故障電流保護開關的電路裝置的制作方法

專利名稱：故障電流保護開關的電路裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個故障電流保護開關的電路裝置。該電路包括下列部件用于檢測電源網絡故障電流的檢測設備(優選在該設備后面安裝一個故障電流的預備電路)、蓄能器電路(根據檢測到的故障電流對其充電)、用于監控蓄能電路充電狀態的閾值開關和一個開關元件(通過該元件可以產生觸發元件所需的觸發電壓脈沖，而觸發元件則是用于至少一個由電源網絡供電的負載的觸發開關)，其中，當閾值開關達到蓄能電路規定的充電狀態(即額定充電狀態)時，會使開關元件產生觸發元件所需的觸發電壓脈沖。
這一類型的故障電流保護開關或者故障電流監控開關例如由DE 41 12 169A1和DE 44 29 007公開。一般來講，這些電路裝置中的第一個閾值開關是由一個Z二極管構成，而開關元件是由一個電子開關(比如閘流管)構成。
由于各種干擾因素(比如電燈串聯裝置、開關網絡部件、以及為電機驅動的變頻器或暴雨引起的故障電流)引起的不斷增加的電源網絡的負荷，在使用故障電流保護開關時會出現下面的問題一些很小的干擾因素就可能會導致故障電流保護開關的非預期的觸發。
特別在由閘流管構成的開關元件中經常由于開關元件的尖端放電而出現故障電流保護開關的非正常觸發。也可能在開關元件提前出現了非正常點火后蓄能器電路通過觸發元件在沒有將它與電源網絡分開的情況下自行放電，這將會導致故障電流保護開關不能觸發。這一問題在上面提到文獻中并未提及。
本發明旨在介紹一種用于前面所說的故障電流保護開關的電路裝置，此裝置可以排除上面所提到的各種弊端，最大限度地抑制故障電流保護開關非正常觸發或不能觸發的情況，并且從整體上提高其抗干擾性。
為達到上述目的，提供一個第二閾值開關，當蓄能器電路達到另外一個給定充電狀態(即最低充電狀態)時將開關元件鎖閉。
這樣，如果干擾因數低于通過這個另外設定的充電狀態給定的閾值，那么這些干擾因素將不會導致開關元件的觸發，從而就可以可靠避免故障電流保護開關發生非正常點火了。
為了防止故障電流保護開關不能觸發，在本發明另外一個實施例中還將蓄能器電路的另外一個規定充電狀態(即最低充電狀態)設置為高于運行觸發元件工作所必需的充電狀態。
另外，在本發明的另一個變體中，上面所提到的第二閾值開關是由一個自導通N溝道耗盡型結場效應晶體管(J4)構成的。這樣，最后形成的整個電路裝置結構簡單，性能可靠。
根據本發明的另外一個變體，將場效應晶體管(J4)與其它半導體器件一起集成在同一個芯片中。這樣的結構一體化允許獲得小的、節約空間的電路。
下面將通過所附的表示特別優選的實施例的示意圖進一步闡釋本發明。這些示意圖包括

圖1是公知的故障電流保護開關的方框圖；圖2是按照本發明所設計的帶第二閾值開關40’的故障電流保護開關的簡易方框圖；圖3是本發明的一個實施例的故障電流保護開關的電路裝置；圖4是按照本發明的故障電流保護開關的另外一種電路裝置的簡易示意圖故障電流保護開關(后面簡稱FI開關)包括保護開關、監控開關和報警開關。一般來講，FI開關的功能是監控電氣設備并在故障電流流出電源網絡并流進地面對人造成威脅之前及時切斷與電源網絡的連接。為此，FI開關這樣配置，使故障電流在高于某個特定值時可自行切斷與電源網絡的連接。額定故障電流IΔn，即允許的最大故障電流一般是30mA左右，如果超過這個值，FI開關在過了約為10mS的容許時間后才切斷電源。這一容許值是從足以對人造成威脅(如導致人心臟震顫)的電流強度和頻率等值所得出的。
圖1是公知的FI開關組件的方框示意圖。
如果設備完好無損，也就是說沒有流向地面的故障電流的情況下，工作電流從電源網絡流向負載再從負載流回電源網絡。如果某個部分由于故障的原因出現了流向地面的故障電流，那么該區域周圍流向負載的電流將會大于流回電源網絡的電流。如果該這一泄露電流通過人體流向地面，那么就將對這個人構成危險甚至造成重傷。流向負載電流和回流電流之間的差電流(即流失的故障電流)能夠由檢測裝置10識別出來。
檢測裝置10由一個總和電流互感器構成，該電流互感器又是由一個磁心(如環形磁心)構成。組成總和電流互感器初級繞組的各導線可以纏繞在電流互感器環形周圍的一個或多個繞組中，如果電流強度合適，可以使其直接通過電流互感器的環形部分。在各個構成初級繞組的導線中的差電流在同樣纏繞在環形磁心周圍的次級繞組中產生一個磁場，該磁場可以感應次級繞組中的電壓。
這樣，檢測裝置10或者說總和電流互感器就可以檢測到差電流或故障電流并將其轉化為需再處理的電壓了。
檢測裝置10輸出端中的電壓一般是供給預備電路20的。這一點可以保證通過FI開關準確地識別出不同類型的故障電流(如脈動直流故障電流、交流故障電流和帶直流成分的故障電流等)。因此預備電路20是根據FI電路的具體情況來分別設計的。
優選用一個可以對交流故障電流進行整流的簡單整流器電路來做上面提到的預備電路20。
由檢測裝置10或預備電路20上所施加的電壓差所產生的電流將繼續流向蓄能器電路30。一旦出現故障電流，就開始向蓄能器電路30充電。充電狀態根據故障電流的強度及持續時間的不同而不同。在延時FI開關中尤其會使用這種蓄能器電路。
這種裝置的優點在于，只要持續時間不超過允許時間，由單獨的故障電流向蓄能器電路30進行的充電不會累積計算。這樣就保證了只有一個故障電流，其值大于額定故障電流，以及持續時間長于允許向蓄能器電路30充電的時間，從而完成FI開關的觸發。
蓄能器電路30可以由一個可自行放電的電容器或R-C元件構成。
蓄能器電路30的充電狀態是通過一個閾值開關40來進行監控的。當達到一個特定的充電狀態(后文將其稱為“蓄能器電路30的額定充電狀態”)時該閾值開關40會將一個控制脈沖傳給它后面的開關元件50，隨后由該元件切斷FI開關。
為了FI開關能夠進行正常觸發，為蓄能器電路30上所施加的電壓規定了一個額定充電狀態，這一額定狀態是與額定故障電流Iδn與允許時間是彼此協調的優選用一個齊納二極管構成閾值開關40，因為它具有確定的擊穿電壓。
由閾值開關40所送出的控制脈沖是用來控制開關元件50的。
該開關元件用作充電開關，并為觸發元件60產生所需的觸發電壓脈沖。如果是在一個不依賴電源電壓的FI電路中，該開關元件50可以利用蓄能器電路30中所儲存的能量來產生這一觸發電壓脈沖。
這個開關元件50一般是由一個電子開關構成。這個電子開關最好是一個有自我增強能力的開關元件，比如一個閘流管。當然，除了閘流管，還可以使用其他部件如晶體管或電子繼電器。
達到通常的點火電壓時閘流管會自動點火。而FI在進行正常觸發時并不使用閘流管的自我點火功能，而是使用由第一閾值開關40發出的控制信號，該信號可以將開關元件50點燃。
由開關元件50所產生的觸發電壓脈沖將流向觸發元件60，該元件可以將負載從電源網絡分離開來。
觸發元件60可以作為永磁鐵觸發器(PMA)構成。此時會有一個銜鐵(電樞)通過一個線圈來移動，并且通過一個鎖扣機構和一個接觸器使負載與電源網絡12分離。
在正常觸發時的情形如下圖所示。如果一個故障電流至少達到了額定故障電流的強度并且持續時間超過了允許時間，它將會引起蓄能器電路30進入充電狀態，直到其達到額定充電狀態。當達到了額定充電狀態時，閾值開關40將會向開關元件50施加一個控制脈沖，從而達到將其點燃或接通的目的。由此所產生的觸發電壓脈沖將會繼續流向觸發元件60，由其將負載從電源網絡分離開來。
本發明中的電路裝置既可用取決于網絡電源的FI開關也可用做不依賴于網絡電源的FI開關。如果是作為不依賴于網絡電源的FI開關，必須保證蓄能器電路30中所存儲的能量足以保證觸發元件60安全地將負載從電源網絡分離。這樣蓄能器30和閾值開關就必須與額定故障電流和觸發元件60彼此協調一致。
圖1所示裝置具有一個缺點，即在電源網絡中的點火電壓下產生的某些不可避免的電壓峰值雖然不會導致蓄能器30達到規定的充電狀態，但可能會引起開關元件50或閘流管的點火(所謂的尖端放電Ueberkopfzuenden)。這些故障可能通過電源網絡、自身的故障電流(即通過正常觸發所感應的故障電流)產生或來自另一邊、觸發元件60或PMA。
開關元件50的這種非正常打火一般會使觸發元件60將負載和電源網絡分離。FI開關的這種故障觸發不希望的。
也可能開關元件50產生了一個觸發電壓脈沖，但該脈沖不足以使觸發元件60將負載和電源網絡分離。這種情況尤其在使用不依賴于網絡電源的獨立FI開關時可能會出現。這樣FI開關就不會觸發。但同時也不能再繼續向蓄能器電路30加充電，因為打開開關元件50時會有一股電流從蓄能器電路30不斷流過觸發元件60。這樣的話，如果后面出現了超過額定故障電流的情況FI開關也不會斷開。這中不觸發就可能導致人員傷害。
本發明的核心在于防止在給定閾值情況下的故障因素可能引起的開關元件50的觸發。也就是通過設置另外一個第二閾值開關40’來達到。
圖2是與已知的FI開關不同的FI開關的組件結構示意圖。
如圖2所示的按照本發明組成的FI開關，在開關元件50前面又另外設置了一個第二閾值開關40’。在蓄能器電路30到達一個特定的(后文中會用一個最低充電狀態來標明)的充電狀態時，該第二閾值開關40’才會將開關元件50釋放，否則將一直鎖閉該元件。
為此開關元件50必須有另外一個第二控制輸入，通過它可以控制該開關元件50，以防止接通。這個值可以是閘流四級管的第二控制輸入。
本發明中的電路裝置可以通過設置閾值或者最低充電狀態防止大量發生的故障觸發，從而增強抗干擾性。為使抗干擾功能盡可能強大，可以根據FI開關的具體使用情況來設置最低充電狀態。
當然這個最低充電狀態不能超過額定充電狀態，否則就無法進行正常觸發。
可以選擇與額定故障電流大小相符的額定充電狀態下的故障電流的一半作為閾值或者最低充電狀態。通過這樣的參數就可以防止電源網絡中數半以上典型的故障或對FI開關造成不良影響情況的產生。
最好選擇最低充電狀態，使得在要求蓄能器電路30的輸出端的該最低充電狀態時使該蓄能器電路30中所存儲的能量足以保證觸發元件60能夠將負載與電源網絡分離。這樣就一定能夠避免上面所說的不能觸發情況的發生。
圖3是本發明中的FI開關的電路裝置各部件的示意圖。該電路裝置的組件10、20、30、40、50和60均相應于眾所周知的延時FI開關。
符號Tx1表示的是電源網絡12上面的一個總和電流互感器。在本發明中，該電流互感器構成檢測裝置10。通過這個電流互感器Tx1來測得故障電流，但同時也會將其它的不良影響帶入電路裝置。
預備電路20是接在總和電流互感器的次級繞組后面的。
在預備開關20中首先包括一個電阻R1，來阻尼環形磁心中出現過高的次級電壓。
電容器C1是為了匹配次級電感而設置的。這樣可以保證將預備電路20調諧至50Hz或電源頻率。
此外預備電路20中還有一個倍壓整流裝置。這一德隆橋式整流電路(Gleichrichtenbrue ckenschaltung mit Delonschaltung)是由二極管D1和D2及電容器C2和C3組成的。
在橋式整流電路后面安裝的是一個作為電壓標準元件的Z二極管D3。通過這個Z二極管D3對預備電路20中的電壓進行限制，可以防止在出現過高故障電流(高于5xIΔn)時存儲電容器C4充電速度過快的情況。
在預備電路20后面連接的是一個蓄能器電路30。如圖所示，該電路包括一個由阻擋層FET J1和電阻R2組成的恒流源。電阻R2用于調節所需的恒定電流。阻擋層FET工作在夾斷區。恒流源允許對電壓依賴很小的電流流過，這樣才能保證存儲電容器慢慢進行充電，并且在進行觸發時可以有一個延時。當然，并不一定要安裝這個恒流源不可。
蓄能器電路30的核心部分是存儲電容器C4，在出現故障電流時可對該電容器進行充電。
存儲電容器C4是通過電阻R3來進行放電的。這樣，短時的故障電流(持續時間不超過FI開關的容許時間范圍)就不會導致蓄能器電路30連續充電。
第一個閾值開關40通過已知的方式對蓄能器電路30的輸出端處的電壓進行監控。該開關是由一個沿阻流方向連接的Z二極管D4組成的。一旦Z二極管D4上的電壓達到了其擊穿電壓，開關元件50的第一個控制輸入端GK就會通過Z二極管D4與蓄能器電路30的輸出端連接起來。
與Z二極管D4串聯的電阻R8的作用是調節Z二極管D4上面的電壓并由此進一步調節額定充電狀態。
從由Z二極管D4的擊穿電壓和由電阻R8調節的蓄能器電路30的額定充電狀態開始，P3和P4兩個點通過電阻R5相連接。由此通過閾值開關40在開關元件50的第一控制輸入端上產生一個控制脈沖。
圖示實施例中的開關元件50或電子開關由一個帶正極連接端A及負極連接端B和正極一側的GA及負極一側的柵級連接端GK的閘流管等效電路K所組成。閘流管等效電路又包括一個pnp晶體管Q1、一個npn晶體管Q2和一個電阻R6，其中兩個晶體管的集電極和基極彼此交替相連。
同時，正極連接端A或pnp晶體管Q1的發射極位于蓄能器電路30輸出端的電位。負極連接端K則和觸發元件60相連。
閘流管等效電路是一個電子開關。在電源網絡的正常運行狀態下(即無故障電流時)，閘流管是鎖閉的，也就是說，在正極連接端A和負極連接端B之間以及進一步觸發元件60中無電流流過。
當達到額定充電狀態時，通過點燃的Z二極管D4用一個控制脈沖將負極一側的柵級連接端GK加上負荷。這一脈沖可以將閘流管等效電路點燃。
負極一側的柵級連接端GK通過電阻R5來確定npn晶體管Q2的發射極-基極-電壓。這樣負極側柵級連接端GK上的正電壓就可以觸發npn晶體管Q2，從而使晶體管Q1和Q2相互加偏壓并且在很短的時間內通過相互影響完全接通。
閘流管等效電路在控制脈沖之后仍然具有導電功能。
當然，開關元件50不一定要由兩個兩極晶體管組成，也可以是一個帶正極側和負極側柵級的閘流四級管，通過控制線路將這個四級管接通或者斷開。
對開關元件50來說電容器C7并不是必須的部件，它只是作為非正常觸發時的一個輔助性的保護電容，因為來自觸發元件60或PMA的故障被阻尼。特別當最低充電狀態大大低于額定充電狀態時安裝一個這樣的電容器C7是非常有益的因為雖然第二閾值開關40’在蓄能器電路30達到最低充電狀態之前會一直鎖閉開關元件50，從而不會因為開關元件50的錯誤點火而導致FI開關不能觸發，但是如果出現高于最低充電狀態和低于額定充電狀態的值時仍可能會引起FI開關的非正常觸發。通過電容器C7可以進一步抑制這種非正常觸發情況的出現。
本發明中開關元件50的第二控制連接端GA是和第二閾值開關40’相連的。
在圖3的示意電路中，第二閾值開關40’是通過一個場效應晶體管J4與柵級連接端G、漏極連接端D和源極連接端S構成的。
作為場效應晶體管J4使用一個自導電n溝道阻擋層Fet(n-JFet)。它即使沒有控制電壓UGS也可以導電。在漏極連接端D和源極連接端S之間只有在施加高于生產商所供應的閾電壓(閾值電壓Uth)的負控制電壓的情況下才能進行高歐姆連接。這個臨界電壓的典型值為5伏。
圖中所示的電路中，場效應晶體管J4的漏極連接端D是置于pnp晶體管Q1的基極上的。
場效應晶體管J4的柵級連接端G與零電位0、源極連接端S與蓄能器電路30的輸出端是彼此相連的。因此蓄能器電路30的輸出端上的電壓用作控制電壓UGs在該裝置中，場效應晶體管J4在蓄能器電路30輸出端的電壓達到閾值Uth之前都是有導電能力的。由此場效應晶體管J4的源極連接端S和漏極連接端D并因此pnp晶體管Q1的基極和發射極都是短路。這樣，pnp晶體管Q1因此被閉鎖，并由此整個閘流管等效電路處于鎖閉(觸發)狀態，從而可靠地避免了出現開關元件50的非正常點火。
如果蓄能器電路30的充電狀態以及由此源極連接端的電位升高的話(即當出現一個必須切斷的故障電流時)，就會用對源極為負的柵級電壓觸發場效應晶體管J4。當到達臨界電壓時場效應晶體管J4會變成高歐姆。
由此pnp晶體管Q1的基極和發射極不再短路，進而將觸發電壓脈沖與觸發元件60接通的晶體管Q1、Q2被釋放。
在維持給定值的情況下，供應到該電路裝置中的電壓脈沖在場效應晶體管J4的柵級連接端上保持低于閾值電壓Uth，從而不會引起閘流管或開關元件50的點火。通過改變場效應晶體管J4的半導體物理學的一些參數可以使這一電壓脈沖的值在一定的范圍內變化，從而保證通過該電路裝置對干擾電壓的閾值與額定故障電流相關地進行幾乎任意的調節。
也可以不使用有自導電n溝道阻擋層的場效應晶體管(n-JFet)，而使用其它晶體管例如p溝道阻擋層(p-JFet)、自導電n或p-MOSFET晶體管來做場效應晶體管J4。當然，與此同時也要使用不同的極性來控制這些晶體管。使用這些組件的優點在于，MOSFET晶體管和阻擋層場效應晶體管原則上都是對稱的，也就是說，漏極和源極是可以互換的。
為了使該電路裝置盡可能地小巧，優選將場效應晶體管與其它半導體部件一起集成在一個芯片中。
作為場效應晶體管J4的另一種方案，當然可以用雙極晶體管、閘流管、由電壓控制的電阻或繼電器來(圖4中用方框42’表示)，其可以通過分壓器、差分放大器或者比較器(圖中用方框41’表示)進行控制。
這里最重要的一點是，蓄能器電路30上的電壓是通過第二閾值開關40’來進行監控的。當達到最低充電狀態時開關元件50被釋放。
權利要求
1.故障電流保護開關的電路裝置，包括-用于檢測電源網絡(12)中的故障電流的檢測設備(10)，優選在該設備后面連接一個用于故障電流的預備電路(20)，-蓄能器電路(30)，根據檢測到的故障電流對其充電，-用于監控蓄能器電路(30)充電狀態的閾值開關(40)，-開關元件(50)，通過該元件可以產生觸發元件(60)所需的觸發電壓脈沖，觸發元件(60)用于至少一個由電源網絡供電的負載的斷路開關，其中，當蓄能器電路(30)達到規定的充電狀態(額定充電狀態)時，閾值開關(40)會使開關元件(50)產生觸發元件(60)所需的觸發電壓脈沖，其特征為-提供一個第二閾值開關(40’)，-當蓄能器電路(30)達到另外一個規定的充電狀態(最低充電狀態)時，該閾值開關將開關元件(50)鎖閉。
2.根據權利要求1的電路裝置，其特征為，蓄能器電路(30)的另外一個規定充電狀態(最低充電狀態)處于運行觸發元件(60)所必需的充電狀態之上。
3.根據權利要求1和2的電路裝置，其特征為，第二閾值開關(40’)由一個自導電N溝道耗盡型結場效應晶體管(J4)構成。
4.根據權利要求1、2和3的電路裝置，其特征為，場效應晶體管(J4)與其它半導體器件集成在一個芯片上。
全文摘要
本發明涉及故障電流保護開關的電路裝置，包括用于檢測電源網絡(12)中的故障電流的檢測設備(10)，優選在該檢測設備后面安裝一個用于故障電流的預備電路(20)，蓄能器電路(30)，它根據檢測到的故障電流被充電，用于監控蓄能器電路(30)充電狀態的閾值開關(40)，開關元件(50)，通過該元件可以產生觸發元件(60)所需的觸發電壓脈沖，而觸發元件(60)則是用于至少一個由電源網絡供電的負載的觸發開關的，其中當蓄能器電路(30)達到規定的充電狀態(即額定充電狀態)時，閾值開關(40)會使開關元件(50)產生觸發元件(60)所需的觸發電壓脈沖，其中提供一個第二閾值開關(40’)，它當蓄能器電路(30)達到另外一個規定的充電狀態(即最低充電狀態)時，將開關元件(50)鎖閉。
文檔編號H02H3/33GK1515058SQ02811769
公開日2004年7月21日 申請日期2002年6月11日 優先權日2001年6月12日
發明者M·科赫, G·里青格, M 科赫, 喔 申請人:莫勒自動系統公司