專利名稱：用于快速、自動響應過載電流的電子開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子開關，特別涉及一種設計為快速、自動、反射式響應過載電流的電子開關。
本領域中廣泛使用三種形式的電子開關。第一種開關包括繼電器。第二種開關包括半導體。而第三種開關既包括繼電器又包括并聯的半導體。這三種開關的每一種都具有特定的缺陷。
在運行期間基于半導體的電子開關的半導體由于其高阻抗性而消耗大量能量、熱量，從而需要熱量散發單元以散發運行中產生的熱量。
另外，這樣的半導體的控制單元(CPU)并不足以迅速地實質上立即監控并響應電流負載的突然升高，這可以導致半導體本身和/或電路中的其他部件的損壞。典型的響應時間范圍是20-30毫秒。
基于繼電器的開關的繼電器設計為保持如與電路中的短路相關的高電流負載，從而這種繼電器體積大并是耐用的。
如上所述，這種的繼電器控制單元(CPU)并不足夠迅速以立即監控并響應電流負載的突然升高，這 可以導致繼電器本身和/或電路中的其他部件的損壞。典型的響應時間范圍是20-30毫秒。
另外，火花的形成與接通/斷開繼電器的觸點有關，這導致對開關的累積損壞從而導致低保真度。
在高過載電流情況下(如短路電流)，火花釋放很大的熱量，這導致觸點熔化，有時甚至起火并使開關完全破壞。
在繼電器、半導體相結合的開關中正常運行情況下的火花問題已經解決，然而這些部件的CPU面臨監控繼電器和/或半導體的操作狀態(開或關)的一系列問題，這是由于它們是并聯的。只有當著兩個部件都處于關狀態時，CPU才能保證這是實際的情況。
緩慢的監控時間影響控制的持續時間并延長作決定和響應所需的時間。這又是在能損壞開關或電路其他部件的電流負載情況下的主要缺點。典型的響應時間范圍是20-30毫秒。
因此，與這三種現有技術的開關相關的共同缺陷是對電流負載的突然和意外升高的延遲響應，這種潛在的響應可以導致由于電流負載的升高而對電路的損壞。
將會理解，繼電器和/或半導體經受過載電流的持續時間越短，產生的消耗越小，從而降低損壞。
所以，存在公認的對于一種設計為快速、并自動響應過載電流的電子開關的需求以及有這種開關將具有極大的優點。
本發明提供一種快速、反射式、自動響應過載電流的電子開關。
根據如下所述的本發明優選實施例的進一步特點，提供一種用于控制包括電源和負載的主電路的電子開關電路，這種電子開關電路包括(a)包括電磁鐵和至少兩個觸點的電磁式繼電器裝置，該電磁式繼電器裝置可與主電路的電源和負載串聯；(b)是電子開關電路一部分的可控半導體裝置；(c)連接到半導體裝置上的半導體指令電路，該半導體指令電路用來控制可控半導體裝置的操作；(d)連接到電磁式繼電器裝置的電磁鐵和半導體指令電路上的繼電器指令電路，該繼電器指令電路用來控制繼電器裝置和半導體指令電路；(e)用來確定流經主電路的電流負載并向繼電器指令電路報告過載電流的過載傳感器；和(f)串聯連接到可控半導體裝置上的電阻，該電阻和可控半導體裝置并聯連接到電磁式繼電器裝置上。當繼電器裝置的觸點被斷開時，經受大電流負載的電阻自動發信號到半導體指令電路，該半導體控制電路又關斷可控半導體裝置。
根據所述的本發明優選實施例的又一特征，電子開關電路還包括(g)可串聯連接到負載的電感器，該電感器位于與電磁式繼電器裝置的電磁鐵很接近的位置。當電感器經受大于預定閾值的電流負載時，電感器產生數值足以促使電磁式繼電器裝置的電磁鐵斷開觸點的感應場。
根據所述的本發明優選實施例的又一特征，當繼電器裝置的觸點被斷開時，經受大電流負載的電阻自動發信號到半導體指令電路，該半導體指令電路在大約4毫秒內又關斷可控半導體裝置。
根據所述的本發明優選實施例的又一特征，預定閾值約大于50安培。
根據所述的本發明優選實施例的又一特征，預定閾值約大于100安培。
根據所述的本發明優選實施例的又一特征，當電感器經受大于預定閾值的電流負載時，電感器產生足以促使電磁式繼電器裝置的電磁鐵在大約2毫秒內斷開觸點的感應場。
根據所述的本發明優選實施例的又一特征，提供一種包括任何在此所述電路的電子開關。
本發明通過提供設計為快速并自動響應過載電流的電子開關來成功地克服了公知結構的缺點，該電子開關能用來提供幾乎瞬時、無延遲、自動、反射式、響應電流負載的突然和意外升高。
在此通過例子，參考附圖來描述本發明，其中
圖1是應用本發明電子開關的電路的示意圖。
本發明是一種設計為快速、自動、反射式響應過載電流的電子開關，該電子開關能用于提供實質上瞬時、無延遲(例如10毫秒以下，最好約6毫秒)自動響應電流負載的突然和意外升高。特別地，本發明能用于提供高保真度、安全和自保護特性的開關。
參考附圖和其描述，可更好地理解本發明電子開關的原理和操作。
現在參考附圖，圖1說明應用本發明電子開關的電子開關電路，此后被稱作電路10。
因此，電子開關電路10用來控制主電路12，主電路12包括電源(V)14(例如，電網)和負載16(例如，任何具有內阻的電氣操作裝置)。
電子開關電路10包括電磁式繼電器裝置18。電磁式繼電器裝置18包括電磁鐵20和至少兩個觸點21，觸點21在電磁鐵20產生的磁場的作用下操作。
電磁式繼電器裝置18與主電路12的電源14和負載16串聯，如本領域中所熟知那樣。合適的電磁式繼電器裝置是由意大利FEME(Cat.No.MZPA001-44-16)發布的。
電子開關電路10還包括可控半導體裝置22。可控半導體裝置22被連接到電子開關電路10并且其功能如下所述。
適合于在電子開關電路10中實現的可控半導體裝置在由MOTOROLA出版的“MOTOROAL THITYSTOR DEVICE DATA”(Q2/95；DL137/D；REV 6)的第1.6-46頁，圖6.87中描述。其他合適的裝置是由MOTOROLA發布的。例如用于交流400伏25安培的Cat.No.MAC223A6(FP)和用于交流400伏40安培的Cat.No.MAC224A6(FP)。
電子開關電路10還包括半導體指令電路24。半導體指令電路24被連接到可控半導體裝置22上并用來控制可控半導體裝置22的操作，如現有技術中所熟知那樣。適合于在電子開關電路10中實現的半導體指令電路在由MOTOROLA出版的“MOTOROLA THITYSTORDEVICE DATA”(Q2/95；DL137/D；REV 6)的第1.6-30頁，圖6.60中描述。
電子開關電路10還包括過載傳感器26。傳感器26用來確定(測量)流過主電路12的電流負載。傳感器26被串聯連接到負載16，在這種情況下傳感器26是電流表。但是，如本領域中所熟知那樣，其中用來間接執行電流確定的其他結構(如，通過電感器)同樣是可能的。
電子開關電路10包括繼電器指令電路28。繼電器指令電路28被連接到電磁式繼電器裝置18的電磁鐵20、半導體指令電路24和傳感器26上。
繼電器指令電路28用來控制電磁式繼電器裝置18和半導體指令電路24。繼電器指令電路28被連接到傳感器26上，當主電路12中的電流負載超過預定的中度閾值(例如，大約25安培的范圍)時，傳感器26發信號到繼電器指令電路28，或換句話說，當傳感器26經受中度過載電流或高(例如，大于50或100安培)過載電流時，傳感器26至少報告或發信號到繼電器指令電路28。
電子開關電路10還包括電阻32。電阻32被串聯連接到可控半導體裝置22上，從而可控半導體裝置22和電阻32一起被并聯連接到電磁式繼電器裝置18上。
當電磁式繼電器裝置18的觸點21被斷開(例如，開始一個斷開過程)時，經受較高電流負載和/或電壓的電阻32自動發信號到半導體指令電路24，半導體指令電路24又關斷可控半導體裝置22。可控半導體裝置22在約10毫秒，更好約7毫秒，最好約4毫秒或在電磁式繼電器裝置18的觸點21斷開后更少的時間內被關斷。
合適的電阻具有大約0.5歐的阻抗。選擇具有合適阻抗的電阻32限制了高電流的產生從而保護負載16和可控半導體裝置22。
電阻32是可供選擇的，最好除了電阻32之外，電子開關電路10還包括電感器34。電感器34被串聯連接到主電路12的負載16上。電感器34位于很接近(例如，0.01-5.0毫米，更好是0.1-2.0毫米，再好是0.5-1.5毫米，最好是約1毫米)電磁式繼電器裝置18的電磁鐵20的位置，從而當電感器34經受大于預定高閾值(例如，大于約50安培，最好是大于100安培)時，電感器34產生數值足以促使電磁式繼電器裝置18的電磁鐵20斷開觸點21的感應場。
請注意在運行期間電感器34被串聯連接到負載16上并注意流過主電路12的電流直接流過電感器34。電感器是由長度約為1厘米的粗(例如，直徑為1.5毫米)金屬導體組成，以及位于距離電磁式繼電器裝置18的電磁鐵20約1毫米的位置。
根據本發明優選實施例，觸點21在經受大于預定高閾值的電流負載后大約1至3(最好大約2)毫秒內斷開。
在本發明優選實施例中，傳感器26被連接到控制單元(CPU)30和半導體指令電路24上，控制電路24本身最好也被連接到控制單元30上。
在另一個優選實施例中，電子開關電路10還包括過零檢測電路(未示)，在交流情況下該過零檢測電路可以檢測過零點，并用于在正常運行情況下電路的開關定時，如本領域中熟知的那樣。
電子開關電路10的操作如下
在正常運行情況下，電流直接流過電磁式繼電器裝置18的觸點21和與觸點21并聯的可控半導體裝置22和電阻32、電感器34、傳感器26和其后的負載16。
還是在正常運行情況下，電子開關電路10由接通狀態通過手動或可控(CPU)指令轉換為關斷狀態。繼電器指令電路28接收手動或CPU的關斷指令，并產生一個關斷指令到電磁式繼電器裝置18上。結果觸點21被斷開。一旦觸點21被斷開，電阻32經受升高的電流負載并從而半導體指令電路24指令可控半導體裝置22轉換到接通狀態。因此，避免了火花的形成。
還是在正常運行情況下，電子開關電路10由關斷狀態通過手動或可控(CPU)指令轉換為接通狀態。繼電器指令電路28接收接通指令，并指令半導體指令電路24來指令可控半導體裝置22轉換到接通狀態。隨后繼電器控制電路28指令電磁式繼電器裝置18轉換到接通狀態。也避免了火花的形成。
因此，在正常運行情況下當電磁式繼電器裝置18接通或關斷時，半導體裝置被接通，從而防止火花的形成。這整個過程可以延續幾十毫秒。
在中度過載電流下的操作在此使用的術語“中度過載電流”是指影響傳感器26的電流負載(例如，大于約25安培)以報告到繼電器指令電路28，該電流負載并不影響電感器34以影響電磁式繼電器裝置18。
當傳感器26檢測過載時，傳感器26報告到繼電器指令電路28。繼電器指令電路28又指令電磁式繼電器裝置18以斷開電路。當電磁式繼電器裝置18的觸點21斷開時，電阻32經受過載電流并且結果是半導體指令電路24指令可控半導體裝置22關斷。這種響應是快速的，例如在觸點21斷開后大約4毫秒內可控半導體裝置22被關斷。
在高過載電流下的操作在此使用的術語“高過載電流”是指影響電感器34以促使電磁式繼電器裝置18的觸點21斷開的電流負載，例如，50或100安培以上。
在這種情況下，流過電感器34的電流促使電磁式繼電器裝置18的電磁鐵20斷開觸點21。這個動作是很快的以及在本發明優選實施例中延續約1至3毫秒，典型地是約2毫秒。
當觸點21斷開時，電阻32經受電流負載和/或電壓的升高并且發信號到半導體指令電路24以關斷可控半導體裝置22。如上所述完成這個動作需要約4毫秒。
因此，電感器34和電阻32一起動作，如在高過載電流情況下反應的以在約6毫秒內斷開電路。瞬時響應確保有效地阻止對電路、開關或其他相關部件，如負載的損壞。另外，短路響應時間允許使用較小的和成本低的電氣部件代替具有高熱量散發能力的大而堅固的部件的組合。
試驗表明住宅負載(交流220伏)的短路跟隨有在2毫秒內產生數值超過1000安培的過載電流，有時(無熔斷器情況)過載電流在此時間期間達10000安培。
使用本發明的開關可以確保在短路后2毫秒內，被測電流被限制到400安培。該值再保持4毫秒，其后沒有可測量電流被檢測到。
伴隨地，傳感器26也感應過載電流并通過發信號，例如，到繼電器指令電路28，來產生一系列過程以最終關斷整個電路。
雖然本發明是根據一定數量的實施例來描述的，但是許多改變、變形以及本發明的其他應用是可以理解的。
權利要求
1.一種用于控制包括電源和負載的主電路的電子開關電路，該電子開關電路包括(a)包括電磁鐵和至少兩個觸點的電磁式繼電器裝置，所述電磁式繼電器裝置可與主電路的電源和負載串聯；(b)是電子開關電路一部分的可控半導體裝置；(c)連接到所述半導體裝置上的半導體指令電路，所述半導體指令電路用來控制可控半導體裝置的操作；(d)連接到所述電磁式繼電器裝置的所述電磁鐵上的繼電器指令電路，所述繼電器指令電路用來控制所述電磁式繼電器裝置；(e)用來確定流過主電路的電流負載并向所述繼電器指令電路報告過載電流的過載傳感器；(f)串聯連接到所述可控半導體裝置上的電阻，所述電阻和所述可控半導體裝置并聯連接到所述電磁式繼電器裝置上，以及(g)串聯連接到負載的電感器，所述電感器位于與所述電磁式繼電器裝置的所述電磁鐵很接近的位置；其中當所述電感器經受大于預定閾值的電流負載時，所述電感器產生數值足以促使所述電磁式繼電器裝置的所述電磁鐵斷開所述觸點的感應場，而當所述電磁式繼電器裝置的所述觸點被斷開時，經受高電流負載的所述電阻自動發信號到所述半導體指令電路，該半導體指令電路又關斷所述可控半導體裝置。
2.如權利要求1的電子開關，其中所述繼電器指令電路還被連接到所述半導體指令電路并用來控制所述半導體指令電路。
3.如權利要求1的電子開關，其中當所述繼電器裝置的所述觸點被斷開時，經受較高電流負載的所述電阻自動發信號到所述半導體指令電路，所述半導體指令電路在約4毫秒內又關斷所述可控半導體裝置。
4.如權利要求1的電子開關，其中所述預定的閾值大于約50安培。
5.如權利要求1的電子開關，其中所述預定的閾值大于約100安培。
6.如權利要求1的電子開關，其中當所述電感器經受大于所述預定閾值的所述電流負載時，所述電感器產生足以促使所述電磁式繼電器裝置的所述電磁鐵在約1至3毫秒內斷開所述觸點的感應場。
全文摘要
一種電子開關電路(10)包括具有電磁鐵20和至少兩個觸點(21)的電磁式繼電器裝置(18)、可控半導體裝置(22)、用來控制可控半導體裝置(22)的半導體指令電路(24)、用來控制電磁式繼電器裝置(18)和半導體指令電路(24)的繼電器指令電路(28)、用來向繼電器指令電路28報告過載電流的過載傳感器(26)、電阻(32)、和電感器(34);其中當觸點(21)被斷開時,電阻(32)經受較高電流負載,并自動發信號到半導體指令電路(24),半導體指令電路(24)關斷可控半導體裝置(22);以及其中當電感器(34)經受大于預定閾值的電流負載時,電感器(34)產生數值足以促使電磁式繼電器裝置(18)的電磁鐵(20)斷開觸點的感應場。
文檔編號H01H47/22GK1275243SQ98810023
公開日2000年11月29日 申請日期1998年9月8日 優先權日1997年9月10日
發明者盧普·維特拉, 愛德華·康斯坦丁洛夫斯基 申請人:目標－高技術電子學公司