專利名稱：一種短路限流保護器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種短路限流保護器，更具體地涉及一種電子熔斷器，它在正常工作狀態(tài)下具有極小的功率損耗，在一個預(yù)定的電流強度下將被迅速地和可靠地觸發(fā)。
給該電路提供工作電壓的不同的電子電路和單元需要一個安全裝置，該裝置是以熔斷器的形式，當由該熔斷器提供的被保護電路中的電流過高，例如由于短路產(chǎn)生的，該熔斷器將觸發(fā)。
最普通類型的熔斷器是熱熔斷器，它通常包含一個玻璃管，該玻璃管包含一個細絲或金屬絲，當通過該金屬絲的電流為一給定電流值時，該金屬絲熔化或燒毀，由于金屬絲的電阻和電流產(chǎn)生熱，當流過的電流過大時，所產(chǎn)生的熱熔化該金屬絲。
由于該熔斷器的啟動相當?shù)乜欤@種熔斷器將完全適應(yīng)萬一發(fā)生完全的短路的情況。萬一發(fā)生了短路，該熔斷器允許較高的短路電流通過，該電流只由電源的阻抗所限定。如此高的短路電流易于損壞導(dǎo)體，電觸點和其他的電子裝置，也可能干擾并聯(lián)供電的電子裝置。另一方面，如果該電流接近或剛剛高于熔斷的額定值，該熔斷器的啟動需要相當長的時間，由于其他電路部件的過載，有時能引起重大的問題。此外，這種熔斷器可以制成慢的或快的，而且當負載接近它的額定值，由于老化，這種熔斷器能發(fā)生變化，以致于在較長的安裝時間以后，這樣熔斷器不按原來的額定值啟動，而要超過該額定值。
最新的電壓源單元常常具有一些限制電流的方式，它允許由電路從電源中取出最大的功率，這常常是靠允許電流達到一給定的最大值來實現(xiàn)的，然后減小電壓，使電流決不會超過限制的值。當電壓減小時，由于電壓電平變得臨界，使得許多電路功能不安全，這可能對所有的應(yīng)用帶來危害。
為了克服這個缺點，除了監(jiān)視電流外，還必須監(jiān)視電壓。當電壓降到一個預(yù)定值以下，電源將切斷，并且有故障指示。這導(dǎo)致了更加復(fù)雜的安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)比起監(jiān)視或監(jiān)督的細節(jié)更加全面。這里有一個問題，例如，在為很多用戶服務(wù)的設(shè)備中有一個必然的要求，那就是涉及一個用戶的故障不影響其他的用戶。例如，在電話網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。例如，如果一個用戶遭遇到了故障，該故障決不能影響可能是幾十萬用戶的其他用戶。對于用最簡單但最有效的方法監(jiān)視電流是重要的應(yīng)用，以便使安裝費降到一適當?shù)乃健Ｔ陔娮雍蛿?shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)域中有了類似的應(yīng)用，一種過負載保護器是合乎需要的，它迅速和精確，既不產(chǎn)生無線電干擾，又不太復(fù)雜。這種保護器不需要新的替換元件，而很容易復(fù)位，在排除故障源后手動或者自動復(fù)位。
美國專利4531083和4531084教導(dǎo)了一種用于直流電源單元的電流調(diào)節(jié)電路，它打算用于給可充電電池充電，而不需要使用變壓器、電容器或線圈。第一和第二晶體管的發(fā)射極通過一個第5電流限制的PTC電阻器相連，該PTC電阻器能起到熔斷器的作用。使用MOS場效應(yīng)晶體管替代復(fù)合晶體管電路中的多個晶體管。該PCT(正溫度系數(shù))電阻器工作在電池充電過程中標稱的125℃下，其中該電阻器的工作溫度每增加1℃，充電電流將減小0.45%。這個電阻器最好是由能夠使電阻器起到熔斷器作用的材料金屬化而制成。
德國專利2533182教導(dǎo)了一種電路裝置該裝置用以指示在一電流源裝置中觸發(fā)或熔斷的熔斷器，這里使用了一個光致開關(guān)指示一個顯文裝置，表明它的熔斷器已經(jīng)啟動。
因此需要提供一個既迅速又精確的電流限制裝置，其中，它的功率損耗在正常工作條件下是很小的。
因此，本發(fā)明的目的在於提供一種短路限流保護器，它將滿足下列規(guī)范。
(a)在選擇的電流值下將迅速和立即觸發(fā);
(b)在正常電流值的情況具有極小的功耗;
(c)在觸發(fā)電流下有一非線性特征，因此裝置的觸發(fā)將是加速的;
(d)短路電路將被限制在一希望的水平上，與電源的內(nèi)部阻抗無關(guān);
(e)該裝置在工作時不產(chǎn)生射頻干擾;和(f)當切斷不正確的電流時，該裝置將感應(yīng)的過電壓限制在一預(yù)先確定的值。
根據(jù)本發(fā)明并根據(jù)上述規(guī)范提供了一種裝置，在證實和消除了電流浪涌的起因后，該裝置的觸發(fā)狀態(tài)很容易復(fù)位。
根據(jù)本發(fā)明提供了一種短路限制裝置，它利用電和熱的反饋原理的結(jié)合。
本發(fā)明還提供了一種裝置，當標稱的或額定電流達到后，該裝置呈現(xiàn)一種精細建立起來的延遲，并且在延遲過后該裝置被迅速觸發(fā)或“熔斷”。因此，萬一負載出現(xiàn)了故障，該不正常的電流被限制在比通常的熔斷器更低的值上。
根據(jù)本發(fā)以及上述過的規(guī)范還提供了一種裝置，它能自動地或手動地復(fù)位，它還可以調(diào)整到一種不起作用的狀態(tài)，而不需要除去該裝置。
本發(fā)明將參照一些舉例說明的實施例以及附圖進行描述，其中

圖1是發(fā)明的短路限流裝置的基本描繪的實施例的電路圖;
圖2是發(fā)明的短路限流裝置的第二實施例的電路圖;
圖3是發(fā)明的短路限流裝置的第三實施例的電路圖;
圖4是發(fā)明的短路限流裝置的第四實施例的電路圖;
圖5是發(fā)明的短路限流裝置的第五實施例的電路圖。
圖1是根據(jù)本發(fā)明將電和熱反饋的原理相結(jié)合的一個示例電路的電路圖，該電路圖中包括數(shù)個電阻器R2，R3，R4，R7，R8，R9和一個非線性熱敏電阻器R5。該電路還包括一個該非線性熱敏電阻器R5串聯(lián)的場效效應(yīng)晶體管M1，以及一個硅二極管D1和兩個穩(wěn)壓二極管Z1和Z2，雙極性NPN晶體管Q1和兩個電容器C1和C2。根據(jù)本發(fā)明，圖示電路的主要功能部分主要包括元器件M1，R5，Q1，R4，R3和R8。在圖示實施例中電阻器R5是由法國Raychen Pontaisc SA制造的型號為RUE 800的PCT電阻器。場效應(yīng)晶體管M1是功率MOSFET，例如由MOtorola制造的型號為MTW 45NIOE的MOSFET，晶體管Q1例如是MOtorola制造的BC 847 B晶體管，其余包含的電阻器、電容器和二極管可使用標準元器件。穩(wěn)壓二極管Z1的穩(wěn)壓額定電壓是12伏，而穩(wěn)壓二極管Z2的額定電壓是90伏。
SW1標示一個開關(guān)，它有三種狀態(tài)，關(guān)斷，接通和復(fù)位。當開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，通過電阻2有足夠大的電位加給晶體管Q1使其導(dǎo)通，此外阻斷了場效應(yīng)晶體管M1，因此它不允許電流通過，換言之，負載L被斷開。
如果開關(guān)SW1瞬間轉(zhuǎn)換到RESET復(fù)位狀態(tài)位置，晶體管Q1被觸發(fā)，并且加在M1的柵極上的電壓迅速增加到由穩(wěn)壓二極以及由電阻器R4和R7組成的分壓器決定的電平，其中電阻器R4連接到供電給負載L的電壓源的正極端點。場效應(yīng)管M1于是導(dǎo)通電流，并且負載L于是被開啟。M1的柵極得到使其完全導(dǎo)通的電位，以適當?shù)碾娏髑樾蜗拢瑱M跨M1上的電壓降將幾乎可以忽略(十分之一或十分之幾伏)。當開關(guān)SW1留在中心位置，即其打開位置(ON)時，該電路將以它的工作模式工作。
非線性熱敏電阻器R5在和晶體管M1的集電極連接處和所產(chǎn)生的電路串連。該熱敏電阻R5的電阻值在正常工作溫度下是小的，和M1的輸入電阻是相同的量級。優(yōu)選實施例的兩個元器件M1和R5是這樣安裝的，以致于當工作在正常電流下，在耗散功率和由M1和R5冷卻的加熱功率間達到平衡。這些安裝的元器件和元器件承載扳提供的(玻璃纖維板、陶瓷基片或金屬板與元器件保持絕緣)保持好的熱接觸，該非線性熱敏電阻器的合適的安裝便由晶體管M1產(chǎn)生的熱能影響該電阻器。在實施例情況，包括分立的和密封的元器件，晶體管M1適當?shù)靥峁┲吕渖崞．旈_關(guān)SW1處在它的接近位置，和負載L以及電壓源的正負極串連的被建立起來的電路工作在它的工作模式中，從而監(jiān)視電路的狀態(tài)，以便在預(yù)先確定的過流情況下以備立即功斷負載L的電路。
當流過負載L的電流超過選擇的過流斷路值時，發(fā)生下列情形。M1和R5的溫度將顯著地增加，R5的溫度的增加使得它的電阻迅速地增加，這種增加是以一種加速的方式(非線性的相關(guān)性)。R5的電阻的迅速增加，M1在某種程度也是如此，和不正常的電流一起將導(dǎo)致和M1串連的R5上的電壓降的增加，由于由負載L和M1和R5結(jié)合所構(gòu)成的第一分壓器的作用，供給晶體管Q1的由電阻器R3和R8組成的分壓器兩端的電壓增加。當供給晶體管Q1基極的電阻器R3和R8的連接點的電位超過一給定的閥值，Q1變?yōu)閷?dǎo)通，它是發(fā)生在很短時間的典型情形，該斷流過負載L的電流后，整個的電流電壓隨后供給由電阻器R3和R8構(gòu)成的第二分壓器，因此有足夠的基極電流供給Q1，從而使其完全導(dǎo)通，因此M1保持截止和不導(dǎo)通的狀態(tài)。
當負載L發(fā)生短路時，短路電流將迅速增加，隨即M1和R5上的電壓降也迅速增加。當加在Q1上的基極一發(fā)射板的電壓超過閥值電平時，結(jié)果斷路或關(guān)斷開始啟動。通過適當?shù)倪x擇電容器C1的容值以得到一需要的時間延遲，該時間處于非系統(tǒng)電流(non-system)建立時間(發(fā)生于短路情況)和M1關(guān)斷時間之間。通過M1的峰值電流是由電容器C1的容值和負載L的電感量所決定。如果沒有電容器C1，峰值電流部分地是由Q1的基極一發(fā)射極電壓和部分的由R3/R8的商值所決定。如果晶體管M1不能關(guān)斷短路電流，R5將限制最大電流到一適當?shù)闹担缓笃仁闺娏鹘档浇咏麿，這是由于R5的電阻非常迅速地增加到幾萬歐姆。
S1是典型的標準的保險絲，它具有相當大的電流通量，這也是權(quán)威方面根據(jù)需要調(diào)整放在上面的保險絲(權(quán)威方面不同意單獨使用一個電子電路作為短路保護器)，雖然該保險絲S1不容易斷開或觸發(fā)。
當感性負載斷開，穩(wěn)壓二極管Z2和場效應(yīng)晶體管M1共同作用限制瞬態(tài)的電壓。該關(guān)斷時間是由穩(wěn)定電壓和M1所吸取的感性能量的大小所確定。二極管D1是防止當M1完全導(dǎo)通時電流通過Z2。電阻器R9和電容器C2是用作當M1被關(guān)斷時對振進行衰減(所謂的減振電路)。
圖2表示了本發(fā)明的另一個實施例。在圖2的實施例中，用另一個雙極性晶體管Q2補充在圖1所示的電路中，例如是BC 847 B的型號，它和由電阻器R10和R11構(gòu)成的第三分壓器相結(jié)合，此外還有電容器C3和硅二極管D2。
除去圖2所示電路在斷路后經(jīng)過一個給定的周期后能夠自動復(fù)位以外，圖2所示的電路的基本功能和圖1所示的電路的基本功能是相同的。晶體管Q2和電阻器R8相關(guān)聯(lián)，并且連接在晶體管Q1的基極和發(fā)射極之間。晶體管Q2的基極是通過第三分壓器的電阻器R10和R11供電的。當晶體管M1關(guān)斷通過負載L的電流以及第二個分壓器R3和R8上的電壓等于電源電壓時，在第三分壓器上也是這個電源電壓。給電容器C3充電的同時也流過電阻器R10，充電到對應(yīng)電阻器R10和R11分壓比所決定的一個電壓。當基極上的電壓超過Q2的閥值電壓，經(jīng)過一段時間后，Q2開始導(dǎo)通，并且晶體管Q2旁路掉晶體管Q1的基極電壓電平，隨即Q1停止導(dǎo)通。當晶體管Q1變?yōu)椴粚?dǎo)通，在場效應(yīng)管M1的柵極上再次出現(xiàn)控制電壓，M1然后再次轉(zhuǎn)換成完全導(dǎo)通狀態(tài)，而且電流能再次流過負載L。當M1再次變?yōu)閷?dǎo)通，在第二和第三個分壓器上的電壓就消失了。二極管D2然后使得電容器C3快速放電，隨即該整個裝置再次進入工作模式。
如果故障(短路)保持下去，經(jīng)過一給定的時間該裝置再次進入阻斷狀態(tài)，該持續(xù)時間尤其取決于Q9和C2以及R3、R8和C3構(gòu)成的時間常數(shù)。然而該裝置關(guān)斷和流過電流是按照給定的重復(fù)頻率，該頻率取決于除去前述的由R10，R11和C3構(gòu)成的時間常數(shù)外所選擇的時間常數(shù)。
圖2所述的電路包括兩個通常的發(fā)光二極管D3和D4，它們分別和電流限制電阻器R1和R6相串連，當加上電源電壓和晶體管M1處于導(dǎo)通時，二極管D3能閃光指示處在接通狀態(tài)。如果電源電壓仍保持，但沒有電流流過負載L，并且有足夠的電壓隨即加在第二(和第三)分壓器，二極管D4將發(fā)光以指示該電路的觸發(fā)。當圖2實施例的裝置重復(fù)地關(guān)斷和使電路流過電流，二極管D3和D4將交替閃光以便指示這種狀態(tài)。當重復(fù)的頻率足夠高時，觀看者的眼睛感覺兩個二極管發(fā)出一種標志光以指示負載L中的連續(xù)的故障。
圖3示出了本發(fā)明的第三實施例，在該電路中表示了圖1所示的電路增添了二極管D3和D4以及一個光致開關(guān)OP1，在該實施例中OP1是由Telefunken公司制造的CNY 744型號的產(chǎn)品。在這種情形，發(fā)光二極管D3表示當電壓加到電路上時M1正在導(dǎo)通，而發(fā)光二極管D4表示該電路被觸發(fā)。光致開關(guān)OP1和D4串連，在D4接通電壓和發(fā)光的同時，光致開關(guān)OP1接通相同的電流并用作遙示該電路已經(jīng)斷開了。
圖4所示的電路是圖3所示電路的延伸，該電路圖用和OP1相對應(yīng)型號的兩個另外的光致開關(guān)OP2和OP3幫助進行遙控。在這種情形，光致開關(guān)OP3的光電晶體管的發(fā)射極通過電阻器R12連接到光致開關(guān)OP2的光電晶體管的集電極以及晶體管Q1的基極接點。除去前面敘及的開關(guān)SW1的直接控制，在兩個光致開關(guān)的幫助下可以遙控電流監(jiān)視電路。當光致開關(guān)OP3接入電源電壓，因而與它結(jié)合的發(fā)光二極管發(fā)光，該結(jié)合的光電晶體管打開，而且通過另一個電阻器R12將電流引入晶體管Q1的基極，該基極有電流流過，依次轉(zhuǎn)換場效應(yīng)晶體管到不導(dǎo)通的狀態(tài)，這與前面述及的一致。因此，這樣得到的功能和開關(guān)SW1轉(zhuǎn)換到它的關(guān)斷位置的功能是相同的。這樣通過遙控可以使負載L轉(zhuǎn)換到接通和關(guān)斷。
類似地，當光致開關(guān)OP2接入控制電壓，它的光電晶體管將以對應(yīng)的方式將晶體管Q1的基極短路到電源負端，這對應(yīng)著手動開關(guān)轉(zhuǎn)換致復(fù)位的功能。換言之，通控遙控可以復(fù)位該電路。
最后，圖5圖示一個實施例，其電路和圖3用集成電路替代光致開關(guān)OP2和OP3，過后的電路一致，這個實施例中，集成電路包含5伏的TTL或CMOS邏輯電路，其輸出最好是具有三種狀態(tài)電平。在實施例中通常在電路中使用型號為74 LS 123的集成電路。在這種情形，邏輯電路的輸出在復(fù)位狀態(tài)功能時接到負電源，在關(guān)斷狀態(tài)功能時接到正電源，而當電路處在接通狀態(tài)功能時，輸出一般接入它的懸浮狀態(tài)，隨即實際監(jiān)視通過負載L的電流。接照現(xiàn)有技術(shù)控制集成電路并能夠使該電路容易的應(yīng)用于數(shù)字技術(shù)應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種電子短路電流限制器，它在額定電流下具有最小的功率損耗，在電流通路中有一個MOS場效應(yīng)晶體管M1和一個熱敏電阻器R5，一個檢測電路檢測到短路電流后控制晶體管M1，其特征在于該電流限制器使用了電子和熱反饋的結(jié)合，這是由于場效應(yīng)晶體管M1發(fā)出的熱能影響熱敏電阻器溫度；該熱敏電阻器串連連接到場效應(yīng)晶體管M1的集電極，從場效應(yīng)晶體管集電極到發(fā)射極流過的電流被監(jiān)視；由于電阻器R4和穩(wěn)壓二極管Z1的作用使晶體管的柵極維持一個最高的電平電壓，場效應(yīng)晶體管M1處于完全導(dǎo)通的正常工作狀態(tài)；該裝置還包括一個反饋環(huán)路，該環(huán)路除去與負載L串連形成第一分壓器的熱敏電阻器R5外還包括由兩個電阻器R3和R8構(gòu)成的第二分壓器和一個第二晶體管Q1，第二晶體管Q1和穩(wěn)壓二極管Z1并聯(lián)連接，由于通過第一和第二分壓器(分別是L，R5和R3，R8所組成)加給Q1的基極的電位超過一個閥值，所說的晶體管Q2開始導(dǎo)通電流從而將穩(wěn)壓管短路掉；和該裝置有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，第一狀態(tài)，其中的第二晶體管Q1基本上不導(dǎo)通，而且場效應(yīng)管M1完全導(dǎo)通，穩(wěn)定的第二狀態(tài)，其中第二晶體管Q1導(dǎo)通，而場效應(yīng)晶體管M1不導(dǎo)通，在這里該裝置在場效應(yīng)管M1的線性工作區(qū)域不具有一種穩(wěn)定狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電流限制器其特征在于熱變電阻器R5具有非線性的特征，在那里隨著電流的增加在電阻器R5上的電壓降迅速增加，而且在第一分壓器R3和R8上的電壓也迅速增加，第二晶體管Q1開始導(dǎo)通電流，隨即引起場效應(yīng)晶體管M1轉(zhuǎn)換到非導(dǎo)通狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電流限制器其特征在于一個電容C1連接到第二晶體管Q1的基極，所以在晶體管Q1響應(yīng)在第二分壓器R3和R8上的電壓的增加開始導(dǎo)通前提供了一個確定的時間常數(shù)，在這里，場效應(yīng)晶體管的關(guān)斷要延遲一段時間，該延遲時間對應(yīng)第二晶體管Q1的基極上的時延電路的RC乘積。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3的電流限制器，其特征是第三分壓器R10和R11和第二分壓器R3和R8相關(guān)聯(lián)，一個第三晶體管Q2連接到第二晶體管Q1的基極，并以并聯(lián)的方式連接在第二分壓器的電阻器R8的兩端;第三分壓器的輸出和第三電容器一道連接到第三晶體管的基極，為的是在經(jīng)過由第三分壓器R10和R11與第三電容器C3的RC乘積所確定的一段時間后自動地復(fù)位電流限制器。
5.根據(jù)前面的任何一個權(quán)利要求的電流限制器，其特征在于電流限制器包含一個有三個開關(guān)位置的單刀開關(guān)，這里第二個晶體管Q1的基極通過第一開關(guān)位置能暫時連接到第二晶體管Q1的發(fā)射極上，以便電流限制器復(fù)位;或者通過第二開關(guān)位置該基極通過電阻器R2能連接到電壓源，所以維持第二晶體管Q1連續(xù)地處于導(dǎo)通狀態(tài)，而且電流限制器處在不導(dǎo)通的狀態(tài);開關(guān)還有在第一和第二開關(guān)位置間的中間位置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電流限流短路保護器，它通過利用電的和熱的反饋原理以實現(xiàn)保護器的精確和快速的關(guān)斷，該保護器容易復(fù)位。該電路原理上使用了一個在一個場效應(yīng)晶體管M
文檔編號H02H9/02GK1092213SQ9312132
公開日1994年9月14日 申請日期1993年11月15日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月16日
發(fā)明者F·艾克隆德, L·漢森 申請人:艾利森電話股份有限公司