CN1230302A - 电路保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种过流保护系统,即使只有较小的过流,也能提供快速的响应。一感应单元如电阻单元和一电路中断单元如一组继电器触头被布置成与负载串联。电阻单元通过包括PTC器件和继电器线圈的串联组合在内的控制单元功能性地与继电器触头连接,使得当电路中的电流超过预定的数值时,感应单元就感知过流,如温度的上升,并通知控制单元如PTC器件感知上升的温度。控制单元使电路中断单元从比较导通的正常状态转换到不太导通的故障状态(包括完全开路的状态)。

Description

电路保护装置
本发明涉及电路的过流保护。正温度系数(PTC)电路保护器件已广为人知。该器件与负载串联，在正常工作状态下，该器件处于低温、低阻抗状态。然而，如果流经PTC器件的电流上升过度，和/或PTC器件周围环境温度上升过度，和/或维持正常工作电流超过了正常的工作时间，那么PTC器件就将“跳断”，即转换到高温、高阻抗状态，使电流显著降低。通常，即使电流和/或温度已经返回到它们的正常值，PTC器件仍将保持在跳断状态，直到给PTC器件断电并将之冷却后为止。特别有用的PTC器件带有一个PTC元件，该元件由PTC导电聚合体构成，即一种组合物，包括(1)有机聚合物和(2)扩散或分布于聚合物中的一种颗粒的导电填充物，优选地为碳黑。例如，在美国专利4,237,441,4,238,812,4,315,237,4,317,027,4,426,633,4,545,926,4,689,475,4,724,41 7,4,774,024,4,780,598,4,800,253,4,845,838,4,857,880,4,859,836,4,907,340,4,924,074,4,935,156,4,967,176,5,049,850,5,089,801和5,378,407中描述了PTC导电聚合物和含有此聚合物的器件。
在利用相同的生产工艺制造的一批PTC器件中，生产过程中的一些不可控制的变化可能引起任何单个器件跳断条件的显著变化。这里将使该批器件中的任一器件都不跳断的最大稳态电流称为“通过电流”(IPASS)或“保持电流”，并将使该批器件中的所有器件都跳断的最小稳态电流称为“跳断电流”(ITRIP)。通常，IPASS和ITRIP之间的差随着环境温度的上升而减小。根据器件的具体类型，如在20℃时ITRIP可为IPASS1.5或2.5倍。对于任何单个的器件，通过电流和跳断电流是相同的。然而，在本说明中，所指的PTC器件有一IPASS和一不同的ITRIP，因为实际上电子开关制造商必须利用一批这种器件中的PTC器件。通常，周围环境的温度越高，通过电流和跳断电流就越小。这种现象被称作“热减载”，术语“减载曲线”用来表示温度对通过电流的曲线图。
已知的PTC保护器件的使用限制在于当PTC器件与负载串联且导通正常电流时，在出现过流，如数倍于正常电路电流的情况下，PTC器件可能要较长的时间才能转换到其跳断状态。
本发明提供了一种新型的过流保护系统，即使只有较小的过流，也能提供快速的响应。在这个新系统中，一个感应单元和一个电路中断单元与负载串联。感应单元通过一控制单元功能性地与电路中断单元相连，使得当电路中的电流超过预定值时，感应单元测得该过流并传送给控制单元。控制单元使电路中断单元从导通的正常状态转变为不太导通的故障状态(包括完全开路状态)。本发明还提供了一种新型的继电器组件，用于包括本发明的电路保护装置在内的电路保护装置。该新型的继电器组件包括动触头和静触头。当动触头与继电器的静触头接触时，就形成连接，当流经该连接的电流超过预定的电流值时动触头将使该连接开路。
在本发明的电路装置的一个优选实施方案的一个实例中，感应单元包括与负载串联的电阻器件，控制单元包括一与电阻器件热连接并与电路中断单元电导通的PTC器件。当过流经过这种系统时，电阻器件的温度上升，导致PTC器件受热跳断至其高阻抗状态。PTC器件与电路中断单元相连，PTC器件阻抗的升高使电路中断单元切换至故障状态。该PTC器件没有与负载串联，从而可以在远小于流经负载的正常电路电流的电流等级下工作。
将电阻器件与PTC器件热连接在技术上是已知的。待测量和/或控制的电流流经电阻器件。电阻器件的I2R发热使PTC器件加热升温，其阻抗也相应增加。这样的电阻器件可包括电阻、发热器、高阻抗电线(如镍铬丝)、PTC器件等。已知为了获得这些组合的期望电流/温度特性，必须对电阻器件的有关特性加以控制，特别是与PTC器件相邻的区域。一些要控制的特性包括材料的电阻率、形状和截面积。电阻器件的选择应当尽可能地降低系统的阻抗，同时在过流情况下获得足够的温升以使PTC器件受热升温并跳断到其高阻抗状态。
在本发明的一个优选实施方案的第二实例中，感应单元包括一与负载串联的电阻器件，控制单元包括一与该电阻器件热连接且与电路中断单元电导通的双金属开关。当过流流经这样的系统时，电阻器件升温，使该双金属开关受热并跳断至其开路状态。双金属开关与电路中断单元相连，双金属开关的开路状态使电路中断单元切换至故障状态。该双金属开关没有与负载串联，因而可以在远小于流经负载的正常电路电流的电流等级下工作。
在本发明的一个优选实施方案的第三实例中，感应单元的功能是由与负载和控制单元的并联组合串联的双金属开关提供的。当过流流经这样的系统时，该双金属开关升温并跳断至其开路状态。控制单元感知感应单元的状态变化并使电路中断单元切换至其故障状态。
在本发明的第二优选实施方案的一个实例中，感应单元和电路中断单元的功能被综合在一感应-中断单元中，并由一具有新型双金属动触头的继电器所提供，该动触头本身就是本发明的一个方面。当给继电器通电时，继电器的双金属动触头与负载和控制单元的并联组合串联。当过流流经这样的系统时，双金属动触头与继电器静触头脱离，从而断开通向负载和控制单元的电路。控制单元使该感应-中断单元在故障状态下锁定为开路。
在第一方面，本发明提供了一种电子保护系统，该系统能够接在电源和电负载之间以形成一工作电路，该工作电路有一导通状态和一关闭状态并包括一载流线和返回线，这样连接该系统以后，就能防止电路过流，该系统有一正常工作状态和一故障状态，并包括
  a．一电路中断单元，当这样接好该系统后，该单元就串联在电源和负载之间，并具有
    (1)闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于正
常工作状态，以及
    (2)开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小于
INORMAL，此时系统处于故障状态；
  b．一感应单元，当这样连接系统时，该单元与电路中断单元和负载串联，并具有
    (1)正常状态，此时系统中的电流未超出正常电流INORMAL预
定的电流值，以及
    (2)故障状态，此时系统中的电流超出了正常电流INORMAL预
定的值；以及
  c．一控制单元，当这样连接系统时，该单元与感应单元和电路中断单元耦合，并具有可变的阻值，该阻值
    (1)当感应单元处于正常状态时为低，
    (2)当感应单元处于故障状态时至少增加预定的阻值；
当控制单元的阻抗响应感应单元从正常状态到故障状态的转变而增加了预定的阻值后，电路中断单元从闭合状态变到开路状态，从而使系统从正常工作状态转变到故障状态。
在第二方面，本发明提供了一种电子保护系统，该系统能够接在电源和电负载之间以形成一工作电路，该工作电路有一导通状态和一关闭状态并包括一载流线和返回线，这样连接该系统以后，就能防止电路过流，该系统有一正常工作状态和一故障状态，并包括：
  a．一电路中断单元，当这样接好该系统后，该单元就串联在电源和负载之间，并具有
    ⅰ闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于正常
工作状态，以及
    ⅱ开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小于
INORMAL’此时系统处于故障状态；
  b．一感应单元，该单元的阻值可变，且当这样连接系统时，该单元与电路中断单元和负载串联，并具有
    ⅰ正常状态，其中阻抗为低，此时系统中的电流未超出正常
电流INORMAL预定的电流值，
    ⅱ故障状态，其中阻抗至少增加预定的阻值，此时系统中
的电流超出了正常电流INORMAL预定的值；
  c．一控制单元，当这样连接系统时，该单元与感应单元和电路中断单元耦合，当感应单元从正常状态转变到故障状态时，会使电路中断单元从闭合状态转变到开路状态。
在第三方面，本发明提供了一种电子保护系统，该系统能够接在电源和电负载之间以形成一工作电路，该工作电路有一导通状态和一关闭状态并包括一载流线和返回线，这样连接该系统以后，就能防止电路过流，该系统有一正常工作状态和一故障状态，并包括：
  a．一感应-中断单元，当这样连接系统时，该单元串联在电源和负载之间，且具有：
    ⅰ可变阻值：
      (1)当系统中的电流未超出正常电流INORMAL预定的电流
  值时，该阻值为低
      (2)当系统中的电流超出了正常电流INORMAL预定的值时，
  该阻值至少增加预定的阻值；
    ⅱ一闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于
正常工作状态，
    ⅲ一开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小
于INORMAL’此时系统处于故障状态；
  b．一控制单元，该单元与感应-中断单元耦合，当感应-中断单元的可变阻值增加预定的阻值时，就会使感应-中断单元从闭合状态转变到开路状态。
在第四方面，本发明提供了一种具有导通和关闭状态的电路，该电路包括一电源、一电负载、一载流线、一返回线以及一防止电路过流的电子保护系统，该系统有一正常工作状态和一故障状态，并包括：
  a．串联在电源和负载之间的电路中断单元，该单元具有
    ⅰ一闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于正
常工作状态，
    ⅱ一开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小
于INORMAL’此时系统处于故障状态；
  b．与电路中断单元和负载串联的感应单元，该单元具有
    ⅰ正常状态，此时系统中的电流未超出正常电流INORMAL预定
的电流值，
    ⅱ故障状态，此时系统中的电流超出了正常电流INORMAL预
定的值；以及
  c．一与感应单元和电路中断单元耦合并具有可变阻值的控制单元，该值阻
    ⅰ当感应单元处于正常状态时为低，
    ⅱ当感应单元转换到故障状态时，至少增加预定的阻值；
当控制单元的阻抗响应感应单元从正常状态到故障状态的转变而增加了预定的阻值后，电路中断单元从闭合状态变到开路状态，从而使系统从正常工作状态转变到故障状态。
在第五方面，本发明提供了一种具有导通和关闭状态的电路，该电路包括一电源、一电负载、一载流线，一返回线以及一防止电路过流的电子保护系统，该系统有一正常工作状态和一故障状态，并包括：
a．串联在电源和负载之间的电路中断单元，该单元具有
    ⅰ一闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于正
常工作状态，
    ⅱ一开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小
于INOMAL’此时系统处于故障状态；
  b．一具有可变阻值并与电路中断单元和负载串联的感应单元，该单元具有
    ⅰ正常状态，其中其阻值为低，此时系统中的电流未超出正
常电流INORMAL预定的电流值
    ⅱ故障状态，其中阻抗至少增加预定的阻值，此时系统中
的电流超出了正常电流INORMAL预定的值；
  c．一控制单元，该单元与感应单元和电路中断单元耦合，当感应单元从正常状态转变到故障状态时，会使电路中断单元从闭合状态转变到开路状态。
在第六方面，本发明提供了一种具有导通和关闭状态的电路，该电路包括一电源、一电负载、一载流线、一返回线以及一防止电路过流的电子保护系统，该系统有一正常工作状态和一故障状态，并包括：
  a．一感应-中断单元，当这样连接系统时，该单元串联在电源和负载之间，且具有：
    ⅰ可变阻值：
      (1)当系统中的电流未超出正常电流INORMAL预定的电流
  值时，该电阻为低
      (2)当系统中的电流超出了正常电流INORMAL预定的值时，
  该阻之至少增加预定的阻值；
    ⅱ一闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于
正常工作状态，
    ⅲ一开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小
于INORMAL’此时系统处于故障状态；
  b．一控制单元，该单元与感应中断单元耦合，当感应-中断单元的可变电阻增加预定的阻值时，就会使感应-中断单元从闭合状态转变到开路状态。
在第七方面，本发明提供了一种继电器组件，当流经该连接的电流超过预定的电流值时，该组件将断开连接。该继电器组件包括一动触头和一继电器静触头，动触头可以(ⅰ)处于与继电器静触头接触的第一位置，从而形成连接，或者(ⅱ)处于与继电器静触头分离的第二位置，当流经该动触头的电流超过预定的电流值时，动触头从第一位置移动到第二位置，从而断开连接。
显然，可以在本发明的电路装置中使用聚合物PTC器件、陶瓷PTC器件、其它的PTC器件如双金属器件、金属PTC器件、具有PTC特性的固体器件以及呈现类似特性的器件，以提供可靠的电流保护。懂得此项技术的一般知识的人士还会明白，本发明的电路装置中使用的机械开关可包括开关、继电器、断路器、绝缘体、双金属器件和其它器件。此外，可以用具有与机械开关所提供的断路特性相似的固体器件或固体器件的组合取代机械开关。双金属器件也称作双金属性器件、电热继电器、热触发开关和/或带有双金属元件的电热机构。
显然，在优选实施方案中，本发明允许将PTC器件和双金属开关与机械开关和其它电子器件组合使用，以提供以前的技术所无法提供的可靠保护。在随后对附图所示的本发明优选实施方案进行详细的描述之后，本领域内的一般人士都能理解或明白这些及其它特点、目的和优点。
根据本发明的原理设计的过流保护电路通常要执行这些功能-感知电流、发出断开电路的控制信号、断开电路和部分或完全将负载与电源隔离。可以将过流保护电路看成包括协同运作以执行过流保护功能的工作单元。图1是显示这种工作单元的布置的方框图。
图1所示的五个工作单元为电源102、感应单元104、控制单元106、电路中断单元108和负载112。电源102向电路提供电能，负载112执行电路的期望目的。感应单元104感知电流并确认传送给负载112的电流是否处于正常的合格范围内。当感应单元104确认传送给负载112的电流过量时，感应单元104通过感应单元104和控制单元106之间的第一线路114通知控制单元106。控制单元106根据从感应单元104接收到的信息，通过控制单元106和中断单元108之间的第二线路116控制电路中断单元108的状态。当感应单元104感知电路过流时，电路中断单元108就在收到来自控制单元106的控制信号后中断电路的电流。
图2示出了本发明的过流保护装置100的一个实例。图2中的装置100包括电源2、负载4、PTC器件8、带有相应的继电器触头30、32、34、36的继电器线圈12和ON/OFF开关16，这些触头包括中心静触头30、常闭静触头32、常开静触头34和动触头36。ON/OFF开关16起初是打开的，PTC器件8处于低阻抗状态，动触头36贴在常闭静触头32上，电路100处于开路状态，没有电流流过负载4。当ON/OFF开关16闭合时，继电器线圈12中分出少量电流，从而激励继电器线圈12并使动触头36从常闭静触头32移至常开静触头34，由此将负载4纳入电路之中。PTC器件8与继电器线圈12和负载4的并联组合串联。然而，继电器线圈12只分出很少量的电流来保持激励状态。在过流情况下，PTC器件8的阻抗上升，从而减少了流向负载4和继电器线圈12的电流。如果选择了合适的PTC器件8，其阻抗将上升到足以使继电器线圈12中的电流减少到使继电器线圈12去激励，从而使动触头36移到常闭静触头32并断开负载4。如果流经PTC器件8和继电器线圈12的电流足以使PTC器件8保持跳断在高阻抗状态并使继电器线圈12去激励，电路100保持在故障状态，直到ON/OFF开关16打开并使PTC器件8冷却下来为止。如果流经高阻抗状态的PTC器件8的电流不足以使PTC器件8保持跳断，那么PTC器件8将冷却并恢复到低阻抗状态。这将使流经继电器线圈12的电流上升并激励继电器线圈12，从而将动触头移至常开静触头34。如果故障的原因仍然存在，就将继续这种循环，直到去除了故障的原因或电源为止，如将ON/OFF开关16打开。
然而，由于正常电路电流可能是继电器线圈12所分电流的好几百倍，有可能出现这种情况，即PTC器件8阻抗升高并减少流向负载4的电流，但并没有将电流减少到足以使继电器线圈12去激励。这可能使电路在故障状态下处于闭合状态。例如，额定电流为9安培的PTC器件在跳断状态下通常流过约0.25安培的电流。由于典型的汽车继电器线圈电流为0.18安培，即使PTC器件被跳断，该电流也足以使继电器维持激励。因此，图2所示的电路保护装置很可能要求采用偏差非常精确的的PTC器件。
因此，优先采用这样一种电路保护装置，其中PTC器件没有放置在电路中流向负载和控制电路中断器件的器件的电流流经的地方。
图3中的电路是根据本发明第一实施方案的过流保护系统的一个实例和图1所示的方框图。图3所示的过流保护电路200采用PTC器件8加电阻器件14、继电器线圈12、一组触头30、32、34、36和ON/OFF开关16的布置。在电路200中，电阻器件14被安排成与负载4串联而PTC器件8则被安排成与继电器线圈12串联，后一串联组合接在电源2两端。ON/OFF开关16起初是打开的，PTC器件8处于其低阻抗，动触头36则贴在常闭静触头32上，电路200处于开路状态，负载4中没有电流通过。当ON/OFF开关16闭合时，PTC器件8和继电器线圈12从中分流少量的电流，从而激励继电器线圈12，使动触头36从常闭静触头32移至常开静触头34，由此将负载4纳入电路之中。电阻器件14和PTC器件8是热连接的，使得在电路过流的情况下，电阻器件14的升温，使PTC器件8受热升温至其跳断温度并转换至高阻抗状态。当PTC器件8处于高阻抗状态时，流经继电器线圈12的电流减少，继电器线圈12去激励并使动触头移回到常闭静触头32。电阻器件14和PTC器件8是一体的，少量的流经PTC器件8和继电器线圈12的电流不足以使PTC器件8的温度维持在高得足以使PTC器件8保持在跳断状态。因此，电阻器件14和PTC器件8都冷却下来。当PTC器件8足够冷却后，它就恢复其低阻抗状态，并重新允许足够的电流流经继电器线圈12，以激励继电器线圈12，并将动触头36移至常开静触头34。如果过流的原因仍然存在，电阻器件14将发热，PTC器件8重新跳断到高阻抗状态。这种循环继续进行，直到去除了故障的原因或电源为止，如将ON/OFF开关16打开。
在某些应用中，过流保护断路在故障状态优先不尝试自己复原，而是锁定在开路。图4中的电路300为根据本发明第一实施方案的电路保护装置的第二实例，该装置为在故障状态下锁定为开路的过流保护电路。电路300采用了PTC器件8加上电阻器件14、继电器线圈12和一组继电器触头30、32、34、36的布置。在电路300中，继电器静触头30、32、34相对于图3所示电路200中它们的连接正好“颠倒”，继电器线圈12与常闭静触头32相连，负载4与中心静触头30相连，常开静触头34与电阻器件14相连。起初通过闭合ON/OFF开关16向电路300提供能量。电流流经PTC器件8和继电器线圈12。继电器线圈12激励，使动触头36移至常开静触头34。这就将电阻器件14安排在负载4的电流通道中。在过流情况下，电阻器件14受热，使PTC器件8受热跳断。然后继电器线圈12去激励，使动触头36返回常闭静触头32。负载4仍留在电路中，然而，由于PTC器件8处于跳断状态，流经PTC器件8及继电器线圈12和负载4的并联组合的“涓流”非常小，但足以使PTC器件8不会回到低阻抗状态。ON/OFF开关16不得不被打开，使PTC器件8能够冷却并使电路300复原。
图5中的电路400是根据本发明第一实施方案的电路保护装置的第三实例。电路400在故障状态下也锁定为开路。电路400采用了PTC器件8加上电阻器件14、继电器线圈12和一组继电器触头30、32、34、36的布置，与图4所示的电路300相似。ON/OFF开关16被移至地6和继电器线圈12与负载4之间的节点之间。图5所示电路400的运作与图4所示的电路300相似。然而，在有些应用，如汽车工业中，可能会优先采用图5所示的“接地开关”技术。
图4和图5所示的过流保护电路在故障状态下都能够锁定，即不尝试复原。两种装置都需要“涓流”使它们被锁住。在某些应用中，优选地使过流保护电路锁定为开路，但不需要涓流来保持锁定。例如，在汽车和其它由电池供电的应用中，如果让涓流维持较长的时间，就会消耗电池的电能。图6示出了过流保护电路500的第一实施方案的第四个实例，该电路在故障状态下锁定为开路。然而，与图4和图5分别表示的电路300和400不同，图6所示的电路500在过流情况下不需要“涓流”来将电路锁定为开路。电路500采用了PTC器件8加上电阻器件14、继电器线圈12和一组继电器触头30、32、34、36的布置。它还包括二极管22、瞬时ON开关18和瞬时OFF开关20。继电器触头30、32、34、36位于电源2和电阻器件14之间，中心静触头30与电源2相连，常开静触头34与电阻单元14相连。当电路500处于OFF状态，且PTC器件8处于低阻抗状态时，通过短暂地按ON开关18就能接通电路500。电流流经继电器线圈12，激励继电器线圈12并使动触头移至常开静触头34。二极管22阻止电流向上流经PTC器件8到达电阻器件14和负载4。当ON开关18释放时，电流流经电阻单元14到达负载4，并流经PTC器件8、二极管22和继电器线圈12的串联组合，从而使继电器线圈12保持激励。在过流情况下，电阻器件14发热，使PTC器件8受热并跳断至高阻抗状态。降低了的电流使继电器线圈12去激励并使动触头移至常闭静触头32。电流停止在电路500中流动，PTC器件8冷却并返回其低阻抗状态。瞬时OFF开关20用于在正常工作状态下关闭电路。
在图3、4、5和6所示的每个电路中，PTC器件8都表示为连接，用来向各电路提供过流保护，但不一定得传递负载电流。因此，在根据本发明的电路保护装置中，PTC器件可用来控制高于PTC器件的额定电流的负载电流。
图7所示的电路600为图6所示电路的一个选择方案，其中PTC器件8为双金属开关42所替代。当电路600处于OFF状态，且双金属开关42处于闭合状态时，瞬时按下ON开关18就能接通电路600。电流流经继电器线圈12，激励继电器线圈12并使动触头移至常开静触头34。二极管22阻止电流向上流经双金属开关42到达电阻器件14和负载4。当ON开关18释放时，电流流经电阻单元14到达负载4，并流经双金属开关42、二极管22和继电器线圈12的串联组合，从而使继电器线圈12保持激励。在过流情况下，电阻器件14发热，使双金属开关42受热并跳断至开路状态。继电器线圈12去激励，动触头36移至常闭静触头32。电流停止在电路600中流动，双金属开关42冷却并恢复闭合状态。在动触头36贴在常闭静触头32上且继电器线圈12去激励时，电路600在故障状态下维持锁定，不会拉出“涓流”。瞬时OFF开关20用于在正常工作状态下关闭电路。
图8是采用双金属开关42的过流保护电路700的一个实施方案的第二个实例。然而，在图8的电路700中，双金属开关42提供了感应单元104(图1)的功能，继电器线圈12和二极管22提供了控制单元106(图1)的功能。电路700采用了双金属开关加继电器线圈12和一组继电器触头30、32、34和36的布置。它还包括二极管22、瞬时ON开关18和瞬时OFF开关20。继电器触头30、32、34、36位于电源2和双金属开关42之间，中心静触头30与电源2相连，常开静触头34与双金属开关42相连。电路700与图2所示的电路100相似，因为双金属开关42(图2中的PTC器件8)与负载4和继电器线圈12的并联组合串联。当电路700处于OFF状态，且双金属开关42处于闭合状态时，瞬时按下ON开关18就能接通电路700。电流流经继电器线圈12，激励继电器线圈12并使动触头36移至常开静触头34。二极管22阻止电流回流经过双金属开关42或回到负载4。当ON开关18释放时，电流流经双金属开关42到达负载4，并流经二极管22和继电器线圈12的串联组合，从而使继电器线圈12保持激励。在过流情况下，双金属开关42受热并跳断至开路状态。继电器线圈12去激励，动触头36移至常闭静触头32。电流停止在电路700中流动，双金属开关42冷却并恢复闭合状态。在故障状态下电路700锁定，电路700中没有电流流过。与图2所示的电路100相比，电路700的优点在于，由于双金属开关42受热时开路而不只是增加电阻，双金属开关42可以安置成与继电器线圈12和负载4都串联，以确保当双金属开关42开路时继电器线圈12去激励。瞬时OFF开关20用于在正常工作状态下关闭电路。
图9是与图1所示相似的方框图，然而，感应单元104和电路中断单元108的功能被综合在感应-中断单元118中了。参见下面图10所示的电路可以看到，感应-中断单元118内部的元件可提供感应单元102和电路中断单元108(图1)两者的功能。当感应-中断单元118通过第一线路114通知控制单元106电流过大时，控制单元106就通过第二线路116控制感应-中断单元的状态。
图10是采用双金属器件的过流保护电路800的实施方案的一个实例，然而，继电器触头(图8中的30、32、34和36)和双金属开关42被合并为一组包括双金属动触头56在内的继电器触头。下面将参照图11描述这种包含双金属动触头的继电器的结构和工作。双金属动触头56提供了感应单元104(图1)的功能，继电器线圈12和二极管22提供了控制单元16(图1)的功能，包括双金属动触头56在内的继电器触头30、32、34和56提供了电路中断单元108(图1)的功能。因此，继电器触头30、32、34和56提供了图9所示的感应-中断单元118的综合功能。电路处于关闭状态，双金属动触头56处于其正常状态且贴在常闭静触头32上。短暂地按下ON开关18即可接通电路800。电流流经继电器线圈12，激励继电器线圈12并使双金属动触头56移至常开静触头34。二极管22阻止电流回流经过继电器触头34、56、30或回到负载4。当ON开关18释放时，电流流经双金属动触头56到达负载4，并流经二极管22和继电器线圈12的串联组合，从而使继电器线圈12保持激励。在过流情况下，双金属动触头56受热并跳断至故障状态，从而从常开静触头34移开。继电器线圈12去激励，双金属动触头56移至常闭静触头32。电流停止在电路800中流动，双金属动触头56冷却并恢复正常状态。继电器弹簧(图11的67)的拉力使双金属动触头56紧贴在常闭静触头32上。在故障状态下电路800锁定，中间没有电流流过。瞬时OFF开关20用于在正常工作状态下关闭电路。
在图6、7、8和10中，瞬时ON开关18和OFF开关20都被表示成机械开关或按钮。然而，这两种或两种之一都可以用，例如采用固体器件或从外部控制单元提供电脉冲。
各个图中的电路图所示的继电器各自的结构内也可包括保险丝部件，以尽可能地减小由于继电器触头熔化导致的灾难性故障。
图11所示的继电器组件代表了一个具有双金属动触头的继电器。图中所示的构造为普通的继电器构造，只用实例的方式加以显示，且并非仅限于此。由于继电器在技术是广为人知的，对图11所示的继电器的构造和工作的描述将限于解释双金属动触头的使用所必须的程度。该组件包括继电器线圈60和安置在L形支撑部件62第一个腿上的磁心61。铁磁体臂63被铰接在支撑部件62第二个腿的远端66上。铁磁体臂63的第一面朝向磁心61的一端。隔离层64夹在铁磁体臂63的第二面和动触头支撑臂65的第一面之间。双金属动触头68被固定(如焊接)在动触头支撑臂65的第二面上。双金属动触头68由两个不相同的金属层69、70组成。双金属动触头68形状将取决于具体的继电器构造。然而，作为一个实例，图11所示的双金属动触头68的形状通常用四个部分描述。第一动触头部分68A大致为直线形部分，其第一端被固定(如焊接)在动触头支撑臂65上。第一动触头部分68A安装成基本与动触头支撑臂垂直。第二动触头部分68B为弓形，其轨迹为稍大于1/4整圆的弧线。第三动触头部分68C主要为直线形。第四动触头部分68D主要为直线形，它与第三动触头部分68C构成一个角度，该角度大致为270°减去第二动触头部分68B所占的角度。因此，当双金属动触头68冷却时，第四动触头部分68D所在的平面与动触头支撑臂65的平面基本平行，从而容纳常开静触头71和常闭静触头72，这两个触头被安置在与动触头支撑臂65所在的平面基本平行的平面内。在其它继电器构造中，双金属动触头68的结构可能与上述的有所不同，以满足各结构的特定要求。
第一和第二触片73和74被固定在双金属动触头68远端的某一面上。第一触片73位于常闭静触头71的对面，以便当继电器组件处于去激励状态(图11所示)时两者压触在一起，第二触片74位于常开静触头72的对面，以便当继电器组件处于激励状态(未示出)时两者压触在一起。将常闭静触头71和常开静触头72安置在与动触头支撑臂65(如上所述)大致平行的平面内。第一弹簧67的第一端与铁磁体臂63的第一端相连，第二端与支撑结构62相连，该弹簧在铁磁体臂63的第一端维持拉力，从而使铁磁体臂63绕铰接区66转动，使铁磁体臂63的远端从磁心61向外转，使铁磁体臂63、动触头支撑臂65和双金属动触头68组件朝着常闭静触头72转动，从而将第一触片73压触在常闭静触头71上。
第一和第二引线78、79将继电器线圈60接到外部电源(未示出)上。在向继电器线圈60供电时，磁心61被磁化，吸引着铁磁体臂63。铁磁体臂63绕铰接区66转动，铁磁体臂63的远端朝着磁心61转动。铁磁体臂63的运动使动触头支撑臂65和双金属动触头68以相似的方式移动，从而断开第一触片73和常闭静触头71之间的接触。铁磁体臂63、动触头支撑臂65和双金属动触头68的组件继续转动，直到铁磁体臂63靠在磁心61上，且第二触片74被压触在常开静触头72上为止。
只要流过双金属动触头68的电流低于预定的电流等级和/或它的温度低于预定的温度，双金属动触头68就会保持其形状。然而，如果流经双金属动触头68的电流超出预定的电流等级，使双金属动触头68的温度超过预定的温度时，双金属动触头68就改变其形状，向外伸直，使双金属动触头68的远端从常开静触头移开，从而使第二触片74中断与常开静触头72的接触。
在某些情况下，继电器正常工作过程中产生的热量可能会使双金属动触头68受热并稍稍改变形状。如果双金属动触头68处于正常闭合位置，第一弹簧67提供的拉力将使第一触片73压触在常闭静触头71上。第二弹簧83用于确保当继电器处于激励位置时第二触片74保持压触在常开静触头72上。第二弹簧83的第一端固定在常开静触头72上。第二弹簧83的第二端接在继电器组件内的隔离架(未示出)上。第二弹簧83(是拉还是压取决于如何安装第二弹簧)使常开静触头72向动触头组件靠近，从而在继电器被激励时确保第二触片74和常开静触头72之间形成良好的压触。尽管第二弹簧83被绘为螺旋弹簧，也可以采用其它合适的弹簧，如片簧。此外，可以不将静触头附在单独的弹簧上，静触头本身就可以是一个弹簧，如片簧、螺旋弹簧等，从而与动触头组件保持压触。
图11和上述说明描绘了一种带有双金属动触头的继电器组件，该动触头被构造成在流经该双金属动触头的电流过载时断开与常开静触头的接触。这种描绘只采用了实例的方式，但不应理解为仅限于此。采用本发明的双金属动触头的继电器组件可以构造成当流经该双金属动触头的电流过载时，动触头断开与正在与之接触的常闭静触头、常开静触头或其它任何继电器触头的接触。
图10所描绘的电路采用了图11所描绘的继电器组件，有利于将继电器线圈12置于包括动触头56在内的电流通路中。这样，当双金属动触头56断开与常开静触头34的接触时，继电器线圈12立即去激励，使双金属动触头56回到常闭静触头32并保持在那里，直到继电器线圈12再次激励为止。图12所示的继电器组件为图11所示的继电器组件加上其中包括的一个二极管75。第二引线78与二极管75(示出了阳极这一侧)和继电器线圈60相连，触头81将二极管75(示出了阴极一侧)与常开静触头72接在一起。这样，图10的电路保护装置的主要元件，包括继电器线圈12、静触头30、32、和34、双金属动触头56以及二极管22都被方便地并入了一个继电器封装中。

Claims (20)

1、一种可接在电源和负载之间构成工作电路的电子保护系统，该工作电路有一导通和一关闭状态并包括一载流线和一返回线，当这样连接时，该系统能防止电路过流，该系统具有正常工作状态和故障状态，并包括：
a．一电路中断单元，当这样接好该系统后，该单元就串联在电源和负载之间，并具有
ⅰ闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于正常工作状态，以及
ⅱ开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小于INORMAL，此时系统处于故障状态；
b．一感应单元，当这样连接系统时，该单元与电路中断单元和负载串联，并具有
ⅰ正常状态，此时系统中的电流未超出正常电流INORMAL预定的电流值，以及
ⅱ故障状态，此时系统中的电流超出了正常电流INORMAL预定的值；以及
c．一控制单元，当这样连接系统时，该单元与感应单元和电路中断单元耦合，并具有可变的阻值，该阻值
ⅰ当感应单元处于正常状态时为低，
ⅱ当感应单元处于故障状态时至少以预定的阻值增加；
当控制单元的阻抗响应感应单元从正常状态到故障状态的转变而增加了预定的阻值后，电路中断单元从闭合状态变到开路状态，从而使系统从正常工作状态转变到故障状态。
2、根据权利要求1的系统，其中感应单元包括电阻器件。
3、根据权利要求1或2的系统，其中电路中断单元包括一组继电器触头。
4、根据权利要求3的系统，其中控制单元包括以下串联组合
a．与电阻器件热耦合的PTC器件；
b．与继电器触头耦合的继电器线圈；
该串联组合接在电源两端的载流线和返回线之间，PTC器件与载流线相连而继电器线圈则与返回线耦合。
5、根据权利要求1到4中任一项的系统，包括：
a．当工作电路处于关闭状态时将电路转换到导通状态的装置；
b．当工作电路处于导通状态时将电路转换到关闭状态的装置。
6、根据权利要求1到5中任一项的系统，其中电路中断单元接在感应单元和负载之间。
7、根据权利要求6的系统，其中将电路从关闭状态转换至导通状态的装置和将电路从导通状态转换至关闭状态的装置包括一个与PTC器件串联的开关。
8、根据权利要求6的系统，其中将电路从关闭状态转换至导通状态的装置和将电路从导通状态转换至关闭状态的装置包括一个接在返回线中的开关。
9、根据权利要求6的系统，其中控制单元包括一个串联在PTC器件和继电器线圈之间的二极管。
10、根据权利要求9的系统，其中：
a．将电路从关闭状态转换至导通状态的装置包括一个接在下面节点之间的开关：
ⅱ电源和电路中断单元之间的节点，以及
ⅱ二极管和继电器线圈之间的节点；
b．将电路从导通状态转换至关闭状态的装置包括一接在继电器线圈和返回线之间的开关。
11、根据权利要求3的系统，其中
a．感应单元接在电路中断单元和负载之间；
b．控制单元包括下列串联组合
ⅰ与电阻器件热耦合的双金属开关，
ⅱ二极管，
ⅲ与继电器触头耦合的继电器线圈。
12、根据权利要求11的系统，其中控制单元接在载流线和返回线之间，双金属开关接在载流线上，继电器线圈与返回线耦合，二极管则接在双金属开关和继电器线圈之间。
13、根据权利要求12的系统，包括：
a．当工作电路处于关闭状态时将电路转换到导通状态的装置；
b．当工作电路处于导通状态时将电路转换到关闭状态的装置。
14、根据权利要求13的系统，其中：
a．将电路从关闭状态转换至导通状态的装置包括一个接在下面节点之间的开关：
ⅰ电源和电路中断单元之间的节点，以及
ⅱ二极管和继电器线圈之间的节点；
b．将电路从导通状态转换至关闭状态的装置包括一接在继电器线圈和返回线之间的开关。
15、一种能够接在电源和电负载之间以形成一工作电路的电子保护系统，该工作电路有一导通状态和一关闭状态并包括一载流线和返回线，这样连接该系统以后，就能防止电路过流，该系统有一正常工作状态和一故障状态，并包括：
a．一电路中断单元，当这样接好该系统后，该单元就串联在电源和负载之间，并具有
ⅰ闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于正常工作状态，以及
ⅱ开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小于INORMAL，此时系统处于故障状态；
b．一感应单元，该单元的阻值可变，且当这样连接系统时，该单元与电路中断单元和负载串联，并具有
ⅰ正常状态，其中阻抗为低，此时系统中的电流未超出正常电流INORMAL预定的电流值，
ⅱ故障状态，其中阻抗至少增加了预定的阻值，此时系统中的电流超出了正常电流INORMAL预定的值；
c．一控制单元，当这样连接系统时，该单元与感应单元和电路中断单元耦合，当感应单元从正常状态转变到故障状态时，会使电路中断单元从闭合状态转变到开路状态。
16、根据权利要求15的系统，其中：
a．电路中断单元包括一组继电器触头；
b．感应单元包括一个接在电路中断单元和负载之间的双金属开关；以及
c．控制单元包括一个二极管和一个继电器线圈的串联组合，继电器线圈与继电器触头耦合，二极管在双金属开关和负载之间的节点处与载流线相连，且继电器线圈与返回线耦合。
17、根据权利要求15或16的系统，包括：
a．当工作电路处于关闭状态时将电路转换到导通状态的装置；
b．当工作电路处于导通状态时将电路转换到关闭状态的装置。
18、根据权利要求17的系统，其中：
a．将电路从关闭状态转换至导通状态的装置包括一个接在下面节点之间的开关
ⅰ电源和电路中断单元之间的节点，以及
ⅱ二极管和继电器线圈之间的节点；
b．将电路从导通状态转换至关闭状态的装置包括一接在继电器线圈和返回线之间的开关。
19、一种具有导通和关闭状态的电路，该电路包括一电源、一电负载、一载流线、一返回线以及一防止电路过流的电子保护系统，该系统有一正常工作状态和一故障状态，并包括：
a．串联在电源和负载之间的电路中断单元，该单元具有
ⅰ一闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于正常工作状态，
ⅱ一开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小于INORMAL’此时系统处于故障状态；
b．与电路中断单元和负载串联的感应单元，该单元具有
ⅰ正常状态，此时系统中的电流未超出正常电流INORMAL预定的电流值，
ⅱ故障状态，此时系统中的电流超出了正常电流INORMAL预定的值；以及
c．一与感应单元和电路中断单元耦合并具有可变阻值的控制单元，该阻值
ⅰ当感应单元处于正常状态时为低，
ⅱ当感应单元转换到故障状态时，至少增加预定的阻值；
当控制单元的阻抗响应感应单元从正常状态到故障状态的转变而增加了预定的阻值后，电路中断单元从闭合状态变到开路状态，从而使系统从正常工作状态转变到故障状态。
20、一种具有导通和关闭状态的电路，该电路包括一电源、一电负载、一载流线、一返回线以及一防止电路过流的电子保护系统，该系统有一正常工作状态和一故障状态，并包括：
a．串联在电源和负载之间的电路中断单元，该单元具有
ⅰ一闭合状态，允许正常电流INORMAL流过，此时系统处于正常工作状态，
ⅱ一开路状态，至多允许减少了的电流通过，该电流远小于INORMAL’此时系统处于故障状态；
b．一具有可变阻值并串联在电路中断单元和负载之间的感应单元，该单元具有
ⅰ正常状态，其中其阻值为低，此时系统中的电流未超出正常电流INORMAL预定的电流值，
ⅱ故障状态，其中阻抗至少增加预定的阻值，此时系统中的电流超出了正常电流INORMAL预定的值；
c．一控制单元，该单元与感应单元和电路中断单元耦合，当感应单元从正常状态转变到故障状态时，会使电路中断单元从闭合状态转变到开路状态。
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