專利名稱：具有過熱保護(hù)和低誤差i的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有溫度補(bǔ)償控制電路的模制外殼斷路器。
模制外殼斷路器或類似裝置包括控制電路，它可能是分立元件的或集成電路的。不管怎樣，該控制電路的可靠性在高溫環(huán)境下變得令人懷疑，例如在沙漠中的白天里就會遇到這種高溫;或者由于本身的機(jī)電問題也會產(chǎn)生高溫，例如與負(fù)載導(dǎo)體連接不良而產(chǎn)生高溫。由于這種原因，斷路器和類似裝置都裝設(shè)有過熱保護(hù)，當(dāng)斷路器的溫度超過一預(yù)定值時，過熱保護(hù)使斷路器自動跳閘，該預(yù)定值可根據(jù)本地的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計、規(guī)范等條件而變化。一個典型的溫度示例是90℃，超過這一溫度就要使斷路器跳閘以保證安全運(yùn)行。在過去，一直采用熱敏電阻在硅可控整流器的觸發(fā)電路中引起過熱跳閘，硅可控整流器與斷路器跳閘線圈或跳閘裝置相串聯(lián)。斷路器的控制系統(tǒng)通常包括大規(guī)模集成電路和精密電壓基準(zhǔn)。一個帶隙基準(zhǔn)值是一種典型的精密電壓基準(zhǔn)。
本發(fā)明的一個目的是為斷路器提供一種可靠的、有效的、廉價的過熱保護(hù)電路。
以此為目的，一個斷路器應(yīng)該包括一個硅可控整流器或類似的門(選通)裝置，與一個通量分路跳閘裝置或類似的跳閘裝置串聯(lián)連接。當(dāng)足夠大的控制極電流提供給硅可控整流器的控制極時，跳閘裝置被驅(qū)動，使斷路器的主觸頭斷開。該控制極電流由一個開關(guān)或晶體管控制的電流源供給。這個開關(guān)或晶體管本身在其基極端被控制，例如由第二個晶體管控制，它的導(dǎo)通用來激勵第一個晶體管的基極-發(fā)射電路，也就是說，使第一個晶體管導(dǎo)通。該控制晶體管的基極連接到一個帶隙調(diào)節(jié)器基準(zhǔn)電路的串聯(lián)電阻中一個適當(dāng)選擇的連接點(diǎn)上。
這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于這樣的事實(shí)，該串聯(lián)電阻具有正的溫度系數(shù)并與控制晶體管基極-發(fā)射極電路的負(fù)溫度系數(shù)相互作用，當(dāng)達(dá)到過高的溫度值時就使該晶體管導(dǎo)通。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，該控制晶體管的發(fā)射極可以通過一個電阻連接到系統(tǒng)的公共端或接地，該電阻具有給定的每℃歐姆值特性。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，過熱的溫度值能以一種可預(yù)測的方式建立起來。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，該控制晶體管的發(fā)射極處于不接地狀態(tài)，這樣，過熱的運(yùn)行就被消除或不能進(jìn)行。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，一個用于I2t計算電路的記憶電阻被一個有源開關(guān)控制裝置所代替，這樣，當(dāng)上述裝置接通時，就可以利用電容器放電的記憶作用。然而，當(dāng)不需要記憶作用時，上述裝置被斷開，實(shí)質(zhì)上是與充電電路斷開了。這樣做的好處是，在上述斷路器所保護(hù)的導(dǎo)體中產(chǎn)生熱量，而代表該熱量的全部電流直接供給電容器，從而減小了以前與并聯(lián)記憶電阻回路有關(guān)的誤差。
從下面對本發(fā)明最佳實(shí)施例的描述中，本發(fā)明將變得更加明晰，其實(shí)施例在附圖中示出，其中

圖1表示應(yīng)用本發(fā)明概念的一個模制外殼斷路器的正視圖;
圖2A-2C表示本發(fā)明的電氣和機(jī)械的接線圖，其中本發(fā)明的電氣和機(jī)電元件部分地以示意圖形表示，部分地以功能框圖形式表示。
現(xiàn)在請參照附圖，特別是圖1，示出了作為本發(fā)明討論主題的設(shè)備。特別畫出了一個模制外殼斷路器10。該模制外殼斷路器10可以是以前的已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的那些美國專利中所表示和描述的任何一種類型。
圖中提供了斷路器底座12，它可能具有一個凹進(jìn)的開口14，一個能重復(fù)使用并且可替換的跳閘組件機(jī)構(gòu)16可放置在開口14中，例如根據(jù)上述美國專利4639701號所表示和敘述的那種機(jī)構(gòu)。該跳閘組件機(jī)構(gòu)16可包括電子控制電路作為其中的部件，電子控制電路包含在一個固態(tài)跳閘組件18中，該組件18包括一個能單獨(dú)重復(fù)使用、可拆卸的以及可更換的額定電阻插頭20作為其部件。一種先有技術(shù)的固態(tài)跳閘組件的使用和功能在美國專利3818275號中已有陳述，該專利于1974年6月18日發(fā)表頒布給A.B.Shimp題目是“應(yīng)用電流互感器改進(jìn)了跳閘回路的斷路器”。一種定值插頭的使用和功能在美國專利3826951號中及美國專利4603313號中都有敘述。前者于1974年7月30日頒發(fā)給Maier等人，題目是“具有可更換的定值調(diào)整器和聯(lián)鎖裝置的斷路器”;后者于1986年7月29日頒發(fā)給Shimp等人，題目是“具有可更換的定值插頭聯(lián)鎖裝置和推壓跳閘按鈕的斷路器”。所有前述美國專利都與本發(fā)明一樣轉(zhuǎn)讓給同一受讓人。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，斷路器10可以是最大交流額定電壓為600伏的設(shè)備，采用可互換、可調(diào)整的磁性或電子式跳閘組件，長期電流額定值可達(dá)400安培。上文應(yīng)看作是本發(fā)明的原理存在于其中的一個實(shí)際實(shí)施例的說明。然而，前面敘述的說明性示例不應(yīng)認(rèn)為是一種限制。本發(fā)明的原理可適用于大范圍的斷路器應(yīng)用場合，而不應(yīng)看作受到下列各項(xiàng)的限制結(jié)構(gòu)尺寸，商品體系名稱，商業(yè)貿(mào)易名稱或商標(biāo)、功率、電壓或電流額定值。而且，斷路器的實(shí)際類型也不受限制。
現(xiàn)在參照圖2A-2C畫出了跳閘組件機(jī)構(gòu)16和具有額定值插頭20的固態(tài)跳閘組件18的相互關(guān)系。
特別是，圖2A-2C畫出了本發(fā)明的電氣和機(jī)械接線圖，部分地以示意圖形、部分地以功能塊圖形表示出本發(fā)明的電氣和機(jī)電元件以及它們的結(jié)構(gòu)和功能上的配合關(guān)系。參照圖2A的左上部，對于一個分別包括線路導(dǎo)體L1、L2和L3的三相電力系統(tǒng)，該斷路器觸頭K1、K2和K3的機(jī)電示意圖在10A處畫出，在圖1的底座12中很可能發(fā)現(xiàn)這些元件。機(jī)電結(jié)構(gòu)部分10A也可以包括三個單相整流橋BR1、BR2和BR3，在它們的輸入側(cè)分別連接到電流互感器電路RP、CP和LP上，它們的輸出側(cè)連接到眾所周知的二極管橋式最大脈沖輸出裝置中。三相線路L1、L2和L3可與一外部電源(SOURCE)相連，該電源通過閉合的觸頭K1、K2和K3向負(fù)載(LOAD)提供電力。觸頭K1、K2和K3的狀態(tài)決定了在電源SOURCE側(cè)可用的電力是否供給負(fù)荷LOAD。線路L1、L2、L3中的電流狀態(tài)分別由電流互感器LP、CP和RP監(jiān)測，可以確定觸頭K1、K2和K3是否處于斷開狀態(tài)。一些公知的斷路器控制關(guān)系，例如與I2t關(guān)系式相關(guān)的控制關(guān)系以及瞬時磁性跳閘關(guān)系可以被用來確定跳閘條件。此外，斷路器觸頭K1、K2和K3也可以手動斷開或跳閘，而不必采取確定線路L1、L2和L3中的電流條件的方法。盡管對于在圖2A、2B和2C中所表示的本發(fā)明的特定實(shí)施例沒有敘述其他關(guān)系，但其他公知的斷路器控制關(guān)系，例如欠電壓、短路及其它類似狀態(tài)也可以作為跳閘條件，以在該技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的方式使斷路器觸頭K1、K2和K3斷開。
圖中示出了額定值插頭電阻20，它與固態(tài)跳閘組件18的其余部分相連接，以使橋式電路BR1-BR2-BR3的最大脈沖輸出通過該電阻提供電流，以決定跳閘條件和跳閘電流范圍。電流互感器RP、CP和LP分別通過二極管橋BR1-BR3得到最大脈沖輸出，因而流過額定值插頭電阻20的電流在任何時刻都是三相電流中的最大電流。二極管D3和D6、電容器C1和C11及電阻R4組成了一個峰值電壓檢測電路，其輸出是在并聯(lián)電容器C1、C11兩端產(chǎn)生的電壓，該電壓與流過電阻20的電流的峰值成正比。電阻R4在電源失落(“Power-down”)的情況下以1秒的時間常數(shù)泄漏來自并聯(lián)電容器C1-C11的電荷。固態(tài)跳閘組件18可能包括分立電路元件或類似零件;例如在18B區(qū)域所表示的那樣;組件18也可以包括大規(guī)模集成電路(LSI)，如同在18A處所示。用與分立元件區(qū)域18B相關(guān)聯(lián)的裝置或用與大規(guī)模集成元件區(qū)域18A相關(guān)聯(lián)的裝置是不受限制的。在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，一個集成電路片或在18A處畫出的包含有大規(guī)模集成電路的類似元件可以單獨(dú)地焊接或用其它方法在電氣和機(jī)械上固定在一塊電路板上，該電路板構(gòu)成固態(tài)跳閘組件18的基座。此外，固態(tài)跳閘組件18可以與一個通量分路跳閘單元FST在機(jī)電方面相互作用，F(xiàn)ST示于圖2C的右部。該通量分路跳閘單元FST可以與一個用示意圖表示的且為眾所周知的機(jī)械聯(lián)動裝置相配合，該裝置一般以LNK表示，用來與前述的觸頭K1、K2和K3相配合。在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，該通量分路跳閘單元FST，與其相關(guān)的聯(lián)動裝置LNK和觸頭K1、K2及K3可看作是在圖1中畫出的跳閘組件機(jī)構(gòu)16的一部分。
在圖2A-2C中，除了那些與跳閘組件機(jī)構(gòu)16在18B和10A部分的電氣或機(jī)電表示有密切聯(lián)系的部分以外，其余在圖中畫出的部分或許最好標(biāo)記為一個大規(guī)模集成電路(LSI)18A，作為一個固態(tài)跳閘組件。關(guān)于跳閘組件機(jī)構(gòu)16，橋BR3的一個端子與定值插頭20的一端相連，插頭20的另一端與二極管DR的負(fù)極相連，二極管的正極與系統(tǒng)的公共端或地相連，系統(tǒng)公共端或地以眾所周知的接地符號適當(dāng)?shù)貥?biāo)記出，此處和下文中標(biāo)記為NEG。與額定值插頭20和橋BR3之間的連接點(diǎn)相連接的元件是齊納二極管D8的正極、二極管D3的負(fù)極和電阻元件R2的一端。齊納二極管D8的調(diào)整端接到系統(tǒng)的公共端或地;二極管D3的正極連到二極管D6的負(fù)極;D6的正極連到電容元件C1的一端、電容元件C11的一端、電阻元件R4的一端和電阻元件R3的一端。電容元件C1的另一端、電容元件C11的另一端，以及電阻元件R4的另一端連受到系統(tǒng)的地。電阻元件R2的另一端連接到大規(guī)模集成電路式電路片18A的SDIN端子上。為了簡化說明起見，大規(guī)模集成電路片18A今后將稱為“片子18A”。電阻元件R3的另一端連接到片子18A的LDIN端子上。橋BR1的一端連到二極管D1的正極，D1的負(fù)極連到電阻元件R20的一端，二極管D2的正極以及場效應(yīng)三極管(FET)Q1的漏極。二極管D2的負(fù)極連接到二極管D4的正極、電阻元件R19的一端、電容元件C3的一端以及電阻元件R17的一端。電阻元件R19的另一端連到片子18A的VZ端。電容元件C3的另一端連接到系統(tǒng)的地。二極管D4的負(fù)極連接到通量分路跳閘線圈FST的一端以及一個單向?qū)щ姸O管(free-wheelingdiode)D7的負(fù)極，D7的正極連到通量分路跳閘線圈FST的另一端。這后一個電氣連接點(diǎn)又連到一個硅可控整流器Q2的正極以及電阻元件R21的一端。硅可控整流器Q2的負(fù)極連到系統(tǒng)的公共端或地。硅可控整流器Q2的控制端連到片子18A的SCRG端以及一個電容元件C4的一端，C4的另一端接到系統(tǒng)的公共端或地。電阻元件R17的另一端連到電阻元件R16的一端、電阻元件R15的一端以及片子18A的VSEN端。電阻元件R15的另一端連到電阻元件R14的一端、電阻元件R18的一端以及片子18A的FETD端。電阻元件R14的另一端接到系統(tǒng)的公共端或地。電阻元件R16的另一端連接到電阻元件R12的一端以及一個集成電路比較器IC2A的輸出端。電阻元件R18的另一端連到晶體管Q1的控制極。晶體管Q1的源極端子連接到電阻元件R22的一端以及比較器IC2B的負(fù)輸入端。比較器IC2B的正輸出端連到電阻元件R24的一端和電阻元件R23的一端。電阻元件R24的另一端連到系統(tǒng)的公共端或地。電阻元件R23的另一端連到VREF比較器。比較器IC2B的輸出端連到電阻元件R25的一端，R25的另一端連到電阻元件R7的一端以及片子18A的OVR端。電阻元件R21的另一端連到比較器IC2A的正輸入端。二極管D9的正極連接到比較器IC2A的正輸入端，D9的負(fù)極連接到比較器IC2A的負(fù)輸入端。同樣也連接到比較器IC2A負(fù)輸入端的元件有片子18A的VREF端子、電阻元件R7的另一端、電阻元件R6的一端、電位器元件R5的一端、電阻元件R11的一端以及電容元件C7的一端。電容元件C7的另一端接到系統(tǒng)的公共端或地。電阻元件R6的另一端和電位器元件R5的另一端連在一起，再接到片子18A的SDPU端。電阻元件R11的另一端連接到片子18A的LDPU端。比較器IC2A的負(fù)輸入端通過一個程控電阻RP連接到片子18A的INST端。電容元件C2的一端連到片子18A的LDT端。電容元件C2的另一端連到系統(tǒng)的公共端或地。一個測試點(diǎn)TP1連接到片子18A的LDTP端。電容元件SDTC的一端連到片子18A的SDT端。電容元件SDTC的另一端連到系統(tǒng)的公共端或地。片子18A的端子SDCV可連至系統(tǒng)的公共端或地。電阻元件R9的一端連接到片子18A的TADJ端。電阻元件R9的另一端連到電阻元件R20的一端和電位器元件R26的一端。電位器元件R26的另一端和電阻元件R20的另一端連接到系統(tǒng)的公共端或地。電阻元件R13的一端和電容元件C5的一端，以及測試點(diǎn)TP2連接到片子18A的SDPH端。電容元件C5的另一端和電阻元件R13的另一端連接到系統(tǒng)的公共端或地。電阻元件R8、R27和R28的一端連在一起，再連到片子18A的MREF端。電阻元件R8、電阻元件R27和電阻元件R28的另一端連到系統(tǒng)的公共端或地。
具體參照圖2B和2C，描述了與片子18A有關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。特別是，在內(nèi)部與片子18A的VREF端相連接的是一個電壓調(diào)節(jié)器REG的輸出端，在該端子上存在電源電壓(為簡單起見稱之為VREF)。調(diào)節(jié)器REG的一端連到系統(tǒng)的公共端接地。與調(diào)節(jié)器REG輸入端相連接的是命名為E和F的兩個端子。端子F連接到晶體管Q016、Q111、Q112、Q113和Q114的基極，晶體管Q111、Q112、Q113和Q114的發(fā)射極連接到電阻元件R019的一端，R019的另一端連到晶體管Q016的發(fā)射極和電阻元件R110的一端。電阻元件R110的另一端連接到電阻元件R018的一端和晶體管Q123的基極。電阻元件R018的另一端連到系統(tǒng)的公共端。晶體管Q123的發(fā)射極可外接到系統(tǒng)的公共端或經(jīng)由片子18A的OVT端接地。這后一點(diǎn)又稱之為結(jié)點(diǎn)D。晶體管Q123的集電極經(jīng)由結(jié)點(diǎn)C連至晶體管Q823的基極、一個基極驅(qū)動電流源BDCS的一端以及一個公共驅(qū)動線CDL。該基極驅(qū)動電流源BDCS的另一端接到一個電壓源VCC。晶體管Q823的發(fā)射極連接到系統(tǒng)的公共端或地，其集電極連到一個名為igt的電流源的一端以及一個二極管DD的正極。該電流源igt的另一端接到VCC電壓源。二極管DD的負(fù)極連接到一個電阻元件R90的一端以及片子18A的SCRG端。電阻元件R90的另一端連到系統(tǒng)的公共端。同樣也連到晶體管Q111、Q112、Q113和Q114的發(fā)射極的是晶體管Q119的發(fā)射極，Q119的基極稱之為結(jié)點(diǎn)B。晶體管Q119的集電極連到晶體管Q115的集電極以及晶體管Q116的基極。晶體管Q115的基極連到晶體管Q016的集電極、晶體管Q116的雙集電極和調(diào)節(jié)器REG的結(jié)點(diǎn)E。晶體管Q116的發(fā)射極連到晶體管Q117的雙集電極和晶體管Q117的基極。晶體管Q117的基極又連到晶體管Q120的基極。晶體管Q120的發(fā)射極連到電阻元件R122的一端，R122的另一端連到電壓源VCC。晶體管Q117的發(fā)射極連到電阻元件R121的一端，R121的另一端也連到電壓源VCC。結(jié)點(diǎn)B-C-D-E-F內(nèi)部的電路稱為“帶隙過熱(跳閘)電路”。
連接到晶體管Q119基極的是二極管D188的正極和一個串聯(lián)二極管D187的負(fù)極之間的連接點(diǎn)。二極管D188的負(fù)極連到系統(tǒng)的公共端或地。二極管D187的正極連到一個齊納二極管D177的正極、D177的調(diào)整端連到第二個齊納二極管D178的正極。第二個齊納二極管D178的調(diào)整端連到片子18A的VZ端。這后一部分電路被表示為SR。
片子18A的MREF端連到一個運(yùn)算放大器比較器OA1的反射輸入端。一個等于二分之一VREF的電壓配置在該運(yùn)算放大器比較器OA1的同向輸入端。運(yùn)算放大器比較電路OA1驅(qū)動一電流源iREF，該電流源連接到一個平方/除法電路SD的一端。片子18A的LDIN端連接到一個運(yùn)算放大器OA2的反向輸入端，該運(yùn)算放大器OA2驅(qū)動兩個電流鏡式電流源2/3iLD和1/3iLD。這1/3iLD電流源與該平方/除法電路SD的另一端子相連接，并且反饋到運(yùn)算放大器OA2的反向輸入端。以類似的方式，電流源2/3iLD連到片子18A的LDPU端。電流源2/3iLD的另一端也反饋到運(yùn)算放大器OA2的反向輸入端。運(yùn)算放大器OA2的線路接法使端子LDIN保持虛地電位。該運(yùn)算放大器OA2的同向輸入端是接地的。片子18A的LDPU端連到一個比較器COM1的同向輸入端，比較器的反向輸入端有2/3VREF的電壓配置在其上。比較器COM1提供雙重的并聯(lián)輸出，其中之一連到一電阻元件R490的一端。該輸出端被標(biāo)示為C′。比較器COM1的另一輸出端被標(biāo)示為A′，它連到電阻元件R763的一端、晶體管Q764的基極以及晶體管Q787的集電極和基極。電阻元件R763的另一端連到晶體管Q764的集電極以及電阻元件R4104的一端。晶體管Q764的發(fā)射極連到電阻元件R762的一端，R762的另一端連到晶體管Q787的發(fā)射極和電路的地或公共端。電阻元件R4104的另一端連到晶體管Q766的基極，Q766的發(fā)射極連到系統(tǒng)的公共端。晶體管Q766的集電極被標(biāo)示為結(jié)點(diǎn)或端子E′，它連到片子18A的LDT端、二極管D722的正極以及二極管D768的負(fù)極。二極管D722的負(fù)極被標(biāo)示為結(jié)點(diǎn)或端子B′，它連到VREF電源電壓。二極管D768的正極被標(biāo)示為端子或結(jié)點(diǎn)F′，它連到片子18A的LDTP端。它也連到晶體管Q769的集電極和平方/除法電路SD兩個輸出端之一。后一點(diǎn)被標(biāo)示為D′。晶體管Q769的基極連到電阻R490的另一端及電阻元件R770的一端。電阻元件R770的另一端連到晶體管Q769的發(fā)射極和系統(tǒng)的公共端或地。結(jié)點(diǎn)A′-B′-C′-D′-E′-F′內(nèi)部的電路稱為“長時間延遲記憶電路”。
平方/除法電路SD的另一輸出端接到一開關(guān)晶體管QA10的發(fā)射極，片子18A的端子SDPH連到一個比較器COM2的反向輸入端，其同向輸入端上加有電壓VREF。比較器COM2的反向輸入端也連到電流源iCH的一端，iCH的另一端連到VCC電源端。比較器COM2的輸出連到晶體管QA4的基極和晶體管QA5的基極，它們的發(fā)射極都接地。晶體管QA4的集電極連到晶體管QA2的基極，晶體管QA3的集電極和電阻元件R111的一端。電阻元件R111的另一端連到VCC電壓。晶體管QA2的發(fā)射極和晶體管QA3的發(fā)射極二者都接地。晶體管QA2的集電極通過公共驅(qū)動線CDL接到前述晶體管Q823的基極上。片子18A的SDIN端連到運(yùn)算放大器OA3的反向輸入端，其同向輸入端接地。運(yùn)算放大器OA3的輸出端連接到控制電流鏡式電流源1/3iSD和2/3iSD。每個電流源1/3iSD和2/3iSD的一個主端子反饋到運(yùn)算放大器OA3的反向輸入端。運(yùn)算放大器OA3的線路接法使SDIN端保持虛地電位。電流源1/3iSD的另一個主端子連到OVR輸入端以及COM3的同向輸入端。電流源2/3iSD的另一個主端子連到比較器COM7的同向輸入端和片子18A的SDPU端。比較器COM7的反向輸入端連接到三分之二VREF電壓源。晶體管QA1的集電極通過公共驅(qū)動線CDL連到晶體管Q823的基極。比較器COM3的同向輸入端連到片子18A的OVR端。比較器COM3的反向輸入端連到(接受)三分之二VREF電源電壓。片子18A的LDT端連接到OR(“或”)比較器OC1兩個同向輸入端中的一端。OR比較器OC1唯一的反向輸入端連到(接受)VREF電源電壓。OR比較器OC1的另一個同向輸入端連到片子18A的SDT端、開關(guān)晶體管QA10的集電極、晶體管QA5的集電極和開關(guān)晶體管QA9的發(fā)射極。開關(guān)晶體管QAR的基板和開關(guān)晶體管QA10的基極都連接到片子18A的SDCV端。OR比較器OC1的輸出端連到晶體管QA8的基極，QA8的發(fā)射極接地。晶體管QA8的集電極通過公共驅(qū)動線CDL也連到晶體管Q823的基極。片子18A的TADJ端連到運(yùn)算放大器OA4的反向輸入端，其同向輸入端連接到代表VREF電源電壓四分之一值的一個電壓。OA4的輸出連接到電流鏡式電流源1/3iTADA和2/3iTADD。電流源1/3iTADA的一個主端子連到電流源1/3iTADB的一個主端子。電流源1/3iTADC的一個主端子連到晶體管QA9的集電極。電流源1/3iTADC的另一個主端子連到VCC電源。電流源2/3iTADD和1/3iTADA的一個主端子連接到運(yùn)算放大器OA4的反向輸入端。電流源2/3iTADD的另一個主端子連到片子18A的INST端和比較器COM5的反向輸入端。COM5的同向輸入端連接到使其上具有三分之二VREF的電源電壓。比較器COM5的輸出端連到晶體管QA3的基極，其發(fā)射極接地。片子18A的VSEN端連到比較器COM6的同向輸入端以及齊納二極管ZZ的調(diào)整端，ZZ的正極接到系統(tǒng)的公共端或地。比較器COM6的反向輸入端接到(接受)電源電壓VREF。比較器COM6具有兩個互補(bǔ)的輸出端，其中一端連到晶體管QA6的基極，另一端連到晶體管QA7的基極。晶體管QA7的集電極連接到VCC電源電壓。晶體管QA7的發(fā)射極連到片子18A的FETD端和晶體管QA6的集電極。晶體管QA6的發(fā)射極接地。
電流1/3iSD經(jīng)由程控電阻R7流進(jìn)OVR端。如果OVR的電壓降低到3.33VREF以下，控制極電流就從SCRG端流出。一個等于2/3iSD的電流經(jīng)由程控電阻R6和R5流進(jìn)SDPU端，當(dāng)這一點(diǎn)的電壓降低到3.33VREF以下時，就發(fā)生短延時起動運(yùn)行。如前所述，在SDIN點(diǎn)的電壓保持在虛地電位。電流iSD從這點(diǎn)流出并流入電阻R2，在短延時/瞬間起動電路和優(yōu)先開斷電路中要用到這后一個電流。其值等于電流iLD三分之二的一個電流經(jīng)由電阻R11流入LDPU端。這個電流被長延時起動和長延時平方電路SD所利用。MREF端保持為2.5VREF。電流從這端點(diǎn)流出并流入電阻元件R8、R27和R28的組合電路。端子LDTP上的電壓在起動前為零，而在長延時起動出現(xiàn)以后，該點(diǎn)電壓大于一個晶體管基極到發(fā)射極的電壓降。當(dāng)出現(xiàn)長延時起動時，一個正比于i2LD的電流從這一點(diǎn)流出，并流入長延時定時電容器C2。如果該電容器C2兩端的電壓超過了VREF，控制極電流就從SCRG端流出。如果電容器C2兩端的電壓大于零，并且沒有長延時起動，則一個約為1微安的電流從電容器C2流入這個端子，直到放電完畢。端點(diǎn)VZ連接到齊納分流調(diào)節(jié)器SR的負(fù)極或調(diào)整端。端點(diǎn)SCRG為硅可控整流器Q2提供控制極電流。端點(diǎn)或端子FETD是場效應(yīng)晶體管Q1的柵極驅(qū)動端。端點(diǎn)VSEN是電源控制電路的靈敏輸入端。如果該點(diǎn)的電壓在一定的預(yù)定值之間，場效應(yīng)晶體管Q1就可以被FETD端的電壓所導(dǎo)通。端點(diǎn)OVT在接地時就使過熱帶隙跳閘電路實(shí)現(xiàn)其功能。一個等于三分之二iTAD的電流經(jīng)由瞬間程控電阻流入INST端子。如果這端子的電壓小于2/3VREF且端點(diǎn)SDPU的電壓小于2/3VREF，則控制極電流將從SCRG端流出。端點(diǎn)TADJ的電壓維持在一個預(yù)定的電壓值，在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中該電壓可為1.25伏。電流iTAD從這點(diǎn)流出并流入短延時/瞬時程控電阻R20和R26。這個電流用在短延時電路和瞬時電路中。如果端點(diǎn)SDCV接地，當(dāng)發(fā)生短延時起動時，一個為三分之一iTAD的可程控的恒定電流向短延時定時電容器SDTC充電。然而，如果端點(diǎn)SDCV處于不接地狀態(tài)，則一個正比于i2LD的電流向短延時定時電容器SDTC充電。一個由SDCV端所決定的電流從SDT點(diǎn)或端子流出，并流入短延時定時電容器SDTC。如果該定時電容器SDTC兩端的電壓超過VREF，則一個控制極電流將從SCRG端流出，當(dāng)發(fā)生短延時起動時，一個充電電流從端點(diǎn)或端子SDPH流出。
電阻元件R19、齊納二極管D177和D178以及二極管D187和D188組成了溫度補(bǔ)償用的齊納分路調(diào)節(jié)器SR。在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，當(dāng)電源穩(wěn)定時，VZ點(diǎn)的電壓，它也等于電壓VCC，是14.2伏±10%。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，當(dāng)有電壓VCC時，晶體管Q119為由晶體管Q116、Q117和Q120組成的威爾遜電流鏡提供基極電流。晶體管Q116接通了REG，REG的輸出為VREF。Q016基極的電壓增加，同時接通由晶體管Q016、Q111到Q114、電阻R018、R019和R110所表示的帶隙基準(zhǔn)電路。電阻R018、R019和R110兩端的電壓增大并關(guān)閉啟動晶體管Q119。威爾遜電流鏡在晶體管Q116的集電極和晶體管Q111到Q114的組合集電極處設(shè)置了相同的電流，結(jié)果使晶體管Q016的電流密度為Q111至Q114每個晶體管電流密度的四倍。由于一個單片上的晶體管特性是非常一致的，電流的差別將導(dǎo)致基板對發(fā)射極的電壓差，其關(guān)系表述于公式(1)中δVBE＝ (KT)/(q) ×ln(iQ016/iQ111) (1)式中K為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度，q為一個電子的電荷。在電流比為4∶1的情況下，δVBE在25℃將是36毫伏。這個電壓差出現(xiàn)在電阻元件R019兩端。串聯(lián)電阻R018和R110兩端的電壓為兩倍的((R018+R110)/R019)乘以電阻元件R019兩端的電壓降。因此，電阻元件R018和R110兩端的電壓降在25℃時是576毫伏。電阻元件R018和R110兩端電壓的正溫度系數(shù)近似等于晶體管Q016基極對發(fā)射極電壓負(fù)溫度系數(shù)的值。電阻元件R018和R110兩端的電壓與晶體管Q016基極到發(fā)射極的電壓相加，結(jié)果在端點(diǎn)F產(chǎn)生一個實(shí)際上為零溫度系數(shù)的1.25伏的基準(zhǔn)電壓。這后面的電壓輸出提供給調(diào)節(jié)器REF，使電壓基準(zhǔn)輸出VREF是+5伏±5%。
由R018和Q123組成的過熱電路是帶隙調(diào)節(jié)器電路的一部分。當(dāng)端子OVT連接到系統(tǒng)的公共端或地時，使這部分電路能實(shí)現(xiàn)其功能。在該電路中，電阻R018兩端的電壓降在25℃時是432毫伏，并具有1.9毫伏/℃的正溫度系數(shù)TC(R018)。晶體管Q123的基極-發(fā)射極電壓，在集電極電流為100微安、25℃的情況下是675毫伏，并具有-1.9毫伏/℃的負(fù)溫度系數(shù)TC(Q123)。由于跨越晶體管Q123基極的電壓在25℃時低于675毫伏，晶體管Q123是“關(guān)閉”的。當(dāng)晶體管Q123的基極-發(fā)射極電壓等于電阻R018兩端的電壓時，晶體管Q123將導(dǎo)通。這出現(xiàn)在溫度大約為90℃的條件下，如公式(2)所示。
Temp= (VBE(Q123)-VRO18)/(TC(R018)-TC(Q123)) + 25℃ (2)在溫度大約為90℃的條件下，晶體管Q123的基極-發(fā)射極有正向偏壓，使其導(dǎo)通。這就消除了來自晶體管Q123的基極驅(qū)動信號，允許控制極電流從SCRG端子流出。
因此，可以看出，當(dāng)晶體管Q123和電阻R018所在環(huán)境的溫度升高時，晶體管Q123的基極到發(fā)射極的電壓減小，而電阻R018兩端的電壓增大，逐漸達(dá)到這樣一個程度，晶體管Q123導(dǎo)通，從而使硅可控整流器Q2導(dǎo)通。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，可以把一個電阻連接在端子OVT和地之間。該電阻可選擇為使電路具有20歐姆/℃的溫度特性，以便增加發(fā)生跳閘的溫度。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，端點(diǎn)式端子OVT可能處于懸空或不接地狀態(tài)，在這種情況下，溫度檢測和保護(hù)電路不起作用，因此實(shí)際上沒有為斷路器提供內(nèi)部過熱保護(hù)。
由晶體管Q787、Q764、Q766和電阻R762及R763組成的電路是一個電流鏡，它被設(shè)計為可提供一種長延時記憶功能。如果長延時電容器C2兩端的電壓大于零，并且長延時輸入端LDT電壓降至低于起始值，則晶體管Q766的集電極吸收大約1微安的電流，直至電容器C2放電到零。
采用常規(guī)大規(guī)模集成電路18A的跳閘組件具有下列功能長延時-該長延時功能具有I2t反比時限特性，它在過負(fù)荷條件下提供系統(tǒng)保護(hù)。從端子LDIN抽取出的電流被標(biāo)示為iLD，它是電容器C1-C11上的電壓峰值的函數(shù)。該電流的三分之二通過電阻R11從VREF電源抽取出，流入LDPU輸入端。電阻R11是長延時起動電阻，它決定了斷路器開始執(zhí)行其保護(hù)功能的門檻值。這意味著在電力線路L1、L2和L3中可允許流過一定數(shù)值的電流，低于此值時跳閘組件18將不起作用。這個電流值是由長延時起動電阻R11決定的，它稱為電流的門檻值。典型地，該值大于1標(biāo)么值的額定電流，小于1.25標(biāo)么值的額定電流。在這種情況下，斷路器的實(shí)際額定電流值是由可更換的額定值插頭或電阻20決定的。要記住，端子LDPU是長延時端子，它連接到比較器COM1的同向輸入端，COM1有兩個輸出端。在結(jié)點(diǎn)A′的輸出是輸出給長時間延遲記憶回路，后者就是本發(fā)明的主體。電阻元件R763和電阻元件R4104與電阻元件R762、晶體管Q764和Q787相配合，使得從比較器COM1的結(jié)點(diǎn)A′流出的電流被反映為晶體管Q766中成比例的集電極電流。如果電力線L1、L2和L3中的電流條件沒有長延時起動的需要，即LDPU端的電壓大于2/3VREF，比較器COM1將向結(jié)點(diǎn)A′供給輸出電流，它同樣也使晶體管Q766中流過集電極電流，這將使電容元件C2通過端子LDT連續(xù)放電。然而，如果線路L1、L2和L3中的電流增加到這樣的程度，以至于從LDIN端流出的電流iLD引起比較器COM1關(guān)閉，結(jié)果沒有電流流入結(jié)點(diǎn)A′，晶體管Q766中的集電極電流將停止流動，在結(jié)點(diǎn)E′產(chǎn)生一種條件，它將允許電容元件C2被電流iO充電。注意到比較器COM1的接通和關(guān)閉是因?yàn)榕c電流源2/3iLD互連的LDPU端將會改變到使電流2/3iLD繼續(xù)流動的任一電壓。這意味著最終會達(dá)到一種程度，在比較器COM1的同向輸入端的電壓小于2/3VREF，在此情況下結(jié)點(diǎn)A′處的電流將停止流動。因此，只要電力線L1、L2和L3中的電流低于起動水平，比較器COM1的狀態(tài)將使電流流入結(jié)點(diǎn)A′和C′。流入結(jié)點(diǎn)A′的電流產(chǎn)生一個成比例的電流流出C2并流入Q766的集電極，最終使電容器放電(2到0伏)。此外，流入結(jié)點(diǎn)C′的電流使得晶體管Q769導(dǎo)通，這樣對于從結(jié)點(diǎn)D′流到結(jié)點(diǎn)F′的電流就提供了一個電流通道。這個電流始終流過，因?yàn)樗砹似椒?除法電路SD的輸出。平方/除法電路的輸出是一個電流iO，它與電流iLD的平方成正比。電流iLD正比于電容器C1-C11上的峰值檢測電壓，后者又與在線路L1、L2和L3中流過的電流大小成正比。這個電流的平方乘上時間就得出了公知的I2t曲線，它被斷路器控制裝置用來使斷路器觸頭按照曲線的函數(shù)關(guān)系斷開。在先前的技術(shù)中，由元件Q769、Q764、Q766和Q787及電阻R762和R763表示的電路代表了一個無源的電阻性記憶元件，它被用于在電力線路中的電流低到長延時起動水平以下的情況下，緩慢地使電容元件C2放電。然而，由于它是一個無源元件，它也被用來吸收一部分來自結(jié)點(diǎn)D′的充電電流，否則該電流僅僅給電容性元件C2充電。由于這個原因，將一個誤差引入到I2t的關(guān)系式中。在本發(fā)明里，用與晶體管Q766相關(guān)的有源元件代替了記憶電阻，用這種方法消除了上述誤差。晶體管Q769只用在低于起動值的情況，因?yàn)樗倪B接是通過電阻R490和R770連接到比較器COM1兩個輸出端中的一端。這種連接方式的另一個作用是允許在起動后晶體管元件Q769截止的情況下給電容元件C2充電。然而，當(dāng)電容元件通過Q766開始放電時，晶體管元件Q769導(dǎo)通。
短延時-該短延時功能可以設(shè)計成具有一個固定的短延時時限特性，或具有一個短時間的反時限特性，它在短路情況下提供系統(tǒng)保護(hù)。
瞬時開斷-該瞬時開斷功能使斷路器沒有任何有意造成的延時而跳閘，它在短路情況下提供系統(tǒng)保護(hù)。
優(yōu)先開斷-該優(yōu)先開斷功能是在跳閘組件具有短延時功能的情況下為系統(tǒng)提供更高性能的故障保護(hù)。由于這一特性，如果發(fā)生一個低于優(yōu)先開斷起動設(shè)定值的故障，則短延時功能為系統(tǒng)提供短路保護(hù)。高于優(yōu)先開斷設(shè)定值的故障將使斷路器沒有任何有意造成的延時而跳閘。
溫度過高開斷-這種過熱保護(hù)能對電路片外界的環(huán)境溫度較敏感，如果溫度超過一預(yù)定值就使斷路器跳閘。
在長延時、短延時、瞬時開斷、優(yōu)先開斷和溫度過高開斷的電路中所用的輸出晶體管的集電極通過公共驅(qū)動線CDL連接到晶體管Q823的基極。一個120微安的偏置電流提供給晶體管Q823的基極，使其維持導(dǎo)通。當(dāng)上述任何電路接通和晶體管Q823截止時，允許輸出電流igt通過二極管DD從SCRG端子流出。端子SCRG連到可控硅Q2的控制極，于是借助于電流igt使可控硅Q2導(dǎo)通。
如果在VSEN輸入端的電壓大于11.7V，那末在FETO端的輸出電壓增加到12.4V，使場效應(yīng)晶體管(FET)Q1導(dǎo)通，Q1轉(zhuǎn)移了電容器C3的充電電流。電阻R15對該電路提供了大約6V的滯后作用。當(dāng)上述電源穩(wěn)定時，二極管D2的負(fù)極的電壓大約為40V。電阻R19和片子18A形成了一個溫度補(bǔ)償?shù)凝R納分路調(diào)節(jié)器。當(dāng)電源穩(wěn)定時，從點(diǎn)VZ到NEG的電壓是+14.2V±10%。端點(diǎn)VREF是帶隙調(diào)節(jié)器電路的輸出端，它具有5V±5%的輸出電壓。
在LDIN點(diǎn)的長延時輸入端維持在虛地電位。在峰值檢測電容器C1-C11兩端的一個標(biāo)么電壓是2.12V，使得長延時輸入電流iLD每標(biāo)么值的基準(zhǔn)值等于22.25微安。該長延時輸入電流可用下式計算
iLD= (VCl- C11)/(R3) ( 3 )一個等于長延時輸入電流三分之二的電流2/3iLD流過長延時起動電阻R11。當(dāng)LDPU端的電壓降低到低于三分之二VREF時，就起動了長延時電路。長延時起動標(biāo)么值可用下式?jīng)Q定。
LD PI CKUP = (1.124 × 105)/(R11) (4)(長延時起動)該長延時定時電容器C2連接到LDT端。如果出現(xiàn)長延時起動，則正比于平方電流i2LD的充電電流iLDT流入C2。當(dāng)C2兩端的電壓超過VREF時，就出現(xiàn)長延時跳閘。長延時跳閘時間可用下式計算tLONG DELAY= (56.3 × C4)/(R16 × i2LD) (5)過熱跳閘電路是通過將端子OVT連接到NEG端而起作用的。如果該集成電路外殼溫度超過90℃±20%，就會發(fā)生過熱跳閘。
如果發(fā)生跳閘，一個800微安的控制極觸發(fā)電流流出SCRG端并流入硅可控整流器(SCR)Q2的控制極，使Q2導(dǎo)通。當(dāng)SCRQ2觸發(fā)導(dǎo)通時，F(xiàn)ST使機(jī)構(gòu)跳閘，斷路器10斷開。
正如所揭示和描述的那樣，本發(fā)明使人們認(rèn)識到一種具有可分開的主觸頭K1、K2和K3的斷路器10的工作原理;主觸頭在電路上與被斷路器10保護(hù)的導(dǎo)體如L1、L2和L3相連接。在LNK和FST處所示的開斷裝置作為一個電壓功能元件與主觸頭K1到K3相配合。例如。設(shè)置了一個電容器C2，它通過在18處表示出的電路的其它部分與開斷裝置FST和LNK相連接。在平方/除法電路SD中產(chǎn)生的充電電流iLDT通過端子LDT給電容器C2充電，并在電容器C2兩端產(chǎn)生一個電壓，它與在導(dǎo)體L1、L2或L3中流過的最大電流的平方成正比。一個可用開關(guān)控制的記憶裝置可包括上述的晶體管Q766和其它電路元件，它與電容器C2相連，使電容器C2以一個預(yù)定的時間常數(shù)放電以降低電容器C2兩端的電壓。該預(yù)定的時間常數(shù)與被監(jiān)測導(dǎo)體L1、L2或L3的散熱率有關(guān)，視實(shí)際情況而定。還設(shè)置了一個控制裝置，它包括電阻元件R763、電阻元件R4104，電阻元件R762，以及晶體管Q764和Q787，當(dāng)被監(jiān)測線路L1、L2或L3中的電流在一預(yù)定值以上時，該控制裝置使可用開關(guān)控制的記憶元件Q766不起作用，該預(yù)定電流值可以是，但并不限制為負(fù)荷電流的125%。當(dāng)這種情況發(fā)生時，實(shí)際上沒有充電電流iLDT流過晶體管元件Q766。
本發(fā)明也包括一個可在帶隙調(diào)節(jié)器電路中找到的電流源，它利用晶體管Q016、Q111、Q112、Q113和Q114。這個電流源在一個預(yù)定的溫度范圍內(nèi)向電阻R110和R018提供一個相對固定的電流。該電流流過這些電阻，在這些電阻兩端產(chǎn)生一個電壓。當(dāng)電阻元件周圍的環(huán)境溫度上升時，這些電阻的阻值以一個正溫度系數(shù)變化。設(shè)置了一個晶體管Q123，在其基極到發(fā)射極電路以分壓關(guān)系與電阻R110和R018相連。晶體管Q123的集電極到發(fā)射極電路與電流開斷裝置相連接，該裝置包括晶體管Q823、硅可控整流器Q2和通量分路跳閘裝置FST，當(dāng)晶體管Q123的基極到發(fā)射極的觸發(fā)電壓小于電阻R018兩端的電壓時，開斷裝置使斷路器觸頭斷開。晶體管Q123的基極到發(fā)射極電路具有一個負(fù)溫度系數(shù)，因此當(dāng)環(huán)境溫度升高時該基極到發(fā)射極的電壓減小。應(yīng)該注意到，電阻元件R110和R018本來是帶隙調(diào)節(jié)器的溫度補(bǔ)償電路的一部分。在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，晶體管Q123的發(fā)射極在OVT端接地。
權(quán)利要求
1.一種斷路器，包括可分開的主觸頭(K1、K2、K3)，在電路上與被保護(hù)的導(dǎo)體(L1、L2、L3)連接起來；一個與上述可分開的主觸頭相配合的斷路線圈(FST)，作為一個電壓功能元件用來使上述可分開的主觸頭斷開；一個與上述斷路線圈相連的電容器(C2)；一個與上述導(dǎo)體和上述電容器相連接的充電電流發(fā)生電路(18)，用來產(chǎn)生一個對上述電容器充電的電流(iLDT)，該充電電流與在上述導(dǎo)體中流過電流的平方成正比，以便在上述電容器兩端產(chǎn)生上述電壓，該電壓與在上述導(dǎo)體中流過電流的平方有關(guān)；該斷路器的特點(diǎn)是，一個與上述電容器連接的可用開關(guān)控制的記憶元件(Q766)，當(dāng)它被驅(qū)動用于減少上述電壓時，以一個預(yù)定的時間常數(shù)將上述電容器放電；當(dāng)上述導(dǎo)體中的電流減少到一預(yù)定值以下時，上述預(yù)定的時間常數(shù)與上述導(dǎo)體的散熱率有關(guān)；一個控制電路(R763、R4104、R762、Q764、Q787)，當(dāng)上述導(dǎo)體中的上述電流在上述預(yù)定值以下時，該電路用來驅(qū)動上述可用開關(guān)控制的記憶元件；當(dāng)上述電流在上述預(yù)定值以上時，該電路使上述可用開關(guān)控制的記憶電路不起作用，因此實(shí)際上上述充電電流不流過該記憶元件。
2.一種在權(quán)利要求1中所要求的斷路器組合，其中上述可用開關(guān)控制的記憶電路包括一個晶體管元件。
3.一種斷路器，包括可分開的主觸頭(K1、K2、K3);斷路裝置(FST)，它與上述可分開的主觸頭相配合，用來在它被驅(qū)動時斷開上述可分開的主觸頭;一個電流源(Q016、Q111、Q112、Q113、Q114)，用于在一個預(yù)定的溫度范圍內(nèi)提供一個相對固定的電流;一個電阻裝置(R110、R018)，它與上述電流源連接用來傳導(dǎo)上述電流，以便在其兩端產(chǎn)生一個電阻裝置電壓，上述電阻裝置的阻值隨著溫度的增加按照一個正溫度系數(shù)而變化;該斷路器的特點(diǎn)是一個晶體管(Q123)，在其基極到發(fā)射極電路與上述電阻裝置相連接，在其集電極到發(fā)射極電路與上述斷路裝置相連接，用于當(dāng)該基極到發(fā)射極電壓小于上述電阻裝置電壓時驅(qū)動上述斷路裝置;上述基極到發(fā)射極電壓具有一個負(fù)溫度系數(shù)，在一個預(yù)定的過負(fù)荷電流溫度情況下，上述基極到發(fā)射極的電壓減小到一個值，該值小于上述增大的電阻裝置上的電壓。
4.在權(quán)利要求3中所要求的斷路器組合，其中上述電阻裝置是用于另一電路系統(tǒng)的一個溫度補(bǔ)償電路的一部分。
5.一種在權(quán)利要求4中所要求的斷路器組合，其中上述另一個系統(tǒng)是一個帶隙電壓調(diào)節(jié)器。
6.一種在權(quán)利要求5中所要求的斷路器組合，其中上述發(fā)射極是接地的。
全文摘要
一種具有過熱保護(hù)和低誤差I(lǐng)
文檔編號H02H6/00GK1035392SQ89100388
公開日1989年9月6日 申請日期1989年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1988年1月25日
發(fā)明者威廉·約翰·墨菲 申請人:西屋電氣公司