專利名稱：電路保護裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電路的過流保護。正溫度系數(shù)(PTC)電路保護器件已廣為人知。該器件與負載串聯(lián)，在正常工作狀態(tài)下，該器件處于低溫、低阻抗狀態(tài)。然而，如果流經(jīng)PTC器件的電流上升過度，和/或PTC器件周圍環(huán)境溫度上升過度，和/或維持正常工作電流超過了正常的工作時間，那么PTC器件就將“跳斷”，即轉換到高溫、高阻抗狀態(tài)，使電流顯著降低。通常，即使電流和/或溫度已經(jīng)返回到它們的正常值，PTC器件仍將保持在跳斷狀態(tài)，直到給PTC器件斷電并將之冷卻后為止。特別有用的PTC器件帶有一個PTC元件，該元件由PTC導電聚合體構成，即一種組合物，它包括(1)有機聚合物和(2)擴散或分布于聚合物中的一種顆粒狀的導電填充物，優(yōu)選地為碳黑。例如，在美國專利4,237,441,4,238,812,4,315,237,4,317,027,4,426,633,4,545,926,4,689,475,4,724,417,4,774,024,4,780,598,4,800,253,4,845,838,4,857,880,4,859,836,4,907,340,4,924,074,4,935,156,4,967,176,5,049,850,5,089,801和5,378,407中描述了PTC導電聚合物和含有此聚合物的器件。
在利用相同的生產(chǎn)工藝制造的一批PTC器件中，生產(chǎn)過程中的一些不可控制的變化可能引起任何單個器件跳斷條件的顯著變化。這里將使該批器件中的任一器件都不跳斷的最大穩(wěn)態(tài)電流稱為“通過電流”(IPASS)或“保持電流”，并將使該批器件中的所有器件都跳斷的最小穩(wěn)態(tài)電流稱為“跳斷電流”(ITRIP)。通常，IPASS和ITRIP之間的差隨著環(huán)境溫度的上升而減小。根據(jù)器件的具體類型，如在20℃時ITRIP可為IPASS1.5或2.5倍。對于任何單獨的器件，通過電流和跳斷電流是相同的。然而，在本說明中，所指的PTC器件有一IPASS和一不同的ITRIP，因為實際上電子開關制造商必須利用一批這種器件中的PTC器件。通常，周圍環(huán)境的溫度越高，通過電流和跳斷電流就越小。這種現(xiàn)象被稱作“熱減載”，術語“減載曲線”用來表示溫度對通過電流的曲線圖。
已知的PTC保護器件的使用限制在于當PTC器件與負載串聯(lián)且導通正常電流時，在出現(xiàn)過流，如數(shù)倍于正常電路電流的情況下，PTC器件可能要較長的時間才能轉換到其跳斷狀態(tài)。
本發(fā)明提供了一種新型的過流保護系統(tǒng)，即使只有較小的過流，也能提供快速的響應。在這個新系統(tǒng)中，一個感應單元和一個電路中斷單元與負載串聯(lián)。感應單元通過一控制單元功能性地與電路中斷單元相連，使得當電路中的電流超過預定值時，感應單元測得該過流并傳送給控制單元?？刂茊卧闺娐分袛鄦卧獜膶ǖ恼顟B(tài)轉變?yōu)椴惶珜ǖ墓收蠣顟B(tài)(包括完全開路狀態(tài))。本發(fā)明還提供了一種新型的繼電器組件，用于包括本發(fā)明的電路保護裝置在內的電路保護裝置。該新型的繼電器組件包括動觸頭和靜觸頭。當動觸頭與繼電器的靜觸頭接觸時，就形成連接，當流經(jīng)該連接的電流超過預定的電流值時動觸頭將使該連接開路。
在本發(fā)明的電路裝置的一個優(yōu)選實施方案的一個實例中，感應單元包括與負載串聯(lián)的電阻器件，控制單元包括一與電阻器件熱連接并與電路中斷單元電導通的PTC器件。當過流經(jīng)過這種系統(tǒng)時，電阻器件的溫度上升，導致PTC器件受熱跳斷至其高阻抗狀態(tài)。PTC器件與電路中斷單元相連，PTC器件阻抗的升高使電路中斷單元切換至故障狀態(tài)。該PTC器件沒有與負載串聯(lián)，從而可以在遠小于流經(jīng)負載的正常電路電流的電流等級下工作。
將電阻器件與PTC器件熱連接在技術上是已知的。待測量和/或控制的電流流經(jīng)電阻器件。電阻器件的I2R發(fā)熱使PTC器件受熱升溫，其阻抗也相應增加。這樣的電阻器件可包括電阻、發(fā)熱器、高阻抗電線(如鎳鉻絲)、PTC器件等。已知為了獲得這些組合的期望電流/溫度特性，必須對電阻器件的有關特性加以控制，特別是與PTC器件相鄰的區(qū)域。一些要控制的特性包括材料的電阻率、形狀和截面積。電阻器件的選擇應當盡可能地降低系統(tǒng)的阻抗，同時在過流情況下獲得足夠的溫升以使PTC器件受熱升溫并跳斷到其高阻抗狀態(tài)。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案的第二實例中，感應單元包括一與負載串聯(lián)的電阻器件，控制單元包括一與該電阻器件熱連接且與電路中斷單元電導通的雙金屬開關。當過流流經(jīng)這樣的系統(tǒng)時，電阻器件升溫，使該雙金屬開關受熱并跳斷至其開路狀態(tài)。雙金屬開關與電路中斷單元相連，雙金屬開關的開路狀態(tài)使電路中斷單元切換至故障狀態(tài)。該雙金屬開關沒有與負載串聯(lián)，因而可以在遠小于流經(jīng)負載的正常電路電流的電流等級下工作。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案的第三實例中，感應單元的功能是由與負載和控制單元的并聯(lián)組合串聯(lián)的雙金屬開關提供的。當過流流經(jīng)這樣的系統(tǒng)時，該雙金屬開關升溫并跳斷至其開路狀態(tài)?？刂茊卧兄袘獑卧臓顟B(tài)變化并使電路中斷單元切換至其故障狀態(tài)。
在本發(fā)明的第二優(yōu)選實施方案的一個實例中，感應單元和電路中斷單元的功能被綜合在一感應-中斷單元中，并由一具有新型雙金屬動觸頭的繼電器所提供，該動觸頭本身就是本發(fā)明的一個方面。當激勵繼電器時，繼電器的雙金屬動觸頭與負載和控制單元的并聯(lián)組合串聯(lián)。當過流流經(jīng)這樣的系統(tǒng)時，雙金屬動觸頭與繼電器靜觸頭脫離，從而斷開通向負載和控制單元的電路?？刂茊卧乖摳袘?中斷單元在故障狀態(tài)下鎖定為開路。
在第一方面，本發(fā)明提供了一種電子保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠接在電源和電負載之間以形成一工作電路，該工作電路有一導通狀態(tài)和一關閉狀態(tài)并包括一載流線和返回線，這樣連接該系統(tǒng)以后，就能防止電路過流，該系統(tǒng)有一正常工作狀態(tài)和一故障狀態(tài)，并包括a．一電路中斷單元，當這樣接好該系統(tǒng)后，該單元就串聯(lián)在電源和負載之間，并具有(1)閉合狀態(tài)，允許正常電流INORMAL流過，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，以及(2)開路狀態(tài)，至多允許減少了的電流通過，該電流遠小于INORMAL’此時系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；b．一感應單元，當這樣連接系統(tǒng)時，該單元與電路中斷單元和負載串聯(lián)，并具有(1)正常狀態(tài)，此時系統(tǒng)中的電流未超出正常電流INORMAL預定的電流值，以及(2)故障狀態(tài)，此時系統(tǒng)中的電流超出了正常電流INORMAL預定的值；以及c．一控制單元，當這樣連接系統(tǒng)時，該單元與感應單元和電路中斷單元耦合，并具有可變的阻值，該阻值(1)當感應單元處于正常狀態(tài)時為低，(2)當感應單元處于故障狀態(tài)時至少增加預定的阻值；當控制單元的阻抗響應感應單元從正常狀態(tài)到故障狀態(tài)的轉變而增加了預定的阻值后，電路中斷單元從閉合狀態(tài)變到開路狀態(tài)，從而使系統(tǒng)從正常工作狀態(tài)轉變到故障狀態(tài)。
在第二方面，本發(fā)明提供了一種電子保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠接在電源和電負載之間以形成一工作電路，該工作電路有一導通狀態(tài)和一關閉狀態(tài)并包括一載流線和返回線，這樣連接該系統(tǒng)以后，就能防止電路過流，該系統(tǒng)有一正常工作狀態(tài)和一故障狀態(tài)，并包括a．一電路中斷單元，當這樣接好該系統(tǒng)后，該單元就串聯(lián)在電源和負載之間，并具有ⅰ閉合狀態(tài)，允許正常電流INORMAL流過，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，以及ⅱ開路狀態(tài)，至多允許減少了的電流通過，該電流遠小于INORMAL，此時系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；b．一感應單元，該單元的阻值可變，且當這樣連接系統(tǒng)時，該單元與電路中斷單元和負載串聯(lián)，并具有ⅰ正常狀態(tài)，其中阻抗為低，此時系統(tǒng)中的電流未超出正常電流INORMAL預定的電流值，ⅱ故障狀態(tài)，其中阻抗至少增加預定的阻值，此時系統(tǒng)中的電流超出了正常電流INORMAL預定的值；c．一控制單元，當這樣連接系統(tǒng)時，該單元與感應單元和電路中斷單元耦合，當感應單元從正常狀態(tài)轉變到故障狀態(tài)時，會使電路中斷單元從閉合狀態(tài)轉變到開路狀態(tài)。
在第三方面，本發(fā)明提供了一種電子保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠接在電源和電負載之間以形成一工作電路，該工作電路有一導通狀態(tài)和一關閉狀態(tài)并包括一載流線和返回線，這樣連接該系統(tǒng)以后，就能防止電路過流，該系統(tǒng)有一正常工作狀態(tài)和一故障狀態(tài)，并包括a．一感應-中斷單元，當這樣連接系統(tǒng)時，該單元串聯(lián)在電源和負載之間，且具有ⅰ可變阻值(1)當系統(tǒng)中的電流未超出正常電流INORMAL預定的電流值時，該阻值為低(2)當系統(tǒng)中的電流超出了正常電流INORMAL預定的值時，該阻值至少增加預定的阻值；ⅱ一閉合狀態(tài)，允許正常電流INORMAL流過，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，ⅲ一開路狀態(tài)，至多允許減少了的電流通過，該電流遠小于INORMAL’此時系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；b．一控制單元，該單元與感應-中斷單元耦合，當感應-中斷單元的可變電阻增加預定的阻值時，就會使感應-中斷單元從閉合狀態(tài)轉變到開路狀態(tài)。
在第四方面，本發(fā)明提供了一種具有導通和關閉狀態(tài)的電路，該電路包括一電源、一電負載、一載流線、一返回線以及一防止電路過流的電子保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)有一正常工作狀態(tài)和一故障狀態(tài)，并包括a．串聯(lián)在電源和負載之間的電路中斷單元，該單元具有ⅰ一閉合狀態(tài)，允許正常電流INORMAL流過，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，ⅱ一開路狀態(tài)，至多允許減少了的電流通過，該電流遠小于INORMAL’此時系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；b．與電路中斷單元和負載串聯(lián)的感應單元，該單元具有ⅰ正常狀態(tài)，此時系統(tǒng)中的電流未超出正常電流INORMAL預定的電流值，ⅱ故障狀態(tài)，此時系統(tǒng)中的電流超出了正常電流INORMAL預定的值；以及c．一與感應單元和電路中斷單元耦合并具有可變阻值的控制單元，該阻值ⅰ當感應單元處于正常狀態(tài)時為低，ⅱ當感應單元轉換到故障狀態(tài)時，至少增加預定的阻值；當控制單元的阻抗響應感應單元從正常狀態(tài)到故障狀態(tài)的轉變而增加了預定的阻值后，電路中斷單元從閉合狀態(tài)變到開路狀態(tài)，從而使系統(tǒng)從正常工作狀態(tài)轉變到故障狀態(tài)。
在第五方面，本發(fā)明提供了一種具有導通和關閉狀態(tài)的電路，該電路包括一電源、一電負載、一載流線、一返回線以及一防止電路過流的電子保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)有一正常工作狀態(tài)和一故障狀態(tài)，并包括a．串聯(lián)在電源和負載之間的電路中斷單元，該單元具有ⅰ一閉合狀態(tài)，允許正常電流INORMAL流過，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，ⅱ一開路狀態(tài)，至多允許減少了的電流通過，該電流遠小于INORMAL’此時系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；
b．一具有可變阻值并與電路中斷單元和負載串聯(lián)的感應單元，該單元具有ⅰ正常狀態(tài)，其中其阻值為低，此時系統(tǒng)中的電流未超出正常電流INORMAL預定的電流值ⅱ故障狀態(tài)，其中阻抗至少增加預定的阻值，此時系統(tǒng)中的電流超出了正常電流INORMAL預定的值；c．一控制單元，該單元與感應單元和電路中斷單元耦合，當感應單元從正常狀態(tài)轉變到故障狀態(tài)時，會使電路中斷單元從閉合狀態(tài)轉變到開路狀態(tài)。
在第六方面，本發(fā)明提供了一種具有導通和關閉狀態(tài)的電路，該電路包括一電源、一電負載、一載流線、一返回線以及一防止電路過流的電子保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)有一正常工作狀態(tài)和一故障狀態(tài)，并包括a．感應-中斷單元，當這樣連接系統(tǒng)時，該單元串聯(lián)在電源和負載之間，且具有ⅰ可變阻值(1)當系統(tǒng)中的電流未超出正常電流INORMAL預定的電流值時，該阻值為低(2)當系統(tǒng)中的電流超出了正常電流INORMAL預定的值時，該阻值至少增加預定的阻值；ⅱ一閉合狀態(tài)，允許正常電流INORMAL流過，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，ⅲ一開路狀態(tài)，至多允許減少了的電流通過，該電流遠小于INORMAL，此時系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；b．一控制單元，該單元與感應-中斷單元耦合，當感應-中斷單元的可變電阻增加預定的阻值時，就會使感應-中斷單元從閉合狀態(tài)轉變到開路狀態(tài)。
在第七方面，本發(fā)明提供了一種繼電器組件，當流經(jīng)該連接的電流超過預定的電流值時，該組件將斷開連接。該繼電器組件包括一動觸頭和一繼電器靜觸頭，動觸頭可以(ⅰ)處于與繼電器靜觸頭接觸的第一位置，從而形成連接，或者(ⅱ)處于與繼電器靜觸頭分離的第二位置，當流經(jīng)該動觸頭的電流超過預定的電流值時，動觸頭從第一位置移動到第二位置，從而斷開連接。
顯然，可以在本發(fā)明的電路裝置中使用聚合物PTC器件、陶瓷PTC器件、其它的PTC器件如雙金屬器件、金屬PTC器件、具有PTC特性的固體器件以及呈現(xiàn)類似特性的器件，以提供可靠的電流保護。懂得此項技術的一般知識的人士還會明白，本發(fā)明的電路裝置中使用的機械開關可包括開關、繼電器、斷路器、絕緣體、雙金屬器件和其它器件。此外，可以用具有與機械開關所提供的斷路特性相似的固體器件或固體器件的組合取代機械開關。雙金屬器件也稱作雙金屬性器件、電熱繼電器、熱觸發(fā)開關和/或帶有雙金屬元件的電熱機構。
顯然，在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明允許將PTC器件和雙金屬開關與機械開關和其它電子器件組合使用，以提供以前的技術所無法提供的可靠保護。在隨后對附圖所示的本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行詳細的描述之后，本領域內的一般人士都能理解或明白這些及其它特點、目的和優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明的原理設計的過流保護電路通常要執(zhí)行這些功能-感知電流、發(fā)出斷開電路的控制信號、斷開電路和部分或完全將負載與電源隔離?？梢詫⑦^流保護電路看成包括協(xié)同運作以執(zhí)行過流保護功能的工作單元。

圖1是顯示這種工作單元的布置的方框圖。
圖1所示的五個工作單元為電源102、感應單元104、控制單元106、電路中斷單元108和負載112。電源102向電路提供電能，負載112執(zhí)行電路的期望目的。感應單元104感知電流并確認傳送給負載112的電流是否處于正常的合格范圍內。當感應單元104確認傳送給負載112的電流過量時，感應單元104通過感應單元104和控制單元106之間的第一線路114通知控制單元106?？刂茊卧?06根據(jù)從感應單元104接收到的信息，通過控制單元106和中斷單元108之間的第二線路116控制電路中斷單元108的狀態(tài)。當感應單元104感知電路中有過流時，電路中斷單元108就在收到來自控制單元106的控制信號后中斷電路的電流。
圖2示出了本發(fā)明的過流保護裝置100的一個實例。圖2中的裝置100包括電源2、負載4、PTC器件8、帶有相應的繼電器觸頭30、32、34、36的繼電器線圈12和ON/OFF開關16，這些觸頭包括中心靜觸頭30、常閉靜觸頭32、常開靜觸頭34和動觸頭36。ON/OFF開關16起初是開路的，PTC器件8處于低阻抗狀態(tài)，動觸頭36貼在常閉靜觸頭32上，電路100處于開路狀態(tài)，負載4上沒有電流流過。當ON/OFF開關16閉合時，繼電器線圈12中分出少量電流，從而激勵繼電器線圈12并使動觸頭36從常閉靜觸頭32移至常開靜觸頭34，由此將負載4納入電路之中。PTC器件8與繼電器線圈12和負載4的并聯(lián)組合串聯(lián)。然而，繼電器線圈12只分出很少量的電流來保持激勵狀態(tài)。在過流情況下，PTC器件8的阻抗上升，從而減少了流向負載4和繼電器線圈12的電流。如果選擇了合適的PTC器件8，其阻抗將上升到足以使繼電器線圈12中的電流減少到使繼電器線圈12去激勵，從而使動觸頭36移到常閉靜觸頭32并斷開負載4。如果流經(jīng)PTC器件8和繼電器線圈12的電流足以使PTC器件8保持跳斷在高阻抗狀態(tài)并使繼電器線圈12去激勵，電路100保持在故障狀態(tài)，直到ON/OFF開關16打開并使PTC器件8冷卻下來為止。如果流經(jīng)高阻抗狀態(tài)的PTC器件8的電流不足以使PTC器件8保持跳斷，那么PTC器件8將冷卻并恢復到低阻抗狀態(tài)。這將使流經(jīng)繼電器線圈12的電流上升并激勵繼電器線圈12，從而將動觸頭移至常開靜觸頭34。如果故障的原因仍然存在，就將繼續(xù)這種循環(huán)，直到去除了故障的原因或電源為止，如將ON/OFF開關16打開。
然而，由于正常電路電流可能是繼電器線圈12所分電流的好幾百倍，有可能出現(xiàn)這種情況，即PTC器件8阻抗升高并減少流向負載4的電流，但并沒有將電流減少到足以使繼電器線圈12去激勵。這可能使電路在故障狀態(tài)下處于閉合狀態(tài)。例如，額定電流為9安培的PTC器件在跳斷狀態(tài)下通常流過約0.25安培的電流。由于典型的汽車繼電器線圈電流為0.18安培，即使PTC器件被跳斷，該電流也足以使繼電器維持激勵。因此，圖2所示的電路保護裝置很可能要求采用偏差非常精確的PTC器件。
因此，優(yōu)先采用這樣一種電路保護裝置，其中PTC器件沒有放置在電路中流向負載和控制電路中斷器件的器件的電流流經(jīng)的地方。
圖3中的電路是根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的過流保護系統(tǒng)的一個實例和圖1所示的方框圖。圖3所示的過流保護電路200采用PTC器件8加電阻器件14、繼電器線圈12、觸頭組30、32、34、36和ON/OFF開關16的布置。在電路200中，電阻器件14被安排成與負載4串聯(lián)而PTC器件8則被安排成與繼電器線圈12串聯(lián)，后一串聯(lián)組合接在電源2兩端。ON/OFF開關16起初是打開的，PTC器件8處于其低阻抗，動觸頭36則貼在常閉靜觸頭32上，電路200處于開路狀態(tài)，負載4中沒有電流通過。當ON/OFF開關16閉合時，PTC器件8和繼電器線圈12從中分流少量的電流，從而激勵繼電器線圈12，使動觸頭36從常閉靜觸頭32移至常開靜觸頭34，由此將負載4納入電路之中。電阻器件14和PTC器件8是熱連接的，這樣，在電路過流的情況下，電阻器件14升溫，使PTC器件8受熱升溫至其跳斷溫度并轉換至高阻抗狀態(tài)。當PTC器件8處于高阻抗狀態(tài)時，流經(jīng)繼電器線圈12的電流減少，繼電器線圈12去激勵并使動觸頭移回到常閉靜觸頭32。電阻器件14和PTC器件8是一體的，少量的流經(jīng)PTC器件8和繼電器線圈12的電流不足以使PTC器件8的溫度維持在高得足以使PTC器件8保持在跳斷狀態(tài)。因此，電阻器件14和PTC器件8都冷卻下來。當PTC器件8足夠冷卻后，它就恢復其低阻抗狀態(tài)，并重新允許足夠的電流流經(jīng)繼電器線圈12，以激勵繼電器線圈12，并將動觸頭36移至常開靜觸頭34。如果過流的原因仍然存在，電阻器件14將發(fā)熱，PTC器件8重新跳斷到高阻抗狀態(tài)。這種循環(huán)繼續(xù)進行，直到去除了故障的原因或電源為止，如將ON/OFF開關16打開。
在某些應用中，過流保護斷路在故障狀態(tài)優(yōu)先不嘗試自己復原，而是鎖定在開路。圖4中的電路300為根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的電路保護裝置的第二實例，該裝置為在故障狀態(tài)下鎖定為開路的過流保護電路。電路300采用了PTC器件8加上電阻器件14、繼電器線圈12和一組繼電器觸頭30、32、34、36的布置。在電路300中，繼電器靜觸頭30、32、34相對于圖3所示電路200中它們的連接正好“顛倒”，繼電器線圈12與常閉靜觸頭32相連，負載4與中心靜觸頭30相連，常開靜觸頭34與電阻器件14相連。起初通過閉合ON/OFF開關16向電路300提供能量。電流流經(jīng)PTC器件8和繼電器線圈12。繼電器線圈12激勵，使動觸頭36移至常開靜觸頭34。這就將電阻器件14安排在負載4的電流通道中。在過流情況下，電阻器件14受熱，使PTC器件8受熱跳斷。然后繼電器線圈12去激勵，使動觸頭36回到常閉靜觸頭32。負載4仍留在電路中，然而，由于PTC器件8處于跳斷狀態(tài)，流經(jīng)PTC器件8及繼電器線圈12和負載4的并聯(lián)組合的“涓流”非常小，但足以使PTC器件8不會回到低阻抗狀態(tài)。ON/OFF開關16不得不被打開，使PTC器件8能夠冷卻并使電路300復原。
圖5中的電路400是根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的電路保護裝置的第三實例。電路400在故障狀態(tài)下也鎖定為開路。電路400采用了PTC器件8加上電阻器件14、繼電器線圈12和一組繼電器觸頭30、32、34、36的布置，與圖4所示的電路300相似。ON/OFF開關16被移至地6和繼電器線圈12與負載4之間的節(jié)點之間。圖5所示電路400的運作與圖4所示的電路300相似。然而，在有些應用，如汽車工業(yè)中，可能會優(yōu)先采用圖5所示的“接地開關”技術。
圖4和圖5所示的過流保護電路在故障狀態(tài)下都能夠鎖定，即不嘗試復原。兩種裝置都需要“涓流”使它們被鎖住。在某些應用中，優(yōu)選地使過流保護電路鎖定為開路，但不需要涓流來保持鎖定。例如，在汽車和其它由電池供電的應用中，如果讓涓流維持較長的時間，就會消耗電池的電能。圖6示出了過流保護電路500的第一實施方案的第四個實例，該電路在故障狀態(tài)下鎖定為開路。然而，與圖4和圖5分別表示的電路300和400不同，圖6所示的電路500在過流情況下不需要“涓流”來將電路鎖定為開路。電路500采用了PTC器件8加上電阻器件14、繼電器線圈12和一組繼電器觸頭30、32、34、36的布置。它還包括二極管22、瞬時ON開關18和瞬時OFF開關20。繼電器觸頭30、32、34、36位于電源2和電阻器件14之間，中心靜觸頭30與電源2相連，常開靜觸頭34與電阻單元14相連。當電路500處于OFF狀態(tài)，且PTC器件8處于低阻抗狀態(tài)時，通過短暫地按ON開關18就能接通電路500。電流流經(jīng)繼電器線圈12，激勵繼電器線圈12并使動觸頭移至常開靜觸頭34。二極管22阻止電流向上流經(jīng)PTC器件8到達電阻器件14和負載4。當ON開關18釋放時，電流流經(jīng)電阻單元14到達負載4，并流經(jīng)PTC器件8、二極管22和繼電器線圈12的串聯(lián)組合，從而使繼電器線圈12保持激勵。在過流情況下，電阻器件14發(fā)熱，使PTC器件8受熱并跳斷至高阻抗狀態(tài)。降低了的電流使繼電器線圈12去激勵并使動觸頭移至常閉靜觸頭32。電流停止在電路500中流動，PTC器件8冷卻并返回其低阻抗狀態(tài)。瞬時OFF開關20用于在正常工作狀態(tài)下關閉電路。
在圖3、4、5和6所示的每個電路中，PTC器件8都表示為連接，用來向各電路提供過流保護，但不一定得傳遞負載電流。因此，在根據(jù)本發(fā)明的電路保護裝置中，PTC器件可用來控制高于PTC器件的額定電流的負載電流。
圖7所示的電路600為圖6所示電路的一個選擇方案，其中PTC器件8為雙金屬開關42所替代。當電路600處于OFF狀態(tài)，且雙金屬開關42處于閉合狀態(tài)時，瞬時按下ON開關18就能接通電路600。電流流經(jīng)繼電器線圈12，激勵繼電器線圈12并使動觸頭移至常開靜觸頭34。二極管22阻止電流向上流經(jīng)雙金屬開關42到達電阻器件14和負載4。當ON開關18釋放時，電流流經(jīng)電阻單元14到達負載4，并流經(jīng)雙金屬開關42、二極管22和繼電器線圈12的串聯(lián)組合，從而使繼電器線圈12保持激勵。在過流情況下，電阻器件14發(fā)熱，使雙金屬開關42受熱并跳斷至開路狀態(tài)。繼電器線圈12去激勵，動觸頭36移至常閉靜觸頭32。電流停止在電路600中流動，雙金屬開關42冷卻并恢復閉合狀態(tài)。在動觸頭36貼在常閉靜觸頭32上且繼電器線圈12去激勵時，電路600在故障狀態(tài)下維持鎖定，不會拉出“涓流”。瞬時OFF開關20用于在正常工作狀態(tài)下關閉電路。
圖8是采用雙金屬開關42的過流保護電路700的一個實施方案的第二個實例。然而，在圖8的電路700中，雙金屬開關42提供了感應單元104(圖1)的功能，繼電器線圈12和二極管22提供了控制單元106(圖1)的功能。電路700采用了雙金屬開關加繼電器線圈12和一組繼電器觸頭30、32、34和36的布置。它還包括二極管22、瞬時ON開關18和瞬時OFF開關20。繼電器觸頭30、32、34、36位于電源2和雙金屬開關42之間，中心靜觸頭30與電源2相連，常開靜觸頭34與雙金屬開關42相連。電路700與圖2所示的電路100相似，因為雙金屬開關42(圖2中的PTC器件8)與負載4和繼電器線圈12的并聯(lián)組合串聯(lián)。當電路700處于OFF狀態(tài)，且雙金屬開關42處于閉合狀態(tài)時，瞬時按下ON開關18就能接通電路700。電流流經(jīng)繼電器線圈12，激勵繼電器線圈12并使動觸頭36移至常開靜觸頭34。二極管22阻止電流回流經(jīng)過雙金屬開關42或回到負載4。當ON開關18釋放時，電流流經(jīng)雙金屬開關42到達負載4，并流經(jīng)二極管22和繼電器線圈12的串聯(lián)組合，從而使繼電器線圈12保持激勵。在過流情況下，雙金屬開關42受熱并跳斷至開路狀態(tài)。繼電器線圈12去激勵，動觸頭36移至常閉靜觸頭32。電流停止在電路700中流動，雙金屬開關42冷卻并恢復閉合狀態(tài)。在故障狀態(tài)下電路700鎖定，電路700中沒有電流流過。與圖2所示的電路100相比，電路700的優(yōu)點在于，由于雙金屬開關42受熱時開路而不只是增加電阻，雙金屬開關42可以安置成與繼電器線圈12和負載4都串聯(lián)，以確保當雙金屬開關42開路時繼電器線圈12去激勵。瞬時OFF開關20用于在正常工作狀態(tài)下關閉電路。
圖9是與圖1所示相似的方框圖，然而，感應單元104和電路中斷單元108的功能被綜合在感應-中斷單元118中了。參見下面圖10所示的電路可以看到，感應-中斷單元118內的元件可提供感應單元102和電路中斷單元108(圖1)兩者的功能。當感應-中斷單元118通過第一線路114通知控制單元106電流過大時，控制單元106就通過第二線路116控制感應-中斷單元的狀態(tài)。
圖10是采用雙金屬器件的過流保護電路800的實施方案的一個實例，然而，繼電器觸頭(圖8中的30、32、34和36)和雙金屬開關42被合并為一組包括雙金屬動觸頭56在內的繼電器觸頭。下面將參照圖11描述這種包含雙金屬動觸頭的繼電器的結構和工作。雙金屬動觸頭56提供了感應單元104(圖1)的功能，繼電器線圈12和二極管22提供了控制單元106(圖1)的功能，包括雙金屬動觸頭56在內的繼電器觸頭30、32、34和56提供了電路中斷單元108(圖1)的功能。因此，繼電器觸頭30、32、34和56提供了圖9所示的感應-中斷單元118的綜合功能。電路處于關閉狀態(tài)時，雙金屬動觸頭56處于其正常狀態(tài)且貼在常閉靜觸頭32上。短暫地按下0N開關18即可接通電路800。電流流經(jīng)繼電器線圈12，激勵繼電器線圈12并使雙金屬動觸頭56移至常開靜觸頭34。二極管22阻止電流回流經(jīng)過繼電器觸頭34、56、30或回到負載4。當ON開關18釋放時，電流流經(jīng)雙金屬動觸頭56到達負載4，并流經(jīng)二極管22和繼電器線圈12的串聯(lián)組合，從而使繼電器線圈12保持激勵。在過流情況下，雙金屬動觸頭56受熱并跳斷至故障狀態(tài)，從而從常開靜觸頭34移開。繼電器線圈12去激勵，雙金屬動觸頭56移至常閉靜觸頭32。電流停止在電路800中流動，雙金屬動觸頭56冷卻并恢復正常狀態(tài)。繼電器彈簧(圖11的67)的拉力使雙金屬動觸頭56緊貼在常閉靜觸頭32上。在故障狀態(tài)下電路800鎖定，中間沒有電流流過。瞬時OFF開關20用于在正常工作狀態(tài)下關閉電路。
在圖6、7、8和10中，瞬時ON開關18和OFF開關20都被表示成機械開關或按鈕。然而，這兩種或兩種之一都可以用，例如采用固體器件或從外部控制單元提供電脈沖。
各個圖中的電路圖所示的繼電器各自的結構內也可包括保險絲部件，以盡可能地減小由于繼電器觸頭熔化導致的災難性故障。
圖11所示的繼電器組件代表了一個具有雙金屬動觸頭的繼電器。圖中所示的構造為普通的繼電器構造，只用實例的方式加以顯示，且并非僅限于此。由于繼電器在技術是廣為人知的，對圖11所示的繼電器構造和工作的描述將限于解釋雙金屬動觸頭的使用所必須的程度。該組件包括繼電器線圈60和安置在L形支撐部件62第一個腿上的磁心61。鐵磁體臂63被鉸接在支撐部件62第二個腿的遠端66上。鐵磁體臂63的第一面朝向磁心61的一端。隔離層64夾在鐵磁體臂63的第二面和動觸頭支撐臂65的第一面之間。雙金屬動觸頭68被固定(如焊接)在動觸頭支撐臂65的第二面上。雙金屬動觸頭68由兩個不相同的金屬層69、70組成。雙金屬動觸頭68形狀將取決于具體的繼電器構造。然而，作為一個實例，圖11所示的雙金屬動觸頭68的形狀通常用四個部分描述。第一動觸頭部分68A大致為直線形部分，其第一端被固定(如焊接)在動觸頭支撐臂65上。第一動觸頭部分68A安裝成基本與動觸頭支撐臂垂直。第二動觸頭部分68B為弓形，其軌跡為稍大于1/4整圓的弧線。第三動觸頭部分68C主要為直線形。第四動觸頭部分68D主要為直線形，它與第三動觸頭部分68C構成一個角度，該角度大致為270°減去第二動觸頭部分68B所占的角度。因此，當雙金屬動觸頭68冷卻時，第四動觸頭部分68D所在的平面與動觸頭支撐臂65的平面基本平行，從而容納常開靜觸頭71和常閉靜觸頭72，這兩個觸頭被安置在與動觸頭支撐臂65所在的平面基本平行的平面內。在其它繼電器構造中，雙金屬動觸頭68的結構可能與上述的有所不同，以滿足各結構的特定要求。
第一和第二觸片73和74被固定在雙金屬動觸頭68遠端的某一面上。第一觸片73位于常閉靜觸頭71的對面，以便當繼電器組件處于去激勵狀態(tài)(圖11所示)時兩者壓觸在一起，第二觸片74位于常開靜觸頭72的對面，以便當繼電器組件處于激勵狀態(tài)(未示出)時兩者壓觸在一起。將常閉靜觸頭71和常開靜觸頭72安置在與動觸頭支撐臂65(如上所述)大致平行的平面內。第一彈簧67的第一端與鐵磁體臂63的第一端相連，第二端與支撐結構62相連，該彈簧在鐵磁體臂63的第一端維持拉力，從而使鐵磁體臂63繞鉸接區(qū)66轉動，使鐵磁體臂63的遠端從磁心61向外轉，使鐵磁體臂63、動觸頭支撐臂65和雙金屬動觸頭68組件朝著常閉靜觸頭72轉動，從而將第一觸片73壓觸在常閉靜觸頭71上。
第一和第二引線78、79將繼電器線圈60接到外部電源(未示出)上。在向繼電器線圈60供電時，磁心61被磁化，吸引著鐵磁體臂63。鐵磁體臂63繞鉸接區(qū)66轉動，鐵磁體臂63的遠端朝著磁心61轉動。鐵磁體臂63的運動使動觸頭支撐臂65和雙金屬動觸頭68以相似的方式移動，從而斷開第一觸片73和常閉靜觸頭71之間的接觸。鐵磁體臂63、動觸頭支撐臂65和雙金屬動觸頭68的組件繼續(xù)轉動，直到鐵磁體臂63靠在磁心61上，且第二觸片74被壓觸在常開靜觸頭72上為止。
只要流過雙金屬動觸頭68的電流低于預定的電流等級和/或它的溫度低于預定的溫度，雙金屬動觸頭68就會保持其形狀。然而，如果流經(jīng)雙金屬動觸頭68的電流超出預定的電流等級，使雙金屬動觸頭68的溫度超過預定的溫度時，雙金屬動觸頭68就改變其形狀，向外伸直，使雙金屬動觸頭68的遠端從常開靜觸頭移開，從而使第二觸片74中斷與常開靜觸頭72的接觸。
在某些情況下，繼電器正常工作過程中產(chǎn)生的熱量可能會使雙金屬動觸頭68受熱并輕微地改變形狀。如果雙金屬動觸頭68處于正常閉合位置，第一彈簧67提供的拉力將使第一觸片73壓觸在常閉靜觸頭71上。第二彈簧83用于確保當繼電器處于激勵位置時第二觸片74保持壓觸在常開靜觸頭72上。第二彈簧83的第一端固定在常開靜觸頭72上。第二彈簧83的第二端接在繼電器組件內的隔離架(未示出)上。第二彈簧83(是拉還是壓取決于如何安裝第二彈簧)使常開靜觸頭72向動觸頭組件靠近，從而在繼電器被激勵時確保第二觸片74和常開靜觸頭72之間形成良好的壓觸。盡管第二彈簧83被繪為螺旋彈簧，也可以采用其它合適的彈簧，如片簧。此外，可以不將靜觸頭附在單獨的彈簧上，靜觸頭本身就可以是一個彈簧，如片簧、螺旋彈簧等，從而與動觸頭組件保持壓觸。
圖11和上述說明描繪了一種帶有雙金屬動觸頭的繼電器組件，該動觸頭被構造成在流經(jīng)該雙金屬動觸頭的電流過載時斷開與常開靜觸頭的接觸。這種描繪只采用了實例的方式，但不應理解為僅限于此。采用本發(fā)明的雙金屬動觸頭的繼電器組件可以構造成當流經(jīng)該雙金屬動觸頭的電流過載時，動觸頭斷開它與正在與之接觸的常閉靜觸頭、常開靜觸頭或其它任何繼電器觸頭的接觸。
圖10所描繪的電路采用了圖11所描繪的繼電器組件，有利于將繼電器線圈12置于包括動觸頭56在內的電流通路中。這樣，當雙金屬動觸頭56斷開與常開靜觸頭34的接觸時，繼電器線圈12立即去激勵，使雙金屬動觸頭56回到常閉靜觸頭32并保持在那里，直到繼電器線圈12再次激勵為止。圖12所示的繼電器組件為圖11所示的繼電器組件加上其中包括的一個二極管75。第二引線78與二極管75(示出了陽極這一側)和繼電器線圈60相連，觸頭引線81將二極管75(示出了陰極一側)與常開靜觸頭72接在一起。這樣，圖10的電路保護裝置的主要元件，包括繼電器線圈12、靜觸頭30、32、和34、雙金屬動觸頭56以及二極管22都被方便地并入了一個繼電器封裝中。
權利要求
1.一種可接在電源和負載之間構成工作電路的電子保護系統(tǒng)，該工作電路有一導通和一關閉狀態(tài)并包括一載流線和一返回線，當這樣連接時，該系統(tǒng)能防止電路過流，該系統(tǒng)具有正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，并包括a．一感應-中斷單元，當這樣連接系統(tǒng)時，該單元串聯(lián)在電源和負載之間，且具有ⅰ可變阻值(1)當系統(tǒng)中的電流未超出正常電流INORMAL預定的電流值時，該阻值為低(2)當系統(tǒng)中的電流超出了正常電流INORMAL預定的值時，該阻值至少增加預定的阻值；ⅱ一閉合狀態(tài)，允許正常電流INORMAL流過，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，ⅲ一開路狀態(tài)，至多允許減少了的電流通過，該電流遠小于INORMAL’此時系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；b．一控制單元，這樣連接該系統(tǒng)后，該單元與感應-中斷單元耦合，當感應-中斷單元的可變阻值增加預定的阻值時，就會使感應-中斷單元從閉合狀態(tài)轉變到開路狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中a．感知-中斷單元包括一組繼電器觸頭，這些繼電器觸頭包括雙金屬動觸頭；b．控制單元包括二極管和繼電器線圈的串聯(lián)組合，繼電器線圈與繼電器觸頭耦合，二極管在感應-中斷單元和負載之間的節(jié)點處與載流線相連，繼電器線圈與返回線相連。
3.根據(jù)權利要求1或2的系統(tǒng)，包括a．當工作電路處于關閉狀態(tài)時將電路轉換到導通狀態(tài)的裝置；b．當工作電路處于導通狀態(tài)時將電路轉換到關閉狀態(tài)的裝置。
4.根據(jù)權利要求3的系統(tǒng)，其中a．將電路從關閉狀態(tài)轉換至導通狀態(tài)的裝置包括一個接在下面節(jié)點之間的開關，ⅰ電源和電路中斷單元之間的節(jié)點，以及ⅱ二極管和繼電器線圈之間的節(jié)點；b．將電路從導通狀態(tài)轉換至關閉狀態(tài)的裝置包括一接在繼電器線圈和返回線之間的開關。
5.一種繼電器組件，當流經(jīng)其連接的電流超過預定的電流值時將使該連接開路。
6.根據(jù)權利要求5的繼電器組件，包括a．一動觸頭；b．一繼電器靜觸頭；該動觸頭ⅰ在第一位置時與繼電器靜觸頭接觸，從而構成連接；ⅱ在第二位置時與繼電器靜觸頭分離，當流經(jīng)動觸頭的電流超過預定的電流值時，該動觸頭從第一位置移至第二位置，從而斷開該連接。
7.根據(jù)權利要求6的繼電器組件，其中動觸頭包括一雙金屬動觸頭。
8.根據(jù)權利要求7的繼電器組件，包括將繼電器靜觸頭向上移到預定距離的裝置，以保持動觸頭和繼電器靜觸頭之間的接觸。
9.根據(jù)權利要求8的繼電器組件，其中移動裝置為安裝在繼電器靜觸頭上的彈簧。
10.根據(jù)權利要求8的繼電器組件，其中繼電器靜觸頭包括一彈簧。
11.根據(jù)權利要求6的繼電器組件，其中繼電器靜觸頭為常開靜觸頭。
12.根據(jù)權利要求6的繼電器組件，其中繼電器靜觸頭為常閉靜觸頭。
13.一繼電器組件，包括a．帶有一根引線的繼電器線圈；b．一繼電器靜觸頭；c．一雙金屬動觸頭，該動觸頭ⅰ在第一位置時與繼電器靜觸頭接觸，從而構成連接；ⅱ在第二位置時與繼電器靜觸頭分離；當流經(jīng)動觸頭的電流超過預定的電流值時，該動觸頭從第一位置移至第二位置，從而斷開該連接。
14.根據(jù)權利要求13的繼電器組件，包括一個二極管，該二極管有一陽極和一陰極，其陽極接在一個引線或繼電器觸頭上，陰極則接在另一個引線或繼電器觸頭上。
15.一種具有導通和關閉狀態(tài)的電路，該電路包括一電源、一電負載、一載流線、一返回線以及一防止電路過流的電子保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)有一正常工作狀態(tài)和一故障狀態(tài)，并包括a．一感應-中斷單元，該單元串聯(lián)在電源和負載之間，且具有ⅰ可變阻值(1)當系統(tǒng)中的電流未超出正常電流INORMAL預定的電流值時，該阻值為低(2)當系統(tǒng)中的電流超出了正常電流INORMAL預定的值時，該阻值至少增加預定的阻值；ⅱ一閉合狀態(tài)，允許正常電流INORMAL流過，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，ⅲ一開路狀態(tài)，至多允許減少了的電流通過，該電流遠小于INORMAL’此時系統(tǒng)處于故障狀態(tài)；b．一控制單元，該單元與感應-中斷單元耦合，當感應-中斷單元的可變阻值增加預定的阻值時，就會使感應-中斷單元從閉合狀態(tài)轉變到開路狀態(tài)。
全文摘要
一種電路保護裝置具有阻值可變的感應—中斷單元,如雙金屬繼電器觸頭,該單元串聯(lián)在電源和負載之間,該裝置還具有一控制單元,如與感應—中斷單元耦合的二極管和繼電器線圈的串聯(lián)組合。當電路中的電流升高預定的電流值時,感應—中斷單元的阻抗升高。當感應—中斷單元的阻抗上升預定的阻值時,控制單元使感應—中斷單元從閉合狀態(tài)轉變到開路狀態(tài)。
文檔編號H02H3/08GK1230301SQ97197737
公開日1999年9月29日 申請日期1997年7月10日 優(yōu)先權日1996年7月16日
發(fā)明者I·米翁 申請人:雷伊化學公司