專利名稱：電氣高/低壓自動斷路設備和方法
技術領域：
一種設備，只要任意兩線(L-N，L-G，N-G)之間的限制電壓(continuous voltage)超過交流電的一個預定電壓，就自動切斷到一個電力中心的火線(L)和中線(N)連接，但不切斷地線(G)連接，而當電壓返回到允許電平時，再自動重新連接電力中心的輸出。所述裝置可以使用模擬或數字邏輯，并且可用于高達250伏(Vac)或更高的單相或多相電源。所述裝置還檢測供電電壓，及如果供電電壓小于一個預定電平時，阻止負載與電源的連接。
背景技術：
在電子設備的電力供應中使用電涌保護設備是電氣技術領域中普遍采用的方法，這方面內容可以參見例如授予Packard等人的美國專利5,978,198。金屬氧化物變阻器(MOV)常用于提供電涌保護。MOV一般被設計成在一個非常短的時間內吸收大量電功率，例如在一種電源線電涌情況下所出現的。然而，如果線電壓超過對于MOV安全的額定值(典型值275V)長于一個比較短的時間，通常大約100毫秒(ms)，MOV很容易被損壞，并產生嚴重的后果。需要這樣一種電路，該電路能用來檢測不安全的電壓或電流，并且當電壓超過安全界限時，在MOV或其他部件被損壞以前，斷開通過MOV系統的電源，當電壓返回并穩定在一個安全范圍時，能重新連接。還需要另一種電路，該電路能用來檢測超出容差的低電壓，并且當存在低電壓的情況時，斷開通過MOV系統的電源，當電壓返回并穩定在一個安全范圍時，能自動重新連接。
電氣技術中另一個常見的問題是電源的錯誤連線，例如在連接普通家用電氣插座時產生的錯誤。當普通家用電氣插座配置成接收三線(L、N和G)插頭時，在普通的家用電氣插座中沒有實體的阻礙物，用于防止電線被連接到錯誤端。對于致力于解決這種問題的設備，請參見例如授予Winch等人的美國專利6,040,969。因此，需要這樣一種電涌保護裝置，除了可以檢測超出容差的電壓外，還能檢測不正確的連線，并能阻止電能傳導到一個受保護的設備。
發明內容
為了易于理解本發明，本發明的以下說明將按照一種單相，額定120Vac的電路形式來介紹。本發明也適用于多相電路和額定電壓高達240Vac的情況。根據是否可以獲得具有適當容差的元件，用于更高的電壓也是可能的。本發明適用于電涌保護裝置及類似物，這些設備用于保護具有微電路元件的靈敏電子設備，例如計算機、音頻和視頻設備，免于出現諸如超出規定電壓和電流的電涌等危險情況。本發明包括一種電路，其檢測低輸入電壓和高輸入電壓，并且當從一個電源接收到異常的高或低電壓時，在設備遭受電氣損壞(例如熔斷金屬氧化物變阻器或保險絲)以前，啟動至少一個繼電器，來斷開到一個受保護設備的火線和中線的電源接線。該檢測電路和用于額定120Vac的單相電路的電源供應端，都能承受連續250Vrms(伏，均方根)或更高電壓超過100毫秒(ms)。所述電路還被設計成能承受6千伏(kV)電涌而沒有損壞。功率波動也可被檢測和吸收。在超出容差電壓的情況下，該設備并不斷開地線(G)。本發明的裝置持續監控輸入電源，并且當電源輸出可接受的電壓一段時間時，一般為10到20秒，優選15秒，就自動重新連接負載。下面描述的模擬和數字典型實施例提供電涌保護，符合Underwriter’s Laboratory 1449 standard(美國保險人實驗室1449標準)，包括L-N、L-G和N-G錯誤連線情況下，6kV 8×20毫秒@3000安培電涌測試，沒有元件損壞。
參照以下附圖，可以更全面地理解本發明，附圖僅用作說明目的，其中相似的編號表示相似的元件。
圖1是根據本發明的一種典型設備的結構圖。
圖2是根據本發明的用于典型設備的一種數字控制電路的邏輯圖。
圖3是圖1的典型模擬設備的原理圖。
圖4是圖1的典型數字設備的原理圖。
具體實施例方式
為了容易地理解本發明，本發明的以下說明將按照一種單相、額定120Vac的電路來進行。本發明也適用于多相電路和額定電壓高達240Vac的情況。根據能否得到具有適當容差的元件的情況，本發明用于更高的電壓也是可能的。本發明是一種包含一個模擬電路的設備，所述模擬電路給任何連接到該設備的電子裝置提供自動斷路保護。本發明涉及模擬和數字兩種控制電路。該設備包括具有一個插頭1的接線繩(cord，軟線)，用于連接到一個交流(AC)電源，例如一個普通的家用電氣插座。可選擇地，該設備也能硬連線到另一個設備機架這樣的更大的裝置或另一個電氣裝置。該設備可以包含單個的插座5，用于承接受保護的電子裝置的插頭，或可選擇地，該受保護裝置可以是硬連線到本發明的設備的其它電子元件。
以下典型的模擬和數字實施例的說明是針對額定120Vac電源來進行的。對于電氣技術領域的一個熟練技術人員來說，使用適當尺寸的元件，把本發明用于其它電源或更高電壓的可選擇的實施方式，將很容易想到，并且這些實施方式包含在此供參考。
參照圖1，示出了本發明的一種典型實施例的結構圖。電氣高/低壓斷路設備100是一個斷開電路部件10，該部件具有電源輸入連接器1和電源輸出連接器5。連接器1是一個具有(火)線2、中線3和地線4元件的三線接頭。連接器1可以是具有三腳插頭的三線電纜，該三腳插頭用于插入大約120Vrms(伏)或250Vrms的普通交流電源插座，連接器1也可以可選擇地是直接接線到電源火線、中線和地線的導線連接(硬布線)。輸出連接器5可以是用于連接受保護裝置的插頭的三腳插座，或可選擇地是硬布線，與火線2、中線3和地線4直連到受保護的電氣設備一樣。輸出連接器5也可以是一種多插座裝置，用于接受一個以上裝置(即多插座裝置)的電源插頭。
部件10是一個具有繼電器K1和K2的電路，當接到電壓檢測和控制電路11發出的斷開火線2和中線3的命令時，上述繼電器用于分別斷開火線2和中線3。繼電器K1和K2優選是單個的常開單極繼電器，但也可以是一個單雙極常開繼電器。當供電電源的電壓低于大約132Vrms和高于大約60Vrms時，常開繼電器K1和K2分別連接火線2和中線3，并且控制電路11把電力傳送到繼電器K1和K2。控制電路11既可以是模擬形式也可以是數字形式。當控制電路11檢測到超過設定的最大值、或低于設定的最小值的電壓時，控制電路11就改變向繼電器K1和K2傳送電力，從而斷開火線2和中線3，并保護任何連接到連接器5的裝置。控制電路11持續監控輸入電源電壓，并且當超出容差電壓的情況不再出現，且保持這種狀態大約10到20秒時，就通過重新閉合繼電器K1和K2重新連接連接器5。在典型實施例中，斷開時間大約少于100毫秒，并且斷開時間是由繼電器K1和K2的反應時間決定的。另外，最大斷開/重新連接電流大約是15安培，同樣取決于繼電器K1和K2的操作性能。在典型實施例中，部件10能承受火線2-中線3、火線2-地線4或中線3-地線4之間持續的300Vrms電壓而沒有元件損壞。
參照圖2，示出了一個根據本發明典型實施例的裝置100的數字控制電路11的邏輯圖。方塊20表示一旦把電源施加到電路11就立即確定存在的最小規定電壓。方塊21表示點亮發光二極管(LED)以指示通電狀態。方塊22表示輸入電源、火線2、中線3和地線4的第一模擬電抽樣。方塊23表示電源質量的初步確定。如果電源不符合規定，邏輯返回到方塊21；如果在規定值內，邏輯就進入方塊24。方塊24表示的穩定時間是由微控制器確定的，并且典型值是100到200ms。方塊25表示第二個電源質量的測定，不在規定值內的電源導致返回到方塊21，而在規定值內的電源就導致進入方塊26。方塊26表示多個LED狀態的更新，和繼電器K1和K2的觸發(啟動)。方塊27-30表示電源質量的持續監控，方塊31表示如果電源質量偏離規定值達到方塊29延遲時間那么長的時間，就進行處理(動作)。方塊29的時間延遲典型地是60赫茲輸電線波形的一個周期，或16ms。
現在參照圖3，示出了一種典型模擬實施例電路單元100的原理圖。表1標出了圖3的元件。
表1模擬實施例元件列表標記數量 零件C1 1 0.0047μf/1000vC2，C4 2 220μf/63vC3 1 47μf/450vC5 1 22μf/25vD1，D2，D5，D6，D8 5 1N4007D9，D11，D123 1N4007D3，D16 2 1N4007
D7，D17 2 15v/1wD10 1 綠色LEDD13 1 紅色LEDD14，D15 2 1N4148F1 1 250maJ1-J66 CON1K1，K2 2 48v線圈，30a 250v 15a 125v觸點，歐姆龍(OMRON)G8P-1114P-USMOV1 1 450v變阻器Q1-Q44 MPSA44R1，R16 2 4M 1/2WR2 1 12KR3，R6，R19 3 100KR4，R17，R18 3 47KR19-R21 3 47KR5 1 1K/25WR7，R11，R13 3 120KR8 1 220K 1/2WR9 1 100K 1WR10 1 11K 20WR12 1 560KR14 1 20KR15 1 4MR20，R22 2 5KR21 1 240KU1，U2 2 LM393AU3 1 4N35表2數字實施例元件列表C1 1 0.022μF/250VC2 1 50μF/50VC3 1 10μF/25VD1-D5，D7，D10
D12，D14-D16 11 IN4007二極管D6 115V，1瓦特穩壓(zener)二極管D8-9，D11，D13 45.1V，1瓦特穩壓(zener)二極管K1，K2 248v線圈，(30A 250V 15A 125V觸點)歐姆龍(OMRON)G8P-1114P-UA或類似L1 156μH，1.48AQ1，Q2 24401 NPN晶體管R1-R442.2K，1瓦特R5-R621.5K，1瓦特R7-R12 61.3M，1/2瓦特R13-R16，R18-R19 620K，1/2瓦特R17，R20 210KR21-R22 24.7KU1 17805+5V調節器U2 1PIC1212CE674，或類似4信道模擬到數字微控制器在典型實施例中，當沒有通電時，繼電器K1和K2是常開的。在正常電壓情況下這些繼電器是通電的，允許火線2和中線3從輸入連接器1到輸出連接器5傳導。對于過壓，全波橋式整流器二極管D8，D9，D10和D12將一部分接收的AC電源，整流到被比較器U1A和U2A監控的沒有過濾的全波波形上。電壓被穩壓二極管(zener diodes)D7和D17和R10、C2和C4傳送、降低、過濾并調整到15Vdc，來驅動比較器。比較器U2A監控L-N和正極G-L、N的電壓。U2A上的R11和R20相對于U2A的引腳4設置參考電壓。當L-N或正極G-L、N瞬時電壓超過132Vrms時，在U2A按比例降低的電壓引腳2將高于引腳3。在U2A中引腳1上的晶體管將使電容C5充電和放電，使U2B的引腳7的電壓降低。當U2B引腳7上的電壓降低時，通常用于開啟繼電器的通過R14的電流被改送U2B。繼電器K1和K2將被斷電，并且即刻斷開火線和中線電路。當火線電壓返回正常時，R12和C15的組合來延遲繼電器重新連接時間15秒。
除了關于負極G-L、N過壓以外，比較器U1A同U2A處理同樣的事情，光隔離器U3把該過壓信號發送給U2B。過壓狀態期間，晶體管Q1和Q3切斷到濾波電容C3的電壓。當重新連接該線時，高壓狀態期間，這將防止繼電器K1和K2的線圈被存儲在電容中的電壓擊穿。
在數字實施例中，控制電路11的功能由一個微處理器代替上面描述的模擬元件來執行。微處理器邏輯在圖2中示出，及典型原理圖在圖4中示出。其元件在表2中列出。具有EEPROM性能的優選微控制器可來自于Microchip，如型號PIC12C672或型號PIC12C674(www.microchip.com)。優選微控制器具有至少三個模擬到數字(ADC)輸入引腳，用于檢測所有的電壓干線(火線、中線、地線)。微處理器是一種4MHz或更高的處理器，其將在1ms或更短時間內抽樣所有的三條干線。為了適當的抽樣平均，使用高容差電阻器按比例降低干線電壓，進行多重抽樣干線電壓，至少10次或更多。其它的，類似的，微控制器也可以使用，并且只要具有適當特性就可以替代。
所述模擬和數字設備保護三種錯誤連線情況。典型設備進行檢測和保護使之免于三種常見的錯誤連線情況，其中這些情況中輸入電源不同于正常情況下可預見的，也就是說，正常是火線2為+120Vac、中線3為0Vac，及地線為適當地接地。錯誤連線情況A使火線2連接到+120Vac，中線3連接到中線，及地線4連接到-120Vac。情況B使火線2連接到中線，中線3連接到-120Vac，及地線4連接到+120Vac。情況C使火線2連接到-120Vac，中線3連接到+120Vac，及地線4連接到中線。
這里所示和詳細說明的信息完全能夠實現上述發明目的，因此，本發明的優選實施例代表了本發明廣泛構思的主題。本發明的范圍完全包含了其他的實施例，這些實施例可能對于本領域技術人員來說很容易想到。因此，本發明的范圍不受所要求的保護范圍以外的內容的限定，其中涉及的單個元件除非明確聲明，不是指“一個和僅一個”，而是指“一個或更多”。上面描述的優選實施例中元件的所有結構的、有關電的和功能的等效物，及本領域普通技術人員知道的可附加的實施例都包括于此，作為參考，并且這些是本發明所要求的保護范圍所包含的。
此外，對于所要解決的每個和所有問題的設備或方法都被本的一個發明保護內容包含是沒有必要的，當然這些問題是本發明設法解決的。而且，本公開中沒有元件、部件和方法步驟可以允許公眾任意使用，而不管是否在本發明的保護范圍中明確地的要求了這些元件、部件或方法步驟。在此沒有技術特征按照美國法典35 U.S.C112，第六款的規定解釋，除非元件明確使用了短語“裝置用于”進行陳述。
工業實用性本發明可以用于保護諸如音頻、視頻和數字設備等電動設備，免于危險的電源電涌、低和高電壓及其他強加于電源的瞬態加載，例如雷擊和電源變弱等情況。本領域的技術人員可以使用市場上可得到的電子和數字元件實施本發明。該設備檢測超出容差的情況，并從電源斷開負載，然后當電源已經穩定并在容差范圍內一段時間后，就重新連接負載。
權利要求
1.一種電氣設備，包括將所述設備連接到至少一相的交流電源的供電端的連接裝置，所述交流電源具有火線、中線和地線；跨越火線-中線、火線-地線和中線-地線，檢測供電電源的電壓的檢測裝置；分配檢測的電源的配電裝置；和當所述檢測裝置檢到超出容差電壓的情況時，將所述電源與配電裝置斷開的斷路裝置，其中在所述設備遭受電氣損壞前，所述檢測裝置啟動所述斷路裝置。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述連接裝置是一個具有三腳插頭的三導線電氣接線繩，而所述配電裝置是至少一個三腳插座。
3.根據權利要求1所述的設備，其中所述檢測裝置是由包括模擬電路元件、數字電路元件的組中選出的。
4.根據權利要求3所述的設備，其中所述檢測裝置能測出超過132伏的電壓和低于60伏的電壓。
5.根據權利要求1所述的設備，其中所述交流電源的供應端是一個三相電源。
6.根據權利要求1所述的設備，其中所述連接裝置是用于火線和中線的具有分離觸點的繼電器。
7.根據權利要求1所述的設備，其中所述超出容差電壓的情況是低于大約60伏或高于大約132伏的電壓。
8.根據權利要求3所述的設備，還包括一個重新連接裝置，所述重新連接裝置在檢測裝置不再檢測到超出容差電壓的情況時，將所檢測的電源重新連接到所述配電裝置。
9.根據權利要求8所述的設備，其中當所述檢測裝置不再檢測到超出容差電壓的情況時，所述重新連接裝置具有一個大約15秒的延遲。
10.一種電氣設備，包括連接所述設備到至少一相的交流電源的供電端的連接裝置，所述交流電源具有火線、中線和地線；跨越火線-中線、火線-地線和中線-地線，檢測所述供電電源的電壓的檢測裝置，其中所述檢測裝置能檢到超過132伏的電壓和低于60伏的電壓；分配檢測的電源的配電裝置；當所述檢測裝置檢測到超出容差電壓的情況時，將電源與所述配電裝置斷開的斷路裝置，其中在所述設備遭受電氣損壞前，所述檢測裝置啟動所述斷路裝置；和當所述檢測裝置不再檢測到超出容差電壓的情況時，將所檢測的電源重新連接到所述配電裝置的重新連接裝置，其中當所述檢測裝置不再檢測到超出容差電壓的情況時，所述重新連接裝置具有一個大約15秒的延遲。
11.根據權利要求10所述的設備，其中所述檢測裝置是由包括模擬裝置、數字裝置的組中選出的。
12.根據權利要求10所述的設備，其中所述超出容差電壓的情況是低于大約60伏或高于大約132伏的電壓。
13.一種提供電氣高/低壓保護的方法，包括提供一個用于連接至少一相交流電源的供電端的連接裝置，其中所述交流電源具有火線、中線和地線；提供一個檢測所述供電電源的電壓的檢測裝置；提供一個分配所檢測的電源的配電裝置；和提供一個當所述檢測裝置跨越火線-中線、火線-地線和中線-地線，檢測到超出容差電壓的情況時，將電源與配電裝置斷開的斷路裝置，其中在所述設備遭受電氣損壞前，所述檢測裝置啟動所述斷路裝置。
14.根據權利要求13所述的方法，其中提供一個檢測裝置的步驟包括從一個包含模擬設備、數字設備的組中選擇一個檢測裝置的步驟。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述檢測裝置檢測超過132伏的電壓。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述檢測裝置檢測低于60伏的電壓。
17.根據權利要求13所述的方法，其中所述配電裝置通過至少一個三腳插座分配電源。
18.根據權利要求13所述的方法，其中所述檢測超出容差電壓的情況是檢測低于大約60伏或高于大約132伏的電壓。
19.根據權利要求13所述的方法，還包括當檢測裝置不再檢測到超出容差電壓的情況時，提供一個將所檢測的電源重新連接到所述配電裝置的重新連接裝置。
20.根據權利要求19所述的方法，其中當所述檢測裝置不再檢到超出容差電壓情況時，所述重新連接裝置在一個大約15秒的延遲之后啟動。
全文摘要
一種模擬或數字電路，能檢測低輸入電壓和高輸入電壓，并且當從一個單相或多相電源接收到異常的低或高電壓時，能操縱斷開到受保護裝置的火線和中線的電源連接，而當輸入電源穩定時，重新連接受保護的裝置。該檢測電路和電源供應端具有處理高達至少240Vac的功能。額定120Vac的電路被設計成承受6千伏電涌而不損壞。在超出容差電壓的情況期間，該設備不斷開地線。
文檔編號H02H3/20GK1521912SQ03157440
公開日2004年8月18日 申請日期2003年9月19日 優先權日2002年9月20日
發明者愛因斯坦·加朗, 德米安·馬丁, 索布斯外德·蓬波, 馬丁, 外德 蓬波, 愛因斯坦 加朗 申請人:蒙斯特電纜產品有限公司