CN1050459C - 电路保护装置 - Google Patents

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Abstract

一电路保护装置含有一用以连接在电路的线路中并在遇到过电流时将转换为开路状态的串联开关电路，以及在正常工作状态下为开路而当被串联开关电路触发时将过电流跨过电路负载旁路或接地的并联开关电路。串联开关电路最好含有由控制晶体管控制的开关晶体管，并联开关电路最好含有由并联控制晶体管控制的并联开关晶体管，并联控制晶体管本身由串联开关电路控制。并联开关电路可以接地或者可连接到后备负载或诸如三端双向可控硅开关的电压返送器件。

Description

电路保护装置
本发明涉及防止电路过电流的装置及器件，例如，保护电路免于遭受由设备故障所引起的过电流，或由闪电、静电放电、设备感应的瞬变过程或其它现象所引起的瞬时过电流。
已提出许多电路保护装置用来防止电路过电流和过电压。例如，用电压控制的三端双向可控硅开关元件保护诸如电话电路一类的某些系统免于过电压。这些装置连接在线路与地线之间，当线路上的瞬时电压达到一预定数值(一般200V)时，为了回避任何电压瞬变这些装置将被起动并保持在接通状态，直到通过它们的电流减小到一定值(维持电流)以下。这些装置存在以下缺点，一旦已起动它们可被电话线的直流电源锁定在接通状态，这很易产生200mA数量级的短路电流。虽然常规三端双向可控硅开关通常具有高达50mA的维持电流，但仍需要使用具有较高维持电流(例如300mA)的三端双向可控硅开关，以便克服锁住的问题。然而这些三端双向可控硅开关具有以下缺点，当遇到某些瞬态变化时，它们可能非完全地导通并保持在大约200V的高压上，同时通过200mA的电流，结果该装置和其它可能设备会被严重地损坏。在法国专利申请第2,619,262号中描述了一种为电话系统所用的电路。该电路含有一个组合的过电流和过电压保护装置，其中一比较电路将一条线路上的电压与基准电压加以比较，如果它较大，瞬变则跨过负载被旁路，同时使一串联电子开关开路。但是，该装置存在以下缺点，即它不被导致例如短路的系统故障所触发和由于所经历的电流而可能发生的对串联开关的损坏。此外，在串联开关断开之前大量的瞬变过电流通过该装置。该装置还有一个缺点是电压保护装置仅将瞬变电压限制于一个最大值。由于大的瞬变电流流过电路的该部分，因而有可能发生不可接受的发热。
按照本发明的一个方面，本发明提供一种电路保护装置，它含有一个用于连接在电路的一条线路中并在遇到过电流时将转换为开路状态的串联开关电路，以及一个在正常工作状态下为开路但当被串联开关电路触发时将过电流跨过该电路的负载旁路或分流到地的并联开关电路。
按照本发明的装置具有这样的优点，即不仅能够保护负载电路免于那些引起将会产生的过电压的威胁，而且免于那些导致过电流的威胁，例如上述系统故障。此外，直接用脉冲而不用并联开关电路启动串联开关电路可减小在将负载电路与所述威胁隔绝时的延迟。
在电话系统中，并联开关电路直接连接在一条输入线与地之间，串联开关电路连接在并联开关电路与交换设备之间的连线中。第二条线以相应的方式连接。当该系统遇到瞬变时，串联开关电路将开路，同时将引起并联开关电路闭合，从而将该瞬态变化旁路到地。因为串联开关电路是开路的，系统电流不能从交换设备流出并导致并联开关电路锁住。当瞬变过程过去以后，系统电压降落在串联开关电路两端。一旦用户的线路开路，即用户放回听筒，则该电路马上复位到其常态。
在最佳配置方式中，串联开关电路包含控制流过串联开关电路的电流的串联开关晶体管。最好用一个串联控制晶体管控制串联开关晶体管，该串联控制晶体管构成连接到串联开关晶体管基极或栅极的分压器的一个臂。串联控制晶体管的基极或栅极电压取决于串联开关晶体管两端的电压降，因此，当串联开关晶体管两端的电压降增加时，串联控制晶体管的正向偏压增大。当串联控制晶体管变得更为导通时，串联开关晶体管的反向偏压增大，从而使开关晶体管转换为其截止状态。当这种状态一出现，开关晶体管两端的电压降将增加，使控制晶体管保持在其“通”或低阻状态，因此，串联开关晶体管保持在其截止状态直到该装置被复位。
这样，该装置有可能不包括与串联开关晶体管串联的电阻元件，因此串联开关晶体管两端的任何电压降仅归因于串联开关晶体管集一发射极或漏一源极(以及任何整流二极管)的电压降。
并联开关电路最好包含连接在该电路的线路与回线或地之间的电压返送装置。该返送装置应能够由并联开关电路的其余部分提供的脉冲所触发，因此晶闸管或三端双向可控硅开关为最佳。并联开关电路最好没有与返送装置串联的电阻元件，这样该线路与回线或地之间的电压降仅归因于返送装置两端的电压降。由此，使得将瞬变过程旁路时并联开关电路中的能量耗散最小。
并联开关电路可包含一个并联开关晶体管，设置该并联开关晶体管是为了将电流从该线路转换到返送装置。在这种情况下，并联开关晶体管的基极或栅极偏压可由并联控制晶体管来进行控制，所述并联控制晶体管的基极或栅极电压取决于串联开关电路两端的电压降。例如，并联开关晶体管的基极或栅极可连接到跨接该开关电路的分压器，该分压器的一个臂包含并联控制晶体管。在这种情况下可由串联开关电路如此确定并联控制晶体管的基极或栅极电压，使得，例如串联开，关电路的转换反向偏置并联控制晶体管，这使得并联开关晶体管变为正向偏置。
不管它是否包含电压返送装置，这种形式的三端保护装置是新型的，因此，控制本发明的第二方面，提供一种电路保护装置，它含有一用以串联连接在要被保护电路的线路中的开关电路，并允许正常电路电流通过，但是当遇到过电流时将转换为截止状态，该装置包含一个含有并联开关晶体管的并联端口，该并联开关晶体管的基极或栅极电压根据的述开关电路的状态如此变化，使得，在正常电路状态下并联开关晶体管处于截止状态，而当开关电路转换为截止状态时，并联开关晶体管被偏置为导通状态。
按照本发明第二方面的装置最好包含上述串联和并联开关电路。
工作时并联端可直接连接到电路的回线以便旁路经过负载的任何过电流。在该装置中瞬变电流能够仅通过一个晶体管开关跨过负载旁路，因此可将该装置中的温升保持在较低数值。在某些情况下可将它保留在非连接状态，这样可利用该装置作为双端器件。通常适于将并联端连接到其它元件，例如它可通过一与线路和(或)电路具有基本上相同阻抗的负载连接到回线，以便防止或减小线路中发生的反射。这种装置例如可以用在局部区域网络(LAN)中，在该网络中有许多从主母线延伸的短截线。如果与短截线相连的任何设备损坏，这将改变母线上的负载，结果在整个LAN停止作用以前仅容许有限数量的设备故障。如果将匹配负载代替该设备切换到该电路中，则即使具有大量的设备故障LAN将继续起作用。
另一方面，可将并联端连接到瞬变电流吸收负载上。在那里过电流有可能由电路中的故障引起，由第三端发送的信号接通一后备系统可能是合适的。没必要让并联开关晶体管通过全部过电流。而可将它连接到一附加电路保护装置，该附加电路保护装置能比并联开关晶体管通过更大的电流，为了触发如上所述的附加装置并联开关晶体管最好是诸如晶闸管或三端双向可控硅开关元件的返送或急剧短路器件。
此处串联开关电路包含一用于控制流过该电路的电流的开关晶体管，串联开关晶体管和并联控制晶体管的基一发射极或栅一源极电压可例如借助于相关接点的直接连接保持为彼此相同的数值。在这种情况下只要两晶体管具有相同的特性，它们将均保持彼此相同的状态。串联晶体管的每个参数随温度而变化，由于控制晶体管在正常工作期间处于其高电阻状态，控制晶体管的特性支配开关晶体管的特性。串联控制晶体管的变化参数使它在低电压时导通，由此随温度增加降低该装置的断路电流。可通过使与控制晶体管栅极和源极并联的电阻具有正温度系数(PTC)、或者使连接到开关晶体管基极或栅极的电阻具有负温度系数(NTC)来补偿该效应。后一种选择对形成为单片器件的装置来讲为最佳。
工作时并联端可直接连接到电路的回线，以便旁路经过负载的任何过电流，即例如在电话系统中平衡对的情况下可连接到地。在该装置中瞬变电流能够仅通过一返送装置跨过负载旁路或接地，因此，可将该装置中耗散功率保持在较低值。
当打算与交流电路一起使用该装置时，串联开关装置通过一整流电桥电路连接到线路。并联开关晶体管最好通过一单独的整流电桥电路连接在线路与第三端之间。另外可利用按照本发明的一对等效的电路保护装置，这两个装置控制交流信号的不同的周期。该装置具有除去电桥二极管两端电压降的优点。
按照本发明的过电流保持装置可利用双极型晶体管和(或)场效应晶体管。当利用双极型晶体管时，最好将它们作为开关晶体管用在达林顿结构中，以便降低晶体管转换为“通”时所需的基极电流。必须通过连接在开关晶体管基极与集电极之间的电阻器提供该基极电流。当该电路转换到其截止状态时，该开关晶体管的基极电流被转为通过控制晶体管(其此时为“通”状态)并变为漏电流。但是，由于该装置处在其截止状态时该电阻两端的电压降更大，该漏电流比开关晶体管的基极电流大。如果用达林顿二元或三元组作为开关晶体管，则有效直流电流增益将显著增加，从而可使用更高的电阻。
当利用场效应晶体管时，增强型MOS场效应管(MOSFET)为最佳。该装置可作为集成电路生产，在该情况下用在开关电路(以及在脉冲发生器电路中)的电阻可由MOS场效应管提供，例如以NMOS逻辑连接它们的栅极和漏极。此外，可用以CMOS逻辑的方式连接的一对互补a沟道和P沟道场效应管提供一起构成用于开关晶体管基极或栅极的分压器的控制晶体管和电阻。
当单对线路连接该装置时该装置可用作三端装置。但是，可以形成五端器件，其中一对三端装置具有公共的第三端或者甚至有共同的并联开关装置。另外，可以构成四端器件，例如用于保护平衡线路对，其中并联开关电路旁路经过该线路对的威胁。
可用分离元件形成按照本发明的装置，或者可利用已知技术用单芯片形成该装置。
现在借助于参照附图的实例描述按照本发明的几个电路，其中：
图1示出按照本发明的一种形式的装置；
图2示出图1装置的改型；
图3示出可为交流电路所用的按照本发明的装置；
图4示出图3所示装置的改型；
图1示出适于为直流电路所用并具有三个端口1，2及3的本发明电路保护装置。旨在将该装置串联连接在该电路的线路中，端口1和2连接于该线路，端口3连接到回线、第二负载或后备系统。另外，可将端口3有选择地通过第二负载连接到一独立点或接地点。
该装置具有一包含开关晶体管4的串联开关电路，开关晶体管4与线路串联连接，其栅极连接到跨接开关晶体管4并由1兆欧电阻5和控制晶体管6构成的分压器。控制晶体管的栅极连接到又一由两个1兆欧电阻7和8构成的分压器，其跨接于开关晶体管4，因此控制晶体管6的栅极电压保持在开关晶体管4电压降的一半。
该装置还具有连接于端3的并联开关电路，该电路含有控制端1与3之间的电流的并联开关晶体管9。并联开关晶体管9的栅极连接到跨接开关晶体管9并由1兆欧电阻10和并联控制晶体管11构成的分压器。并联控制晶体管11的栅极与晶体管4栅极一样连接到相同的分压器。该装置中所用的所有晶体管均为增强型MOS场效应晶体管。
工作时端口1和2连接在电路的线路中。当无电流流过电路时所有晶体管处于高电阻或“断”状态，因此，由于电阻7和8该装置的串联电阻约为2兆欧。随着电压增加，仍无电流流过直到供电端1的电压达到晶体管4的导通阈值，因为晶体管6为“断”状态，其电阻为1012欧姆数量级，因此晶体管4的栅极保持在输入电压上。一旦该电压被超过，晶体管ll变为其导通状态，V/I(电压/电流)特性遵循与晶体管4的“通”状态阻值等价的电阻线，但偏移晶体管4的导通阈值(约2V)。在这种所加电压电平上，晶体管11(其栅极保持在与晶体管4相同的电压上)处在“通”状态，这使关联开关晶体管为零偏置因而处在“断”状态。一般该装置具有200毫欧串联电阻，2V电压降，并在其正常工作状态下有1兆欧并联电阻。
如果开关晶体管4的电压降因瞬变过电流或电路的故障而增加，控制晶体管6的栅压将上升，直到它达到控制晶体管6的导通阈值，随后开关晶体管4的栅压将下降为其源极电压值，从而该晶体管断开。同时并联控制晶体管11的栅极电压下降到约为其源极电压，晶体管11截止，从而使并联开关晶体管9的栅极变为正向偏置，这样使它导通。由于串联开关晶体管4两端的电压降在其为截止状态时大于其为导通状态时，故串联控制晶体管6保持为正偏，从而使该装置永久地保留在其断开状态，其中串联开关晶体管4处在其截止状态，并联开关晶体管9处在其导通状态。
图2示出图1电路的改型，其中用双极结型晶体管代替场效应晶体管，串联开关晶体管4和并联开关晶体管9采用达林顿对。此外，一个1微法的电容器12与电阻8并联。电容器12防止该电路装置被短路瞬变电流断开。如果所需电容数值能够小于1微法，该装置给出足够的时间常数为例如钨丝灯所用。
图3示出适于为交流电路所用的图1所示装置的又一改型。在该装置中串联开关晶体管4通过整流电桥13连接到线路上。在并联开关晶体管9与端口3之间使用另一整流电桥14。
此处并联控制晶体管11的源极连接到两个串联晶体管4和6的源极而不是并联开关晶体管9的源极。
端口3可直接连接到回线，或者它可连接到并联负载16，并联负载16可设置用来吸收瞬态变化或其还可具有与线路及电路负载匹配的阻抗，以便防止或减小反射。
图4示出图3所示装置的改型，其例如可用在电话设备中。在该布局中，并联线15连接到由两个晶闸管构成的三端双向可控硅开关17的基极。
在该电路中，并联控制晶体管11的基极未象图2中连接到串联开并晶体管4的基极，而是连接在由晶体管6′和5′构成的又一分压器上。晶体管6′的基极连接在由电阻器7′和8′构成的另一分压器上。
当装置遇到瞬变过程时，串联开关晶体管4如上所述转变为断状态，而并联开关晶体管9将导通，从而使过电流部分注入三端双向可控硅开关17的基极并将其转换为导通状态。
利用第二分压器电路5′、6′、7′和8′的目的是为了控制并联开关电路，并除去开关电流对电路负载的任何依赖。

Claims (23)

1.一种电路保护装置，它含有一个用以连接在所述电路的一条线路中并在遇到过电流时将转换为开路状态的串联开关电路，以及一个在正常工作状态下为开路但当被串联开关电路触发时跨过所述电路负载将过电流旁路或接地的并联开关电路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：串联开关电路包含一串联开关晶体管，该装置没有与串联开关晶体管串联的电阻元件，因此串联开关电路两端的任何电压降仅归因于串联开关晶体管的集-发射极或漏-源极电压降以及存在的任何整流二极管的电压降。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：串联开关电路包含确定串联开关晶体管基极或栅极电压的串联控制晶体管。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：串联控制晶体管的基极或栅极保持在横跨串联开关晶体管的分压器上。
5.如权利要求1到4中任何一项所述的装置，其特征在于：并联开关电路包含连接在所述电路的一条线路与回线或地线之间的电压返送器件。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：返送器件是一晶闸管或三端双向可控硅开关元件。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于：并联开关电路没有与返送器件串联的电阻元件，因此线路与回线或地之间的电压降仅归因于返送器件两端的电压降。
8.如权利要求5到7中任何一项所述的装置，其特征在于：并联开关电路包含一设置用来将电流从线路转换到返送器件以触发返送器件的并联开关晶体管。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：并联开关电路包含一个控制并联开关晶体管的基极或栅极偏压且其基极或栅极电压依赖于串联开关电路两端的电压降的并联开关晶体管。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：并联开关晶体管的基极或栅极连接到横跨串联开关电路的分压器，该分压器的一个臂含有串联控制晶体管。
11.一种电路保护装置，它含有一用以串联连接在有待保护电路的一条线路中的开关电路，该开关电路允许正常电路电流通过，而当遇到过电流时将转换为截止状态，该装置合有一个并联端口，该并联端口包含一个其基极或栅极电压根据所述开关电路的状态而改变的并联开关晶体管，因此，在正常电路状态下，并联开关晶体管处在截止状态，但当开关电路转换为截止状态时并联开关晶体管偏置为导通状态。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于：包含一个并联控制晶体管，用来控制并联开关晶体管的基极或栅极偏压，且其本身的基极或栅基电压取决于串联开关电路两端的电压。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于：并联开关晶体管的基极或栅极连接到横跨串联开关电路的分压器，分压器的一个臂含有串联控制晶体管。
14.如权利要求11到13中任何一项所述的装置，其特征在于：串联开关电路包含一控制流过串联开关电路的电流的串联开关晶体管。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于：串联开关晶体管由串联控制晶体管来控制，串联控制晶体管的基极或栅极电压取决于串联开关晶体管两端的电压降，因此当串联开关晶体管两端的电压降上升时，串联控制晶体管的正向偏置增加，从而使串联控制晶体管达到低阻状态，这导致串联开关晶体管转换为高阻状态。
16.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于不包含与串联开关晶体管串联的电阻元件。
17.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于：串联开关电路包含一个控制流过串联开关电路的电流的串联开关晶体管，串联开关晶体管与并联控制晶体管的基-发射极或栅-源极电压保持在彼此相同的数值。
18.如权利要求11到17中任一项所述的装置，其特征在于：第三端直接连接到回线上。
19.如权利要求11到17中任一项所述的装置，其特征在于：第三端通过一个基本上与线路具有相同阻抗的负载连接到回线。
20.如权利要求11到17中任一项所述的装置，其特征在于：第三端连接到备用电路，该备用电路在经历瞬变过程时开始工作。
21.如权利要求11到17中任一项所述的装置，其特征在于：第三端连接到瞬变吸收负载。
22.如权利要求11到21中任一项所述的装置，其特征在于：通过一整流电桥电路连接到所述线路。
23.一种电路保护单元，其含有设置用于串联连接在一对载流线中的如权利要求1到22所述的一对装置，使得任一条线中的过电流跨过电路的负载旁路或流入公共地线。
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