CN1262057C - 电子开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子开关，其包含：三端双向可控硅元件，在电路中防止过电流的保护装置，其在电压源和负荷之间，负荷在所述装置的下游侧，所述装置串联在该可控硅元件的上游侧，所述负荷串联在所述可控硅元件的下游侧，所述装置包含：第一断开装置，其具有高的电流灵敏度以及适于在电路中出现过电流的情况下快速断开，但是可复原，以及第二断开装置，其与第一断开装置并联，适于当第一断开装置断开时承受一个比电源电压要高的暂态电压以及适宜在第一断开装置之后快速并可复原地断开，以使得在第一和第二断开装置已经断开时，将电流输送到可控硅元件的触发极上，以及第三断开装置，其在可控硅元件的触发极和电压源之间，适于在第二断开装置之后可复原地断开。

Description

电子开关
技术领域
本发明涉及一种用于保护电路防止过电流的可复位的装置。更具体地说涉及一种用于低压电源的具有可复位的自身保护的电气开关。
背景技术
通常的电气装置例如电动机、变压器、蓄电池、家用电器以及电子电路利用具有非线性电阻的材料例如氧化锌在过电压的情况下可以提供保护。防止过电流的保护通常通过提供一种非可复原的熔断器进行，该熔断器在使用之后必须更换，或者可以提供一种机械装置例如可复位的断路器。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于在电路中提供保护防止过电流的新型装置。本发明的第二个目的是提供一种能够在过电流已经消失之后再次自动变成导通的装置。本发明的第三个目的是提供一种制造成本低且结构十分简单的电路。
为此，本发明提出一种电子开关，其特征在于，其包含：一个三端双向可控硅元件，一个在电路中防止过电流的保护装置，其在电压源和负荷之间，负荷在所述装置的下游侧，所述装置串联在该三端双向可控硅元件的上游侧，所述负荷串联在所述三端双向可控硅元件的下游侧，所述装置包含：第一断开装置，其具有高的电流灵敏度以及适于在电路中出现过电流的情况下快速断开，即由导通状态转变为非导通状态，但是可复原，以及第二断开装置，其与第一断开装置并联，适于当第一断开装置断开时承受一个比电源电压要高的暂态电压以及适宜在第一断开装置之后快速并可复原地断开，以使得在第一和第二断开装置已经断开时，将电流输送到三端双向可控硅元件的触发极上，以及第三断开装置，其在三端双向可控硅元件的触发极和电压源之间，适于在第二断开装置之后可复原地断开。
很明显，这种配置一方面在出现过电流的时候能够快速断开所产生的电压并且转变为与供电电压相对应的一个电压即230伏，另一方面，利用两个单独的并联安装的元件响应于过电流在断开的过程中一个在另一个之后动作。
如果该保护装置必须是可复位的，则断开的可恢复的能力自然是必须的。
该第一、第二和第三断开装置最好是一些电阻，它们的电阻值随温度变化按其数值的几个数量级可复原地增加。以及该第一断开装置当其处于导通状态时与第二断开装置当其处于导通状态时的电阻相比较具有低的电阻。
更确切地说，该第一、第二和第三断开装置是含若干组正温度系数(PTC)带电导电聚合物的组成部分。
这些组合部件作为低成本的现成品就可使用并且当该成份内部温度增加几十度时具有的电阻的数值按照几个数量级变化因此可以用在上述种类的电路中。他们的利用使得能够经济地装配过电流保护装置。
此外，在这种情况下，保护装置的复位是自动的。一旦该聚合物部件温度很快下降到正常的环境温度，它们就变为导通并且构成该电路。
上述类型的开关提供保护防止过电流，在断开两个可变电阻聚合物部件之后只维持几个毫安的电流。然后为了安全的原因以及使聚合物部件冷却可能希望完全消除在电路中的残余电流。
为此，最好将一个PTC导电聚合物的第三断开装置安装在该三端双向可控硅元件的触发极和电压源之间，这个第三断开装置在导通状态时具有的电阻比第一断开装置在导通状态时的电阻高。
根据本发明的各种不同的特征可以相互结合地采用：
-处于导通状态第一断开装置的电阻接近200毫欧姆以及处于导通状态的第二断开装置的电阻接近10欧姆；
-第一断开装置具有的维持电流在20℃下为几个安培；
-第二断开装置具有的维持电流在20℃下为0.1安培。
这些特征对于利用该按照低成本成品的可利用的部件装配用于常规开关的电流保护装置是有利的。
附图说明
利用下面提供的对于本发明的一个优选的实施例的说明和附图来解释本发明的目的和优点。显然，仅以举例方式提供的说明并不是对于本发明的限定。在附图中：
-图1是根据本发明的具有自身保护的电子开关的电路的示意图。
具体实施方式
首先应强调，导电聚合物部件是作为成品可使用的。这些正温度系数(PTC)部件具有的特性为，当对应于临界的温度达到所谓的渗透阈值时，由于十分突然的变化(3～4数量级的数值的变化)，它们的电阻随温度上升而大幅度增加(这种现象称之为该部件的断开)。
该渗透温度是由一个维持电流和一个断开电流限定的，该维持电流是一个低于该电流时该部件绝不会断开的电流，而该断开电流是一个超过该电流时该部件总是断开的电流。这两个电流数值取决于温度。该聚合物部件其中提供有表示它们在20℃下的维持和断开电流特性的数值，表示这些电流作为温度函数以及它们的作为在该部件中的电流的函数的断开时间的曲线。
因此在聚合物部件在该渗透阈值之上变为非导通状态以及其上形成的电压则与施加到该电路上的电压相类似，但是该电流限制到几个毫安。直到由于电流不再流通使温度下降之时，该聚合物部件基本上维持非导通状态。然后恢复到导通状态。
构成本发明的一个实施例的具有自身保护的电子开关1的电子电路(三端双向可控硅元件开关的过电流保护)仅包含几个部件例如由在附图1中所看到的。该具有自身保护的电子开关1基于对一种用于230伏AC电路的开关元件的改进。该元件安装在电压源2和负荷3之间，是可控以及可提供保护的，通常包含三端双向可控硅元件4(例如为常规的12A类型)，以及手动开关5，其由用户操作以及在该三端双向可控硅元件的触发极6的上游侧。
在根据本发明的装置的该优选实施例中，第一聚合物部件7，例如为Raychem RXE 110 Polyswitch，其在导通状态具有的电阻为200毫欧姆，维持电流在20℃下为1.1安，断开电流在20℃下为2.2安，其安装在三端双向可控硅元件4的上游侧。这一部件承受的限制电压为60伏。
并联一个第二聚合物部件8，以便在该位置承受加在第一聚合物部件7上的230伏的电压，该部件当其变成电阻时对于电流是高度灵敏的。其是一个PSR 20963 Polyswitch。其在导通状态下具有的电阻为13-26欧姆，在20℃下的维持电流为110毫安以及在20℃下的断开电流为165毫安。这一部件承受限制电压为250伏。
最后，一个第三聚合物部件9连接在手动开关5和三端双向可控硅元件4的触发极6的上游侧。其是一个PSR 21017 Polyswitch，在导通状态下具有的电阻为27到56欧姆，在20℃下的维持电流为69毫安以及在20℃下的断开电流为110毫安。这个部件承受的限制电压为300伏。
上述的部件容纳在一个附图中未表示的例如装入在墙壁中的一种常规的开关壳体内。
在使用中，在正常电流条件下，例如在230伏下4安的电流流过该负荷(对应于由该负荷消耗900瓦的电力)，该第一聚合物部件7具有低的电阻(200毫欧姆)，不会影响该三端双向可控硅元件的运行以及不会产生显著的热量(在这个实例中为0.8瓦)。
在该三端双向可控硅元件4的触发极处的第三聚合物部件9具有十分低的电阻，其不会影响该三端双向可控硅元件的运行以及形成十分低的开通角(小于一度)，其对于符合关于感应的电磁干扰的标准EN 55022是不可缺少的。
如果在该电路中出现过电流，例如超过正常电流几个安培以上的故障电流，该电流流入第一聚合物部件7中，引起该部件的温度的突然增加，使其断开以及它的电阻数值变化几个数量级。这时，温度在几秒钟之内上升到80℃，电阻同时增加到约1,000欧姆。因此该第一聚合物部件7实际上变为不导通状态以及其上形成的电压升到230伏。然后电流流入第二聚合物部件8。
与该第一聚合物部件7并联的第二聚合物部件8仅在第一聚合物部件7已经改变状态之后然后尽可能快地选择断开。它的13～26欧姆的电阻使其由于在第一聚合物部件7断开之后的低电流很快被加热以及因此使其本身断开。与之对比，第二聚合物部件8由承受电压高达250伏的范围选择以及因此适合于承受第一聚合物部件7本身不可能承受的电压，使得在过电流之后如果它在电路中单独使用也将变得不能使用。第二聚合物部件8的好处在于，它承受一比通常低压供电电源电压要高的电压，但它的电阻太大，使之不能单独与三端双向可控硅元件串联连接，这是因它具有很高的热散能力。此外，这种类型的对于低标称电流值的聚合物已经上市销售。
因此当保护系统断开时该电路承受该转移电压。
然而，由并联的第一和第二聚合物部件7和8提供的电流限制不足以使该三端双向可控硅元件4关断，这是由于该三端双向的发热，即使几个毫安的残余电流小于它的维持电流(低于正常关断电流的电流)。
由于在电路中该三端双向可控硅元件4的触发极6的上游侧提供一个第三聚合物部件9而使这一缺点得到减轻。当第一和第二聚合物部件7和8已断开时，电流转移到该三端双向可控硅元件4的触发极6。该电流使第三聚合物部件9断开，其又在温度上升以及电阻增加时间的终点变为非导通状态。这就使该三端双向可控硅元件4关断。该第三聚合物部件9必须尽可能快地断开以便关断三端双向可控硅元件4以及将加在第二和第三聚合物部件8、9的供电电源的电压转移到所述的三端双向可控硅元件4的连接端。
当故障电流不再出现时，该第一、第二和第三聚合物部件7、8和9冷却，然后再次变成导通状态。因此该装置在聚合物部件7、8和9的冷却时间的终点自动复位。然后该电路再次可投入运行。
本发明的范围不局限于利用举例方式上面说明的实施例细节而是相反，强调对本领域的技术人员建议所作的各种改进。

Claims (7)

1.一种电子开关(1)，其特征在于，其包含：
一个三端双向可控硅元件(4)，
一个在电路中防止过电流的保护装置，其在电压源(2)和负荷(3)之间，负荷(3)在所述装置的下游侧，所述装置串联在该三端双向可控硅元件(4)的上游侧，所述负荷串联在所述三端双向可控硅元件的下游侧，所述装置包含：
第一断开装置(7)，其适于在电路中出现过电流的情况下快速断开，即由导通状态转变为非导通状态，但是可复原，以及
第二断开装置(8)，其与第一断开装置并联，适于当第一断开装置(7)断开时承受一个比电源电压要高的暂态电压以及适宜在第一断开装置(7)之后快速并可复原地断开，以使得在第一和第二断开装置已经断开时，将电流输送到三端双向可控硅元件(4)的触发极(6)上，以及
第三断开装置(9)，其在三端双向可控硅元件(4)的触发极(6)和电压源(2)之间，适于在第二断开装置之后可复原地断开。
2.根据权利要求1所述的电子开关(1)，其特征在于，该第一、第二和第三断开装置(7，8，9)是这样一些部件，即它们的电阻随温度变化按照数值的几个数量级增加，并可复原，以及第一断开装置(7)导通时与第二断开装置(8)导通时的电阻相比较具有低的电阻。
3.根据权利要求2所述的电子开关(1)，其特征在于，第一、第二和第三断开装置(7，8，9)是成组的正温度系数的带电聚合物部件。
4.根据权利要求3所述的电子开关(1)，其特征在于，第三断开装置(9)处于导通状态时与第一断开装置(7)处于导通状态时的电阻相比较具有高的电阻，以便承受转移电压。
5.根据权利要求3所述的电子开关(1)，其特征在于，第一断开装置(7)处于导通状态时的电阻为200毫欧姆，以及，第二断开装置(8)处于导通状态时的电阻为13～26欧姆。
6.根据权利要求3所述的电子开关(1)，其特征在于，第一断开装置(7)具有的维持电流在20℃下为几安。
7.根据权利要求3所述的电子开关(1)，其特征在于，第二断开装置(8)具有的维持电流在20℃下为0.1安。
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