改进的三模式过电压保护与断开电路设备和方法

专利名称：改进的三模式过电压保护与断开电路设备和方法
技术领域：
本发明涉及过电压保护电路。更明确地说，本发明涉及具有金属氧化物变阻器 (MOV)装置作为过电压感测组件的过电压保护电路。还更明确地说，本发明涉及供在AC电 功率分配中使用的具有金属氧化物变阻器(MOV)装置作为过电压感测组件的过电压保护 电路。
背景技术：
当前技术状态的电子组件(例如，商业和住宅计算机两者以及相关设备)容纳瞬 时电压浪涌抑制特征以用于保护其高灵敏度电路免受过电压损坏。当今，大多数瞬时电压 浪涌抑制系统仅解决与正常使用相关联的次要故障条件，且无法处置将在失去中性、失去 接地或反复电流脉冲(例如，来自雷击)期间发生的主要过电压条件。然而，火线、零线和地 线电线均为易受破坏性高电压损坏的路径。典型的电压浪涌保护装置包含多个故障熔丝， 其中输入因过电压所造成的过电流条件而与输出断开。相关技术的浪涌抑制系统还可涉及 各种金属氧化物变阻器(MOV)和熔丝组合。MOV通常为由合成陶瓷材料(例如，ZnO颗粒协 同非晶态材料)形成的非线性装置。MOV在宽广的电流范围内维持窄带内的电压(S卩，变阻 器电压)。在主要过电压条件期间，MOV可能吸收过多热量而使得其将破裂或爆炸，进而致 使相关电子设备受到破坏。一些相关技术浪涌抑制设备专利包括(1)颁于玛什(Marsh)的第6，683，770号美国专利，其教示与多个热熔丝串联的多 个 MOV ；(2)颁于杰弗里斯(Jeffries)等人的第6，055，147号美国专利，其教示多个MOV 与多个热熔丝串联；(3)颁于卡普(Kapp)等人的第5，412，526号美国专利，其教示多个MOV与多个热 熔丝串联且所述多个MOV与多个电阻器并联；(4)颁于马特森(Martenson)等人的第6，040, 971号美国专利，其教示多个MOV彼 此并联，MOV与热熔丝并联，且热熔丝与具有过电压跳脱装置的电路保护装置串联；(5)颁于斯塔尔(Stahl)的第5，388，021号美国专利，其教示多个MOV与多个电阻 器和多个电感器并联且多个MOV彼此并联；(6)颁于张(Chang)的第5，675，468号美国专利，其教示两个输入端子、分别串联 的两个熔丝、三端双向可控硅开关、串联在一个熔丝与输出端子之间的M0V、位于三端双向 可控硅开关与接地之间的静态电位限制器；
(7)颁于李(Lee)的第4，901，183号美国专利，其教示两个MOV彼此并联，两个热 熔丝彼此并联，电容器与MOV并联，两个电容器彼此并联，且两个电感器彼此并联；(8)颁于杜尔尼(Dullni)等人的第6，038，117号美国专利，其教示多对MOV并联， 多个此类对彼此串联且与继电器串联；(9)颁于石井菊次郎(Ishii)的第5，534，769号美国专利，其教示电阻器-电容器 组合；以及(10)颁于Jr 卡彭特(Carpenter)的第5，808，850号美国专利，其教示三相装置 具有并联MOV四联体，每一四联体与热熔丝和电感器串联，且用于指示灯的灯泡仅用于到 接地的线路。如果电工意外地颠倒火线电线与零线电线，那么发生未必总是由相关现有技术装 置所解决的典型问题，从而在壁式插座处造成极为危险的情形。在此情况下，装置可能无法 完全成功断开通往外围装置的电路。另外，相关技术专利维持过高组件数目以实现其抑制 浪涌的目的。因此，需要一种电路设备和一种方法，其通过提供确保快速同时断开火线与零 线两者的有效电路配置(即，最小数目的组件以实现装置尺寸减小)来防止(1)因火线电 线与零线电线的意外颠倒而引起的危险条件不利地影响连接到其的至少一个外围装置以 及(2)对过电压保护电路中的MOV的过度加热和破坏。

发明内容
本发明的目标是提供一种设备和一种方法，其通过提供确保快速同时断开火线与 零线功率线两者的有效电路配置(即，最小数目的组件以实现装置尺寸减小)来防止(1) 因火线电线与零线电线的意外颠倒而引起的在壁式插座处发生的危险条件不利地影响线 路中的至少一个外围装置以及⑵对过电压保护电路中的MOV的过度加热和破坏。本发明 通过当在三个电线配对(火线到零线、火线到地线和零线到地线)中的任一者中发生过电 压情况时断开电路以同时断开线路和零线功率线两者对负载进行馈送来实现此目标。本发 明通过首先针对每一对电线(即，火线到零线、火线到地线以及零线到地线)提供呈金属氧 化物变阻器(MOV)形式的保护装置来保护这些路径。另外，装置(MOV)吸收所有额外且潜 在破坏性功率浪涌和过电压。在从火线到零线具有足够高的电压从而致使过度加热保护装 置的情况下，火线和零线电线将通过使用放置在每一 MOV旁边的热熔丝而与用户所连接的 设备断开。此非可复位断开是对所连接设备的最终保护，其防止原本导致烟和/或火的过 度加热。本发明的另一目标是提供一种设备和一种方法，其通过当在三个电线配对(火线 到零线(L-N)、火线到地线(L-G)和零线到地线(N-G))中的任一者中发生过电压情况时断 开电路以同时断开火线和零线两者对负载进行馈送来防止(1)因火线电线与零线电线的 意外颠倒而引起的在壁式插座处发生的危险条件不利地影响线路中的至少一个外围装置 以及(2)对过电压保护电路中的MOV的过度加热和破坏。 因此，本发明提供一种用于所有AC功率线及其组合的单相过电压保护电路设备。 明确地说，本发明提供一种设备和一种方法，其通过提供确保快速同时断开火线与零线两 者的有效电路配置来防止(1)因火线电线与零线电线的意外颠倒而引起的在壁式插座处 发生的危险条件不利地影响所述线路中的至少一个外围装置以及(2)对过电压保护电路中的MOV的过度加热和破坏。本发明通过当在三个以下电线配对(火线到零线(L-N)、火线 到地线(L-G)或零线到地线(N-G))中的任一者中发生过电压情况时断开电路以断开火线 和零线中的任一者或两者对负载进行馈送来实现此目标。借助于实例，在单相AC功率系统中，火线(L)、零线(N)和地线(G)均为易受破坏 性高电压损坏的路径。本发明通过针对每一对电线(即，火线到零线、火线到地线以及零线 到地线)并联地提供呈金属氧化物变阻器(MOV)形式的保护装置来保护这些路径。设备额 外包含内嵌熔丝，其将火线以及零线两者与负载断开。MOV装置由过电压条件激活且吸收额 外且潜在破坏性功率浪涌和过电压；当超过MOV的容量时，MOV将产生过多表面热量以转移 到热熔丝且产生过多电流以流到热熔丝，所述热量和电流接着断开熔丝以保护负载。更具体地说，负责断开火线和零线中的任一者的热熔丝热链接到中间电阻器，所 述中间电阻器又电链接到浪涌保护电路。一种将电阻器链接到浪涌保护电路的手段是借助 于另一热熔丝(定位于接近MOV处)和开关，如附图中所说明。因此，在从火线到零线或火线到地线具有足够高的电压(S卩，Vm > 120V到130V) 从而致使过多加热MOV保护装置的情况下，火线和零线将与用户所连接的设备断开。通过 使用内嵌特殊热熔丝的开路条件(非可复位断开条件)来促进此断开。必须替换烧断的热 熔丝来恢复所述电路。通过线路的电流可由L表示。通过MOV的电流Imw在正常操作中必须保持小于 MOV的额定电流IMQV_Mted。在其中通过MOV的电流超过其额定电流(即，Imqv > IM0V-rated)进 而发射高表面温度且影响超过其额定电流的通过热熔丝的电流(l· > ITF，Itf > ITF-Mt J的 过电压情况期间，此热熔丝将断开，进而防止电压施加到负载(见图1)。在所有前述保护模式(S卩，L-N、L-G、N-G)中，可提供警报特征，其指示保护装置 (例如，M0V)已吸收过多能量，进而断开热熔丝，这有效地断开通往任何保护装置和通往负 载的路径。警报特征即使在不再将功率施加到设备的情况下可也继续向用户报警。此警报 特征向用户报警原本潜在破坏性情况。在如此向用户报警后，应即刻将设备从壁式插座拔 出并替换热熔丝。此警报特征在本质上可为音频和/或视觉的。在标题为“具体实施方式
”的部分中解释或容易明白本发明的其它特征。


为了更全面地理解本发明，下文参看附图。图1为根据现有技术的三模式过电压保护与断开电路设备的示意图。图2为根据本发明的三模式过电压保护与断开电路设备的示意图。
具体实施例方式设备的优选实施例附图示意性说明根据本发明的单相三模式过电压电路保护设备的优选实施例。借 助于实例，所述设备包含包含功率输入部分的电子电路，所述功率输入部分具有三个功率 输入连接器，所述功率输入连接器电耦合到设置在过电压保护设备内部的火线、零线和地 线。借助于实例，功率输入部分从包含从火线到零线测量的120V AC线路电压的单相电源 接收AC功率，且包括安全地线(未图示)。在使用本发明期间的正常操作下，电路线路经由功率输出部分将AC电源电耦合到至少一个外围装置(未图示)。借助于实例，功率输出部 分可包含三个或三个以上功率输出连接器(未图示)，其经由火线、零线和地线到外围装置 (未图示)的延续而分配AC功率。功率输出连接器与至少一个外围装置电耦合。在优选实施例中，四个保护装置(例如金属氧化物变阻器(MOV))吸收任何功率浪 涌和过电压。所述四个MOV中的每一者安置在三个线路配对之间，即两个MOV安置在火线 到零线(L-N)之间，一个MOV安置在火线到地线(L-G)之间，且一个MOV安置在零线到地线 (N-G)之间。所述设备进一步包含与所述MOV串联的热熔丝。在正常操作条件下，MOV装置为高阻抗组件，其促进将线路电压分配给任何所连接 的外围设备。MOV能够无误地吸收一些瞬时过电压，进而保护所连接的外围装置。在过多过电压情况期间，特定受影响的MOV通过降低其阻抗来做出响应，使得通 过所述装置的电流大于其额定电流。这有效地使得通过热熔丝的电流需量大于其额定电 流。此过电压条件致使受影响的热熔丝断开(烧断)。熔丝断开防止过多加热受影响的相 应M0V。出于安全起见，地线不与输出连接器处的接地输出G断开。所述设备可进一步包含警报特征(即，过电压指示器)以用于指示所述MOV中的 至少一者已对过电压条件做出响应，所述过电压条件已实现至少一个相应热熔丝的断开。 警报特征包含选自基本上由指示灯和LED指示器组成的警报特征群组的至少一个警报特 征，其警报由于过电压(O-V)条件而已将AC功率与外围设备断开。如所描绘且仅借助于实 例，从输入AC电源来对警报特征供能。指示器装置通常将接通以指示装置正在正常操作。 当过电压致使断开火线或零线时，指示灯将熄灭，从而指示装置已将功率与负载断开。可在 警报特征报警之后将设备与电源分离，且可接着对设备进行替换。设备可任选地包括接通/ 断开开关(未图示)以用于功率分配且/或出于安全考虑。另外，设备可在输入或输出侧 处包括电子滤波器以移除例如静电或噪声等干扰，如此项技术中已知。三模式过电压保护与断开电路设备可包含第一过电压保护电路，其安置在火线 与地线之间；第二和第三过电压保护电路，其安置在火线与零线之间；以及第四过电压保 护电路，其安置在零线与地线之间。方法的优选实施例根据本发明，本发明的优选方法包含通过提供三模式过电压电路保护设备来保护 多个外围装置。借助于实例，所述方法包含以下步骤提供电子电路；在正常操作条件下 分配功率；响应于在单相电功率系统中的三个电线路(即，火线到零线、火线到地线以及零 线到地线)中的任一者上发生过电压条件而断开去往外围设备的功率分配；指示由于过电 压条件而失去功率；以及通过根据需要而替换/复位设备的熔丝来恢复去往外围设备的功 率。设备可包括提供接通/断开开关以用于功率分配且/或出于安全考虑，且可进一步包 括在装置的输入或输出处提供电子干扰滤波器。本发明的保护至少一个外围装置免受过电压条件的方法的实例包含提供三模式 过电压保护与断开电路设备，所述设备包含安置在火线与零线之间的第一和第二过电压保 护电路、安置在火线与地线之间的第三过电压保护电路以及安置在零线与地线之间的第四 过电压保护电路，所述设备向所述至少一个外围装置提供AC功率，借此在过电压条件的情 况下火线和零线不被分配为输出电压，其中所述第一、第二、第三和第四过电压保护电路中 的至少一者通过允许充足电流经过以断开热熔丝来做出响应，进而造成断开状态以用于防止在电源处产生危险条件(所述危险条件是由于意外颠倒火线电线与零线而产生的)，且 用于通过提供火线与零线两者的断开而防止过度加热和破坏保护电路；对过电压条件做出 响应，所述响应步骤由所提供的过电压保护电路中的至少一者来激活。在图1中，展示与本发明相关的现有技术。在过电压的情况下，热熔丝TFl断开施 加到TPl的功率。电阻器Rl过度加热以断开电路且激活切换电路晶体管Q1。热熔丝TF2 感测浪涌电路的热过载。浪涌电路吸收由于在TP5处施加过电压产生的能量。然而，在TP5 处施加的功率倒转的情况下，不会中断施加到中性引脚TP6的功率。现在参看图2，根据本发明，热熔丝TFl和TF3断开以中断在TP5处施加的经倒转 功率。当切换电路晶体管Ql激活时，可熔电阻器Rl过度加热。热熔丝TF2感测浪涌电路 的热过载。浪涌电路吸收由于在TP5处施加过电压而产生的能量。因此，当连接到本发明 的电子功率分配电路时，快速同时中断火线与零线两者保护了装置以免受过多过电压与经 倒转电压两者。继续参看图2，热结合150确保热熔丝TFl和TF3响应于电阻器Rl的加热而尽可 能快速地断开。实践本发明不需要热结合150，且仅打算热结合150用以通过增加热熔丝 TFl和TF3加热的速度来增强组件TF1、TF3和Rl的性能。此经改进的性能可通过组件布 置来实现，借此TF1、TF3和Rl经安置为彼此紧密靠近。或者，覆盖这些组件的热环氧树脂 或耦合到这些组件的机械热夹具可用于此目的。如本文展示且详细描述的信息完全能够达到本发明的上述目标(即，本发明的当 前优选实施例)，且因此表示本发明广泛预期的标的物。本发明的范围完全涵盖可变得对 所属领域的技术人员显而易见的其它实施例，且因此不应受除所附权利要求书以外的任何 内容所限制，其中以单数形式参考元件不希望意指一个且仅一个，除非明确地如此陈述，而 是意指一个或一个以上。上述优选实施例和所属领域的技术人员已知的额外实施例的元件 的所有结构和功能等效物特此明确地以引用的方式并入，且既定由所呈现的权利要求书涵 盖。此外，不需要用以解决设法由本发明解决的每个问题的装置或方法，这将由所呈现的权 利要求书涵盖。此外，本发明中的任何元件、组件或方法步骤均不希望贡献给公众，不管所 述元件、组件或方法步骤是否明确地在权利要求书中叙述。然而，所属领域的技术人员应容 易明白可在不脱离如所附权利要求书中所陈述的本发明的精神和范围的情况下在形式、半 导体材料和制作材料细节中做出各种改变和修改。本文中任何权利要求均不应根据35U. S. C. 112第六段的规定来解释，除非明确地使用短语“用于……的构件”来叙述元件。权利要求
1. 一种三模式过电压电路保护与断开设备，改进包含位于零线与火线两者中的至少一个热熔丝，每一所述熔丝热耦合到单个组件，所述单 个组件在所述设备中的过电压情况的情况下产生足以断开所述熔丝的热量。
全文摘要
本发明提供一种用于保护所有AC功率电线/线路及其组合的单相设备和方法。本发明通过提供确保快速同时断开火线与零线功率线两者的有效电路配置来防止(1)因火线电线与零线电线的意外颠倒而引起的在壁式插座处发生的危险条件不利地影响线路中的至少一个外围装置以及(2)对过电压保护电路中的组件的过度加热和破坏。
文档编号H02H3/20GK102044860SQ20101050314
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月9日 优先权日2009年10月9日
发明者德米安·马丁 申请人:蒙斯特电缆产品公司