專利名稱：差動(dòng)電流保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種差動(dòng)電流(DI)保護(hù)裝置，包括一個(gè)總電流互感器(Sum-menstromwandler)、一個(gè)與電源電壓有關(guān)的脫扣電路、以及一個(gè)用于操作一位于閉合電網(wǎng)(Leiternetz)中的開(kāi)關(guān)的脫扣器。
背景技術(shù)：
這樣一種保護(hù)裝置用于確保在一電氣設(shè)備中防止產(chǎn)生一個(gè)對(duì)人體有危險(xiǎn)的電流。這樣一種電流例如會(huì)在人觸及一電氣設(shè)備的導(dǎo)電部分時(shí)出現(xiàn)。然后，該泄漏電流(Fehlerstrom)或差動(dòng)電流(Differenzstrom)經(jīng)該人體作為人體電流流向大地。在超出所謂的設(shè)計(jì)泄漏電流時(shí)，用于防止形成對(duì)人體有危險(xiǎn)的人體電流的保護(hù)開(kāi)關(guān)可靠、快速地將電網(wǎng)的有關(guān)電流回路斷開(kāi)。
保護(hù)開(kāi)關(guān)的這種結(jié)構(gòu)例如已在“ETZ(1986)，Heft 20，Seite 938 bis 945”(《電氣技術(shù)雜志》第20卷第938至945頁(yè))中公開(kāi)。在那里，尤其是圖1至圖3描述了一泄漏電流保護(hù)開(kāi)關(guān)(FI-保護(hù)開(kāi)關(guān))和一差動(dòng)電流保護(hù)開(kāi)關(guān)(DI-保護(hù)開(kāi)關(guān))原理電路圖和作用原理。
FI保護(hù)開(kāi)關(guān)和DI保護(hù)開(kāi)關(guān)類似地由三個(gè)組件構(gòu)成。在總電流互感器(電網(wǎng)的所有導(dǎo)電導(dǎo)線均通過(guò)其變壓器鐵心)的次級(jí)線圈中在有泄漏電流的情況下感應(yīng)出一電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)控制一個(gè)經(jīng)一脫扣電路與該次級(jí)線圈相連接的脫扣器。該脫扣器與一開(kāi)關(guān)卡鎖(Schaltschloss)相耦合，在該脫扣器吸合時(shí)通過(guò)該開(kāi)關(guān)卡鎖將一位于該導(dǎo)線或每一導(dǎo)線上的斷路器的觸頭打開(kāi)。此外，該FI-保護(hù)開(kāi)關(guān)從該泄漏電流本身獲取為脫扣所需要的能量，此過(guò)程與電源電壓無(wú)關(guān)，而在DI-保護(hù)開(kāi)關(guān)中脫扣依據(jù)電源電壓完成。為此在出現(xiàn)泄漏電流時(shí)將由總電流互感器發(fā)出的信號(hào)輸送給該DI-保護(hù)開(kāi)關(guān)或DI-附件中通常由電網(wǎng)經(jīng)一電源部分供電的脫扣電路。
在用作DI-保護(hù)開(kāi)關(guān)的低價(jià)格或低成本器械中常常采用閘流晶體管來(lái)控制脫扣器，并通常利用一電阻電源部分或電容電源部分作為電源部分。如果此時(shí)要求該脫扣器在一個(gè)大的電源電壓范圍內(nèi)(例如50V至230V)起作用，則為了在一簡(jiǎn)單的低成本的電源部分結(jié)構(gòu)中限制其損耗功率，必須強(qiáng)制性地使該脫扣器構(gòu)件的耗電達(dá)到最小。然而這要求采用小控制功率或低柵極電流的閘流晶體管。
但是，在這種閘流晶體管中其臨界電壓陡度受到下述限制在因瞬時(shí)電源過(guò)電壓而超過(guò)臨界陡度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致閘流晶體管自激發(fā)，從而使保護(hù)裝置出現(xiàn)誤脫扣。因此，在利用閘流晶體管時(shí)不能可靠地保證該DI-保護(hù)裝置在所謂的模擬瞬時(shí)電源過(guò)電壓1，2/50微秒標(biāo)準(zhǔn)脈沖下不會(huì)發(fā)生使電網(wǎng)出現(xiàn)非預(yù)期斷路的脫扣。
雖然DI-保護(hù)裝置的非預(yù)期脫扣能通過(guò)將一個(gè)電容器與該閘流晶體管的陽(yáng)極-陰極-路徑相并聯(lián)而減弱，其中通過(guò)此并聯(lián)減緩了該閘流晶體管在具有陡峭邊沿電流脈沖處的電壓升高。然而由于該電容器位于已整流的電源電壓，在進(jìn)行低成本設(shè)計(jì)時(shí)僅允許電容器具有有限的容量。因此以這種方式不能有效地消除誤脫扣問(wèn)題，尤其是一方面就運(yùn)行條件來(lái)說(shuō)實(shí)際上不可避免地提高了DI保護(hù)裝置的器械內(nèi)部溫度，另一方面閘流晶體管的臨界電壓陡度隨著溫度增加而大大降低了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種DI保護(hù)裝置，允許其在具有盡可能低成本結(jié)構(gòu)的同時(shí)還可在一個(gè)相當(dāng)大的電源電壓范圍(尤其是從50V至230V)避免誤脫扣。
本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題是這樣來(lái)解決的該DI保護(hù)裝置具有一個(gè)由脫扣電路控制的第一電子開(kāi)關(guān)，和一個(gè)與該第一電子開(kāi)關(guān)相連接、且經(jīng)一整流器與該脫扣器相連接的第二電子開(kāi)關(guān)，該第二電子開(kāi)關(guān)一方面作為電壓調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)該脫扣電路的供給電壓，另一方面在達(dá)到脫扣標(biāo)準(zhǔn)時(shí)操作該脫扣器。
本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是，當(dāng)采用一個(gè)不僅用作該脫扣器的電子開(kāi)關(guān)、而且承擔(dān)附加功能的晶體管來(lái)代替閘流晶體管以消除閘流晶體管成本高的缺陷時(shí)，可以避免該DI-保護(hù)裝置的誤脫扣。此外，當(dāng)一種這樣的電子開(kāi)關(guān)附加承擔(dān)了在電源部分的電壓調(diào)節(jié)器的功能時(shí)，可看出在同時(shí)使成本相當(dāng)于采用一閘流晶體管的情況下還可以采用另一個(gè)電子開(kāi)關(guān)。這樣一來(lái)，在具有良好性能和誤脫扣可靠性的同時(shí)，由于采用閘流晶體管所引起的成本方面的缺陷可以通過(guò)下述方式得到補(bǔ)償由于明顯改善電源部分的效率，可以節(jié)省相應(yīng)的成本。
在合適的實(shí)施方式中，下面還稱作主晶體管的(第二)電子開(kāi)關(guān)作為一縱向調(diào)節(jié)器(Laengsregler)工作。為此，其合適地與一個(gè)作為參考元件的齊納二極管和一個(gè)濾波電容器相連接。從而該主晶體管與一對(duì)電源電壓整流的整流囂一起形成一個(gè)帶有縱向調(diào)節(jié)器或電壓調(diào)節(jié)器的電源部分。
作為主晶體管，合適地采用一種所謂的IGBT(隔離柵雙極晶體管)，因?yàn)槠湓谳斎雮?cè)性能如同場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOS-FET)，在輸出側(cè)如同雙極晶體管。尤其就其在瞬時(shí)電源過(guò)電壓時(shí)的抗干擾性來(lái)說(shuō)，此性能相對(duì)于閘流晶體管的典型性能特別有利。作為另一電子開(kāi)關(guān)或輔助晶體管，合適地采用一MOS-FET，即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)尤其在于通過(guò)在DI-保護(hù)裝置中采用兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)(以一個(gè)主晶體管和一個(gè)輔助晶體管的合適方式)，并通過(guò)由此而可能實(shí)現(xiàn)的帶有縱向調(diào)節(jié)器的電源部分，使得該保護(hù)裝置在低成本下具有較高脫扣可靠性和較好抗誤脫扣性的優(yōu)良性能。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。
圖1以線路方框圖示意地給出一個(gè)帶有一輔助晶體管及一個(gè)用于調(diào)節(jié)電壓和操作脫扣器的主晶體管的DI-保護(hù)裝置。
具體實(shí)施例方式
在圖1中所描述的DI-保護(hù)裝置1(下面還稱作保護(hù)開(kāi)關(guān))具有一個(gè)帶有一變壓器鐵心3的總電流互感器2，通過(guò)該總電流互感器引入雙線電源的相線L和零線N。在此，保護(hù)開(kāi)關(guān)接在一電負(fù)載(圖中未示出)之前，該電負(fù)載例如沿著供電方向A由電源L、N提供電流。該電源還可以是一個(gè)三線電源或者是一個(gè)帶有三根相線和一根零線的四線電源。
變壓器鐵心3還繞有一次級(jí)線圈4。如果出現(xiàn)一個(gè)干擾，例如由于漏電流而使負(fù)載側(cè)待供電流的一部分經(jīng)地面而被導(dǎo)走，則此電流差或泄漏電流在該總電流互感器2的次級(jí)線圈4將感應(yīng)產(chǎn)生一電壓差UF，其作為所出現(xiàn)的泄漏電流的尺度引入。該在次級(jí)線圈4中產(chǎn)生的電壓差UF將在一脫扣電路5中由脫扣電子集成電路IC進(jìn)行分析求值。
為了使脫扣電路5運(yùn)行，向該DI-保護(hù)開(kāi)關(guān)1(不同于與電源電壓有關(guān)的FI-保護(hù)開(kāi)關(guān))供給一個(gè)對(duì)電源電壓UN(如110V或230V)整流后所獲取的電流。為此設(shè)置了一個(gè)下面稱作主晶體管6的IGBT形式的(第二)電子開(kāi)關(guān)，其在柵極側(cè)或控制極側(cè)接有一電阻R1和一齊納二極管Z。主晶體管6在柵極側(cè)僅接受小電流，從而由電阻R1和齊納二極管構(gòu)成的支路可以是高電阻的，這導(dǎo)致小的損耗。
該在陰極側(cè)與主晶體管6的柵極側(cè)或控制極側(cè)相連接的齊納二極管Z的陽(yáng)極側(cè)接地。該主晶體管6的集電極側(cè)一方面經(jīng)電阻R1與其基極相連，另一方面經(jīng)二極管D1與一脫扣器7相連，該脫扣器的繼電器線圈接在相線L上。該脫扣器7經(jīng)一圖中未示出的開(kāi)關(guān)卡鎖與一開(kāi)關(guān)8機(jī)械連接，開(kāi)關(guān)8的觸頭8a、8b分別位于相線L或零線N上。在此實(shí)施方式中，借助在陽(yáng)極側(cè)與脫扣器7或脫扣器的繼電器線圈相連的二極管D1實(shí)現(xiàn)半波整流。尤其在四線電源情況，還可以設(shè)置一橋式整流器來(lái)代替此D1。
主晶體管6在發(fā)射極側(cè)經(jīng)一由電阻R2和二極管D2以及濾波電容器或充電濾波器C構(gòu)成的串聯(lián)電路接地。在主晶體管6與電阻R1、R2以及二極管D2、Z和電容C的這種布線中，實(shí)現(xiàn)了在該二極管D2和該電容C間帶有一電壓抽頭10的電壓調(diào)節(jié)電路9。通過(guò)與此電壓抽頭10相連的供電導(dǎo)線11實(shí)現(xiàn)對(duì)此脫扣電路5的供電。
主晶體管6與齊納二極管Z形式的參考元件和濾波電容器C一起作為縱向調(diào)節(jié)裝置工作。從而調(diào)節(jié)電路9與整流二極管D1結(jié)合起來(lái)作為帶有縱向調(diào)節(jié)裝置的電源部分。
在柵極側(cè)或控制極側(cè)與脫扣電路5相連接的、以MOS-FET(下面稱作輔助晶體管)形式出現(xiàn)的(第一)電子開(kāi)關(guān)12在漏極側(cè)(drainseitig)與主晶體管6的發(fā)射極相連，在源極側(cè)(sourceseitig)與大地相接。
在泄漏電流的情況，在脫扣電路5中就達(dá)到脫扣標(biāo)準(zhǔn)方面對(duì)電壓差UF進(jìn)行分析。如果必要時(shí)經(jīng)放大和整流的電壓差UF就其量值和其持續(xù)時(shí)間超過(guò)一額定值，則該脫扣電路5向輔助晶體管12發(fā)出一脫扣信號(hào)UA，該輔助晶體管在此基礎(chǔ)上被控制成導(dǎo)通。這樣一來(lái)，主晶體管6在發(fā)射極側(cè)接地，從而進(jìn)行了再調(diào)整。由于這樣形成的高電流通過(guò)主晶體管6，隨之通過(guò)脫扣器7，實(shí)現(xiàn)了脫扣器的脫扣，從而使開(kāi)關(guān)8動(dòng)作，將開(kāi)關(guān)8的開(kāi)關(guān)觸頭8a、8b打開(kāi)。
在保護(hù)裝置1接通時(shí)，由于那時(shí)要對(duì)電容器C充電，電阻R2限制接通電流。通過(guò)限制此充電電流，尤其可靠地避免了誤脫扣。借助二極管D2避免在脫扣時(shí)停止向脫扣電路5的電壓供給。
該既承擔(dān)了電源部分電壓調(diào)節(jié)功能、又承擔(dān)脫扣器7的電子開(kāi)關(guān)功能的主晶體管6在其集電極側(cè)位于經(jīng)二極管D1對(duì)來(lái)自電網(wǎng)L、N電壓作整流后的電源電壓UN’，且將該整流后的電源電壓UN’下調(diào)到脫扣電路5的供給電壓UV。在此，在忽略電阻R2和二極管D2上的電壓降條件下，該供給電壓UV由齊納二極管Z的參考電壓UR和主晶體管6的柵極-發(fā)射極路徑上的電壓降之差得出。此外，該輔助晶體管12處于與整流后的電源電壓UN’相比低得多的脫扣電路5的供給電壓UV。
通過(guò)由電阻R2對(duì)濾波電容器C的充電電流的限制避免了在接通電源電壓UN時(shí)的誤脫扣。此外，脫扣電路5的脫扣電子集成電路IC的耗電與脫扣器7的吸動(dòng)電流相比是可忽略的，從而脫扣電路5的工作電流可毫無(wú)問(wèn)題地通過(guò)該脫扣器7，即通過(guò)該脫扣器的繼電器線圈。
與主晶體管6相比，輔助晶體管12由于其電壓負(fù)載小因而成本低廉。由于主晶體管6同時(shí)作為電壓調(diào)節(jié)器工作，可以省去一個(gè)高成本的電容器電源部分。此外，由于所實(shí)現(xiàn)的、帶有大電源電壓范圍縱向調(diào)節(jié)器的電源部分具有比一電容器電源部分或電阻電源部分更好的損耗功率平衡，則將主晶體管6和輔助晶體管12的組合應(yīng)用使得有可能采用一個(gè)成本相當(dāng)?shù)土?、可用于大耗電脫扣電?的脫扣電子集成電路IC。
總體上通過(guò)主晶體管6的功能組合，尤其可靠地實(shí)現(xiàn)了在低成本下得到極強(qiáng)抗誤脫扣能力這一技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種差動(dòng)電流(DI)保護(hù)裝置(1)，包括一總電流互感器(2)、一與該總電流互感器次級(jí)相連接且與電源電壓有關(guān)的脫扣電路(5)、以及一個(gè)用于操作一位于閉合電網(wǎng)(L，N)中的開(kāi)關(guān)(8)的脫扣器(7)，其特征在于-一個(gè)由脫扣電路(5)控制的第一電子開(kāi)關(guān)(12)，和-一個(gè)與該第一電子開(kāi)關(guān)(12)相連接、且經(jīng)一整流器(D1)與該脫扣器(7)相連接的第二電子開(kāi)關(guān)(6)，該第二電子開(kāi)關(guān)一方面作為電壓調(diào)節(jié)囂來(lái)調(diào)節(jié)該脫扣電路(5)的供給電壓(UV)，另一方面在達(dá)到脫扣標(biāo)準(zhǔn)(UF)時(shí)操作該脫扣器(7)。
2.按照權(quán)利要求1所述的DI-保護(hù)裝置，其特征在于所述第二電子開(kāi)關(guān)(6)與一參考元件(Z)和一電容器(C)一起形成電壓調(diào)節(jié)電路(9)。
3.按照權(quán)利要求2所述的DI-保護(hù)裝置，其特征在于所述電壓調(diào)節(jié)電路(9)與一整流器(D1)一起作為帶有縱向調(diào)節(jié)器的電源部分工作。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的DI-保護(hù)裝置，其特征在于所述第二電子開(kāi)關(guān)(6)在其控制側(cè)與一限壓元件(z)和一限流元件(R1)相連接。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的DI-保護(hù)裝置，其特征在于所述第二電子開(kāi)關(guān)(6)在其發(fā)射極側(cè)與一個(gè)由一限制起動(dòng)電流的第一元件(R2)、一個(gè)起放電保護(hù)作用的第二元件(D2)和一電容器(C)構(gòu)成的串聯(lián)電路相連接。
6.按照權(quán)利要求5所述的DI-保護(hù)裝置，其特征在于通過(guò)位于所述第二元件(D2)和所述電容器(C)之間的抽頭(10)向所述脫扣電路(5)輸送一供給電壓(UV)。
7.按照權(quán)利要求6所述的DI-保護(hù)裝置，其特征在于所述供給電壓(UV)相當(dāng)于所述參考元件(Z)的參考電壓(UR)和所述第二電子開(kāi)關(guān)(6)上的電壓降之差。
8.按照權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的DI-保護(hù)裝置，其特征在于所述第一電子開(kāi)關(guān)(12)是一晶體管，尤其是一MOS-FET。
9.按照權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的DI-保護(hù)裝置，其特征在于所述第二電子開(kāi)關(guān)(6)是一晶體管，尤其是一IGBT。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種DI—保護(hù)裝置(1)，包括一總電流互感器(2)、一與該總電流互感器次級(jí)相連接且與電源電壓有關(guān)的脫扣電路(5)、以及一個(gè)用于操作一位于閉合電網(wǎng)(L，N)中的開(kāi)關(guān)(8)的脫扣器(7)，該DI—保護(hù)裝置(1)具有一個(gè)由脫扣電路(5)控制的第一電子開(kāi)關(guān)(12)，和一個(gè)與該第一電子開(kāi)關(guān)(12)相連接、且經(jīng)一整流器(D1)與該脫扣器(7)相連接的第二電子開(kāi)關(guān)(6)，該第二電子開(kāi)關(guān)一方面作為電壓調(diào)節(jié)器(8)調(diào)節(jié)該脫扣電路(5)的供給電壓(U
文檔編號(hào)H02H1/00GK1427519SQ0215786
公開(kāi)日2003年7月2日 申請(qǐng)日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月20日
發(fā)明者伯恩哈德·鮑爾 申請(qǐng)人:西門子公司