CN1080476C - 过电流保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种可以对比较小的过电流作出快速响应的过电流保护系统。第一方面，该系统可以连接在电源(12)和电气负载(26)之间构成一个操作电路。这样连接的系统具有一种正常操作状态和一种故障状态，可以保护电路防止过电流，该系统包括：一个断路元件(24)，当系统处在正常操作状态时，它具有一种正常状态，允许流过一个正常电流INORMAL，以及当系统处在故障状态时的一种故障状态，最多只允许流过一个明显小于INORMAL的小电流；以及一个与断路元件(24)串联连接的控制元件(18)，控制元件具有可变的电阻，当系统中的电流没有超过正常电流INORMAL一个预定的电流量时，其电阻很低，如果系统中的电流超过了正常电流INORMAL一个预定的电流量，其电阻就至少增大一个预定的电阻值；当控制元件的电阻增大到预定的电阻值时，断路元件从正常状态转变成故障状态，使系统从正常操作状态转变到故障状态。

Description

过电流保护电路
本发明涉及到电路的过电流保护。PTC电路保护器件是公知的器件。这种器件和负载是串联布置的，在正常操作状态下处在一种低温、低电阻的状态。然而，如果通过PTC器件的电流急剧增加，以及/或是PTC器件周围的环境温度急剧地上升，以及/或是正常操作电流的维持时间超过了正常操作时间，PTC器件就会被“断开”，即转换到一种高温、高电阻状态，从而使电流明显地下降。即使是电流和/或温度恢复到其正常的水平，这种PTC器件通常仍会维持在断开状态，直到PTC器件从电源上断开并且完全冷却时为止。实用的PTC器件包含一个由PTC导电聚合物构成的PTC元件，它是一种由(1)有机聚合物和(2)分散或是分布在聚合物中的一种颗粒状导电填料例如碳黑构成的合成物。例如，在美国专利US4237441，4238812，4315237，4317027，4426633，4545926，4689475，4724417，4774024，4780598，4800253，4845838，4857880，4859836，4907340，4924074，4935156，4967176，5049850，5089801以及5378407号中说明了这种PTC导电聚合物以及包含这种聚合物的PTC器件。
通常使用的PTC保护器件受到一种限制，如果过电流比较小，例如仅有正常电流的几倍，PTC器件有可能需要较长的时间才能转变到断开状态。
我们已经发现了一种新式的过电流保护系统，它可以对比较小的过电流作出快速响应。在这种新式系统中，控制元件和断路元件与负载串联。控制元件被功能性地连接到断路元件，当电路中的电流超过一个预定值时，控制元件检测出过电流，并且使断路元件从一种相对导电状态转变到一种相对不导电状态(包括完全断开的状态)。
本发明的目的在于提供一种过电流保护系统，它能够实现四种过电流保护功能：检测电流，遮断电路，限制传送给电路的电能，和将电路与电源隔离。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电气系统，它可以连接在电源和电气负载之间构成一个操作电路，这样连接的系统具有一种正常操作状态和一种故障状态，可以保护电路防止过电流，该系统包括一个断路元件和一个控制元件，其特征在于：
a.断路元件，它具有
(1)当该系统处在正常操作状态时的一种正常状态，允许流过一个正常电流INORMAL，以及
(2)当该系统处在故障状态时的一种故障状态，最多只允许流过一个明显小于INORMAL的小电流；以及
b.控制元件与电路断路元件串联连接，该控制元件具有可变的电阻，该控制元件
(1)在该系统中的电流没有超过正常电流INORMAL一个预定的电流量时，其电阻很低，并且
(2)如果该系统中的电流超过了正常电流INORMAL一个预定的电流量，其电阻就至少增大一个预定的电阻值；
当该控制元件的电阻增大该预定的电阻值时，该断路元件从其正常状态转变成故障状态，使系统从其正常操作状态转变到故障状态。
本发明还提供了一种电路，包括：a.一个电源；b.一个电气负载；和c.上述的电气保护系统。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种电气系统，它可以连接在电源和电气负载之间构成一个操作电路，这样连接的系统具有一种正常操作状态和一种故障状态，可以保护电路防止过电流，该系统包括一个断路元件和一个控制元件，其特征在于：
a.断路元件，它具有
(1)当该系统处在该正常操作状态时的一种正常状态，允许流过一个正常电流INORMAL，以及
(2)当该系统处在故障状态时的一种故障状态，最多只允许流过一个明显小于INORMAL的小电流；
b.控制元件与电路断路元件串联连接，并且
(1)在该系统中的电流没有超过正常电流INORMAL一个预定的电流量时，具有一个控制元件断路状态，并且
(2)如果该系统中的电流超过了该正常电流INORMAL该预定的电流量，就进入控制元件激励状态；
c.和以下的串联组合并联的一个旁路元件
(1)该控制元件，
(2)该断路元件，以及
(3)该负载
并且具有
(1)一种旁路断电状态，最多只允许一个小的旁路电流通过该旁路元件，以及
(2)一种旁路激励状态，允许一个明显增大的旁路电流通过该旁路元件；并且
当该旁路元件从旁路断电状态转变到旁路激励状态时，该断路元件从正常状态转变到故障状态，并且，当该控制元件从控制元件断电状态转变到控制元件激励状态时，该旁路元件从旁路断电状态转变到旁路激励状态，从而使该电路从正常操作状态转变到故障状态。
本发明还提供了一种电路，包括：a.一个电源；b.一个电气负载；和c.上述的电气保护系统。
总的来说，按照本发明的原理构成的过电流保护电路执行以下四种功能，即检测电流，遮断电路，限制传送给电路的电能，和将电路与电源隔离。这种过电流保护电路可以被认为是由若干功能性元件构成的，用这些功能性元件协同完成上述四种过电流保护功能。
下面结合附图对本发明作详细描述。附图中：
图1a至1e是功能性元件的几种结构框图；
图2a至2c表示根据本发明的第一方面的过电流保护电路的实施例；
图3表示包括霍尔元件的电路；
图4和5表示根据本发明的第二方面的过电流保护电路的实施例；以及
图6表示根据本发明的第三方面的过电流保护电路的实施例。
在图1a到1e中表示的五个功能性元件是电源102，控制元件104，旁路元件106，遮断元件108，以及负载112。电源102向电路提供电源，负载112执行电路本身的有关功能。控制元件104，旁路元件106和遮断元件108协同完成过电流保护的工作。控制元件104在过电流的情况下一般执行检测电流并且限制传送给电路的能量等两种功能。遮断元件108一般执行遮断电路中电流的功能，并且隔离电路。旁路元件106一般通过转移电流来协助控制元件104限制传送到电路中的能量，使遮断元件108能够遮断电路中的电流。
如图1a中所示，有些过电流保护电路可以包括控制元件104和遮断元件108，但是没有旁路元件106。在这种电路中，控制元件104可以降低电路中的电流，使遮断元件108能够遮断较小的电流。如图1e中所示，有些过电流保护电路可以包括控制元件104和旁路元件106，但是没有遮断元件108。在这种电路中，控制元件104和旁路元件106一般可以明显地降低电路中的电流，但是不具备电路隔离功能。
图1a是一个功能性框图，表示由本发明第一方面一个实施例的过电流保护电路中的电气部件构成的功能性元件。用总的标号100表示的这一过电流保护电路包括四个功能性元件，即电源102，控制元件104，遮断元件108，以及负载112。
控制元件检测电流，并且确定提供给负载112的电流是否处在正常的可接受范围。当控制元件104确定了提供给负载112的电流过大时，控制元件104就降低电路中的电流。通过降低电路中的电流，控制元件104通知遮断元件108，令遮断元件进一步降低或是停止向负载112提供电流。控制元件104在过电流状态下迅速地检测出过电流，并且降低过电流，从而限制传送给电路的电能，以便允许遮断元件108安全地遮断提供给负载112的电流。
在对应图1a框图的电路结构中，控制元件104和遮断元件108的协同操作允许选择电压和电流额定比其他结构中所需要的更小的电气元件。由于控制元件104与遮断元件108是串联的，两个元件都需要至少能够承载正常的电路电流。然而，控制元件104的电压定额可以比电路的正常电压低得多，并且遮断元件108应该具备在低电压下遮断最大电流的能力，或是在低电流时能遮断正常电压，但是不需要在正常电压下遮断最大过电流。在发生过电流时，控制元件104在不至于损坏控制元件104的一个很短的时间内使电流降低到低于遮断元件108的遮断电流的程度。遮断元件108的耐压能力大于电路的开路电压，在遮断元件打开时可以保护控制元件104不会承受过电压。
在与图1a到1d的框图相对应的电路结构中，控制元件104和遮断元件108的位置是可以交换的，例如，电路中的遮断元件108可以放在控制元件104前面。然而，根据具体的电路结构，旁路元件106仍然需要跨接在控制元件104上(图1b)，跨接在控制元件104和遮断元件108上(图1c)，或是跨接在控制元件104，遮断元件108以及负载112上(图1d)。
图2a表示过电流保护电路10的第一方面的一个实施例，在图中采用了PTC器件18和电流检测继电器14以及电压检测继电器22的一种结构。电压检测继电器22被连接到第一组接点24，电流检测继电器14被连接到第二组接点16。在这一电路中，电流检测继电器14的功能是检测电路10中的电流。当电流检测继电器14检测到过电流状态时，电流检测继电器14就打开第二组接点16，向PTC器件18提供电流。PTC器件18的电阻在正常时小于电压检测继电器22的电阻，因此，大部分电流通过PTC器件18。增大PTC器件18的电阻就可以限制电路10中的电流，并且在电压检测继电器22两端施压一个电压。当电压检测继电器22两端的电压达到激励电压检测继电器22所需要的程度时，电压检测继电器22就打开第一组接点24，遮断电路10中的电流。电压检测继电器22是一个闭锁继电器，在检测和遮断了过电流之后一直维持打开状态直到被复位。电流检测继电器14也是一个闭锁继电器，或是必须与电压检测继电器22相匹配，只有这样，电流检测继电器14才不会在电压检测继电器22完全激励并且打开第一组接点24之前释放并且闭合第二组接点16。
这种结构的特点是PTC器件18在检测到故障之前没有被包含在电路中。因此不要求PTC器件18连续地承载电流和响应故障状态。因此，这种结构可以用于电路工作电流大于PTC器件18的保持电流定额的场合。例如，9.0安培保持电流的PTC器件18(例如Raychem RUE900 PolySwitch@器件)在响应18安培的电流时通常需要10到90秒。在图2的电路结构中，如果电流检测继电器14原来的电流响应定额是18安培，就可以使用比较小的PTC器件18，例如RaychemRXE050 PolySwitch@器件，它在室温下可以在一秒之内响应18安培的冲击电流。
图2b所示的电路是在图2a的电路中改变了电流检测继电器14的线圈位置。在这种结构中，电流检测继电器14必须是一个闭锁继电器，因为在第二组接点16打开时电流会停止流动。
图2c表示图2a的过电流保护电路10，过电流保护电路10中用虚线围住的电路元件对应着图1a中所示的四个元件，即电源102，控制元件104，遮断元件108，以及负载112。
在某些应用中，例如在工作频率为1Hz的电缆电视放大器电源中，电流检测继电器中使用的AC电流互感器的价格过高。图3表示了过电流保护电路30的第一方面的一个实施例，该电路与图2a的电路相似，其区别仅是采用一个霍尔效应器件38来检测电路中的电流。在这种结构中，用霍尔效应器件38监测电路30中的电流，在检测到过电流时激励一个继电器42，打开继电器的一组接点44，将电流转移到PTC器件18。电路的其他工作方式与图2a的电路相同。霍尔效应器件38可以是一种线性电流探头或是一个即简单又便宜的TTL传感器。可以用一个晶体管，三端双向可控硅开关或是其他开关器件来代替继电器42及其一组接点44。
图3所示电路中的电气元件可以按照类似于图2c的方式进行编组，将霍尔效应器件38包括在代表控制元件104的方框内。
图4和5表示的过电流保护电路是本发明另一方面的两个实施例，其中的过电流检测是由电流检测继电器来实现的。图4和5的电路对应着图1d中所示的功能性框图。图4和5的电路中用来包括图1d中所示的遮断元件108的那一部分包括由PTC器件48和第四组接点46的并联组合以及与第一组接点24串联的的组合。按照美国专利申请(记录号为1570-US1)中所述，这种串-并联组合本身就是一个电路开关。
在图4的过电流保护电路中，用电流检测继电器14检测电路50中的电流。在过电流状态下，电流检测继电器14激励，打开第二组接点16，并且通过电压检测继电器22分散电流。在电压检测继电器22激励时，其第一组接点24，第三组接点28和第四组接点46被打开。与第二组接点16串联的第三组接点28起到脱扣接点的作用，保证电压检测继电器22充分激励。由第四组接点46和PTC器件48的并联组合以及与第一组接点24的串联的组合安全地断开负载26上的电流。当第四组接点46和第一组接点24开始打开时，打开的第四组接点46将电流分流到PTC器件48。第一组接点24在打开时有可能产生电弧，然而，PTC器件48会很快形成高阻抗，从而使电流下降到一定的值，使第一组接点能够遮断负载26的电流。
图4所示电路的一个缺点是在电阻32中一直存在微小的电流，因此，在电路正常工作期间会消耗功率并且发热。图5所示的过电流保护电路70不需要这个电阻32。在图5的电路中，当电流检测继电器14检测到过电流时，电流检测继电器14就激励，其第二组常开接点16闭合，通过电压检测继电器22分散电流。电压检测继电器22受到激励，其第三组常开接点28闭合，第一组常闭接点24和第四组常闭接点46被打开。第三组接点28闭合，使电压检测继电器22保持激励，第一组接点24和第四组接点46打开，象图4中那样切断负载26的电流。
图6中表示的过电流保护电路90是本发明第三方面的一个实施例，在其中采用霍尔效应器件38来检测过电流，并且控制继电器42的动作，由继电器42打开第一组接点24和第四组接点46。在这一实施例中，第一组接点24可以一直延迟到第四组接点46打开之后再打开，这种延迟取决于PTC器件48需要多少时间才能转变到高电阻状态。

Claims (23)

1.一种电气系统，它可以连接在电源和电气负载之间构成一个操作电路，这样连接的系统具有一种正常操作状态和一种故障状态，可以保护电路防止过电流，该系统包括一个断路元件和一个控制元件，其特征在于：
a.断路元件，它具有
(1)当该系统处在正常操作状态时的一种正常状态，允许流过一个正常电流INORMAL，以及
(2)当该系统处在故障状态时的一种故障状态，最多只允许流过一个明显小于INORMAL的小电流；以及
b.控制元件与电路断路元件串联连接，该控制元件具有可变的电阻，该控制元件
(1)在该系统中的电流没有超过正常电流INORMAL一个预定的电流量时，其电阻很低，并且
(2)如果该系统中的电流超过了正常电流INORMAL一个预定的电流量，其电阻就至少增大一个预定的电阻值；
当该控制元件的电阻增大该预定的电阻值时，该断路元件从其正常状态转变成故障状态，使系统从其正常操作状态转变到故障状态。
2.按照权利要求1的系统，其特征是该控制元件包括以下的串联组合：
a.一个电流检测装置，其具有：
(1)在该系统中的电流没有超过该正常电流INORMAL该预定的电流量时处在断开电流状态，并且
(2)在该系统中的电流超过了该正常电流INORMAL该预定的电流量时处在电流激励状态；以及
b.一种并联组合，其包括
(1)连接到该电流检测装置的第一电路开关，其中的第一电路开关在
(a)该电流检测装置处在断开电流状态时闭合，并且
(b)在该电流检测装置处在电流激励状态时打开，
(2)一个电压检测装置，其具有
(a)在该电压检测装置两端的电压没有超过一个预定量的电压时处在断开电压状态，并且
(b)在该电压检测装置两端的电压超过了该预定量的电压时处在电压激励状态，以及
(3)一个PTC器件，最好是一个聚合物PTC器件。
3.该按照权利要求2的系统，其特征是：
a.该电流检测装置包括一个电流检测继电器线圈；以及
b.该第一电流开关包括连接到该电流检测继电器线圈的第一组接点。
4.按照权利要求2的系统，其特征是：
a.该电流检测装置包括
(1)具有一个输出的电流传感器；以及
(2)连接到该电流传感器的输出的继电器线圈；以及
b.该第一电路开关包括连接到该继电器线圈的第一组接点。
5.按照权利要求4的系统，其特征是该电流传感器包括一个霍尔效应器件。
6.按照权利要求2至5之一的系统，其特征是：
a.该断路元件包括连接到该电压检测装置的第二电路开关；以及
b.该第二电路开关
(1)当该电压检测装置处在断开电压状态时是闭合的，并且
(2)当电压检测装置处在电压激励状态时被打开。
7.按照权利要求6的系统，其特征是：
a.该电压检测装置包括一个电压检测继电器线圈；以及
b.该第二电路开关包括连接到该电压检测继电器线圈的第二组接点。
8.按照权利要求1的系统，其特征是该控制元件包括以下的串联组合：
a.一个电流检测装置，其具有
(1)当该电路中的电流没有超过该正常电流INORMAL该预定的电流量时处在断开电流状态，并且
(2)当该电路中的电流超过了该正常电流INORMAL该预定的电流量时处在电流激励状态；以及
b.一种并联组合，其具有
(1)连接到该电流检测装置的第一电路开关，第一电路开关在
i.该电流检测装置处在断开电流状态时闭合，并且
ii.在该电流检测装置处在电流激励状态时打开，以及
(2)一个PTC器件，最好是一个聚合物PTC器件。
9.按照权利要求8的系统，其特征是该断路元件包括连接到该电流检测装置的第二电路开关，上述第二电路开关：
a.在该电流检测装置处在断开电流状态时闭合；并且
b.当该电流检测装置处在接通电流状态时打开。
10.按照权利要求8或9的系统，其特征是：
a.该电流检测装置包括
(1)具有一个输出的电流传感器；以及
(2)连接到该电流传感器的输出的继电器线圈；以及
b.该第一电路开关包括连接到该继电器线圈的第一组接点；以及
c.该第二电路开关包括连接到该继电器线圈的第二组接点。
11.按照权利要求10的系统，其特征是该电流传感器包括一个霍尔效应器件。
12.一种电路，包括：
a.一个电源；
b.一个电气负载；以及
c.按照权利要求1到11之一的电气保护系统。
13.一种电气系统，它可以连接在电源和电气负载之间构成一个操作电路，这样连接的系统具有一种正常操作状态和一种故障状态，可以保护电路防止过电流，该系统包括一个断路元件和一个控制元件，其特征在于：
a.断路元件，它具有
(1)当该系统处在该正常操作状态时的一种正常状态，允许流过一个正常电流INORMAL，以及
(2)当该系统处在故障状态时的一种故障状态，最多只允许流过一个明显小于INORMAL的小电流；
b.控制元件与电路断路元件串联连接，并且
(1)在该系统中的电流没有超过正常电流INORMAL一个预定的电流量时，具有一个控制元件断路状态，并且
(2)如果该系统中的电流超过了该正常电流INORMAL该预定的电流量，就进入控制元件激励状态；
c.和以下的串联组合并联的一个旁路元件
(1)该控制元件，
(2)该断路元件，以及
(3)该负载
并且具有
(1)一种旁路断电状态，最多只允许一个小的旁路电流通过该旁路元件，以及
(2)一种旁路激励状态，允许一个明显增大的旁路电流通过该旁路元件；并且当该旁路元件从旁路断电状态转变到旁路激励状态时，该断路元件从正常状态转变到故障状态，并且，当该控制元件从控制元件断电状态转变到控制元件激励状态时，该旁路元件从旁路断电状态转变到旁路激励状态，从而使该电路从正常操作状态转变到故障状态。
14.按照权利要求13的系统，其特征是该控制元件包括一个电流检测装置：
a.当该系统中的电流没有超过正常电流INORMAL该预定的电流量时它处在一种断开电流状态；并且
b.当电路中的电流超过了正常电流INORMAL该预定的电流量时，它处在电流激励状态。
15.按照权利要求14的系统，其特征是该旁路元件包括以下的串联组合：
a.一个电阻；以及
b.以下的并联组合
(1)一个电压检测装置：
a.当该电压检测装置两端的电压低于预定的电压时，它处在一种断开电压状态，并且
b.在该电压检测装置两端的电压超过该预定电压时，它具有一种电压激励状态，以及
(2)以下的串联组合
(a)连接到该电流检测装置的第一电路开关，它
(i)在该电流检测装置处于断开电流状态时闭合，并且
(ii)在该电流检测装置处在电流激励状态时打开，以及
(b)连接到该电压检测装置的第二电路开关，它
(i)在该电压检测装置处于断开电压状态时闭合，并且
(ii)在该电压检测装置处在电压激励状态时打开。
16.按照权利要求15的系统，其特征是该断路元件包括以下的串联组合
a.连接到该电压检测装置的第三电路开关，它
(1)在该电压检测装置处于断开电压状态时闭合，并且
(2)在该电压检测装置处在电压激励状态时打开，以及
b.以下的并联组合
(1)连接到该电压检测装置的第四电路开关，它
(a)在该电压检测装置处于断开电压状态时闭合，并且
(b)在该电压检测装置处在电压激励状态时打开，以及
(2)一个PTC器件。
17.按照权利要求15或16的系统，其特征是
a.该电流检测装置包括一个电流检测继电器线圈；以及
b.该第一电路开关包括连接到该电流检测继电器线圈的第一组接点。
18.按照权利要求15的系统，其特征是
a.该电压检测装置包括一个电压检测继电器线圈；
b.该第二电路开关包括连接到该电压检测继电器线圈的第一组接点；以及
c.该第三电路开关包括连接到该电压检测继电器线圈的第二组接点。
19.按照权利要求14的系统，其特征是该旁路元件包括以下的串联组合：
a.一个电压检测装置，
(1)当该电压检测装置两端的电压低于一个预定的电压量时，它处在一种断开电压状态，并且
(2)在该电压检测装置两端的电压超过该预定电压时，它处在一种电压激励状态；以及
b.以下的并联组合
(1)连接到该电流检测装置的第一电路开关，它
i.在该电流检测装置处于断开电流状态时打开，并且
ii.在该电流检测装置处在电流激励状态时闭合
(2)连接到该电压检测装置的第二电路开关，它
i.在该电压检测装置处于断开电压状态时打开，并且
ii.在该电压检测装置处在电压激励状态时闭合。
20.按照权利要求19的系统，其特征是该断路元件包括以下的串联组合
a.连接到该电压检测装置的第三电路开关，它
(1)在该电压检测装置处于断开电压状态时闭合，并且
(2)在该电压检测装置处在电压激励状态时打开；以及
b.以下的并联组合
(1)连接到该电压检测装置的第四电路开关，它
(a)在该电压检测装置处于断开电压状态时闭合，并且
(b)在该电压检测装置处在电压激励状态时打开，以及
(2)一个PTC器件。
21.按照权利要求19的系统，其特征是
a.该电流检测装置包括一个电流检测继电器线圈；以及
b.该第一电路开关包括连接到该电流检测继电器线圈的第一组接点。
22.按照权利要求19的系统，其特征是
a.该电压检测装置包括一个电压检测继电器线圈；
b.该第二电路开关包括连接到该电压检测继电器线圈的第一组接点；以及
c.该第三电路开关包括连接到该电压检测继电器线圈的第二组接点。
23.一种电路，包括：
a.一个电源；
b.一个电气负载；以及
c.按照权利要求13到22之一的电气保护系统。
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