過電流保護電路的制作方法

專利名稱：過電流保護電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到電氣電路的過電流保護。機械式開關(guān)被廣泛地用于控制電氣電路中流過的電流。此處所說的＂機械式開關(guān)＂是指一種由機械式觸點構(gòu)成的電氣開關(guān)，它可以響應(yīng)一種機械(包括人工)，電氣，熱或是其他形式的激勵而打開或是閉合。此類裝置包括簡單的手動開關(guān)，斷路器，接地故障斷路器(GFI)，繼電器，以及雙金屬器件(也被稱為電熱繼電器，熱驅(qū)動開關(guān)，或是電-熱器件)。GFI比較在電路中的兩個不同部位流過的電流，在電流的差別超過一個預(yù)定量時就切斷電路，例如根據(jù)各部位之間的接地故障來切斷電路。然而，此類裝置對不會引起電流失衡的故障不能起到保護作用，例如，由不接地的負載內(nèi)部的短路引起的過電流。
如果通過機械式開關(guān)的操作來遮斷流經(jīng)開關(guān)的電流，即使是在正常的操作條件下，在觸點的分離過程中幾乎總會在觸點之間出現(xiàn)電弧，并且電流(采取電弧的形式)會連續(xù)地流過開關(guān)，直至其熄滅時為止。電弧會對觸點造成一定程度的損害，其程度取決于電流，電壓，電流是AC還是DC，觸點的操作速度，以及制造觸點的材料。機械式開關(guān)通常是按照它在規(guī)定的AC或DC電壓以及規(guī)定的操作次數(shù)下可以安全遮斷的最大電流來額定的。
在高電流狀態(tài)下打開的觸點上的電弧有可能會燒毀這些觸點，并且會造成嚴重損壞機械式開關(guān)的故障。由于考慮到這種限制，為了對電路保護開關(guān)提供保護，并且以此來保護電路，已經(jīng)有人設(shè)計出了各種電路結(jié)構(gòu)，在打開機械式觸點時可以限制流過機械式觸點的電流，或是限制機械式觸點兩端的電壓，或是同時限制電流和電壓。
PTC電路保護器件是公知的器件。這種器件和負載是串聯(lián)布置的，在正常操作狀態(tài)下處在一種低溫、低電阻的狀態(tài)。然而，如果通過PTC器件的電流急劇增加，以及/或是PTC器件周圍的環(huán)境溫度急劇地上升，以及/或是正常操作電流的維持時間超過了正常操作時間，PTC器件就會被“斷路”，即轉(zhuǎn)換到一種高溫、高電阻狀態(tài)，從而使電流明顯地下降。即使是電流和/或溫度恢復(fù)到其正常的水平，這種PTC器件通常仍會維持在斷路狀態(tài)，直到PTC器件從電源上斷開并且完全冷卻時為止。實用的PTC器件包含一個由PTC導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的PTC元件，它是一種由(1)有機聚合物和(2)分散或是分布在聚合物中的一種顆粒狀導(dǎo)電填料例如碳黑構(gòu)成的合成物。例如，在美國專利US4237441，4238812，4315237，4317027，4426633，4545926，4689475，4724417，4774024，4780598，4800253，4845838，4857880，4859836，4907340，4924074，4935156，4967176，5049850，5089801以及5378407號中說明了這種PTC導(dǎo)電聚合物以及包含這種聚合物的PTC器件。
在采用相同的制作過程制成的一批PTC器件中，該過程中的不可控制的因素會造成明顯的狀態(tài)變化，這種變化會斷路每一個獨立的器件。在本文中把在一批器件中不會造成任何器件斷路的最大穩(wěn)定狀態(tài)電流稱為“通過電流”(IPASS)或是“保持電流”，而將會造成所有器件斷路的最小穩(wěn)定狀態(tài)電流被稱為“斷路電流”(ITRIP)。一般來說，IPASS和ITRIP之間的差會隨著環(huán)境溫度的增加而緩慢地下降。依照器件的具體類型，ITRIP在20℃時可以達到IPASS的1.5到2.5倍。對于任何一個單獨的器件來說，通過電流和斷路電流是相同的。然而，在本文中所說的是具有一個IPASS和一個不同的ITRIP的PTC器件，由于實際的需要，電氣開關(guān)的制造商必須采用從一批這種器件中挑選出來的PTC器件?？偠灾h(huán)境溫度越高，通過電流和斷路電流就越小。這種現(xiàn)象被稱為“熱下降”并且用所謂的“下降曲線”來表示溫度和通過電流的關(guān)系曲線。
按照本發(fā)明，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果將一個PTC元件與機械式開關(guān)或是其他斷路元件串聯(lián)連接，并且與PTC元件和斷路元件并聯(lián)連接一個旁路元件，就可以構(gòu)成一種非常有用的電氣保護系統(tǒng)。當(dāng)過電流通過這一系統(tǒng)時，PTC元件的電阻就會增大，并且導(dǎo)致通過旁路元件的電流增加。旁路元件被功能性地連接到斷路元件上，用通過旁路元件的增加的電流使斷路元件轉(zhuǎn)換到其故障狀態(tài)。
在第一方面，本發(fā)明提供了一種過電流保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括a.一個控制元件(1)當(dāng)一個比較低的電流INORMAL通過該元件時，它具有較低的電阻RLOW，并且(2)當(dāng)流過的電流從INORMAL增加到一個較高的電流IFAULT時，就被轉(zhuǎn)換到一個較高的電阻RFAULT；b.一個斷路元件(1)與控制元件串聯(lián)連接，(2)當(dāng)電流INORMAL通過控制元件時具有一種正常狀態(tài)，這種正常狀態(tài)允許電流INORMAL在系統(tǒng)中通過，并且
(3)具有一種故障狀態(tài)，這種狀態(tài)最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流通過；以及c.一個旁路元件(1)與控制元件和斷路元件的串聯(lián)組合并聯(lián)地連接，并且(2)功能性地連接到斷路元件上，使得可以用通過旁路元件的增加的電流將斷路元件轉(zhuǎn)換到故障狀態(tài)；其中，當(dāng)通過系統(tǒng)的電流從INORMAL增大到IFAULT時，(i)控制元件的電阻從RLOW增大到RFAULT，(ii)通過旁路元件的電流增大，并且(iii)斷路元件被轉(zhuǎn)換到故障狀態(tài)。
在第二方面，本發(fā)明提供了一種過電流保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括a.一個斷路元件，它具有(1)一種正常狀態(tài)，允許流過一個正常的電流INORMAL，以及(2)一種故障狀態(tài)，該狀態(tài)最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流通過；b.一個控制元件(1)與斷路元件串聯(lián)連接；(2)具有一個可變電阻(a)當(dāng)電路中的電流是正常電流INORMAL時，其電阻比負載低，并且(b)當(dāng)負載中的電流明顯地超過正常電流INORMAL時，其電阻明顯地增加，(3)包括一個比較器，用于比較(a)控制元件中在一個控制比較點上的電流ICONTROL，和(b)負載中在一個負載比較點上的電流ILOAD，以及(4)當(dāng)ICONTROL與ILOAD的差別超過了一個預(yù)定的電流不平衡值IDIFF時，使斷路元件從其正常狀態(tài)改變到故障狀態(tài)；以及c.一個旁路元件(1)與控制元件并聯(lián)地連接，并且(2)具有這樣一種電阻(a)當(dāng)電路中的電流是INORMAL時，旁路元件的電阻與控制元件的電阻之比可以使ICONTROL和ILOAD的差別小于IDIFF，并且(b)當(dāng)電路中的電流超過INORMAL一個預(yù)定的電流量時，旁路元件的電阻與控制元件的電阻之比就會使ICONTROL和ILOAD的差別大于IDIFF。
在第三方面，本發(fā)明提供了一種過電流保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括
a.一個斷路元件，它具有(1)一種正常狀態(tài)，允許流過一個正常的電流INORMAL，以及(2)一種故障狀態(tài)，最多只允許一個明顯小于ILOAD的小電流通過；b.一個控制元件(1)與斷路元件串聯(lián)連接，并且(2)具有一個可變電阻(a)當(dāng)電流是正常電流INORMAL時，其電阻比負載低，并且(b)當(dāng)電流明顯地超過正常電流INORMAL時，其電阻明顯地增加；當(dāng)控制元件的電阻增加了一個預(yù)定的電阻值時，斷路元件就從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)。
在第四方面，本發(fā)明提供了一種過電流保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括a.一個斷路元件，它具有(1)一種正常狀態(tài)，允許流過一個正常的電流INORMAL，以及(2)一種故障狀態(tài)，最多只允許流過一個明顯小于INORMAL的小電流；b.一個控制元件(1)與斷路元件串聯(lián)連接，并且(2)具有一個可變電阻(a)當(dāng)電流是正常電流INORMAL時，其電阻比負載低，并且(b)如果電流明顯地超過了正常電流INORMAL，就增加一個第一預(yù)定電阻值；以及c.一個旁路元件(1)與控制元件并聯(lián)地連接，并且(2)具有這樣一種電阻(a)當(dāng)電路處在正常工作狀態(tài)時，其電阻明顯地高于控制元件的電阻，(b)當(dāng)控制元件的電阻被增加了第一預(yù)定電阻值時，其電阻明顯地低于控制元件的電阻，并且(c)當(dāng)控制元件的電阻被增加了第一預(yù)定電阻值時，其電阻就增加一個第二預(yù)定電阻值；當(dāng)控制元件的電阻增加了第一預(yù)定電阻值，并且旁路元件的電阻增加了第二預(yù)定電阻值時，斷路元件就從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)。
在第五方面，本發(fā)明提供了一種過電流保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括由串聯(lián)連接的控制元件和斷路元件構(gòu)成的一個電路，其特征是
a.該電路具有(1)一個正常電流INORMAL，以及(2)一個正常輸入電壓VNORMAL；b.控制元件具有一個控制元件斷路電流ITRIP，該電流大于INORMAL，以及c.斷路元件包括一個機械式開關(guān)，并且具有(1)一個承載電流的定額ICARRY，該定額大于INORMAL，以及(2)一個遮斷電流的定額IINTERRUPT，當(dāng)電壓等于VNORMAL時，該定額明顯地小于ITRIP；因此，當(dāng)電路中的電流超過ITRIP時，控制元件就將電路中的電流降到IINTERRUPT以下，從而允許斷路元件遮斷電路中的電流。
在第六方面，本發(fā)明提供了一種過電流保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括由并聯(lián)連接的旁路元件和控制元件構(gòu)成的一個電路，其特征是a.該電路具有(1)一個正常電流INORMAL，以及(2)一個正常輸入電壓VNORMAL；b.上述旁路元件具有一個旁路元件斷路電流IBYPASS TRIP，該電流明顯地小于INORMAL；以及c.上述控制元件包括一個機械式開關(guān)，并且具有(1)一個承載電流的定額ICONTROL PASS，該定額大于流INORML，以及(2)一個遮斷電流的定額ICONTROL TRIP，當(dāng)一個電壓VCONTROL TRIP小于VNORMAL時，該定額大于INORMAL；因此，當(dāng)電路中的電流超過ICONTROL TRIP時，控制元件就遮斷控制元件中的電流，從而將電路中的電流分流到旁路元件，并且，當(dāng)旁路的電流超過IBYPASS TRIP時，旁路元件就明顯地降低電路中的電流。
在第七方面，本發(fā)明提供了一種過電流保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括由并聯(lián)連接的旁路元件和控制元件以及和這種并聯(lián)組合串聯(lián)連接的一個斷路元件構(gòu)成的電路，其特征是a.該電路具有(1)一個正常電流INORMAL，以及(2)一個正常輸入電壓VNORMAL；b.上述旁路元件具有一個旁路元件斷路電流IBYPASS TRIP，該電流明顯地小于INORMAL；以及
c.上述控制元件包括一個機械式開關(guān)，并且具有(1)一個承載電流的定額ICONTROL PASS，該定額大于INORMAL，以及(2)一個遮斷電流的定額ICONTROL TRIP，當(dāng)一個電壓VCONTROL TRIP小于VNORMAL時，該定額大于INORMAL；以及d.上述斷路元件包括一個機械式開關(guān)，并且具有(1)一個承載電流的定額ICARRY，該定額大于INORMAL，以及(2)一個遮斷電流的定額IINTERRUPT，當(dāng)電壓等于VNORMAL時，該定額明顯地小于ICONTROL TRIP；因此，當(dāng)電路中的電流超過ICONTROL TRIP時，控制元件就遮斷控制元件中的電流，從而將電路中的電流分流到旁路元件，并且，當(dāng)旁路元件的電流超過IBYPASS TRIP時，旁路元件就將電路中的電流降低到IINTERRUPT以下，從而允許斷路元件遮斷電路中的電流。
此外，在本發(fā)明的各種組合中，PTC器件限制了通過電路的故障電流的幅值。這種限制電流的方式是一種非常有用的特征，在工業(yè)將其稱為“故障電流限制”。PTC器件的故障電流限制功能在以往是沒有報道的。
另外，除了用于過電流保護之外，本發(fā)明的組合允許在正常操作的電路中使用機械式開關(guān)和PTC器件來切換電壓和電流，而這種機械式開關(guān)和PTC器件的電壓和/或電流定額卻遠遠低于電路的正常操作電壓和電流。這種特性允許在正常操作中使用比原來所需要的更小并且更便宜的機械式開關(guān)和PTC器件。
為電路提供過電流保護時所執(zhí)行的功能包括1)檢測電流；2)遮斷電流；3)限制傳送給電路的能量；以及4)隔離電路和電源。在本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)中，機械式開關(guān)和聚合物的PTC器件被組合在一起，從而使每個元件執(zhí)行與其有關(guān)的功能。用聚合物的PTC器件檢測過電流，并且限制傳送給被保護電路的能量。聚合物PTC器件和機械式開關(guān)共同用于遮斷電路。此外，機械式開關(guān)可以用來為電路提供符合工業(yè)標準的隔離。


圖1a，1b和1c表示了本發(fā)明的過電流保護電路中使用的PTC器件和機械式開關(guān)的串聯(lián)，并聯(lián)，以及串/并聯(lián)組合。如下文所述，為了提供支持性的功能，在本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)中還可以將其他元件與PTC器件和開關(guān)組合在一起。本文中使用的術(shù)語“最大過電流”是指若是在電路中沒有用來限制電流的電路保護裝置時可能導(dǎo)致電路過載或是出現(xiàn)故障狀態(tài)的最大電流。按照本發(fā)明的原理，元件在過電流保護電路中的結(jié)構(gòu)允許選擇具有以下特性的PTC器件和開關(guān)(1)在圖1a所示的結(jié)構(gòu)中，PTC器件2和機械式開關(guān)4是串聯(lián)的，二者都具有至少達到正常電路電流的通過電流。PTC器件2的電壓定額明顯地低于電路的正常電壓。開關(guān)4可以在正常的電路電壓下遮斷一個低電流，但是不能遮斷正常電壓下的最大過電流。在出現(xiàn)過電流時，PTC器件2的電阻增大，并且將電流降低到使電流低于開關(guān)4的遮斷電流的水平。開關(guān)4斷開，從而切斷電流，并且保護PTC器件2防止其過電壓。
(2)在圖1b所示的結(jié)構(gòu)中，PTC器件2和開關(guān)6是并聯(lián)的，二者都具有至少達到電路電壓的電壓定額。PTC器件2的通過電流定額明顯地低于正常電壓下的正常電路電流。開關(guān)6可以在低電壓下遮斷最大過電流，但是在正常電壓下不能遮斷最大過電流。在出現(xiàn)過電流時，電流可以分流到PTC器件2，從而使開關(guān)6在低電壓下遮斷電流。PTC器件2的電阻增大，并且將電流降低到一個低電流值。
(3)在圖1c所示的結(jié)構(gòu)中，將(2)中所述的PTC器件2和第一開關(guān)6的并聯(lián)組合與第二開關(guān)4串聯(lián)。在這種情況下，PTC器件2和第一開關(guān)6的并聯(lián)組合的電壓定額明顯地低于電路的正常電壓。第二開關(guān)4可以在正常電壓下遮斷一個低電流，但是不能遮斷正常電壓下的最大過電流。在出現(xiàn)過電流時，第一開關(guān)6斷開，將電流分流到并聯(lián)的PTC器件2。PTC器件2的電阻增大，從而降低電流，并且允許第二開關(guān)4斷開。在這種結(jié)構(gòu)中，PTC器件可以很快地切換到高電阻狀態(tài)，以便降低電流，防止串聯(lián)開關(guān)受到損害。同時，第二開關(guān)4的延時斷開在某些情況下是有益的，這種結(jié)構(gòu)在兩個開關(guān)4，6基本上同時斷開的情況下也是有效的。
在圖1a的串聯(lián)組合中，串聯(lián)的開關(guān)4在電路中是接在PTC器件2后面的。在圖1b的串/并聯(lián)組合中，串聯(lián)的第一開關(guān)4在電路中處在PTC器件2和并聯(lián)的第二開關(guān)6的并聯(lián)組合前面。盡管過電流保護電路的電氣性能并不取決于這種次序，串聯(lián)開關(guān)的位置還可能受到其他因素的支配。例如，圖1c所示的次序在過電流的情況下還具有附加的優(yōu)點，那就是串聯(lián)的第一開關(guān)4除了能隔離負載和電源之外還可以用來隔離過電流保護電路中的其他元件。如果這些元件是人可以接近并且容易接觸的，就需要具備這種特點。
圖2a，2b，2c和2d所示的框圖描繪了過電流保護電路的操作元件，該電路所執(zhí)行的功能有檢測電流，遮斷電路，限制傳送給電路的能量，以及在某些結(jié)構(gòu)中將電路和電源隔離。圖2a和2b的框圖對應(yīng)著圖1a中所示的PTC器件2和一個開關(guān)4的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，控制元件104包括PTC器件2，遮斷元件108包括串聯(lián)開關(guān)6，而圖2b中的旁路元件106包括附加的電路元件。圖2c的框圖對應(yīng)著圖1b所示的PTC器件2和一個開關(guān)4的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，控制元件104包括并聯(lián)的開關(guān)6，而旁路元件106包括PTC器件2。圖2d的框圖對應(yīng)著圖1c所示的PTC器件2和開關(guān)4，6的串/并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中的遮斷元件包括串聯(lián)開關(guān)4，控制元件包括并聯(lián)的開關(guān)6，而旁路元件包括PTC器件2。
從上述的說明中可以看出，按照各個部件在本發(fā)明幾個方面的各種實施例中的特定結(jié)構(gòu)，盡管本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)中使用的PTC器件提供了電流檢測功能和限制故障電流的功能，這種PTC器件還可以作為不同的操作元件執(zhí)行其他的功能，例如可以作為控制元件104和旁路元件106。
圖2b的框圖用總的標號120表示了過電流保護電路的第一方面。在本發(fā)明第一方面的過電流保護電路中，檢測電流，遮斷電流，以及限制傳送給電路的能量等三項功能是由可以分成控制元件104，旁路元件106和遮斷元件108的三個部件來執(zhí)行的。電源102和負載112是所有電路中普遍存在的兩個工作元件。
電源102向電路提供電源，負載112執(zhí)行電路本身的有關(guān)功能?？刂圃?04，旁路元件106和遮斷元件108協(xié)同完成過電流保護的工作?？刂圃?04在過電流的情況下執(zhí)行檢測電流并且限制傳送給電路的能量等兩種功能。遮斷元件108執(zhí)行遮斷電路中的電流的功能。旁路元件106被用來轉(zhuǎn)移一部分或是所有負載電流，以便減少遮斷元件108中的電流，或是降低遮斷元件108兩端的電壓，或是同時降低電流和電壓，使遮斷元件108能夠安全地遮斷電路中的電流。
控制元件104檢測電流，并且確定提供給負載112的電流是否處在正常的可接受范圍之內(nèi)。當(dāng)控制元件104確定了提供給負載112的電流過大時，控制元件104就和旁路元件106協(xié)同工作，將電流轉(zhuǎn)移到旁路元件106。當(dāng)轉(zhuǎn)移到旁路元件106的電流達到一個預(yù)定的門限時，旁路元件106就接通遮斷元件108，令遮斷元件108減少或是停止向負載112提供的電流。在過電流條件下，控制元件104迅速檢測出過電流，并且將電流轉(zhuǎn)移到旁路元件106，以便限制傳送給電路的能量，從而允許遮斷元件108安全地遮斷提供給負載112的電流。
在圖3a中表示了按照本發(fā)明的原理在AC電路中使用的第一方面的過電流保護電路的一個實施例，在電路中采用了一定結(jié)構(gòu)的PTC器件，全波橋式整流器，繼電器和電阻。過電流保護電路10在過電流狀態(tài)下提供保護。在第一實施例中，PTC器件12與負載24串聯(lián)連接。AC電源28在工作電壓下對負載24供電。在電源28處于工作電壓時，提供給PTC器件12和負載24的電流低于PTC器件12的斷路電流，PTC器件12的電阻很低，因此，PTC器件12兩端的電壓降是很低的。繼電器14被斷電，繼電器的第一接點16和第二接點18都處在閉合位置。由于電源28處在工作電壓，并且PTC器件12的電阻很低，橋式整流器電路26的輸入電壓等于PTC器件12兩端的電壓，并且可以忽略不計。因此，橋式整流器電路26的輸出電壓低于繼電器14所需的激勵電壓。
在由于故障造成PTC器件12中的電流增大到PTC器件12的電流定額以上時，PTC器件12的電阻就會明顯地增大。因此，PTC器件12兩端的電壓降足以使橋式整流器電路26的輸出電壓激勵繼電器14。
當(dāng)繼電器14受到激勵時，其第一接點16和第二接點18打開，使旁路電阻22與負載24串聯(lián)，將負載24中的電流限制在一個安全值。由于電源28處在工作電壓，繼電器線圈14和負載24中的涓流電流可以使繼電器14維持激勵。
在繼電器14被激勵時，PTC器件12從負載24的電路上被斷開。由于PTC器件12中沒有電流流過，PTC器件12會冷卻，并且PTC器件12的電阻會恢復(fù)到很低的值。
如果降低電源28的電壓，使繼電器14兩端的電壓下降到繼電器14的保持電壓以下，就能使過電流保護電路10復(fù)位，從而閉合第一接點16和第二接點18。
圖3b表示圖3a的過電流保護電路10，用虛線圍住的過電流保護電路10的部件對應(yīng)著圖2b中所示的五個元件，即電源102，控制元件104，旁路元件106，遮斷元件108，以及負載112。
圖3c表示在圖3a的電路結(jié)構(gòu)中加上了與PTC12并聯(lián)連接的一個可變電阻32?？勺冸娮?2起到電壓箝位器件的作用，用來限制由于PTC12的電阻在最初迅速增大時可能在PTC12兩端引起的電壓。在急劇上升的過電流使PTC12迅速切換到高電阻狀態(tài)時很可能出現(xiàn)這種情況。當(dāng)PTC12的電阻迅速增大而使電流降低到一個低值時，由于電路中存在電感，PTC12兩端的感應(yīng)電壓會很高。其他電壓箝位器件也可以用來代替可變電阻32，例如背對背的齊納二極管，二極管的結(jié)構(gòu)，以及其他器件。
圖3d表示在DC應(yīng)用中經(jīng)過簡化的圖3a的過電流保護電路結(jié)構(gòu)。圖3a中表示的橋式整流電路26在圖3d中被省掉了，將繼電器線圈14連接在PTC12兩端。圖3d電路中的電源34是一個DC電源。圖3d中其他電路部件的情況與圖3a中所述的部件相同。
圖3e表示在圖3d的電路結(jié)構(gòu)中加上了與PTC12并聯(lián)連接的一個可變電阻32。與圖3c中的可變電阻32相同，圖3e中的可變電阻32起到電壓箝位器件的作用。其他電壓箝位器件也可以用來代替可變電阻32，例如背對背的齊納二極管，二極管的結(jié)構(gòu)，以及其他器件。
在圖3f中表示了按照本發(fā)明第一方面的過電流保護電路30的一個實施例的第二種結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電源28提供一個操作電壓時，繼電器14被斷電，其第一接點16閉合，并且使第二接點18閉合，接通負載24的電路。在出現(xiàn)過電流時，PTC器件12的溫度迅速上升，使PTC器件12的電阻增大。橋式整流電路26的輸出電壓激勵繼電器14。第一接點16打開，從電路中去掉PTC12，由第二接點18打開負載24的電路，并且閉合通向降壓電阻36的電路，以便使繼電器14保持激勵狀態(tài)。由于第一接點16被打開，在PTC器件12的電路中沒有電流。PTC器件12冷卻，使PTC器件12的電阻恢復(fù)到很低的值。第二接點18使負載安全地脫離電源28。
降低電源28的供電電壓，就可以使過電流保護電路30復(fù)位。當(dāng)電源28的電壓下降時，繼電器14被斷電，第一接點16閉合，將PTC12接入電路，并且用第二接點18閉合通向負載24的電路。
在圖3g中表示了按照本發(fā)明第一方面的過電流保護電路40的一個實施例的第三種結(jié)構(gòu)。第三種結(jié)構(gòu)提供了分別由圖3a和3f所示的第一10和第二30結(jié)構(gòu)所提供的過電流保護，并且還可以在過載原因已被消除后的預(yù)定時間延遲之后自動地重新連接負載24。第一方面第三種結(jié)構(gòu)的這一實施例的過電流保護電路40包括一個旁路PTC38，并且僅僅使用繼電器14的第一接點16。旁路PTC38從低電阻切換到高電阻時的電流比PTC12的切換電流要低。在第三種結(jié)構(gòu)中，用電源28提供操作電壓，繼電器14被斷電，由第一接點16閉合通向負載24的電路。在過電流的狀態(tài)下，PTC12中的高電流使PTC12的電阻增大。結(jié)果，橋式整流電路26的輸出電壓升高，激勵繼電器14，第一接點16打開。流經(jīng)旁路PTC38和負載24的電流使繼電器14保持在激勵狀態(tài)。經(jīng)過由與繼電器14的線圈串聯(lián)連接的旁路電阻42的值所確定的一個時間延遲之后，旁路PTC 38的電阻變得很高，使繼電器14斷電，從而使第一接點16閉合。如果故障的原因在時間延遲期間已經(jīng)消除了，就重新連接電路40，繼續(xù)其正常操作。如果故障的原因繼續(xù)存在，PTC12就在旁路PTC38完全冷卻之前立即重新跳到高電阻狀態(tài)，以免繼電器14被再次激勵。如果故障的原因沒有消除，PTC12和旁路PTC38都保持在高電阻狀態(tài)，直到電源28的供電電壓或是負載24被去掉時為止。如果去掉了電源28或是負載24，PTC12和旁路PTC 38就會冷卻，其各自的電阻恢復(fù)到低電阻值，以便允許正常的電路操作。
參見圖3f和3g，例如圖3c的可變電阻32那樣的電壓箝位器件可以和PTC12并聯(lián)連接，以便限制由于電路中的電流迅速降低而感應(yīng)的電壓。其他電壓箝位器件也可以用來代替可變電阻32，例如背對背的齊納二極管，二極管的結(jié)構(gòu)，以及其他器件。
盡管在附圖中沒有表示，在AC應(yīng)用中也可以用AC繼電器來代替DC繼電器，在這種情況下不需要使用全波橋式整流電路26。同樣，盡管是按照AC應(yīng)用來描述的，圖3a，3b，3c，3f和3g所示的電路也可以用于DC應(yīng)用，但是橋式整流電路26就多余了。如果象圖3d和3e那樣去掉橋式整流電路26，圖3f和3g的所示的系統(tǒng)也可以修改成DC電路。
圖3c到3g中所示的各個電路中的電氣元件可以象對應(yīng)圖3a電路的圖3b所示的那樣進行編組，用圖2b中所示的功能性元件來代表這些編組的電氣元件。
圖2d表示一個功能性框圖，它表示了由本發(fā)明第二方面的過電流保護電路的一個實施例的電氣元件所執(zhí)行的功能。用總的標號140表示的過電流保護電路包括圖2b中所示的五個功能元件，然而，圖中的遮斷元件108被放在控制元件104前面，而旁路元件106是與控制元件104并聯(lián)的。
電源102向電路140提供電源，負載112執(zhí)行電路140的具體功能。控制元件104，旁路元件106和遮斷元件108協(xié)同完成過電流保護的工作?？刂圃?04在出現(xiàn)故障的情況下執(zhí)行檢測電流并且限制傳送給電路的能量等功能。遮斷元件108執(zhí)行遮斷電路并且隔離電路的功能。
控制元件104確定提供給負載112的電流是否處在正常的可接受范圍。當(dāng)控制元件104確定了提供給負載112的電流過大時，控制元件104就和旁路元件106協(xié)同工作，將電流轉(zhuǎn)移到旁路元件106。當(dāng)轉(zhuǎn)移到旁路元件106的電流達到一個預(yù)定的門限時，控制元件104就通知遮斷元件108，令遮斷元件108停止向負載112提供電流。
圖4a中表示在現(xiàn)有技術(shù)中公知的一種普通GFI器件內(nèi)的典型電路。為了便于說明以下附圖中的電路，由GFI器件構(gòu)成的部件除了接點224和226之外都是畫在虛線以內(nèi)的，用一個總的標號200來表示。在普通的GFI電路中，在線204和回路206中流動的電流在GFI變壓器232的兩個初級繞組208，210中是方向相反的。如果線204和回路線206中的電流相等，在GFI變壓器232中產(chǎn)生的磁場就是零，在次級繞組212中感應(yīng)的電流基本上等于零。如果線204和回路線206中的電流不相等，例如在線204到地234之間發(fā)生接地故障的情況下，不平衡電流就會在GFI變壓器232中產(chǎn)生磁場。如果不平衡電流超過了一個預(yù)定的門限，在GFI變壓器232中產(chǎn)生的磁場就會使次級繞組212中感應(yīng)的電流超過一個預(yù)定的門限。由一個檢測電路214確定次級繞組212中感應(yīng)的電流超過一個預(yù)定的門限，并且激勵一個閉鎖繼電器222。當(dāng)閉鎖繼電器222受到激勵時，常閉接點224，226被打開，去掉提供給負載228的電源。接點224，226保持打開，直到將其手動復(fù)位到閉合位置時為止。
在圖4b中表示了按照本發(fā)明第二方面的過電流保護電路的一個實施例的結(jié)構(gòu)。在圖4b的過電流保護電路250中，PTC 242與GFI 200和線204串聯(lián)，旁路電阻244與串聯(lián)的PTC 242和GFI 200并聯(lián)。在正常操作狀態(tài)下，PTC242中的電流低于斷路電流，PTC242的電阻很低。在過電流狀態(tài)下，PTC242的電阻增大，并且限制從PTC242流入GFI200的電流。結(jié)果，電流繞過PTC242和GFI200被分流到旁路電阻244，從而造成GFI200中的電流不平衡。當(dāng)GFI200中的電流不平衡達到一個預(yù)定值時，GFI200就打開接點224，226，遮斷負載228的電流。
圖4b的電路中的電氣元件可以象對應(yīng)圖3a電路的圖3b那樣進行編組，用圖2d中所示的功能性元件來代表這些編組的電氣元件。
參見圖4c，例如一個可變電阻32的電壓箝位器件可以和圖4b中的PTC242并聯(lián)連接，以便限制由于電路中的電流迅速降低而感應(yīng)的電壓。其他電壓箝位器件也可以用來代替可變電阻32，例如背對背的齊納二極管，二極管的結(jié)構(gòu)，以及其他器件。
參見圖2a，圖中表示了按照本發(fā)明第三方面的過電流保護電路的一個實施例中的電氣部件所執(zhí)行功能的一個功能性框圖。用總的標號100表示的這一過電流保護電路包括上述的五個操作元件中的四個，即電源102，控制元件104，遮斷元件108，以及負載112。
電源102向電路提供電源，負載112執(zhí)行電路本身的有關(guān)功能。控制元件和遮斷元件協(xié)同完成過電流保護。控制元件104在過電流的情況下執(zhí)行檢測電流并且限制傳送給電路的能量等兩種功能。遮斷元件執(zhí)行遮斷電路中的電流的功能。
控制元件檢測電流，并且確定提供給負載112的電流是否處在正常的可接受范圍。當(dāng)控制元件104確定了提供給負載112的電流過大時，控制元件104就降低電路中的電流。通過降低電路中的電流，控制元件104通知遮斷元件108，令遮斷元件進一步降低或是停止向負載112提供電流。控制元件104在過電流狀態(tài)下通過迅速地檢測出過電流，并且降低過電流，從而限制傳送給電路的電能，以便允許遮斷元件安全地遮斷提供給負載112的電流。
在圖5a中表示了按照本發(fā)明的原理在AC應(yīng)用中采用PTC器件和繼電器的一種過電流保護電路的第三方面的一個實施例。在這一實施例中，PTC器件304與負載312串聯(lián)連接，常開繼電器接點306被串聯(lián)在PTC器件304和負載312之間。繼電器線圈308與負載312并聯(lián)連接。利用一個開關(guān)310使系統(tǒng)閉合，在圖5a中用一個按鈕開關(guān)來表示。當(dāng)開關(guān)310閉合時，電流流入電路300，激勵繼電器線圈308。被激勵的繼電器線圈308使繼電器接點306閉合，用閉合的繼電器接點306將繼電器308閉鎖在激勵狀態(tài)。
如果出現(xiàn)過電流，PTC器件304的電阻增大，降低電路300中的電流，從而降低負載和繼3，2電器線圈308兩端的電壓。當(dāng)繼電器線圈308兩端的電壓降低到繼電器線圈308的保持電壓VHOLD以下時，繼電器接點306就會恢復(fù)到打開狀態(tài)，并且保持閉鎖在打開的位置。
在圖5b中所示的系統(tǒng)是在圖5a的電路中加上了與繼電器線圈308和負載312并聯(lián)的背對背的齊納二極管316，318。這種結(jié)構(gòu)除了過電流保護之外還提供了過電壓保護。如果電壓大于齊納二極管316，318的擊穿電壓，齊納二極管316，318就會引起很大的電流，這一電流又會使PTC器件304的電阻增大，從而降低繼電器線圈308兩端的電壓，使繼電器接點306打開。
參見圖5c，例如可變電阻32的一個電壓箝位器件可以和PTC器件304并聯(lián)連接，用來限制由于PTC器件304的電阻在最初迅速增大時可能在PTC器件304兩端引起的電壓。
圖6a到6f表示按照本發(fā)明的原理采用一個PTC器件和一個雙金屬開關(guān)的過電流保護電路的第四方面實施例的幾種結(jié)構(gòu)。盡管圖6a到6f所示的電路中采用了一個AC電源402，這種過電流保護電路也可以用于DC電路。
圖6a到6f所示的過電流保護電路包括圖1a，1b和1c的串聯(lián)，并聯(lián)，和串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且分別包括可以用于上述各種用途的電壓和電流定額關(guān)系。
圖6a表示一種過電流保護電路400，PTC器件404與負載410串聯(lián)連接，雙金屬開關(guān)406與PTC器件404并聯(lián)連接。另外，PTC器件404和雙金屬開關(guān)406是熱耦合的。這種結(jié)構(gòu)吸取了雙金屬開關(guān)406的低電阻和斷路溫度可以控制的優(yōu)點。在過電流的情況下，雙金屬開關(guān)406發(fā)熱并且打開，將電流分流到PTC器件404。PTC器件404中的過電流使PTC器件404迅速轉(zhuǎn)變到高電阻狀態(tài)，使電流下降到很低的水平。PTC器件404中的低電流使PTC器件404持續(xù)發(fā)熱，并且保持在高電阻狀態(tài)。來自PTC器件404的熱量將雙金屬開關(guān)406閉鎖在斷路狀態(tài)，防止雙金屬開關(guān)406的接點出現(xiàn)振蕩。
由于電流被分流到PTC器件404，雙金屬開關(guān)406的接點不會起弧，因為這些接點不需要在操作電壓下切換電流。在這種結(jié)構(gòu)中，PTC器件404和雙金屬開關(guān)406可以限制輸送到電路中的故障電流。
圖6b表示一種過電流保護電路420，PTC器件404和一個串聯(lián)的雙金屬開關(guān)412與負載410串聯(lián)連接。PTC器件404和串聯(lián)的雙金屬開關(guān)412是熱耦合的。在這種結(jié)構(gòu)中，過電流會觸發(fā)PTC器件404，使PTC器件404轉(zhuǎn)變到高電阻狀態(tài)。來自PTC器件404的熱量使串聯(lián)的雙金屬開關(guān)412斷路。串聯(lián)雙金屬開關(guān)412的接點打開，使PTC器件404上的電壓消失。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是允許PTC器件404在較高的電壓下工作，并且這種組合可以在較高的電壓下提供過電流保護。
在過電流被遮斷之后，某些場合下希望使串聯(lián)的雙金屬開關(guān)412能在過電流狀態(tài)消失之后自動地重新閉合。在串聯(lián)雙金屬開關(guān)412切斷電路中的電流之后，在圖6b的電路中就會自動出現(xiàn)這種情況。這是因為PTC器件404將會冷卻，從而使串聯(lián)的雙金屬開關(guān)412重新閉合。如果仍然存在過電流，PTC器件404/串聯(lián)雙金屬開關(guān)412的組合就會再次遮斷電路中的電流。只要過電流的原因仍然存在，這種動作就會不斷地重復(fù)。在不希望使串聯(lián)雙金屬開關(guān)412自動地重新閉合的場合中，串聯(lián)的雙金屬開關(guān)412可以是一種閉鎖器件，例如圖6e和6f中所示的具有復(fù)位按鈕422的閉鎖式雙金屬開關(guān)432。
圖6c表示一種過電流保護電路430，PTC器件404和雙金屬開關(guān)406的并聯(lián)組合與串聯(lián)雙金屬開關(guān)412串聯(lián)連接。這種結(jié)構(gòu)具有圖6a的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的過電流保護特征，并且具有圖6b中串聯(lián)結(jié)構(gòu)的高電壓容量和電動打開(galvanicopen)的特征。在這種結(jié)構(gòu)中，并聯(lián)雙金屬開關(guān)406在過電流時斷路，將電流分流到PTC器件404。PTC器件404隨之切換到高電阻狀態(tài)，使電路430中的電流下降到很低的水平。來自PTC器件404的熱量使串聯(lián)雙金屬開關(guān)412斷路，去掉PTC器件404上的電壓。由串聯(lián)雙金屬開關(guān)412的接點切斷的電流很小。如圖6c所示，在串聯(lián)雙金屬開關(guān)412打開，PTC器件404以及并聯(lián)雙金屬開關(guān)406冷卻之后，這種結(jié)構(gòu)就可以形成循環(huán)。如上所述，在不需要自動復(fù)位功能的場合中，串聯(lián)雙金屬開關(guān)412可以采用閉鎖器件，并且包括圖6e和6f所示的手動復(fù)位按鈕422。圖6e還表示了一個諸如可變電阻32的電壓箝位器件，它可以和PTC器件404并聯(lián)連接，用于限制由于PTC器件404的電阻最初迅速增大時可能在PTC器件404兩端引起的電壓。
圖6d表示與圖6c的電路不同的另一種結(jié)構(gòu)，用第二PTC器件414來閉鎖串聯(lián)雙金屬開關(guān)412。在正常電流的狀態(tài)下，串聯(lián)雙金屬開關(guān)412將負載410連接到電路中。并聯(lián)PTC器件404和雙金屬開關(guān)406按照上述操作方式降低電流。PTC器件404產(chǎn)生的熱量使串聯(lián)雙金屬開關(guān)412斷開，切斷負載410的連接線，并且閉合第二PTC器件414的連接線。第二PTC器件414的熱量將串聯(lián)雙金屬開關(guān)412閉鎖在打開狀態(tài)。在這一電路中，第二PTC器件414也可以采用陶瓷PTC器件或是一個恒功率加熱器，例如一個電阻。
圖6f表示一種與圖6b類似的過電流保護電路，由一個可變電阻424額外地提供過電壓保護功能。在短暫的過電壓期間，可變電阻424在吸收能量時不會損壞。如果持續(xù)地出現(xiàn)過電壓，可變電阻424中的電流就會使PTC器件404斷路，使電流下降到很低的值。PTC器件404產(chǎn)生的熱量使閉鎖雙金屬開關(guān)432斷開，去掉PTC器件404上的電壓。這種結(jié)構(gòu)具有多種優(yōu)點。小的可變電阻424可以用來防止持續(xù)的過電壓故障，并且可以使電路閉鎖在打開狀態(tài)，對持續(xù)的過電壓提供保護。
在以上的本發(fā)明幾個方面實施例的結(jié)構(gòu)中，由電路元件共同完成的功能有檢測電流，遮斷電流，以及限制傳送給電路的能量，并且在某些結(jié)構(gòu)中可以將電路和電源隔離，以此來提供過電流保護。PTC器件和機械式開關(guān)的組合同樣也可以用于通用的斷路器和開關(guān)，并且其形式可以進一步簡化。例如，對圖1c的電路來說，在元件之間具有上述的電壓和電流定額關(guān)系。在普通的斷路器中，斷路信號通常獨立于電路的打開，在高電壓下通常是由一個保護繼電器來執(zhí)行的，利用電壓互感器(PT)或是電流互感器(CT)的低電壓打開保護繼電器。在采用圖1c結(jié)構(gòu)的斷路器中，機械開關(guān)4，6是同時打開的，連接到PTC器件2的第二開關(guān)6與第一開關(guān)4串聯(lián)。在前半個周期中，第一開關(guān)4起弧，直到電流周期的過零點。在這一過程中，PTC器件的電阻增大，將電流限制在第二開關(guān)6可以遮斷的電流值。這種組合的優(yōu)點在于PTC器件2在半個周期內(nèi)接在電路中，因此不需要在長時間內(nèi)承受高電壓；PTC器件2并非實際地切斷電路，因此，斷路器的操作并不取決于PTC器件2的溫度是否準確或是能夠維持；PTC器件2的電阻在低電阻狀態(tài)下并不重要，因為PTC器件2在正常操作期間沒有接在電路中；PTC器件2的電阻僅僅需要增大二、三十倍就可以限制二、三十倍的故障電流；而機械式接點4，6的故障電流遮斷要求卻可以降低二、三十倍。盡管這種結(jié)構(gòu)需要兩個機械式接點4，6而不是一個，但是，這兩個低故障電流接點的價格卻只有一個高故障電流接點價格的零頭。在上文中已經(jīng)說明了圖1c的結(jié)構(gòu)在遮斷故障電流的斷路器中的應(yīng)用。同樣的結(jié)構(gòu)也可以有效地用于切換正常電流的簡單開關(guān)，以便能夠使用低電流定額的機械式開關(guān)來代替所需要的其它開關(guān)。這種開關(guān)的操作方式與斷路器是相同的，只是在打開機械式接點4，6時可以手動操作，或是采用機電或是其他的自動化裝置。
權(quán)利要求
1.一種電氣保護系統(tǒng)，可以串聯(lián)連接在電源和一個電氣負載之間構(gòu)成一個操作電路，并且用這種連接為電路提供過電流保護，該系統(tǒng)包括a.一個控制元件(1)當(dāng)一個比較低的電流INORMAL通過該元件時，它具有較低的電阻RLOW，并且(2)當(dāng)流過的電流從INORMAL增加到一個較高的電流IFAULT時，就被轉(zhuǎn)換到一個較高的電阻RFAULT；b.一個斷路元件(1)與該控制元件串聯(lián)連接，(2)當(dāng)電流INORMAL通過該控制元件時具有一種正常狀態(tài)，這種正常狀態(tài)允許電流INORMAL在該系統(tǒng)中通過，并且(3)具有一種故障狀態(tài)，這種狀態(tài)最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流通過；以及c.一個旁路元件(1)與該控制元件和該斷路元件的串聯(lián)組合并聯(lián)地連接，并且(2)功能性地連接到該斷路元件上，可以用通過該旁路元件的增加的電流將該斷路元件轉(zhuǎn)換到故障狀態(tài)；其中，當(dāng)通過該系統(tǒng)的電流從INORMAL增大到IFAULT時，(i)該控制元件的電阻從RLOW增大到RFAULT，(ii)通過旁路元件的電流增大，并且(iii)斷路元件被轉(zhuǎn)換到故障狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是該控制元件包括第一PTC器件。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是該控制元件包括一個與第一PTC器件并聯(lián)連接的電壓箝位器件。
4.如權(quán)利要求1到3之一所述的系統(tǒng)，其特征是該斷路元件包括一個電路開關(guān)，該開關(guān)在正常狀態(tài)下閉合，在故障狀態(tài)下打開。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征是該旁路元件包括一個繼電線圈，該線圈響應(yīng)在旁路元件中流過的增大的電流，使電路開關(guān)從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變成故障狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征是該旁路元件包括a.與繼電器線圈串聯(lián)連接的一個旁路電阻；以及b.一個旁路開關(guān)(1)與該繼電器線圈串聯(lián)連接，并且和該旁路電阻并聯(lián)連接，并且(2)當(dāng)該電路開關(guān)閉合時，旁路開關(guān)就閉合，在該電路開關(guān)打開時就打開。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，上述旁路元件包括第二PTC器件，其特征是a.與該繼電器線圈和該旁路電阻串聯(lián)連接，并且b.具有一個斷路電流，它小于通過繼電器線圈的電流，并且使電路開關(guān)從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)。
8.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括一個輔助的雙極電路開關(guān)和一個輔助電阻，a.該輔助雙極電路開關(guān)是這樣切換的，(1)當(dāng)電路開關(guān)閉合時，將負載連接到電源，并且(2)當(dāng)電路開關(guān)打開時，將負載從電源上斷開，并且將輔助電阻連接到電源上；以及b.該輔助電阻具有足夠小的電阻，允許足夠的電流流入該旁路元件的繼電器線圈，以便使電路開關(guān)維持其故障狀態(tài)。
9.一種電路，包括a.一個電源；b.一個電氣負載；以及c.如權(quán)利要求1至8之一所述的電氣保護系統(tǒng)。
10.在一個電路中包括具有電壓VNORMAL的一個電源，一個電氣負載，以及一個保護系統(tǒng)，該電路具有一種正常操作狀態(tài)，該狀態(tài)下通過保護系統(tǒng)的電流是正常電流INORMAL，該系統(tǒng)包括a.一個控制元件(1)當(dāng)一個比較低的電流INORMAL通過該元件時，它具有較低的電阻RLOW，并且(2)當(dāng)流過的電流從INORMAL增加到一個較高的電流IFAULT時，就被轉(zhuǎn)換到一個較高的電阻RFAULT；b.一個斷路元件，它與該控制元件相串聯(lián)，并且具有(1)承載電流的定額LCARRY，該定額大于INORMAL，(2)遮斷電流的定額IINTERRUPT，當(dāng)電壓等于VNORMAL時，該定額明顯地小于IFAULT，(3)一種正常狀態(tài)，當(dāng)電流INORMAL通過控制元件時，這種正常狀態(tài)允許電流INORMAL通過該系統(tǒng)，以及(4)一種故障狀態(tài)，該狀態(tài)最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流通過；以及c.一個旁路元件，該元件(1)與該控制元件和該斷路元件的串聯(lián)組合并聯(lián)地連接，并且(2)功能性地連接到斷路元件上，可以用通過旁路元件的增加的電流將斷路元件轉(zhuǎn)換到故障狀態(tài)；因此，當(dāng)保護系統(tǒng)中的電流增大到IFAULT時，控制元件的電阻從RLOW增大到RFAULT，通過旁路元件的電流增大，電路中的電流被降到IINTERRUPT以下，從而使斷路元件轉(zhuǎn)換到故障狀態(tài)并且遮斷電路中的電流。
11.一種電氣保護系統(tǒng)，可以連接在電源和一個電氣負載之間構(gòu)成一個操作電路，并且用這種連接為電路提供過電流保護，該系統(tǒng)包括a.一個斷路元件，它具有(1)一種正常狀態(tài)，允許流過一個正常的電流INORMAL，以及(2)一種故障狀態(tài)，該狀態(tài)最多只允許一個明顯小于電流INORMAL的小電流通過；b.一個控制元件(1)與斷路元件串聯(lián)連接；(2)具有一個可變電阻(a)當(dāng)電路中的電流是正常電流INORMAL時，其電阻比負載低，并且(b)當(dāng)負載中的電流明顯地超過正常電流INORMAL時，其電阻明顯地增加，(3)包括一個比較器，用于比較(a)控制元件中在一個控制比較點上的電流ICONTROL，和(b)負載中在一個負載比較點上的電流ILOAD，以及(4)當(dāng)ICONTROL與ILOAD的差別超過了一個預(yù)定的電流不平衡值IDIFF時，使斷路元件從其正常狀態(tài)改變到故障狀態(tài)；以及c.一個旁路元件(1)與控制元件并聯(lián)地連接，并且(2)具有這樣一種電阻(a)當(dāng)電路中的電流是INORMAL時，旁路元件的電阻與控制元件的電阻之比可以使得ICONTROL和ILOAD的差別小于IDIFF，并且(b)當(dāng)電路中的電流超過INORMAL一個預(yù)定的電流量時，旁路元件的電阻與控制元件的電阻之比就會使ICONTROL和ILOAD的差別大于IDIFF。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征是控制元件包括一個PTC器件。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征是控制元件包括一個與PTC器件并聯(lián)連接的電壓箝位器件。
14.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征是旁路元件包括一個旁路電阻，其電阻值基本上與溫度無關(guān)。
15.一種電氣電路，包括a.一個電源；b.一個電氣負載；以及c.如權(quán)利要求11至14之一所述的電氣保護系統(tǒng)。
16.在一個電路中包括具有電壓VNORMAL的一個電源，一個電氣負載，以及一個保護系統(tǒng)，該電路具有一種正常操作狀態(tài)，該狀態(tài)下通過保護系統(tǒng)的電流是正常電流INORMAL，該系統(tǒng)包括a.由機械式開關(guān)構(gòu)成的一個斷路元件，該元件具有(1)承載電流的定額ICARRY，該定額大于INORMAL，(2)遮斷電流的定額IINTERRUPT，當(dāng)電壓等于VNORMAL時，該定額明顯地小于一個電流ITRIP；(3)一種正常狀態(tài)，該狀態(tài)允許流過正常的電流INORMAL，以及(4)一種故障狀態(tài)，該狀態(tài)最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流通過；b.一個控制元件(1)與斷路元件串聯(lián)連接；(2)具有一個可變電阻(a)當(dāng)電路中的電流是正常電流INORMAL時，其電阻比負載低，并且(b)當(dāng)負載中的電流超過一個大于INORMAL的斷路電流ITRIP時，其電阻明顯地增加，(3)包括一個比較器，用于比較(a)控制元件中在一個控制比較點上的電流ICONTROL，和(b)負載中在一個負載比較點上的電流ILOAD，以及(4)當(dāng)ICONTROL與ILOAD的差別超過了一個預(yù)定的電流不平衡值IDIFF時，使斷路元件從其正常狀態(tài)改變到故障狀態(tài)；以及c.一個旁路元件(1)與控制元件并聯(lián)地連接，并且(2)具有這樣一種電阻(a)當(dāng)電路中的電流是INORMAL時，旁路元件的電阻與控制元件的電阻之比可以使ICONTROL和ILOAD的差別小于IDIFF，并且(b)當(dāng)電路中的電流超過INORMAL一個預(yù)定的電流量時，旁路元件的電阻與控制元件的電阻之比就會使ICONTROL和ILOAD的差別大于IDIFF；因此，當(dāng)電路中的電流超過ITRIP時，控制元件將電路中的電流降到IINTERRUPT以下，從而使斷路元件能夠遮斷電路中的電流。
17.一種電氣保護系統(tǒng)，它可以串聯(lián)連接在電源和一個電氣負載之間構(gòu)成一個操作電路，并且用這種連接為電路提供過電流保護，該系統(tǒng)包括a.一個斷路元件，它具有(1)一種正常狀態(tài)，允許流過一個正常的電流INORMAL，以及(2)一種故障狀態(tài)，最多只允許一個明顯小于ILOAD的小電流通過；b.一個控制元件(1)與斷路元件串聯(lián)連接，并且(2)具有一個可變電阻(a)當(dāng)電流是正常電流INORMAL時，其電阻比負載低，并且(b)當(dāng)電流明顯地超過正常電流INORMAL時，其電阻明顯地增加；當(dāng)控制元件的電阻增加了一個預(yù)定的電阻值時，斷路元件就從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征是控制元件包括一個PTC器件。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征是控制元件進一步包括一個與PTC器件并聯(lián)連接的電壓箝位器件。
20.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征是斷路元件包括一個電路開關(guān)a.該開關(guān)在正常狀態(tài)下閉合，并且在故障狀態(tài)下打開；并且b.當(dāng)控制元件的電阻增加了預(yù)定量的電阻值時，該開關(guān)從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變成故障狀態(tài)。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征是(1)控制元件包括一個繼電器線圈；(2)當(dāng)控制元件的電阻增加了預(yù)定量的電阻值時，電阻的增加使繼電器線圈中的電流增大；并且(3)通過繼電器線圈中電流的增大使電路開關(guān)從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)。
22.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征是控制元件中包括與繼電器線圈并聯(lián)連接的背對背耦合的齊納二極管，當(dāng)耦合的齊納二極管兩端的電壓超過一個預(yù)定電壓值時，使電流通過耦合的齊納二極管，從而使控制元件中的電流增加一個足夠的量，使控制元件的電阻增加一個預(yù)定的電阻值。
23.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征是電路開關(guān)包括一個與PTC器件熱耦合的雙金屬開關(guān)，當(dāng)PTC器件的電阻增加了預(yù)定的電阻值時，PTC器件產(chǎn)生的熱量使雙金屬開關(guān)從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變成故障狀態(tài)。
24.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征是電路開關(guān)鎖定在打開位置，并且包括一個用于將電路開關(guān)復(fù)位到閉合位置的裝置。
25.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征是包括一個與負載并聯(lián)連接的可變電阻。
26.一種電氣電路，包括a.一個電源；b.一個電氣負載；以及c.如權(quán)利要求17至25之一所述的電氣保護系統(tǒng)。
27.在一個電路中包括具有電壓VNORMAL的一個電源，一個電氣負載，以及一個保護系統(tǒng)，該電路具有一種正常操作狀態(tài)，該狀態(tài)下通過保護系統(tǒng)的電流是正常電流INORMAL，該系統(tǒng)包括a.由機械式開關(guān)構(gòu)成的一個斷路元件，該元件具有(1)承載電流的定額ICARRY，該定額大于INORMAL，(2)遮斷電流的定額IINTERRUPT，當(dāng)電壓等于VNORMAL時，該定額明顯地小于一個電流ITRIP；(3)一種正常狀態(tài)，該狀態(tài)允許流過正常的電流INORMAL，以及(4)一種故障狀態(tài)，該狀態(tài)最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流通過；以及b.一個控制元件(1)與斷路元件串聯(lián)連接；并且(2)具有一個可變電阻(a)當(dāng)電流是正常電流INORMAL時，其電阻比負載低，并且(b)當(dāng)電流超過一個大于INORMAL的控制元件斷路電流ITRIP時，其電阻明顯地增加；因此，當(dāng)電路中的電流超過ITRIP時，控制元件的電阻就增大一個預(yù)定的電阻值，將電路中的電流降到IINTERRUPT以下，從而使斷路元件從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)換到故障狀態(tài)并且遮斷電路中的電流。
28.一種電氣保護系統(tǒng)，它可以連接在電源和一個電氣負載之間構(gòu)成一個操作電路，并且用這種連接為電路提供過電流保護，該系統(tǒng)包括a.一個斷路元件，它具有(1)一種正常狀態(tài)，允許流過一個正常的電流INORMAL，以及(2)一種故障狀態(tài)，最多只允許流過一個明顯小于INORMAL的小電流；b.一個控制元件(1)與斷路元件串聯(lián)連接，并且(2)具有一個可變電阻(a)當(dāng)電流是正常電流INORMAL時，其電阻比負載低，并且(b)如果電流明顯地超過了正常電流INORMAL，就增加一個第一預(yù)定電阻值；以及c.一個旁路元件(1)與控制元件并聯(lián)地連接，并且(2)具有這樣一種電阻(a)當(dāng)電路處在正常工作狀態(tài)時，其電阻明顯地高于控制元件的電阻，(b)當(dāng)控制元件的電阻被增加了第一預(yù)定電阻值時，其電阻明顯地低于控制元件的電阻，并且(c)當(dāng)控制元件的電阻被增加了第一預(yù)定電阻值時，其電阻就增加一個第二預(yù)定電阻值；當(dāng)控制元件的電阻增加了第一預(yù)定電阻值，并且旁路元件的電阻增加了第二預(yù)定電阻值時，斷路元件就從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)。
29.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征是控制元件包括最好是第一雙金屬開關(guān)的第一電路開關(guān)，該開關(guān)在正常狀態(tài)下閉合，并且在故障狀態(tài)下打開。
30.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征是旁路元件包括一個PTC器件。
31.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征是旁路元件包括一個與PTC器件并聯(lián)連接的電壓箝位器件。
32.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征是斷路元件包括第二電路開關(guān)a.該開關(guān)在正常狀態(tài)下閉合，并且在故障狀態(tài)下打開；并且b.當(dāng)旁路元件的電阻增加了第二預(yù)定電阻值時，該開關(guān)從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變成故障狀態(tài)。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其特征是第二電路開關(guān)包括與旁路器件熱耦合的第二雙金屬開關(guān)，當(dāng)旁路元件的電阻增加了第二預(yù)定電阻值時，旁路元件產(chǎn)生的熱量使這一雙金屬開關(guān)從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)。
34.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其特征是第二電路開關(guān)鎖定在打開位置，并且包括用于將第二電路開關(guān)復(fù)位到閉合位置的裝置。
35.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征是斷路元件包括一個具有正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的雙極電路開關(guān)和一個輔助電阻，其中的雙極電路開關(guān)a.當(dāng)旁路元件的電阻增加了第二預(yù)定電阻值時，就從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)；b.當(dāng)雙極電路開關(guān)處在其正常狀態(tài)時，將負載連接到電源；并且c.當(dāng)雙極電路開關(guān)處在其故障狀態(tài)時，將負載從電源上斷開，并且將輔助電阻連接到電源上。
36.如權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其特征是輔助電阻是一個PTC器件。
37.如權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其特征是雙極電路開關(guān)包括一個雙極雙金屬開關(guān)，該開關(guān)a.與旁路元件熱耦合，當(dāng)旁路元件的電阻增加了第二預(yù)定電阻值時，旁路元件產(chǎn)生的熱量使這一雙極雙金屬開關(guān)從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)；并且b.與輔助電阻熱耦合，當(dāng)輔助電阻被連接到電源時，輔助電阻產(chǎn)生的熱量使這一雙極雙金屬開關(guān)鎖定在其故障狀態(tài)。
38.一種電氣電路，包括a.一個電源；b.一個電氣負載；以及c.如權(quán)利要求28至37之一所述的電氣保護系統(tǒng)。
39.在一個電路中包括具有電壓VNORMAL的一個電源，一個電氣負載，以及一個保護系統(tǒng)，該電路具有一種正常操作狀態(tài)，該狀態(tài)下通過保護系統(tǒng)的電流是正常電流INORMAL，該系統(tǒng)包括a.由機械式開關(guān)構(gòu)成的一個斷路元件，該元件具有(1)承載電流的定額IINTERRUPT CARRY，該定額等于或是大于INORMAL，(2)遮斷電流的定額IINTERRUPT，當(dāng)電壓等于VNORMAL時，該定額明顯地小于一個值ICONTROL TRIP，(3)一種正常狀態(tài)，該狀態(tài)允許流過一個正常電流INORMAL，以及(4)一種故障狀態(tài)，該狀態(tài)最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流通過；b.由機械式開關(guān)構(gòu)成的一個控制元件，該元件與斷路元件串聯(lián)連接，并且具有(1)一個可變電阻(a)其電阻值明顯地小于旁路元件的電阻(b)當(dāng)電流是正常電流INORMAL時，其電阻比負載低，并且(c)當(dāng)電流明顯地超過正常電流INORMAL時，其電阻增加一個第一預(yù)定電阻值，(2)承載電流的定額ICONTROL CARRY，該定額大于INORMAL，以及(3)遮斷電流的定額ICONTROL TRIP，在一個明顯小于VNORMAL的電壓VCONTROL TRIP上，該定額大于INORMAL；以及c.與控制元件并聯(lián)連接的旁路元件，該元件具有(1)一個可變電阻(a)當(dāng)控制元件中的電流小于或是等于INORMAL，并且電路處在正常工作狀態(tài)時，其電阻明顯地大于控制元件的電阻，(b)當(dāng)控制元件的電阻被增加了第一預(yù)定電阻值時，其電阻明顯地低于控制元件的電阻，并且(c)當(dāng)控制元件的電阻被增加了第一預(yù)定電阻值時，其電阻就增加一個第二預(yù)定電阻值，以及(2)一個旁路元件斷路電流IBYPASS TRIP，該電流小于或是等于INORMAL；因此，當(dāng)電路中的電流超過ICONTROL TRIP時，控制元件的電阻就增加第一預(yù)定電阻值，從而遮斷控制元件中的電流，將電路中的電流分流到旁路元件中，并且，當(dāng)旁路元件中的電流超過IBYPASS TRIP時，旁路元件的電阻就增加第二預(yù)定電阻值，從而將電路中的電流降到IINTERRUPT以下，使斷路元件從其正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變到故障狀態(tài)，并且遮斷電路中的電流。
40.一種電路中包括串聯(lián)連接的一個控制元件和一個斷路元件，其特征是a.該電路具有(1)一個正常電流INORMAL，以及(2)一個正常輸入電壓VNORMAL；b.控制元件具有一個控制元件釋放電流ITRIP，該電流大于INORMAL，以及c.斷路元件包括一個機械式開關(guān)，并且具有(1)一個承載電流的定額ICARRY，該定額大于INORMAL，以及(2)一個遮斷電流的定額IINTERRUPT，當(dāng)電壓等于VNORMAL時，該定額明顯地小于ITRIP；因此，當(dāng)電路中的電流超過ITRIP時，控制元件就將電路中的電流降到IINTERRUPT以下，從而允許斷路元件遮斷電路中的電流。
41.如權(quán)利要求36所述的電路，其特征是控制元件包括一個PTC器件。
42.一種電路中包括并聯(lián)連接的一個旁路元件和一個控制元件，其特征是a.該電路具有(1)一個正常電流INORMAL，以及(2)一個正常輸入電壓VNORMAL；b.上述旁路元件具有一個旁路元件斷路電流IBYPASS TRIP，該電流明顯地小于INORMAL；以及c.上述控制元件包括一個機械式開關(guān)，并且具有(1)一個承載電流的定額ICONTROL PASS，該定額大于INORMAL，以及(2)一個遮斷電流的定額ICONTROL TRIP，當(dāng)一個電壓VCONTROL TRIP小于VNORMAL時，該定額大于INORMAL；因此，當(dāng)電路中的電流超過ICONTROL TRIP時，控制元件就遮斷控制元件中的電流，從而將電路中的電流分流到旁路元件，并且，當(dāng)旁路的電流超過IBYPASS TRIP時，旁路元件就明顯地降低電路中的電流。
43.如權(quán)利要求42所述的電路，其特征是旁路元件包括一個PTC器件。
44.一種電路，包括并聯(lián)連接的一個旁路元件和一個控制元件以及和這種并聯(lián)組合串聯(lián)連接的一個斷路元件，其特征是a.該電路具有(1)一個正常電流INORMAL，以及(2)一個正常輸入電壓VNORMAL；b.上述旁路元件具有一個旁路元件斷路電流IBYPASS TRIP，該電流明顯地小于INORMAL；以及c.上述控制元件包括一個機械式開關(guān)，并且具有(1)一個承載電流的定額ICONTROL PASS，該定額大于INORMAL，以及(2)一個遮斷電流的定額ICONTROL TRIP，當(dāng)一個電壓VCONTROL TRIP小于VNORMAL時，該定額大于INORMAL；以及d.上述斷路元件包括一個機械式開關(guān)，并且具有(1)一個承載電流的定額ICARRY，該定額大于INORMAL，以及(2)一個遮斷電流的定額IINTERRUPT，當(dāng)電壓等于VNORMAL時，該定額明顯地小于ICONTROL TRIP；因此，當(dāng)電路中的電流超過ICONTROL TRIP時，控制元件就遮斷控制元件中的電流，從而將電路中的電流分流到旁路元件，并且，當(dāng)旁路元件的電流超過IBYPASS TRIP時，旁路元件就將電路中的電流降低到IINTERRUPT以下，從而允許斷路元件遮斷電路中的電流。
45.如權(quán)利要求44所述的電路，其特征是旁路元件包括一個PTC器件。
全文摘要
如圖所示的一種電氣保護系統(tǒng)可以被串聯(lián)連接在電源和電氣負載之間,連接成一個防止電路中發(fā)生過電流的操作電路。該系統(tǒng)包括:一個控制元件(104),在流過一個比較低的電流I
文檔編號C11D11/00GK1200844SQ96197946
公開日1998年12月2日 申請日期1996年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月14日
發(fā)明者H·達菲, J·赤安, J·米格萊 申請人:雷伊化學(xué)公司