專利名稱：開關(guān)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電路，其包含交流電源(alternating current electricity supply)中的至少一對(duì)才幾械觸點(diǎn)，以及用于響應(yīng)于開關(guān)信號(hào)來改 變?cè)撚|點(diǎn)的狀態(tài)(即，將其開路或閉合)的部件。本發(fā)明適用但不局限于剩余 電流設(shè)備(RCD， residual current device)。
背景技術(shù)：
在交流電源中，RCD用于提供保護(hù)，防止電擊及危險(xiǎn)的接地故障電流。 它們中的大部分使用電子電路來檢測(cè)接地故障電流，如果接地故障電流超過 某個(gè)閾值長達(dá)確定時(shí)間段，該電子電路導(dǎo)致RCD切斷(trip)。 RCD通常裝配 在電源插座(插座)、插頭和適配器中，在大多數(shù)這些應(yīng)用中，可用的空間和 成本是關(guān)鍵的參數(shù)。然而，除了尺寸和成本的約束，RCD還必須能夠以一致 且可靠的方式來執(zhí)行其被要求的功能。
在故障情況下，RCD將開路交流電源中的 一個(gè)或多個(gè)機(jī)械觸點(diǎn)以將電源 從負(fù)載處斷開。所有這種設(shè)備遇到的一個(gè)問題是需要確認(rèn)對(duì)于預(yù)期流入受 保護(hù)電路中的最大接地故障電流，該觸點(diǎn)的額定值合適。根據(jù)特定的應(yīng)用， 在最大電源電壓處，該故障電流可能處于幾百甚至幾千安培的范圍，該觸點(diǎn) 必須具有合適的額定值以中斷故障電流。開^4乘作可在RCD內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)大的 電弧(arcing)、熱量以及碳顆粒產(chǎn)物，并且必須為RCD準(zhǔn)備措施以足夠承受 這些應(yīng)力(stress)。通常的解決方案是提供大觸點(diǎn)，具有小電弧特性、高 速開路動(dòng)作的觸點(diǎn)；最大化觸點(diǎn)間隙；以及裝配電弧抑制或滅弧的部件，其 所有都增加了成本、尺寸和復(fù)雜性。
當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)也出現(xiàn)電弧，因此會(huì)發(fā)生類似的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供減輕上述缺點(diǎn)并能以簡(jiǎn)單且節(jié)約成本的方式來制造 的開關(guān)設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種開關(guān)電路，其包含交流電源中的至少一對(duì)機(jī)械觸點(diǎn)，以及用于響應(yīng)于開關(guān)信號(hào)來改變?cè)撚|點(diǎn)的狀態(tài)的部件，該 開關(guān)電路還包括用于限定在其期間電源電壓的大小不是處于最大值的連續(xù) 時(shí)間段("激活窗口")并且僅在該窗口期間允許觸點(diǎn)響應(yīng)于開關(guān)信號(hào)來改變狀 態(tài)的部件。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，該開關(guān)電路包括固態(tài)開關(guān)設(shè)備，其響應(yīng)于施加在 該開關(guān)設(shè)備的控制端的既定電壓電平的開關(guān)信號(hào)而被導(dǎo)通，其中，用于限定 激活窗口的部件包含用于在激活窗口的外部將控制端保持為非既定電壓電平 的電壓的部件，并且其中，觸點(diǎn)響應(yīng)于開關(guān)設(shè)備的導(dǎo)通而改變狀態(tài)。
在該實(shí)施例中，用于將控制端保持為非所述既定電壓電平的電壓的部件 包含另一個(gè)固態(tài)開關(guān)設(shè)備，其連接在控制端和非既定電壓的電壓之間，在激 活窗口的外部該另一個(gè)開關(guān)設(shè)備被導(dǎo)通。
優(yōu)選地，通過相移電源電壓所得到的信號(hào)來限定激活窗口 。
在本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用中，該開關(guān)電路是RCD,并且響應(yīng)于接地故障電流 產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。


現(xiàn)在參考附圖，通過例子的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
圖1示出典型現(xiàn)有技術(shù)的RCD電路。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的RCD電路。
圖3是圖解圖2的電路的操作的波形圖。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的RCD電路。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的電^^。
具體實(shí)施例方式
圖1中的現(xiàn)有技術(shù)電路包含對(duì)于負(fù)載LD的交流電源(mains supply)。電 源導(dǎo)線(當(dāng)前情況中包含火線L和零線N)穿過變流器CT。在交流電源中有兩 個(gè)通常閉合的機(jī)械觸點(diǎn)M,導(dǎo)線L、 N中各有一個(gè)。 一電子電路通過二極管D1 連接至交流電源，該電子電路包含集成電路(IC)類型的WA050，其通過電 阻器R1被供電；電容器C1，其通過電阻器R2獲取電荷。WA050是愛爾蘭的 西方自動(dòng)化研究與開發(fā)有限公司提供的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RCD IC。
在正常情況下，流入火線L和零線N的電流的大小相等，^E是，當(dāng)其穿過CT時(shí)，電流在每個(gè)導(dǎo)線中以相反的方向流動(dòng)，其結(jié)果是CT沒有看到任何 凈電流流動(dòng)。如果CT的負(fù)載端上發(fā)生接地故障，那么一部分流入火線L的電 流將通到大地，而不通過零線N返回。在這種情況下，火線和零線電流的大 小將不再相等，CT將產(chǎn)生結(jié)果輸出(resultant output)。該輸出將由WA050 IC 感應(yīng)，并且如果接地故障電流的流量的大小和持續(xù)時(shí)間超過某個(gè)預(yù)定界限， 那么WA050 IC的輸出S將變高以產(chǎn)生用于可控硅整流器SCR的開關(guān)信號(hào)，將 SCR導(dǎo)通。當(dāng)SCR導(dǎo)通時(shí)，電容器C1將通過電;茲線圈S0L放電，因此激活了 電磁線圈，并導(dǎo)致其自動(dòng)地開路機(jī)械觸點(diǎn)M。電阻器Rb將剩余電流的閾值設(shè) 置為(或大于)使WA050 IC輸出變高以導(dǎo)通SCR的值。該閾值可通過改變Rb 的值而變化。電容器C提供對(duì)于SCR選通極(gate)的某種程度的抑制以最'J、 化由于噪聲等引起的SCR導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。這種RCD電路是大家很熟悉的，這里 不需要進(jìn)一步的描述。
在上面的配置中，使觸點(diǎn)開路的AC電源電壓的波形點(diǎn)(POW)將是完全隨 機(jī)的。對(duì)于電阻性的故障情況，故障電流在AC電壓波形的峰值處最大，在其 它點(diǎn)將較小。如果觸點(diǎn)在峰值處開路，那么其必須在最大電壓處中斷最大電 流，因此須承受最大能量，但此外，結(jié)果電弧(resultant arcing)、熱量與 碳顆粒也將最大。如果觸點(diǎn)在低于波形的峰值的電壓處開路，那么斷路電流 將較小，并且電弧、熱量與顆粒也將減少。因此，如果可安排配置來確保觸 點(diǎn)僅在顯著低于峰值電源電壓的電壓處開路，并因而改善了上面的問題，那 么這將會(huì)很有益。圖2示出了這種配置。
圖2區(qū)別于圖1在于其具有六個(gè)額外的組件電阻器Rs、電容器Cs、 二極管D2和D3、 npn晶體管Ql和pnp晶體管Q2。
先不考慮電容器Cs,每當(dāng)電源周期為正時(shí)，Q1將通過D3被導(dǎo)通，而每 當(dāng)電源周期為負(fù)時(shí)，Q2將通過D2被導(dǎo)通。結(jié)果，即使檢測(cè)到故障電流，SCR 的選通極也將幾乎始終保持為低，而不可能通過IC的輸出S處的開關(guān)信號(hào)來 導(dǎo)通SCR并給電磁線圈通電。
然而，添加電容器Cs導(dǎo)致在交流電源電壓與流入二極管D2和D3的電流 之間的相移。眾所周知，當(dāng)向電容器施加AC電壓時(shí)，通過電容器的電流將會(huì) 超前至多90° ,以致當(dāng)電壓處于其峰值時(shí)電流處于最小值，反之亦然?，F(xiàn)在 不考慮Rs,可得出結(jié)論當(dāng)AC電源電壓處于其峰值電平(或正或負(fù))時(shí)，D3 和D2中的電流將為零，其結(jié)果是Ql和Q2均將被截止。那么在峰值A(chǔ)C電源電壓處IC的輸出S上將能夠出現(xiàn)開關(guān)信號(hào)來導(dǎo)通SCR，并且觸點(diǎn)M將開路。 Rs和Cs的組合具有導(dǎo)致D2和D3中的電流超前交流電源電壓介于0 90°之 間的某一角度的效果。通過合適地選擇這些電阻器和電容器值，可精確地設(shè) 定電流超前電壓的量。假設(shè)Rs和Cs值已選擇為提供lO。相移，并且先考慮 交流電源的正半周期，可得出結(jié)論當(dāng)電源電壓開始^v零上升時(shí)，電流將已 經(jīng)處于某較大值，其結(jié)果是D3將在電源電壓上升至顯著大于OV之前導(dǎo)通并 導(dǎo)通Q1。只要Q1被導(dǎo)通，那么SCR不會(huì)被導(dǎo)通。隨著正周期的繼續(xù)，電流 最終將開始朝著0電平(level)下降,在該階段D3將停止導(dǎo)通并且Ql將截止。 在該點(diǎn)電源電壓將處于大于0V的電壓，并且如果IC輸出S變高，那么盡管 處于相對(duì)較低的電壓且電壓正朝著OV下降，SCR也將能夠?qū)ú?dǎo)致觸點(diǎn)M 開路。
對(duì)于相同的組件值和相移，考慮交流電源的負(fù)半周期，可以看到，當(dāng)電 壓大小為O時(shí)，通過D2的電流將會(huì)為某較大值，其結(jié)果是Q2將被導(dǎo)通并且 SCR將被阻止導(dǎo)通。隨著負(fù)周期繼續(xù)，電流最終將開始朝著0電平(level)下 降，在該階段D2將停止導(dǎo)通并且Q2將截止。在該點(diǎn)電源電壓將處于大于OV 的電壓，并且如果IC輸出S變高，那么盡管處于相對(duì)較低的電壓且電壓正朝 著OV下降，SCR也將能夠?qū)ú?dǎo)致觸點(diǎn)M開路。
D3/Q1及D2/Q2的組合外加Rs和Cs的相移效果確保了對(duì)于交流電源的 正、負(fù)半周期，僅當(dāng)電源電壓正接近于0電壓電平時(shí)SCR才導(dǎo)通。這里，將 在其期間Qi和Q2均截止的連續(xù)時(shí)間段稱為電^f茲線圈激活窗口 。如杲在該窗 口期間IC輸出S變高，那么在一相對(duì)較低且減小的電壓電平處，SCR將被導(dǎo) 通且觸點(diǎn)M將開路。圖3中的陰影線示出了幾個(gè)周期的交流電源的電磁線圈 激活窗口?？梢钥吹?，該窗口并不向右延伸至波形的過零點(diǎn)?；仡櫟诫娏鲗?始終超前電源電壓，可得出結(jié)論，趨于正半周期的末端時(shí)Q2將通過D2被導(dǎo) 通，因而將SCR選通極鉗位，而趨于負(fù)半周期的末端時(shí)，Q1將通過D3被導(dǎo) 通，因而將SCR選通極鉗位。
在這種配置下，隨著電源電壓的大小朝著0下降，在交流電源的正或負(fù) 半周期期間的SCR的導(dǎo)通僅可以出現(xiàn)在電磁線圏激活窗口中，其結(jié)果是負(fù)載 電流和故障電流也將下降。因此，電磁線圈將被通電，并且觸點(diǎn)將開路導(dǎo)致 一逐漸減小的故障電流，該故障電流將顯著地小于如果SCR在半周期的峰值 處導(dǎo)通而將流過的電流。結(jié)果，斷路電壓、電流和能量都將顯著地小于在電壓電平大于其屬于窗口時(shí)間段期間的情形，因此電弧、熱量和顆粒都將較少。 通過優(yōu)化選擇Cs和RS的值可設(shè)定激活窗口的寬度，其結(jié)果是可以以最
小化觸點(diǎn)上的應(yīng)力的方式來控制或同步(synchronise)波形上使得觸點(diǎn)能夠 開路的點(diǎn)。
圖2的電聘 使用電容器激活式(capacitor-activated)電》茲線圈。圖4 的實(shí)施例示出使用電源操作的電磁線圈的例子。
在圖4的配置中，由于D1的原因，SC!H叉在交流電源的正半周期期間導(dǎo) 通，并且可不考慮交流電源的負(fù)半周期，因此已將D2、 D3和Q2消除?？紤] 如圖3中所示的電源電壓的正半周期，激活窗口和過零點(diǎn)之間有一小區(qū)域， 其中，SCR的陽極上具有正電壓，并且在該區(qū)域中，由于Q1的基極電流太小 而不能使其維持導(dǎo)通，因而Q1將被截止。如果WA050輸出變高，那么理論上 在該區(qū)域中SCR可導(dǎo)通。實(shí)際中這將不是問題，這是由于導(dǎo)通將發(fā)生在期望 情況下(低或減小的電源電壓電平)。然而，如果在該區(qū)域中要導(dǎo)通SCR，那 么施加給電磁線圈的電源電壓的大小將會(huì)非常小， 一旦低于某個(gè)電平，其不 太可能導(dǎo)致電磁線圈的激活。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)電磁線圈可確保在該區(qū)域中不 會(huì)激活電磁線圈。對(duì)于該配置的一重要要求是在激活窗口的電壓處的電磁 線圈必須具有足夠的能量以確保觸點(diǎn)的可靠工作及開路。通過合適地處理Cs 和Rs的值可加寬電磁線圈激活窗口，其結(jié)果是SCR可如所需在更高的電源電 壓處導(dǎo)通，因此確保了電磁線圈的可靠工作。
如果不是通過二極管Dl，而是通過全波橋式整流器來給圖4中的SCR供 電，那么其在交流電源的正半周期和負(fù)半周期期間均能夠?qū)?。在這種情況 下，Ql將在每個(gè)過零點(diǎn)稍前之時(shí)截止，并且如果IC輸出為高，那么SCR可 為電磁線圈通電，并導(dǎo)致觸點(diǎn)開路。對(duì)于之前的實(shí)施例，當(dāng)電'源電壓和合成 負(fù)載(或故障)電流大小下降時(shí)，觸點(diǎn)上的合成應(yīng)力減小，那么觸點(diǎn)將會(huì)開路。
雖然前面已描述了用于在AC電力供應(yīng)中控制觸點(diǎn)開路的點(diǎn)以將該開路 期間的電弧最小化的實(shí)施例，但是該原理也容易地適合于解決關(guān)于閉合觸點(diǎn) 的該問題。圖5中示出一基本電路。
通過可人工操作的開關(guān)SW1，經(jīng)L和N導(dǎo)線為該電路供電。當(dāng)SW1閉合 時(shí)，晶體管TR1經(jīng)電阻器R1和電容器C1被導(dǎo)通，并且其對(duì)于每個(gè)正的電源 半周期的大部分都保持導(dǎo)通。因此，SCR的控制輸入端被綁定至接地而不能 導(dǎo)通。然而，如對(duì)于Rs和Cs的之前描述，由于Rl和Cl的相移效應(yīng)，在每個(gè)正半周期的末端之前的短暫時(shí)間段中TR1被截止。在該激活窗口內(nèi)，SCR 可通過電阻器R2而被導(dǎo)通，使得電流流過電^茲線圈S0L以閉合觸點(diǎn)Ml。
通過電阻器R3為電磁線圈S0L和充電電容器C2供電，使得在正半廚期 上由通過R3的電流為SOL通電，因此觸點(diǎn)M1保持閉合；而在負(fù)半周期期間 由來自C2的電流為S0L通電，因此觸點(diǎn)M1同樣保持閉合。
上面所描述的電路的波形上的點(diǎn)的原理可用于電子RCD、電路斷路器、 繼電器、接觸器及其他開關(guān)設(shè)備中，并可用于確定觸點(diǎn)閉合或開路處的波形 上的點(diǎn)。
本發(fā)明不局限于此處所描述的實(shí)施例，其可在不脫離本發(fā)明的范圍的情 況下進(jìn)行修改或變更。
權(quán)利要求
1. 一種開關(guān)電路，其包含交流電源中的至少一對(duì)機(jī)械觸點(diǎn)，以及用于響應(yīng)于開關(guān)信號(hào)來改變?cè)撚|點(diǎn)的狀態(tài)的部件，該電路還包括用于限定在其期間電源電壓的大小不是處于最大值的連續(xù)時(shí)間段(“激活窗口”)并且僅在該窗口期間允許該觸點(diǎn)響應(yīng)于開關(guān)信號(hào)來改變狀態(tài)的部件。
2. 如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電路，其中，該激活窗口由通過相移電源電壓所得到的信號(hào)來限定。
3. 如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電路，包括固態(tài)開關(guān)設(shè)備，其響應(yīng)于施加在該開關(guān)設(shè)備的控制端的既定電壓電平的開關(guān)信號(hào)而被導(dǎo)通，其中，用于限定該激活窗口的部件包含用于在該激活窗口的外部將該控制端保持為非該既定電壓電平的電壓的部件，并且其中，該觸點(diǎn)響應(yīng)于該開關(guān)設(shè)備^皮導(dǎo)通而改變狀態(tài)。
4. 如權(quán)利要求3所述的開關(guān)電路，其中，用于將該控制端保持為非該既定電壓電平的電壓的部件包括另一個(gè)連接在該控制端和非該既定電壓的電壓之間的固態(tài)開關(guān)設(shè)備，該另 一個(gè)開關(guān)設(shè)備在該激活窗口的外部被導(dǎo)通。
5. 如權(quán)利要求4所述的開關(guān)電路，其中，由通過相移電源電壓所得到的信號(hào)將該另 一個(gè)開關(guān)設(shè)備在該激活窗口的外部導(dǎo)通。
6. 如上述的任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的開關(guān)電路，其中，每個(gè)激活窗口出現(xiàn)于電源電壓接近于0時(shí)。
7. 如上述的任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的開關(guān)電路，其中，該開關(guān)電路是RCD，并且響應(yīng)于接地故障電流產(chǎn)生該開關(guān)信號(hào)。
全文摘要
公開了開關(guān)電路，如RCD，其包括交流電源(N，L)中的一對(duì)機(jī)械觸點(diǎn)(M)，以及用于響應(yīng)于開關(guān)信號(hào)(S)來開路觸點(diǎn)以切斷電源的電路部件(SCR)。該開關(guān)電路還包括用于限定在其期間電源電壓的大小不是處于最大值的連續(xù)時(shí)間段(“激活窗口”)并且僅在該窗口期間允許所述觸點(diǎn)響應(yīng)于開關(guān)信號(hào)而開路的電路部件(Rs、Cs、D2、D3、Q1、Q2)。
文檔編號(hào)H01H9/56GK101467226SQ200780022253
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月15日
發(fā)明者帕特里克·沃德 申請(qǐng)人:沙基拉有限公司