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Diese
Erfindung betrifft den Überstromschutz
für elektrische
Schaltungen. Mechanische Schalter werden in einer weit verbreiteten
Weise verwendet, um den Fluss des Stroms in elektrischen Schaltungen
zu steuern. Der Ausdruck „mechanischer
Schalter" wird hier
verwendet, um einen elektrischen Schalter zu bezeichnen, der mechanische Kontakte
umfasst, die sich im Ansprechen auf eine mechanische (einschließlich einer
manuellen), elektrischen, thermischen oder anderer Form von Aktivierung öffnen oder
schließen.
Derartige Einrichtungen umfassen einfache manuelle Schalter, Schaltungsunterbrecher,
Massefehler-Unterbrechungen (Ground Fault Interrupts; GFIs), Relais
und Bimetall-Einrichtungen (die auch als elektrothermische Relais,
thermisch aktivierte Schalter und elektrothermische Einrichtungen
bezeichnet werden). GFIs vergleichen den Strom, der an zwei unterschiedlichen Stellen
in einer Schaltung fließt,
und unterbrechen die Schaltung, wenn sich die Ströme um mehr
als einen vorgegebenen Betrag unterscheiden, z. B. als Folge eines
Massefehlers zwischen den Stellen. Sie schützen jedoch nicht gegen Fehler,
die nicht zu einem derartigen Stromungleichgewicht führen, z.
B. einem Überstrom,
der sich aus einem Kurzschluss innerhalb der Last ergibt, der nicht
nach Masse geht.
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Wenn
ein mechanischer Schalter betätigt wird,
um einen Stromfluss durch ihn zu unterbrechen, tritt fast immer
zwischen den Kontakten, wenn sie sich trennen, eine Bogen- bzw.
Funkenbildung auf, und zwar sogar bei normalen Betrebsbedingungen, und
Strom (in der Form eines Bogens) fließt weiter durch den Schalter,
bis der Bogen ausgelöscht
wird. Der Bogen wird die Kontakte zu einem Ausmaß beschädigen, das von dem Strom, der
Spannung, ob der Strom Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) ist,
der Geschwindigkeit, mit der die Kontakte betrieben werden, und
dem Material, aus dem die Kontakte gemacht sind, abhängt. Ein
mechanischer Schalter wird gewöhnlicherweise
in Übereinstimmung
mit dem maximalen Strom bewertet, den er sicher bei einer angegebenen
AC oder DC Spannung und für
eine angegebene Anzahl von Betriebsvorgängen sicher unterbrechen kann.
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Eine
Bogenbildung über
Kontakten, die sich bei Hochstrombedingungen öffnen, kann bewirken, dass
derartige Kontakte verbrannt werden, und kann zu einem katastrophalen
Ausfall der mechanischen Einrichtung führen. Angesichts derartiger
Beschränkungen
sind Anstrengungen durchgeführt
worden, um Schaltungskonfigurationen zu erdenken, die den Stromfluss
durch die mechanischen Kontakte beschränken oder die Spannung über den
mechanischen Kontakten beschränken
oder sowohl den Strom als auch die Spannung beschränken, wenn sich
die mechanischen Kontakte öffnen,
um die Schaltungsschutzschalter zu schützen und dadurch die elektrischen
Schaltungen zu schützen.
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PTC
Schaltungsschutzeinrichtungen sind altbekannt. Die Einrichtung wird
in Reihe zu einer Last platziert und ist bei normalen Betriebsbedingungen
in einem Zustand niedriger Temperatur und niedrigem Widerstand.
Wenn jedoch der Strom durch die PTC Einrichtung übermäßig ansteigt und/oder die Umgebungstemperatur
um die PTC Einrichtung herum übermäßig ansteigt
und/oder der normale Betriebsstrom für länger als die normale Betriebszeit aufrecht
erhalten wird, dann wird die PTC Einrichtung „ausgelöst" werden, d. h. auf einen Zustand mit
hoher Temperatur und hohem Widerstand umgewandelt, sodass der Strom
wesentlich verringert wird. Im Allgemeinen wird die PTC Einrichtung
in einem ausgelösten
Zustand bleiben, sogar wenn der Strom und/oder die Temperatur auf
ihren normalen Pegel zurückkehren,
bis die PTC Einrichtung von der Energiequelle getrennt worden ist
und es ihr ermöglicht wird,
abzukühlen.
Besonders nützliche
PTC Einrichtungen enthalten ein PTC Element, das auf einem PTC leitenden
Polymer gebildet ist, d. h. einer Zusammensetzung, die (1) einen
organischen Polymer, und (2) dispergiert, oder ansonsten verteilt,
in dem Polymer, einen leitenden Partikelfüllstoff vorzugsweise Ruß, umfasst.
PTC leitende Polymere und Einrichtungen, die sie enthalten, werden
zum Beispiel in dem U.S. Patent mit den Nummern 4237441, 4238812,
4315273, 4317027, 4426633, 4545926, 4689475, 4724417, 4774024, 4780598,
4800253, 4845838, 4857880, 4859836, 4907340, 4924074, 4935156, 4967176,
5049850, 5089801 und 5378407 beschrieben.
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In
einer Charge von PTC Einrichtungen, die durch den gleichen Herstellungsprozess
hergestellt werden, können
nicht kontrollierbare Veränderungen in
dem Prozess eine wesentliche Veränderung
in den Bedingungen verursachen, die irgendeine einzelne Einrichtung
auslösen
werden. Der größte Beharrungszustands-Strom,
der nicht bewirken wird, dass irgendeine der Einrichtungen in der
Charge ausgelöst
wird, wird hier als der „Durchlass-Strom" (IPASS) oder „Haltestrom" bezeichnet, und
der kleinste Beharrungszustands-Strom, der bewirken wird, dass alle
Einrichtungen ausgelöst
werden, wird als der „Auslösestrom" (ITRIP)
bezeichnet. Im Allgemeinen nimmt die Differenz zwischen IPASS und ITRIP langsam ab,
wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. In Abhängigkeit von dem bestimmten
Typ von Einrichtungen, kann ITRIP zum Beispiel
1,5 bis 2,5 mal IPASS bei 20°C sein. Für eine einzelne
Einrichtung sind der Durchlassstrom und der Auslösestrom die gleichen. Jedoch
wird in dieser Spezifikation bezug genommen auf eine PTC Einrichtung
mit einem IPASS und einem unterschiedlichen
ITRIP, weil als praktische Maßnahme der
Hersteller eines elektrischen Schalters PTC Einrichtungen verwenden
muss, die aus einer Charge von derartigen Einrichtungen genommen
werden. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Umgebungstemperatur
ist, desto niedriger ist der Durchlassstrom und der Auslösestrom.
Dieses Phänomen
wird als ein „thermisches
Entwerten" bezeichnet
und der Ausdruck „Entwertekurve" wird verwendet,
um einen Graph der Temperatur über
dem Durchlassstrom zu bezeichnen.
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Es
ist hier entdeckt worden, in Übereinstimmung
mit dieser Erfindung, dass sehr nützliche elektrische Schutzsysteme
dadurch hergestellt werden können,
dass ein PTC Element in Reihe zu einem mechanischen Schalter oder
einem anderen Schaltungsunterbrechungselement geschaltet wird, und
indem ein Überbrückungselement
parallel zu dem PTC Element und dem Schaltungsunterbrechungselement
geschaltet wird. Wenn ein Überstrom
durch ein derartiges System geht, dann steigt das PTC Element im
Widerstand an, und in Folge dessen geht ein erhöhter Strom durch das Umgehungselement
(Bypasselement). Das Umgehungselement (Überbrückungselement) ist funktional
mit dem Schaltungsunterbrechungselement verknüpft, sodass der erhöhte Strom
durch das Umgehungselement das Schaltungsunterbrechungselement in
seinen Fehlerzustand umwandelt.
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Somit
stellt die Erfindung ein elektrisches Schutzsystem bereit, welches
in Reihe zwischen einer elektrischen Energieversorgung und einer
elektrischen Last geschaltet werden kann, um eine Betriebsschaltung
zu bilden, und die dann, wenn sie so verschaltet ist, die Schaltung
vor Überströmen schützt, wobei
das System umfasst:
- a. Ein Steuerelement, das
- (1) einen relativ geringen Widerstand RLOW aufweist,
wenn ein relativ geringer Strom INORMAL durch
ihn fließt;
und
- (2) auf einen relativ hohen Widerstand RFAULT umgewandelt
wird, wenn der Strom durch ihn INORMAL auf
einen relativ hohen Strom IFAULT ansteigt;
- b. ein Schaltungsunterbrechungselement, umfassend einen Schaltungsschalter
und das
- (1) zu dem Steuerelement in Reihe geschaltet ist,
- (2) einen normalen Zustand aufweist, wenn der Strom INORMAL durch das Steuerelement fließt, wobei
der normale Zustand dem Strom INORMAL erlaubt,
durch das System zu fließen,
und
- (3) einen Fehlerzustand aufweist, der den Fluss von maximal
einem verringerten Strom, wesentlich kleiner als INORMAL erlaubt;
und
- c. ein Überbrückungselement,
das umfasst:
- a. einen Überbrückungs-PTC-Widerstand,
der
- (1) zu einer Relaisspule und einem Überbrückungswiderstand in Reihe geschaltet
ist und
- (2) einen Auslösestrom
aufweist, der kleiner als der Strom ist, der, wenn er durch die
Relaisspule fließt,
den Schaltungsschalter veranlassen wird, sich von seinem normalen
Zustand auf seinen Fehlerzustand zu ändern; und
- b. einen Überbrückungsschalter,
der
- (1) in Reihe zu der Relaisspule und parallel zu dem Überbrückungswiderstand
geschaltet ist, und
- (2) geschlossen wird, wenn der Schaltungsschalter geöffnet wird
und offen ist, wenn der Schaltungsschalter offen ist;
wobei
das Überbrückungselement
- (1) parallel zu der Reihenkombination des Steuerelements und
des Schaltungsunterbrechungselements ist, und
- (2) funktional mit dem Schaltungsunterbrechungselement so verbunden
ist, dass ein Anstieg im Strom, der durch das Überbrückungselement fließt, das
Schaltungsunterbrechungselement in den Fehlerzustand umwandeln kann;
wobei, wenn der Strom durch das System von INORMAL auf
IFAULT ansteigt,
- (i) der Widerstand des Steuerelements von RLOW auf
RFAULT ansteigt,
- (ii) ein erhöhter
Strom durch das Überbrückungselement
fließt,
und
- (iii) das Schaltungsunterbrechungselement in den Fehlerzustand
umgewandelt wird.
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Das
Steuerelement kann eine PTC Einrichtung und eine Spannungsklemmeinrichtung,
die parallel zu der PTC Einrichtung geschaltet ist, umfassen.
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Die
PTC Einrichtung begrenzt die Größe des Fehlerstroms,
der an die Schaltung geht. Eine Begrenzung des Stroms in dieser
Weise ist ein sehr wünschenswertes
Merkmal und wird in der Industrie als „Fehlerstrombegrenzung" bezeichnet. Das
Fehlerstrombegrenzungs-Verhalten von PTC Einrichtungen ist bislang
nicht berichtet worden.
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Zusätzlich zu
Anwendungen für
einen Überstromschutz
erlaubt die Erfindung ferner die Verwendung von mechanischen Schaltern
und PTC Einrichtungen, um Spannungen und Ströme bei normalen Schaltungsbetrieben
zu schalten, wobei die Spannungs- und/oder Strom-Nennwerte der mechanischen
Schalter und PTC Einrichtungen viel kleiner als die normalen Betriebsspannungen
und Ströme der
Schaltungen sind. Dieses Merkmal erlaubt die Verwendung von kleineren
und kostengünstigeren mechanischen
Schaltern und PTC Einrichtungen für einen normalen Betrieb, als
ansonsten in derartigen Schaltungen erforderlich sein würden.
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Funktionen,
die zum Bereitstellen eines Überstromschutzes
an einer elektrischen Schaltung ausgeführt werden, umfassen: 1) Erfassen
des Stroms; 2) Unterbrechen der Schaltung; 3) Begrenzen der Energie,
die an die Schaltung transferiert wird; und 4) Isolieren der Schaltung
von der Energiequelle. In den Schaltungsanordnungen dieser Erfindung werden
mechanische Schalter und polymerische PTC Einrichtungen so kombiniert,
dass jede Komponente die Funktion oder Funktionen ausführt, die
sie relativ gut tut. Polymerische PTC Einrichtungen erfassen den Überstrom
und begrenzen die Energie, die an die geschützte Schaltung transferiert
wird. Polymerische PTC Einrichtungen und mechanische Schalter arbeiten
beide zum Unterbrechen der Schaltung und, wo anwendbar, stellen
mechanische Schalter eine Schaltungsisolation in Übereinstimmung
mit Industriestandards bereit.
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Die 1a, 1b und 1c zeigen
Reihen, Parallel- und Reihen/Parallelkombination von PTC Einrichtungen
und mechanischen Schaltern, die in den Überstrom-Schutzschaltungen
dieser Erfindung verwendet werden. Wie nachstehend gezeigt werden
wird, werden andere Komponenten mit den PTC Einrichtungen und Schaltern
in Schaltungsanordnungen dieser Erfindung kombiniert, um eine Funktionalität zu unterstützen. Wie
hier verwendet bezieht sich der Ausdruck „maximaler Überstrom" auf einen maximalen
Strom, der sich in einer Schaltung aus einer Überlast- oder Fehlerbedingung
ergeben würde,
wenn die Schaltungsschutzeinrichtungen in der Schaltung zum Begrenzen
des Stroms nicht vorhanden wären.
In Übereinstimmung
mit den Prinzipien dieser Erfindung erlauben die Anordnungen der Komponenten
in den Überstromschutzschaltungen die
Auswahl von PTC Einrichtungen und Schaltern mit den folgenden Eigenschaften:
- (1) In der in 1a gezeigten
Anordnung ist eine PTC Einrichtung 2 in Reihe zu einem
mechanischen Schalter 4, wobei beide einen Durchlassstrom
von wenigsten so hoch wie der normale Schaltungsstrom aufweisen.
Die PTC Einrichtung 2 weist eine Spannungsbewertung auf,
die signifikant unter der normalen Spannung der Schaltung liegt.
Der Schalter 4 kann einen niedrigen Strom bei der normalen
Schaltungsspannung unterbrechen, kann aber den maximalen Überstrom
bei der normalen Spannung nicht unterbrechen. Wenn ein Überstrom
auftritt erhöht
sich die PTC Einrichtung 2 im Widerstand und verringert
den Strom bis auf einen Punkt, wo der Strom unter dem Unterbrechungsstrom
des Schalters 4 ist. Der Schalter 4 öffnet sich,
um den Strom zu unterbrechen, und stützt die PTC Einrichtung 2 vor
einer übermäßigen Spannung.
- (2) Bei der in 1b gezeigten Anordnung ist eine
PTC Einrichtung 2 parallel zu einem Schalter 6,
wobei beide eine Spannungsbewertung von wenigstens so hoch wie die
Schaltungsspannung aufweisen. Die PTC Einrichtung 2 weist
eine Durchlassstrombewertung signifikant unter dem normalen Schaltungsstrom
bei der normalen Spannung auf. Der Schalter 6 kann den
maximalen Überstrom
bei einer niedrigen Spannung unterbrechen, kann aber den maximalen Überstrom bei
einer normalen Spannung nicht unterbrechen. Wenn ein Überstrom
auftritt unterbricht der Schalter 6 den Strom auf der niedrigen
Spannung durch Bereitstellen eines Nebenschlusses für den Strom in
die PTC Einrichtung 2 hinein. Die PTC Einrichtung 2 erhöht sich
im Widerstand und verringert den Strom auf einen niedrigen Wert.
- (3) In der in 1c gezeigten Anordnung sind eine
Parallelkombination einer PTC Einrichtung 2 und eines ersten
Schalters 6, wie in (2) oben beschrieben, in Reihe zu einem
zweiten Schalter 4. In diesem Fall weist die Parallelkombination
der PTC Einrichtung 2 und des ersten Schalters 6 eine
Spannungsbewertung (nominelle Spannung) signifikant unter der normalen
Spannung der Schaltung auf Der zweite Schalter 4 kann einen niedrigen
Strom bei der normalen Spannung unterbrechen, kann aber den maximalen Überstrom bei
einer normalen Spannung nicht unterbrechen. Wenn ein Überstrom
auftritt, öffnet
der erste Schalter 6 den Nebenschluss des Stroms zu der parallelen
PTC Einrichtung 2. Die PTC Einrichtung 2 erhöht sich
im Widerstand, wodurch der Strom verringert wird und dem zweiten
Schalter 4 erlaubt wird, sich zu öffnen. Bei dieser Anordnung schaltet
die PTC Einrichtung auf ihren Zustand mit hohen Widerstand ausreichend
schnell zum Verringern des Stroms, um den Reihenschalter davor zu
schützen,
dass er beschädigt
wird. Während das
Verzögern
der Öffnung
des zweiten Schalters 4 in einigen Umständen nützlich sein kann, ist diese
Anordnung auch effektiv, wenn sich beide Schalter 4 6 im
Wesentlichen gleichzeitig öffnen.
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In
der Reihenkombination, die in 1a gezeigt
ist, wird der Reihenschalter 4 der PTC Einrichtung 2 in
der Schaltung folgend, gezeigt. In der Reihen/Parallelkombination,
die in 1c gezeigt ist, ist der erste
Reihenschalter 4 nach der Parallelkombination der PTC Einrichtung 2 und
dem parallelen zweiten Schalter 6 in der Schaltung gezeigt.
Obwohl die elektrischen Eigenschaften der Überstromschutzeinrichtungen
nicht von einer derartigen Reihenfolge abhängen, können andere Erwägungen die
Platzierung von Reihenschaltern diktieren. Zum Beispiel hat die in 1c gezeigte
Reihenfolge den zusätzlichen Vorteil,
dass für
den Fall eines Überstroms,
der erste Reihenschalter 4 dazu dienen könnte zusätzliche Komponenten
in der Überstromschutzschaltung,
zusätzlich
zur Isolation der Last, von der Energiequelle zu isolieren. Dies
ist besonders erforderlich, wenn diese Komponenten für Menschen
zugänglich
sind und dazu neigen von Menschen berührt zu werden.
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches Betriebselemente einer Überstromschutzschaltung 120 darstellt,
die die Funktionen zum Erfassen des Stroms, zum Unterbrechen des
Stroms, zum Begrenzen der Energie, die an die Schaltung transferiert wird,
und in einigen Anordnungen zum Isolieren der Schaltung von der Energiequelle
ausführen.
Das Blockdiagramm entspricht der Reihenanordnung einer PTC Einrichtung 2 und
einem Schalter 4, gezeigt in 1a, wobei
das Steuerelement 104 die PTC Einrichtung 2 umfasst,
das Unterbrechungselement 108 den Reihenschalter 6 umfasst,
und das Überbrückungselement 106 die
zusätzlichen
Schaltungskomponenten umfasst.
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Wie
aus der voranstehenden Diskussion ersichtlich, obwohl die in den
Schaltungsanordnungen dieser Erfindung verwendeten PTC Einrichtungen normalerweise
die Funktionen zum Erfassen des Stroms und zum Begrenzen des Fehlerstroms
bereitstellen, können
die PTC Einrichtungen, in Abhängigkeit
von der besonderen Anordnung der Komponenten in den verschiedenen
Ausführungsformen
der mehreren Aspekte dieser Erfindung, diese Funktionen als Glieder
von verschiedenen Betriebselementen, z. B. dem Steuerelement 104 und
dem Überbrückungselement 106,
ausführen.
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Die
drei Funktionen zum Erfassen des Stroms, zum Unterbrechen des Stroms,
und zum Begrenzen der Energie, die an die Schaltung transferiert wird,
werden durch Komponenten ausgeführt,
die so angesehen werden können
dass sie in drei Betriebselemente gruppiert sind, einem Steuerelement 104, einem Überbrückungselement 106 und
einem Unterbrechungselement 108. Die Elemente der Quelle 102 und
der Last 112 sind zwei Betriebselemente, die man normalerweise
in sämtlichen
elektrischen Schaltungen findet.
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Die
Quelle 102 stellt die elektrische Leistung an der Schaltung
bereit, und die Last 112 führt den beabsichtigten Zweck
der Schaltung aus. Die Elemente der Steuerung 104, der Überbrückung 106 und
der Unterbrechung 108 arbeiten zusammen, um den Überstromschutz
bereitzustellen. Das Steuerelement 104 führt die
zwei Funktionen zum Erfassen des Stroms und zum Begrenzen der Energie,
die an die Schaltung für
den Fall eines Überstroms
transferiert wird, aus. Das Unterbrechungselement 108 führt die
Funktion zum Unterbrechen des Schaltungsstroms aus. Das Überbrückungselement 106 wird verwendet,
um einen gewissen Teil des Laststroms oder den gesamten Laststrom
umzuleiten, um den Strom in dem Unterbrechungselement 108 oder
die Spannung über
dem Unterbrechungselement 108 oder sowohl den Strom als
auch die Spannung zu minimieren, sodass das Unterbrechungselement 108 den
Schaltungsstrom sicher unterbrechen kann.
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Das
Steuerelement 104 erfasst den Strom und bestimmt, ob der
an die Last 112 gelieferte Strom innerhalb eines normalen
akzeptablen Bereichs ist. Wenn das Steuerelement 104 bestimmt,
dass der an die Last 112 gelieferte Strom übermäßig ist,
arbeitet das Steuerelement 104 mit dem Überbrückungselement 106,
um Strom an das Überbrückungselement 106 umzuleiten.
Wenn der an das Überbrückungselement 106 umgeleitete
Strom eine eingerichtete Schwelle erreicht, dann kommuniziert das Überbrückungselement 106 mit
dem Unterbrechungselement 108, wobei das Unterbrechungselement 108 veranlasst
wird den Fluss von Strom, der an die Last 112 geliefert
wird, zu verringern oder zu stoppen. Das Steuerelement 104 begrenzt
die an die Schaltung in einer Überstrombedingung
transferierte Energie durch schnelles Arbeiten, um einen Überstrom
zu erfassen und Strom an das Überbrückungselement 106 umzuleiten,
wodurch dem Unterbrechungselement 108 erlaubt wird den
Strom, der an die Last 112 geliefert wird, sicher zu unterbrechen.
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Eine
Ausführungsform
einer Überstromschutzschaltung,
die eine bestimmte Anordnung einer PTC Einrichtung, eines Vollwellen-Brückengleichrichters,
eines Relais und von Widerständen
in einer AC Anwendung in Übereinstimmung
mit den Prinzipien dieser Erfindung verwendet, ist in 3a gezeigt.
Die Überstromschutzschaltung 10 stellt
einen Schutz für
den Fall einer Überstrombedingung bereit.
In dieser ersten Ausführungsform
ist eine PTC Einrichtung 12 zu der Last 24 in
Reihe geschaltet. Die AC Energiequelle 28 liefert Energie
bei einer Betiebsspannung an die Last 24. Wenn die Energiequelle 28 auf
der Betriebsspannung ist, der an die PTC Einrichtung 12 und
die Last 24 geführte
Strom unterhalb des Auslösestroms
der PTC Einrichtung ist, ist der Widerstand der PTC Einrichtung 12 sehr
gering und der sich ergebende Spannungsabfall über der PTC Einrichtung 12 ist
sehr gering. Das Relais 14 ist abgeschaltet und der erste
Kontakt 16 und der zweite Kontakt 18 des Relais
sind beide in der geschlossenen Position. Wenn die Energiequelle 28 auf
der Betriebsspannung ist und der Widerstand der PTC Einrichtung 12 sehr
gering ist, ist die Spannung, die der Brückengleichrichterschaltung 26 eingegeben
wird, gleich zu der Spannung über
der PTC Einrichtung 12 und ist vernachlässigbar. Die sich ergebende
Ausgangsspannung von der Brückengleichrichterschaltung 26 ist
deshalb unterhalb der Spannung, die zum Erregen des Relais 14 notwendig
ist.
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Für den Fall
eines Fehlers, der den Strom in der PTC Einrichtung 12 veranlasst über die
Strombewertung der PTC Einrichtung 12 anzusteigen, steigt der
Widerstand der PTC Einrichtung 12 stark an. Der Spannungsabfall über der
PTC Einrichtung 12 ist dann ausreichend, um die von der
Brückengleichrichterschaltung 26 ausgegebene
Spannung zu veranlassen das Relais 14 zu erregen.
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Wenn
das Relais 14 erregt wird, öffnen sich der erste Kontakt 16 und
der zweite Kontakt 18, wodurch der Überbrückungswiderstand 22 in
Reihe zu der Last 24 gebracht wird und dadurch der Strom
in der Last 24 auf einen sicheren Wert begrenzt wird. Wenn
die Spannung der Energiequelle 28 auf der Betriebsspannung
ist, würde
das Relais 14 durch den Erhaltungsstrom in der Relaisspule 14 und
der Last 24 erregt bleiben.
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Wenn
das Relais 14 erregt ist, wird die PTC Einrichtung 12 von
der Lastschaltung 24 getrennt. Wenn kein Strom in der PTC
Einrichtung 12 fließt, dann
kühlt sich
die PTC Einrichtung 12 ab und der Widerstand der PTC Einrichtung 12 kehrt
auf einen sehr geringen Wert zurück.
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Die Überstromschutzschaltung 10 wird
durch Verringern der Spannung der Energiequelle 28 zurückgesetzt,
wodurch die Spannung über
dem Relais 14 unter die Haltespannung des Relais 14 verkleinert wird,
wodurch der erste Kontakt 16 und der zweite Kontakt 18 geschlossen
werden.
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3b zeigt
die Überstromschutzschaltung 10 der 3a mit
gestrichelten Linien, die die Schaltungskomponenten der Überstromschutzschaltung 10 umgeben,
um den fünf
Elementen zu entsprechen, die in 2b gezeigt
sind, d. h. den Elementen der Quelle 102, der Steuerung 104,
der Überbrückung 106,
der Unterbrechung 108 und der Last 112.
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3c zeigt
die Schaltungsanordnung der 3a, ergänzt mit
einem Varistor 32, der parallel zu der PTC Einrichtung 12 geschaltet
ist. Der Varistor 32 wirkt als eine Spannungsklemmeinrichtung,
um die Spannung zu begrenzen, die ansonsten über dem PTC 12 im
Ansprechen auf einen anfänglichen
Stellenanstieg des Widerstands der PTC Einrichtung 12 hervorgerufen
(induziert) werden könnte.
Dies tritt möglicherweise
im Ansprechen auf einen stark ansteigenden Überstrom auf, der die PTC Einrichtung 12 veranlasst
auf ihren Zustand mit hohem Widerstand schnell umzuschalten. Die
induzierte Spannung über
dem PTC 12 kann als Folge der Schaltungsinduktivität groß sein,
wenn der Strom auf einen niedrigen Wert durch das schnelle Erhöhen des
Widerstands der PTC 12 verringert wird. Andere Spannungsklemmeinrichtungen
wie umgekehrt verschaltete Zener-Dioden, Anordnung von Dioden, und
andere Einrichtungen können
anstelle des Varistors verwendet werden.
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3d zeigt
die Überstromschutzschaltungs-Anordnung
der 3a, vereinfacht zur Verwendung in DC Anwendungen.
Die in 3a gezeigte Brückengleichrichterschaltung 26 fehlt
in 3d, wobei die Relaisspule 14 über die
PTC 12 geschaltet ist. Die Energiequelle 34 in
der Schaltung der 3d ist eine DC Energiequelle.
Das Verhalten der übrigen Schaltungskomponenten
in der 3d ist ähnlich zu denjenigen, das für die Komponenten
in der 3a beschrieben wurde.
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3e zeigt
die Schaltungsanordnung der 3d, ergänzt mit
einem Varistor 32, der parallel zu der PTC 12 geschaltet
ist. Der Varistor 32 wirkt als eine Spannungsklemmeinrichtung
in der gleichen Weise in 3e wie
der Varistor 32 in 3c. Andere
Spannungsklemmeinrichtungen, wie umgekehrt verschaltete Zener-Dioden,
Anordnungen von Dioden, und andere Einrichtungen können anstelle
des Varistors 32 verwendet werden.
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Eine
zweite Ausführungsform 30 ist
in 3f gezeigt. In dieser Ausführungsform mit der Energiequelle 28,
die eine Betriebsspannung zuführt,
wird das Relais 14 mit dem ersten Kontakt 16 geschlossen
und dem zweiten Kontakt 18 geschlossen, wobei die Schaltung
mit der Last 24 hergestellt wird, abgeschaltet. In dem
Fall eines Überstroms
steigt die Temperatur der PTC Einrichtung 12 schnell an
und der Widerstand der PTC Einrichtung 12 steigt an. Die Spannung,
die von der Gleichrichterbrückenschaltung 26 ausgegeben
wird, erregt das Relais 14. Der erste Kontakt 16 öffnet sich,
wobei die PTC 12 von der Schaltung entfernt wird, und der
zweite Kontakt 18 öffnet
die Schaltung mit der Last 24 und schließt die Schaltung
mit dem Abfallwiderstand 36, sodass das Relais 14 erregt
gehalten wird. Wenn der erste Kontakt 16 offen ist, gibt
es keinen Strom in dem Pfad der PTC Einrichtung 12. Die
PTC Einrichtung 12 kühlt sich
ab und der Widerstand der PTC Einrichtung 12 kehrt auf
einen sehr geringen Wert zurück.
Der zweite Kontakt 18 entfernt die Last von der Energiequelle 28 sicher.
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Die Überstromschutzschaltung 30 wird
durch Verringern der Versorgungsspannung an der Energiequelle 28 zurückgesetzt.
Wenn die Spannung der Energiequelle 28 verringert wird,
wird das Relais 14 abgeschaltet, der erste Kontakt 16 schließt die Platzierung
der PTC 12 in der Schaltung, und der zweite Kontakt 18 schließt die Schaltung
mit der Last 24.
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Eine
dritte Ausführungsform 40 ist
in 3g gezeigt. Diese dritte Ausführungsform stellt den Überstromschutz
bereit, der durch die erste 10 und zweite 30 Ausführungsform,
jeweils in den 3a und 3f gezeigt,
bereit und wird zusätzlich
automatisch die Last 24 nach einer spezifizierten Zeitverzögerung neu
verbinden, wenn die Ursache der Überlast
entfernt worden ist. Diese dritte Ausführungsform 40 umfasst
eine Überbrückungs-PTC 38 und
verwendet nur einen ersten Kontakt 16 des Relais 14.
Die Überbrückungs-PTC 38 ist
konstruiert, um von ihrem niedrigen Widerstand auf ihren hohen Widerstand
bei einem niedrigeren Strom als denjenigen, bei dem die PTC 12 umschaltet,
umzuschalten. In dieser dritten Ausführungsform, bei der die Energiequelle 28 eine
Betriebsspannung zuführt,
wird das Relais 14 abgeschaltet, wobei der erste Kontakt 16 die
Schaltung mit der Last 24 schließt. Für den Fall einer Überstrombedingung
veranlasst der hohe Strom in der PTC 12 den Widerstand
der PTC 12 anzusteigen. Die sich ergebende Spannungsausgabeerhöhung von
der Gleichrichterbrückenschaltung 26 erregt
das Relais 14, wobei der erste Kontakt 16 geöffnet wird.
Das Relais 14 wird in dem erregten Zustand durch den Stromfluss
in der Überbrückungs-PTC 38 und
der Last 24 gehalten. Nach einer Zeitverzögerung,
die durch den Wert des Überbrückungswiderstands 42 bestimmt
wird, der in Reihe zu der Spule des Relais 14 gebracht
wird, wird der Widerstand der Überbrückungs-PTC 38 sehr
hoch, wobei das Relais 14 veranlasst wird abgeschaltet
zu werden, wodurch der erste Kontakt 16 geschlossen wird.
Wenn die Ursache des Fehlers während
der Zeitverzögerung
entfernt worden ist, setzt die neu verbundene Schaltung 40 ihren
normalen Betrieb fort. Wenn die Ursache des Fehlers anhält, geht
die PTC 12 sofort erneut ihren Zustand mit hohem Widerstand,
bevor die Überbrückungs-PTC 38 sich
abgekühlt
hat, wodurch verhindert wird, dass das Relais 14 erneut
erregt wird. Wenn die Ursache des Fehlers noch nicht entfernt worden
ist, bleiben sowohl die PTC 12 als auch die Überbrückungs-PTC 38 in
einem Zustand mit hohem Widerstand, bis entweder die Versorgungsspannung
der Energiequelle 28 entfernt wird oder die Last 24 entfernt
wird. Wenn die Energieversorgung 28 oder die Last 24 entfernt
ist, kühlen sich
sowohl die PTC 12 als auch die Überbrückungs-PTC 38 ab und
deren jeweilige Widerstände kehren
auf niedrige Werte zurück,
wodurch ein normaler Schaltungsbetrieb ermöglicht wird.
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Bezugnehmend
wiederum auf die 3f und 3g kann
eine Spannungsklemmeinrichtung, wie ein in 3c gezeigter
Varistor 32, parallel zu der PTC 12 geschaltet
werden, um Spannungen zu begrenzen, die durch den schnellen Abfall
im Schaltungsstrom induziert (hervorgerufen) werden. Andere Spannungsklemmeinrichtungen,
wie beispielsweise umgekehrt verschaltete Zener-Dioden, Anordnungen von
Dioden oder andere Einrichtungen, können ebenfalls anstelle des
Varistors 32 verwendet werden.
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Obwohl
in keiner der Figuren dargestellt, können AC Relais anstelle der
DC Relais für
AC Anwendungen verwendet werden, wobei in diesem Fall die Vollwellen-Brückengleichrichterschaltungen 26 nicht
verwendet werden würden.
Obwohl zur Verwendung in AC Anwendungen beschrieben, können die
in den 3a, 3b, 3c, 3f und 3g gezeigten
Schaltungen genauso auch in DC Anwendungen verwendet werden, obwohl
die Brückengleichrichterschaltungen 26 überflüssig sein würden. Ein
System, das in den 3f und 3g gezeigt
ist, könnte
auch für
DC Anwendungen modifiziert werden, indem die Brückengleichrichterschaltung 26 entfernt
wird, und zwar in einer Weise ähnlich zu
derjenigen, die in 3d und 3e gezeigt
ist.
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Die
elektrischen Komponenten in jeder der Schaltungen, die in den 3c bis 3g gezeigt sind,
können
in einer ähnlichen
Weise zu derjenigen, die in der 3b für die Schaltung
der 3a gezeigt ist, gruppiert werden, wobei die Gruppierungen der
elektrischen Komponenten durch die in 2b gezeigten
Betriebselemente dargestellt werden.
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In
den Anordnungen und Ausführungsformen
von mehreren Aspekten der voranstehend beschriebenen Erfindung arbeiten
die Schaltungskomponenten zusammen, um einen Überstromschutz bereitzustellen
durch Erzielen der Funktionen zum Erfassen des Stroms, zum Unterbrechen
des Stroms, zum Begrenzen der an die Schaltung transferierten Energie,
und in einigen Anordnungen, zum Isolieren der Schaltung von der
Energiequelle. Die Kombination der PTC Einrichtungen und der mechanischen Schalter
kann genauso aus Schaltungsunterbrecher und Schalter im Allgemeinen,
und in einer sehr viel einfacheren Weise angewendet werden. Es sei
zum Beispiel die Schaltung der 1c mit
Komponenten, die die voranstehend beschriebenen Spannungs- und Strombewertungen
aufweisen, betrachtet. In einem herkömmlichen Schaltungsunterbrecher
ist das Signal zum Öffnen
normalerweise unabhängig
von der Schaltung, die gerade geöffnet
wird, und ist bei einer hohen Spannung gewöhnlicherweise über ein Schutzrelais,
welches sich bei niedriger Spannung öffnet, von einem Potenzialtransformator
(PT) oder einem Stromtransformator (CT). In einem Schaltungsunterbrecher,
der die in 1c gezeigte Anordnung verwendet,
werden beide mechanische Schalter 4 6 gleichzeitig
geöffnet,
wobei der zweite Schalter 6 die PTC Einrichtung 2 in
Reihe zu dem ersten Schalter 4 schaltet.
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Während des
ersten Halbzyklus tritt ein Bogen bei dem ersten Schalter 4 bis
zu dem Nulldurchgang des Stromzyklus auf. Während dieser Zeit nimmt die
PTC Einrichtung im Widerstand zu und begrenzt den Strom auf einen
Wert, den der zweite Schalter 6 unterbrechen kann. Die
Vorteile dieser Kombination sind, dass die PTC Einrichtung 2 in
der Schaltung für
einen Halbzyklus ist, und somit nicht eine große Spannung für eine lange
Zeitperiode aushalten muss; die PTC Einrichtung 2 löst die Schaltung
tatsächlich
nicht aus und somit ist ein Betrieb des Schaltungsunterbrechers
nicht abhängig
von der Temperatur der PTC Einrichtung 2, die genau bekannt
oder aufrecht erhalten wird; der Widerstand der PTC Einrichtung 2 in
ihrem Zustand mit niedrigem Widerstand ist nicht kritisch, da die
PTC Einrichtung 2 nicht in der Schaltung während des
normalen Betriebs ist; die PTC Einrichtung 2 muss sich
nur im Widerstand erhöhen,
beispielsweise um 2 bis 3 Dekaden, um den Fehlerstrom um 2 bis 3
Dekaden zu beschränken;
und die Fehlerstrom-Unterbrechungsanforderungen der mechanischen
Kontakte 4 6 werden um 2 bis 3 Dekaden verringert.
Während
diese Anordnung zwei mechanische Kontakte 4 6 anstelle
von einem erfordert, ist der Preis von zwei Kontakten für einen
niedrigen Fehlerstrom ein kleiner Bruchteil von einem Kontakt für einen
hohen Fehlerstrom. Die Schaltung der 1c ist
bei einer Anwendung zur Verwendung als ein Schaltungsunterbrecher,
der einen Fehlerstrom unterbricht, beschrieben worden. Die gleiche
Anordnung kann vorteilhaft als ein einfacher Schalter verwendet
werden, um normale Ströme
zu schalten, wodurch die Verwendung von mechanischen Schaltern mit
geringeren Strombewertungen, als ansonsten benötigt werden würde, erlaubt
wird. Der Betrieb eines derartigen Schalters würde wie für denjenigen eines Schaltungsunterbrechers
beschrieben sein, mit Ausnahme davon, dass die Öffnung der mechanischen Kontakte 4 6 durch eine
manuelle Aktivierung, sowie durch eine elektromechanische oder eine
andere automatische Einrichtung, sein könnte.