TW214020B - - Google Patents

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A6 B6 五、發明说明（）- ^"七^璜背面之^意事項再^寫本頁) 註钿銳明 本發明有闞過流電路之保護，例如装備故障造成之過流 或關電造成之過流，靜電放電，裝餚感應之暫態或其他威 脅0 多數電路，如電話及其他資訊分配系统皆會受到暫態過 流及裝備故障或損壞造成短路所產生之較長瞬間的過流兩 種。故需在糸統中合併一種装置可在這兩種暫態過流中保 護糸統並在暫態過流之後自動使系統回復工作。 此棰配1之一揭示於G丨y η η的澳洲專利申請號碼 48 1 28/85中，其中以一對交換電晶體以達蚕頓姐態串聯於 線路，其基極由矽控整流子SCR控制，即慼測交換電晶體 串接電阻之壓降而加Κ控制。另外備有重置電路以便在跳 脫的情況週期性重置或要重置交換配置。另一種過流保護 電路可在暫態過流後將本身重置回復正常工作，揭示於 Sears美國專利號碼4202023。但這兩種電路皆有其缺點。 例如，在装置上串接一壓降電阻會增加製造上的困難及成 本，因該電阻'流通負載電流，不易配置於積體電路。.且上 述兩電路在裝備故障造成較長瞬時過流時會持績重置，故 須先關閉^統才能檢修。另外，在G 1 ynn電路中，當配置 跳脫成開路狀態時仍有10至20mA的漏電流流經SCR。 因此，本發明提供之過流保護裝置其優點在Μ脈波波數 重置或要重置配置，或在裝備故障的情況對脈波時間加以 限制，以免繼續將電源切換至故障装備。故保護装置能鑑 別暫態與持續之系統故障的差別。在過流時，交換電路快 ΥΗ 一 - 3 - 甲 4(21()Χ 297公沒）

五、發明説明（[ 14020 as B6 速闞掉，若過流為外部感應之暫態則重置一或多次。但若 過流為持續性，如負載故障’則重置脈波终止時立即切換 成開路狀態。若此種情況已發生一預定數之脈波數’則配 置將無限期停留在開路狀態 .訂· 交換電路宜包含一交換電晶體與線路串聯，及控制電晶 體用Μ決定交換電晶體之基或閘極電壓’而其基或閘電壓 則由跨於交換電路之壓降決定。例如*控制電晶體為跨接 交換電晶體之分壓器的一臂’以設定交換電晶體之基或閘 鶄壓，控郸_電晶體與交換電晶體之基射極或閘源極並聯。-控制電晶體之基或閘偏壓也可由跨接交換電晶體之分壓器 決定。在正常工作中，當無電流通過線路時控制與交換電 晶體為開路狀態。當線路電壓上升時，由於控制電晶體開 路高阻值使交換中晶體基或閘極順向偏壓增加而導通。正 常工作中，交換電晶體導流壓降使用加強棋M0SFET為1.5 V *使用單一雙極接合電晶體。 過流時會使交換電晶體壓降增加*使控制電晶體基或閘 棰順向偏壓增'加而導通，造成交換電晶體基射極或閑源極 之間短路而使交換電晶體開路。如此使交換電晶體壓降增 加，也增ίΠ 了控制電晶體基或閘極的順向偏壓*使配置在 暫態過流消失後仍鎮定於開路狀態。 此種電路之優點不需串接電阻於電路上K測定過流之存 在。故交換電路壓降僅係交換電晶體集射極或洩源極之麼 降。另外，省掉串接電阻可減少負載電流另件使積體化裝 置更易達成。 YH - -4- 甲 4 (210X297 公簷） _____ 五、發明説明（）_ 若交換電路為此種姐態，則須配置脈波產生器K便使控 制電晶體基射極或閘源極短路，使其開路並使交換電晶體 導通。即提供一重置電晶體使控制電晶體基射極或閘源極 短路而重置，而重置電晶體之基或閘電壓則由脈波產生器 提供。 另一種形式之交換電路可由一控制電路電流並具有输入 控制之電晶體開關及一控制該输人控制電壓並由該開關響 . 應過流之控制配置提供，控制配置包含一比較電路，可比 較開關所垮之部分電壓與參考電壓，若部分電壓大於參考 電壓則開闞成開路。 此種配置之優點在特性麥化受溫度影W較少。另外，本 發明電路保護裝置可使用於較高之電路電流中，即使在正 常電路電流中跳脫亦無危險。 比較器電路宜K電晶體開闞之壓降供給電源K減少另外 分離電源之需要。 最簡單之配置形式包含一比較電路，例如開環運算放大 器输入端之一'接參考電壓*另一端則W分壓器取樣開.關之 電位差。參考電壓須有穩定之溫度特性，其溫度係數Μ不 超過為佳，最好不超過土 296Κ-1，但以不超過 最好。通常K稽納二極體或帶隙装置為電壓調整 器。 脈波長度，分離及數目視使用而定。典型為15-250ms之 脈波，分離1秒至1小時。配置通常合併有脈波產生器，在 停止之前會產生小數目之重置脈波，例如1 〇或3個脈波， YH - -5- 甲 4(210Χ 297乂廣） A6 ---_ai4020_B6__ 五、發明說明（) 裝置在停止之前僅產生軍一脈波，以便保護配置可分 別線路暫態及負載電路故障過流。 *發明過流保護配置可採用雙極電晶體及/或場效電晶 胃（F Ε Ή。雙極電晶體宜使用為達靈頓组態之交換電晶體 ’ Μ降低電晶體導通所需之基極電流，此基極電流係由交 0¾晶體基集極之間的電阻引人。當電路切換成阻流狀態 # *交換電_晶體之基極電流則改流至専通之控制電晶體而 $為 '漏電流。但由於配置在阻流吠態時電阻之壓降極高， 使ϋ電流a.大於交換電晶體之基極電流，若以達靈頓對或 - 組作為交換電晶體，則有效直流增益大為提高，可用 電阻亦極高。 在使用FET之情況，MOSFETS為佳，特別是加強模的 M Cl S F E T S ，例如閘與洩極連成n Μ 0 S邏輯。或者，Μ互補N 與Ρ通道對之F E TS接成C Μ 0 S邏輯的方式代替控制電晶體與 電ffi组成的交換電晶體基或閘極的分壓器。 " 若需要，也可用LED或其他装置顯示電路的切換。 任何一種装~置皆可用來產生脈波，尤其是多數脈波^的產 . 生，如單穩振盪器，為使脈波間有充分之時間延遲，脈波 產生器宜€括一分器，例如計數器或移位記錄器，由快 速之晶體或其他罨路裝置作為输入。事實上可由使用者選 擇要重置開醖之分壓器输出Μ指定其脈波頻率。雖可使用 單穩振盪器，分壓器输出通常經由高通濾波器饋至此較器 之输入。若脈波產生器或其他另件需要電源供給，通常可 選用由開關上之電位差經如稽納二極體裝置加以電壓調整 ΥΗ 甲 4(21〇Χ 297公簷） 讨卜^璜背&之注-'%事項再溪宵本頁) -装. •綠. Αδ __Β6 五、發明說明（） 之電壓 本發明配置可用單獨另件姐成，或Μ公知單石技術形成 。最好為單石積體電路，因為成本低，體積小且可靠。上 述使用分壓器的優點在脈波產生器中之電容器可用較小者 Μ便適合積體電路。 配置最好不包括電阻性另件串接於電晶體開闞’如此不 僅可降低線路壓降，而且減少佔用積體電路之矽面積以降 低成本。 Μ下圖示說明數種本發明罨路，其中： 圖1為本發明保護配置第一種形式之電路； 圖2為本發明配置第二種形式之電路； 圖3為本發明第二方面配置之電路； 圖4為本發明配置之另一種電路； 圖5為本發明配置再另一種電路； 圖6為本發明第二方面另一種配置電路； 圖7為本發明具有高溫穩定度之配置電路；及 圖8為另一配4置電路。 圖丨中，電路過流保護配置包含一虛線右側之交換電路 。交換蜇路1包含兩罨晶體，配置或達靈頓對組態之交換電 晶體，其基極電壓由跨於交換電晶體，之分壓器保持電壓 ，分壓器係由一電阻及一控制電晶體2組成，而控制電晶 體之基捶則由一對電阻3與4組成分壓器保持電壓。 脈波產生器包含一脈波延遲電路，包含電阻5與電容6, 約有20秒的時間常数，連接於達靈頓對電晶體7，8之基極

YH 甲 4(210Χ 297公潘) ......................................................於....................……..............................^ τ,τ.ΛΓ’ιίΰ漬泛*之注意事項再滇窵本百)· _Be_ 五、發明說明（）- 。電晶體8集極電壓饋至脈波限制電路，電路包含一電晶 體9 ，其基極電壓由一對電阻10與11與電容12姐成之分壓 器設定。當電晶體13導通時可使電晶體9之基極電壓降低 〇 在正常工作之電流，由霣阻3與4設定基極電壓之電晶體 2保持開路狀態並使電晶體1導通產生1.7伏之壓降。若電 路過流，則電阻4壓降增加使電晶體2基極電壓上升而使電 晶體2導通並使電晶體1開路。電晶體1開路增加電阻使交 換電路所跨.壓降上升，造成電晶體2基射極電壓增加而保 持交換電路於開路狀態。 上述發生時，脈波產生器所跨電壓會高過稽納二極體 1 4的門限電壓並使電容6放電。約2 0秒後，電晶體7基極電 壓上升壓1.2伏，使電晶體7，8導通，電晶體13開路，電 晶體9因電阻11大而使基極電壓上升並導通，控制電晶體 2開路，交換電晶體1等通。 若造成交換電路切換成開路之過流已消失，則1.7伏之 壓降於交換電·路上足夠克服稽納14之電壓，並使脈波產生 電路隔離，開關仍保持導通，但若故障條件仍在*交換電 路上仍有高=壓*使電容12充電而降低電晶體9基極電壓， 使其在約200 ms後切換成開路。如此使電晶體2導通，電 晶體1開路。由於電容12充電，保持充電使電晶體9開路及 交換電路閂鎖於開路吠態，直至電源供給去掉為止。 電阻15與稽納16可確使電晶體13初始導通並充電電容 12，並確使電晶體9開路。電阻17與二極體18組成之回授 YH ~ -8- 甲4(210Χ 297公璀） )之注意事項年填窵本頁) -¾. .訂· •綠_ A6 B6 gl4〇8〇 五、發明說明（）- 環路可確使電晶體9開路時電晶體7，8導通以防止振盪。 圖2中，交換電路包含電晶體1與2，電阻3，4之作用如 上述。配置之脈波產生電路包含一運算放大器2 1作比較器 用，比較電容22與電姐23組成之RC電路電壓與分壓器之參 考電壓，根據结果使交換電路導通。 工作時，當過流發生，交換電路開路，在0P放大器21非 反相输入端之電壓低於反相端電壓。電容22充電使非反相 端電壓上升約50秒後大於反相端，0P放大器21输出為高位 使電晶體導通。使控制電晶體3開路，電晶體1導通，電 -— 晶體26基極電壓由電容27與電阻28之RC分壓器設定。當 0Ρ放大器高位時，電容27充電而降低電晶體26基極電壓， 使其開路。若故障仍在，則可使交換電晶體1開路。電晶 體26基極之RC時間常數約200 ms，可決定脈波之停留。 圖1中，若電流暫態消失，電晶體1導通使交換電路之壓 降低於稽納二極體14電壓而隔離脈波產生電路。但若故障 仍在，電容22與27仍在充電中，交換電路保持開路直至電 源去掉為止。‘ 電阻29與二極體29'姐成之正回受環路可防止0P放大器 振盪。二極=體29'可防止0P放大器输出低位時影響電容 _ 22充電。 圖3配置包含由電晶體1與2，霣阻3與9組成之交換電路 ，其作用如上述。裝置包括單穩振盪器30連接重置電晶體 31基極，單穩振盪器30產生脈波之間隔及停留由電容32電 阻33及電容34電阻35分別姐成之RC電路設定。 YH _ -9- 甲 4(210X297Y^) 、-卜-:^读背^之注意事項再填窵本") •蛑· •訂_ •線. 314020 A6 B6 五、發明說明（}- 漬皆*-注意事項再瑱寫本玎} 圖4 ，本發明之另一種配置可在過流時重置有限之次數 ，其交換電路包含電晶體1與2，電阻3與4，如圖1所述。 脈波產生器由多數個相同電路姐成，其中有A，β兩级各级 產生一脈波，各级包含一電晶體131 *其基極連接電晶體 13 2集極（不同级之對整另件以、、a 〃及表示）。電 晶體132a，b之基極經稽納二極體135a，b接電姐133a, b ’電容134a，b組成之RC分壓器。各级電晶體I31a, b — . 集極經電容]37a> b ，二極體139a，b接電晶體136基極 。另外，鸯後级除外各级電晶體1 3 1集極接由下一级電阻 -13 3b及電容134b組成之RC分壓器。 正常工作時，脈波產生電路由稽納二極體130隔離。過 流時，交換電路成阻流狀態，使電流流至脈波產生電路， .訂. 充電電容134與139。當電容13 4a之電壓高過稽納二極體 135a之崩潰電壓時電晶體132a會慢慢導通，使電晶體 131a迅速成開路。電晶體131a集極電壓突然上升造成電晶 體136短暫導通使電晶體2之基射極接合端短路*交換電晶 體1導通。當'電容137a充電，電晶體136即成開路。若故 . 障停止，電晶體1仍會永久保持導通’但若故障持續’第 二级電容f34b充電直至大於二極135b之崩潰電壓。然後第 二級如第一级之工作，使電晶體1 3 1 b開路，而電源則跨降 於電阻138 ，使電晶體136與1導通。如前述，若故障停止 ，電晶體1仍會保持導通，但若故陣持績，電容137b充電 使電晶體136與1 一直保持開路。 電容139用來穩定電路電源，因為當電晶體1通時電源會 YH - -10- 甲 4 (210X297 乂尨） A6 B6 214020 五、發明说明（）- 短暫切斷以檢查故障是否已終止。 改變级數（A與B )即可改變要重置之次數。 圖5之配置包含一過流保護電路，且包括一不穗態振濟 器與圖3相同使電路可不停重置。而且包括一對電晶體 42與43由電阻44與電容45組成之RC分壓器控制。電晶體 43之集極接另一電晶體46基極，電晶體46與重置電晶體 47 (對應圖3之電晶體31)之基射極端連接3 工作時《•過流使電路成開路，並週期性以不潘態振烫器 重置，如啊.3示，另外，在電路所跨電壓使電容45充菫’ 高過稽納二極體48之糟納電壓時，使電晶體42緩緩導通’ 而電晶體43則快速開路，造成電晶體46導通，並使重置® 晶體47基射極短路*使交換電路一直保持開路。 電路要重置之次數N為： R C電路4 4與4 5界定之時間間隔 N =- 不穩態振盪器重置脈波之間的間隔 改變電容4 5ϋ卩可改變N值。在製成積體電路的情況，其 自動重置裝置可視應用需要由電容接觸面積決定，並在製 程最後由接=觸罩之使用決定。故不論何種應用皆能使製造 量檷準化，即可在製程最後细部調整，使装置苻合特定之 保護規格。 圖6為本發明第二方面之電路保護配置，其中脈波產生 器在電路開路後約每二十秒嘗試使用開關閉合一次。 交換電路包含交換及控制FETs 61與62*電阻3與4,如 YH - -11- 甲 4(210X297 公讀）

五、發明説明（） 圖1說明，但電晶體以加強模MOSFETs取代。 脈波產生器包含一不穩態振盪器，由555定時器63提供 並输出至4020十四位元計數器64之時鐘输入端’計數器 6 4作用如分壓器，其輸出經電容6 6電阻6 7姐成之高通R C ’滅 波器饋至重置FET 65閘極。FET 65與電阻4並聯，當閘極 高電位時會使控制電晶體62之源閘極短路，可使交換電晶 體61導通。 555定時器63及計數器64之電源由交換電晶體61所跨電 壓經稽納兰極體（36調整後供給，二極體66跨於電源及接地 腳之間*亦可保護計數器64及定時器63以免過壓。另外之 6.8伏稽納二極體73與5Κ 0ΗΜ電阻68串接於定時器63及計 數器64 Vcc腳及交換電晶體61洩極之間。 工作中，交換電晶體61導通，控制電晶體62開路。當過 流時，雷晶體62之閘極電壓增加，使電晶體62導通，61開 路。當電晶體61開路時，其跨接之電壓上升超過10伏，故 可提供約5伏之電源至計時器63與計數器64，流經定時器 與計數器之漏‘電流由電阻6 8限制，約在卜2 m A之間。當定 時器63加上電源時會振盪，頻率由電容69及電阻70與71決 定，約在4b〇 Hz之間*即電容1 nF ,霄阻IMeg歐姆。振盪 信號送至計數器之時鐘输入端，以其MSB位元為输出，重 複率約20秒一次，電容66與電阻67姐成之高通RC漶波器在 計數器输出之每一正緣產生一短暫正脈波，可短暫將重置 電晶體65切換成導通，即在過流時每20秒重置交換電晶體 6 1 —次。 YH - -12- 甲 4(210X297 公飧） {分允戚璜背,«之法意事項鼻饔劣本s' •^. •綠. 314030

A6 B6 五、發明說明（）

圖7之脈波產生器如圖6說明，但交換電路包含一 FET 100連接於有比較器作用之蓮算放大器101之輸出，比較 器1 0 1非反相输入，由於稽納二極體1 0 3較高之初始阻抗 ，使其電壓較反相输入端之電壓為高，故電晶體1 〇 〇之閑 極電懕高源極而導通。過流時，如暫態電流或負載率源故 障，電晶體100所跨電壓會增加，即0P放大器101反相输 入端電壓增加，而非反相端亦會增加至稽納二極體103的 — , 稽納電壓並保持一定。即過流越高0P放大器输出變低位， 趨近於負1壓並使電晶體100開路。 當交換電晶體100開路，所跨電壓超過10伏，可經稽納 48提供定時器43與計數器44—定電源，其漏電流由電阻 50限制在卜2 mA之間。當定時器43加上電源時會振盪，其 頻率約400 Hz，由電容51及電阻54決定，典型電容為InF 電阻為IMeg歐姆。振盪信號饋至計數器44之時鐘输入端， 以其MSB位元為输出，重複率約每20秒一次。 當計數器输出降為低位時，0P放大器101之反相入短暫 下降（降至交'換罨晶體100之源電壓）使0P放大器输_出上 升一短暫時間（視電容46及電阻105時間常數而定）並使 電晶體Γ _通。若過流持續，則0P放大器101输出在脈波 -终止即下降，而電晶賭100保持開路。故配置每20秒要 重置跳脫之交換電晶體100直至重置為止。 圖8之保護電路包含通過電晶體222由達靈頓對電晶體 226與227驅動。電晶體227之基極接跨於通過霄晶體222之 分壓器，包含電阻228及控制電晶體229，而電晶體229基 YH ~ -13- 甲4(210Χ 297乂沒) ......................................................«...............................^..............................终 ί ...ίν.·4讀背*之注意事項再滇窵本頁) ^_ 五、發明說明（). ίντ7'^璜皆*之泫意事項再填宵各頁) 極保持於電阻230與23 1组成之分壓器之電壓，分壓器係跨 於通過電晶體222。重置FET 232跨接電咀231介於電晶體 2 2 9基射極之間。 重置電路包含一 4541可程式定時器240及計數器241。定 時器240可約在每20秒產生一脈波，並將脈波經電容233 及電阻234組成之高通RC*波器饋至重置電晶體232閘極 。脈波亦縝至計數器241之時鐘输入端，而計數器输出之 一 04回謓定時器240之主重置腳。定時器240 R時鐘241之 電源皆由跨於通過電晶體之電壓經稽納236截成10伏後供 - 應。 當發生過流時，通過電晶體222所跨電壓上升直至電晶 體229基射極電壓足Μ使其導通為止，並使電晶體227基 射極短路，而使電晶體2 2 2 * 2 2 6及2 2 7開路。 由於電晶體2 2 2開路，使整個電壓降簧質跨於保護電路 ，並使定時器240及計數器241加上電源。定時器240由電 阻242與243及電容241程式化，使其約每20秒產生一脈波 並送至重置電'晶體232閘極。當重置電晶體232收到脈波 後導通並使控制鼋晶體229基射極短路而使其開路，並使 通過電晶體=導通。若故障仍在，通過電晶體只要電容233 充電足夠卽會再次成開路。 上述過程在定時器240每產生一脈波時發生一次，但各 定時器脈波饋至計數器241之時鐘输入，每八個脈波會使 計數器输出高位並抑制計時器240 。若過流仍未清除，保 護電路將繼續阻止線路電流直至電源切斷為止。 ΥΗ ' -14- 甲4(210Χ 297公簷）

電阻246與電容245姐成之RC分壓器將脈波送至計數器 241之重置腳，使加上電源之計數器重置。另外，l〇〇nF 電容2 47跨接於電阻2 3 1及控制電晶體2 2 9之基射極接合點 Κ ί更在接通時短暫抑制交換。 、·:">. τ"·•背耷之注意事項再填戽表頁) 訂· .線. ΥΗ ~ -15- 甲 4(210X 297W潘)

Claims (1)

1. smoso C7 ----— D7 經濟邡中衣搮準扃印装 六、申請專利範園 1 ·—種過流保護配置，包含串接於所要保護線路中之交換 電路，可讓正常電路電流通過，但過流時會成為開路， 配置包括一脈波產生器，當交換電路開路時，會產生預 定之最大有限數的脈波或預定之重置或要重置交換電路 使其成為導通狀態之次數，配置之脈波產生器與其他另 件，自跨越切換電路之電壓差而獲得其等之電源供懕。 2 · 根據申請專利範圍第1項之配置，其中交換電路包含一 交換零_晶體可串接於線路，及一決定交換電晶體基或閘-一 極電壓之控制電晶體。 / 3. 根據申請專利範圍第2項之配置，其中基或閘極電壓由 跨於交換電晶體上之壓降決定。 4. 根據申請專利範圍第3項之配置，其中控制電晶體之基 或閘極由跨於交換電晶體之分壓器保持。 5. 根據申請專利範圍第2，3或4項之配置，其中脈波產生 器之配置可在脈波產生時使控制電晶體之基與射極或W 與源極短‘路。 • . * 6. 根據申請專利範圍第5項之配置，包括一重置電晶體用~ Μ短运控制電晶體之基與射極或閘與源極，重置電晶體 -之基或閘極電壓係取自脈波產生器。 7. 根據申請專利範圍第2項之配置，其中交換電晶體及/ 或控制電晶體包含加強模金氧半導體場效電晶體 (MOSFET)。 8. 根據申請專利範圍第2項之配置，其中交換電晶體包含 -16- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •装· •訂· •球· 肀 4(210X297 公灃) 214020

   A7 B7 C7 D7 六、申請專利範面 多數個雙極接合電晶體姐成達靈頓（D a r 1 U g t ο η )組態 9.. 根據申請專利範圍第1項之配置，其中交換電路包含一 交換電晶體串接於線路中，及一比較器電路比較跨於開 關之部分電壓及參考電壓，若部分電壓大於參考電壓則 打開開翮。 10. 根據申請專利範圍第1項之配置|包括串接交換電晶體 之無阻另件，使交換電路所跨壓降僅係交換電晶體集_ 射極率洩_源極之壓降。 11. 根據申請專利範圍第1項之配置，其中脈波產生器配置 僅能產生單一脈波。 12. 根據申請專利範圍第1項之配置，其中脈波產生器包含 一計數器*其輸入由不穩態振盪器供給。 1 3 .根據申請專利範圍第1項之配置，其中脈波產生器產生 之各脈波長度不超過250毫秒。 (請先閑讀背面之注竟事項再琪穹本页) 經濟部中央搮準局印製 甲4(210X297 公省） -17-