

图3是按照本发明第二方面的装置的电路图；

图4是按照本发明的另一装置的电路图；

图5是按照本发明的另一装置的电路图；

图6是按照本发明第二方面的另一装置的电路图，

图7是按照本发明的具有高的温度稳定性的装置的电路图；

图8是又一种装置的电路图。

参考附图1，电路过电流保护装置包含虚线右边的开关电路，虚线左边所示的脉冲发生电路。开关电路包含以达林顿结构排列的两个晶体管1，构成了开关晶体管。开关晶体管的基极为由电阻和控制晶体管2构成的分压器所保持，分压器跨接开关晶体管1，而控制晶体管基极为由电阻对3和4形成的分压器所控制。

脉冲发生器包含脉冲延迟电路，该电路含有较大时间常数的电阻5和电容器6，在此情形下时间常数大约为20秒，并且与达林顿结构排列的晶体管对7和8的基极相连接。晶体管8的集电极电压馈送到包含晶体管9的脉冲限定电路，该晶体管基极电压由电阻对10和11及电容器12形成的分压器所设定。晶体管13与电容器12和电阻11并联设置用以在晶体管13导通时驱动晶体管9的基极电压为低。

工作时，在正常电流下，由电阻3和4设置的晶体管2的基极电压维持该管为断开状态使达林顿晶体管1为导通，并使电流以1.7V左右压降通过。如果电路受到过电流，则晶体管2的基极电压由增加的跨在电阻4的电压降而上升，直至晶体管2导通及晶体管1截止。开关电路电压降由于晶体管1电阻增大而上升，使晶体管2的基射极电压上升并将开关电路保持为其断开状态。

出现这种情形时，脉冲发生器端电压足以克服齐纳二极管14的阈值电压，而电容器6被充电。约20秒后，晶体管7的基极电压升高到1.2伏以上而晶体管7和8导通并使晶体管13截止。此时，晶体管9的基极电压由于电阻11的较高阻抗而上升，晶体管9导通，控制晶体管2截止而使开关晶体管1进入导通状态。

如果引起开关电路切断的过电流消失，约为1.7伏的开关电路端电压降不足以克服齐纳二极管14的齐纳电压，结果脉冲发生电路被隔离而开关保持为导通状态。然而，如果故障条件持续，就会在开关电路上有高的端电压，电容器12充电从而降低晶体管9的基极电压，并在200mS后将该管截止。这使控制晶体管2转为导通，而使开关晶体管1截止。由于电容器12被充电并维持充电，则晶体管9因而开关电路保护锁存在其截止状态直至去掉电源电压。

配设电阻15和齐纳二极管16以确保晶体管13初始导通，使电容器12放电，以及确保晶体管9截止。配设由电阻17和二极管18形成的反馈回路，从而通过确保当晶体管9截止时晶体管7和8导通来防止电路振荡。

图2示出按照本发明的过电流保护装置的第二种形式。这种形式的装置使用包含如上参考图1所述工作的晶体管1和2及电阻3和4的开关电路。该装置有一脉冲发生电路，该电路包含用作比较器的运算放大器，用以将由电容器22和电阻23形成RC电路的电压与由分压器形成的基准电压进行比较从而使开关电路导通。

在工作中，当出现过电流而开关电路断开时，运算放大器21的非反相输入低于反相输入因此该运算放大器输出为低。当电容器22充电，约50秒后非反相输入电压上升，直到该电压高于反相输入电压，则运放21输出变高而晶体管26导通。这使控制晶体管3截止并使开关晶体管1短暂地转为导通。由电容器27和电阻28形成的RC分压器设置晶体管26的基极电压。当来自运算放大器的输出变高，电容器27充电而降低晶体管26的基极电压，从而切换晶体管26截止。如果故障仍然存在这便有使开关晶体管1截止的效果。晶体管26的RC基极电路的时间常数大约为200ms，它决定了脉冲持续时间。

如果参考图1所述，如果电流瞬变消失，开关电路端电压降在晶体管1导通时低于齐纳二极管14的齐纳电压而与脉冲发生电路相隔离。然而，如果故障条件始终存在，电容器22和27保持充电而开关电路保持断开直至撤去电源。

设置由电阻29和二极管29′形成的正反馈回路以防运算放大器振荡。二极管29′防止在输出为低时运算放大器的输出影响电容器22的充电。

图3示出按照本发明第二方面的装置的一种形式。该装置包含由晶体管1和2及电阻3和9形成的开关电路，该电路工作如参考图1如上所述。该装置包括与复位晶体管31基极相连接的非稳态振荡器30。由非稳态振荡器30产生的脉冲间隔以及脉冲持续时间分别由电容器32和电阻33及电容34和电阻35形成的RC电路的时间常数设定。

图4示出按照本发明的装置的另一种形式用以在出现过电流时对自身复位有限次数。

在该装置中，开关电路如参考图1所述包含晶体管1和2及电阻3和4。脉冲发生器由若干相同的级构成，其中两级示为级A和B，每一级用以产生一个脉冲。每一级包含其基极连接到晶体管132集电极的晶体管131(不同级中相应元件用字母“a”和“b”标识)。晶体管132a、b的基极通过齐纳二极管(35a、b连接到由电阻133a、b和电容器134a、b形成的RC分压器。每一级晶体管131a、b的集电极通过电容器137a、b连接到复位晶体管136的基极。此外，最后级以外的每一级的晶体管131的集电极连接到由下一级电阻133b和电容器134b形成的RC分压器。

在正常工作时，由齐纳二极管130隔离脉冲发生电路。当该装置受到过电流时，开关电路切换到其阻塞状态而电流流入脉冲发生电路，对电容器134和139充电。当电容器134a端电压超过齐纳二极管135a的击穿电压，晶体管132a慢慢导通，使晶体管131a迅速截止。晶体管131a集电极电压突然上升使复位晶体管136短暂变为导通从而短接控制晶体管2的基射结并使晶体管1导通。一旦电容器137a已充电，晶体管136便截止。如果故障条件已结束，则晶体管1维持持久地导通。然而，如果故障条件始终存在，则第二级的电容器134b被充电直至其端电压大于二极管135b的击穿电压。然后第二级以和第一级同样方式工作使晶体管131b截止而电源电压加以电阻138两端使晶体管136和1导通。如前述，如果故障条件已结束，则晶体管1维持为导通，但如果故障条件始终存在，则电容器137b充电，使晶体管136和1持久地为截止。

包括电容器139以稳定电路电源，因为当晶体管1导通以检验故障是否已消失时从线路到电路的电源会短暂丢失。

有可能通过简单地改变装置中的级数(示为A和B)来改变该装置试图对自身复位的次数。

图5示出按照本发明装置的另一形式，当受到过电流时，该装置试图对自身复位有限次数。

该装置包含过电流保护电路，该电路包括非稳态振荡器以使电路对其自身不确定地复位。图3示出这样的一装置。该装置也包括受控于由电阻44和电容器45形成的RC分压器的晶体管对42和43。晶体管43集电极连接到跨接于复位晶体管47(对应图3的晶体管31)的基射端的另一晶体管46的基极。

在工作时，当出现过电流时，电路被关断，然后由如图3所述的非稳态振荡器连续不断地周期性地对自身复位。此外，电路端电压使电容器45充电。当电容器电压大于齐纳二极管48的齐纳电压，晶体管42开始慢慢导通而晶体管43迅速截止。这使晶体管46导通并“短接”复位晶体管47的基射极端，从而使开关电路持久地截止。

这样电路试图复位自身的次数(N)由下式给出：

通过改变电容器45的数值很容易改变N。以集成形式可制造专用的自动可复位器件，试图复位的次数取决于电容器接触面积，其在使用制造过程中最终接触掩膜之前是不受约束的。这使得制造过程主体是标准化的而与应用无关并且在制造的最后阶段元件器件精细计时以满足特定保护需求。

图6示出按照本发明第二方面的电路保护装置的另一形式，其中当开关已开路时，脉冲发生器每20秒试图闭合开关1次。

开关电路包含开关和控制场效应管61和62及电阻3和4，除了其中用增强型MOSFET代替双极型晶体管，已参照图1加以描述。

脉冲发生器包含此处由555计时器63提供的非稳态振荡器，该计时器的输出馈送至用作分频器的4020 14位计数器64的时钟输入端。计数器64的输出通过由电容器66和电阻67形成的高通RC滤波器馈送到复位FET 65的栅极。复位FET 65与电阻4并联连接以便当其栅极为高时“短接”控制晶体管62的栅极和源极，从而试图使开关晶体管61导通。

555计时器63和计数器由开关晶体管61端电压所取电源来加电，并由跨接于器件电源和接地管脚的齐纳二极管66调整到一定程度。齐纳二极管66也保护计数器64和计时器63免于过电压。另一6.8V齐纳二极管73和5KΩ电阻68串联连接于计时器63及计数器64的Vcc脚与开关晶体管61漏极之间。

在工作中，通常开关晶体管61为导通而控制晶体管62为截止。当出现过电流，控制晶体管62的栅极电压增加从而使控制晶体管62导通及开关晶体管61截止。当开关晶体管61已截止，其端电压升到10V以上从而提供大致不变的5V电源给计时器63和计数器64。通过计时器和计数器电源电路的漏电流受电阻65限制并在正常时为1至2mA数量级。当计时器63已加电，则产生振荡，振荡频率取决于电容器69的容量及电阻70和71，例如，对1nF容量的电容器及1MΩ阻值的电阻该频率典型为400Hz左右。该振荡馈送到计数器时钟输入，将最有效位取作输出，其重复频率大约为第20秒1次。由电容器66和电阻67形成的高通RC滤波器每当短暂地将复位晶体管65转为导通的计数器输出的每个正向边缘处产生一短的正向脉冲。这样在过电流时该装置试图每20秒复位开关晶体管61。

图7示出按照本发明装置的另一种形式。脉冲发生器如参考图6所作描述，不过此处开关电路包含与用作比较器的运算放大器101的输出相连接的FET 100。运放101的非反相输入连接到电阻102和齐纳二极管103形成的分压器，而反相输入与由电阻104、104′和105形成的第二分压器相连接，两个分压器跨接于开关晶体管100。齐纳二极管103具有0.06％K^-1的温度系数。

运放3的Vcc和接地端也跨接开关晶体管100以便当该装置过电流时对该运放加电。

工作时，开关晶体管100处于截止状态直至其两端有足够电压使比较器101的输出驱动开关晶体管100的栅极。这一级中，比较器101的非反相输入由于齐纳二极管103较高的初始阻抗而有高于反相输入的电压从而可驱动开关晶体管100的栅极电压高于其射极并且导通。当本装置受到由于电流瞬变或负载或电源故障的过电流时，开关晶体管100的端电压差增加，从而使运算放大器101的反相输入电压也增大。运放101的非反相输入电压也增大直至达到齐纳二极管103的齐纳电压因此而维持相当稳定。这样运放输出端的较高电流变低，接近负极电压，从而使开关晶体管100截止。

当开关晶体管100已截止，其端电压上升到10伏以上从而由齐纳二极管48提供大致恒定的电源给计时器43和计数器44。通过计时器和计数器电源电路的漏电流受电阻50限制，正常时为1到2mA量级。当计时器43已加电，则其以取决于电容器51的电容量及电阻54和55的频率振荡，该频率例如对1nF电容和1MΩ阻值的电阻通常为400Hz的时钟输入，其最有效位取为输出，从而实现每20秒一次的重复频率。

当计数器输出降到其低值，运放101的反相输入暂时为低(开关晶体管100的源极电压)从而使该运放输出上升一个短的时间(取决于电容器46和电阻105的时间常数)并使晶体管1′导通。如果过电流仍然存在，则脉冲一结束，运放101的输出便下降，并且开关晶体管100维持为截止。一旦跳闸，该装置每20秒复位开关晶体管100一次直至复位。

图8示出按照本发明的保护电路的另一装置。该保护电路包含由构成互补达林顿对的两个晶体管226和227驱动的传送晶体管222。晶体管227的基极连接到跨接传送晶体管222的分压器，该分压器包含电阻228和控制晶体管229，控制晶体管229的基极由分压器控制，该分压器也跨接传送晶体管222并由电阻230和231构成。复位FET232跨接于控制晶体管229的基极射极间的电阻231。

复位电路包含4541可编程计时器240和计数器241。连接计时器240用来以每20秒产生一脉冲并将该脉冲通过由电容器233和电阻234构成的高通RC滤波器馈送到复位晶体管232的栅极。该脉冲也馈送到计数器241的时钟输入以及该计数器的输出之一，此处为04输出，并被馈送到计时器240的主复位脚。计时器240和计数器241在传送晶体管两端呈现由齐纳二极管236嵌位为10V的电压加电。

当出现过电流，传送晶体管22的端电压增大直至控制晶体管229的基射极电压足以使之导通。这有效地短接晶体管227的基射结并使晶体管222、226和227截止。

由于传送晶体管222已截止，大体上横跨保护电路出现完全电压降，从而给计时器240和计数器241加电。计时器240由电阻242和243及电容器244编程以便每20秒产生脉冲，并将这些脉冲发送到复位晶体管232的栅极。每当复位晶体管232接收到脉冲，便导通并“短接”控制晶体管229的基射结，从而使之截止而使传送晶体管导通。如果故障仍存在，则电容器233一旦充足电则传送晶体管再次截止。

该过程每出现一次，计时器240产生一脉冲。然而，将每个计时器脉冲馈送到计数器241的时钟输入，一旦已由计时器240产生8个脉冲，计数器输出变高而禁止计时器240工作。如果这一级尚未清除过电流，该保护电路继续阻断线路电流直至电源切断。

由电阻246和电容器245构成的RC分压器将脉冲发送到计数器241的复位脚以在加电时复位计数器。此外，100nF电容器247跨接于电阻231及控制晶体管229的基射结以禁止当负载为电容性时短时间转接为导通。

Claims (13)

1.一种过电流保护装置，包含用于和待保护电路的线路串联连接、并允许正常电流通过而在受到过电流时开路的开关电路，该装置包括脉冲发生器，该脉冲发生器在开关电路已开路时产生预定有限的最大数目或预定时间的脉冲以复位或企图复位开关电路到其导通状态。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述开关电路包含开关晶体管和控制晶体管，开关晶体管用于与电路线路串联连接，控制晶体管确定开关晶体管的基极或栅极电压。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于，所述基极或栅极电压由开关晶体管电压降确定。

4.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述控制晶体管的基极或栅极连接在跨接开关晶体管的分压器内。

5.如权利要求2到4任一项所述装置，其特征在于，安排所述脉冲发生器用于在产生脉冲时短接控制晶体管的基射极或栅源极。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于包括短接控制晶体管基射极或栅源极的复位晶体管，复位晶体管基极或栅极电压取自所述脉冲发生器。

7.如权利要求2到6任一项所述装置，其特征在于所述开关晶体管和(或)控制晶体管包含增强型MOSFET。

8.如权利要求1到6任一项所述装置，其特征在于，所述开关晶体管包含多个达林顿结构的双极结型的晶体管。

9.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述开关电路包含开关晶体管和比较器电路，开关晶体管用于和电路线串联连接，比较器电路用于将开关端电压一部分与基准电压相比较并且当该部分大于基准电压时使开关开路。

10.如权利要求1到9任一项所述装置，其特征在于不包含与所述开关晶体管串联连接的电阻性元件以使开关电路端电压降仅取决于开关晶体管集电极发射极或漏源极电压。

11.如权利要求1到10任一项所述装置，其特征在于设置所述脉冲发生器以仅产生单个脉冲。

12.如权利要求1到11中任一项所述装置，其特征在于，所述脉冲发生器包含其输入由非稳态振荡器提供的计数器。

13.如权利要求1到12任一项所述装置，其特征在于，由脉冲发生器产生的每个脉冲具有不大于250mS的长度。

Images