CN1092213A - 一种短路限流保护器 - Google Patents

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。

德国专利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，本发明的目的在於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 Pontaisc SA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BC 847 B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扳提供的（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，由于由负载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上的基极一发射板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BC 847 B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旁路掉晶体管Q₁的基极电压电平，随即Q₁停止导通。当晶体管Q₁变为不导通，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，这对应着手动开关转换致复位的功能。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关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，其输出最好是具有三种状态电平。在实施例中通常在电路中使用型号为74 LS 123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。接照现有技术控制集成电路并能够使该电路容易的应用于数字技术应用。

Claims (5)

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，在电流通路中有一个MOS场效应晶体管M₁和一个热敏电阻器R₅，一个检测电路检测到短路电流后控制晶体管M₁，其特征在于：

该电流限制器使用了电子和热反馈的结合，这是由于场效应晶体管M₁发出的热能影响热敏电阻器温度；该热敏电阻器串连连接到场效应晶体管M₁的集电极，从场效应晶体管集电极到发射极流过的电流被监视；由于电阻器R₄和稳压二极管Z₁的作用使晶体管的栅极维持一个最高的电平电压，场效应晶体管M₁处于完全导通的正常工作状态；该装置还包括一个反馈环路，该环路除去与负载L串连形成第一分压器的热敏电阻器R₅外还包括由两个电阻器R₃和R₈构成的第二分压器和一个第二晶体管Q₁，第二晶体管Q₁和稳压二极管Z₁并联连接，由于通过第一和第二分压器(分别是L，R₅和R₃，R₈所组成)加给Q₁的基极的电位超过一个阀值，所说的晶体管Q₂开始导通电流从而将稳压管短路掉；和该装置有两个稳定状态，第一状态，其中的第二晶体管Q₁基本上不导通，而且场效应管M₁完全导通，稳定的第二状态，其中第二晶体管Q₁导通，而场效应晶体管M₁不导通，在这里该装置在场效应管M₁的线性工作区域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热变电阻器R₅具有非线性的特征，在那里随着电流的增加在电阻器R₅上的电压降迅速增加，而且在第一分压器R₃和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C₁连接到第二晶体管Q₁的基极，所以在晶体管Q₁响应在第二分压器R₃和R₈上的电压的增加开始导通前提供了一个确定的时间常数，在这里，场效应晶体管的关断要延迟一段时间，该延迟时间对应第二晶体管Q₁的基极上的时延电路的RC乘积。

4、根据权利要求2或权利要求3的电流限制器，其特征是第三分压器R₁₀和R₁₁和第二分压器R₃和R₈相关联，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第二分压器的电阻器R₈的两端;第三分压器的输出和第三电容器一道连接到第三晶体管的基极，为的是在经过由第三分压器R₁₀和R₁₁与第三电容器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，这里第二个晶体管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;或者通过第二开关位置该基极通过电阻器R₂能连接到电压源，所以维持第二晶体管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间的中间位置。

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