专利名称：电流限制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于连接在交流主电源和负载之间的电流限制装置，所述装置用于在电流超过设置值时把负载电流减少到0或一个小的剩余电流值。
已知形式的电气控制单元包括简单的保险丝和机电电路断路器或电流限制器。在保险丝的情况下，一旦电路被切断，则保险丝必须被更换，在机电电路断路器或电流限制器的情况下，则必须将其复位。因此，这些装置必须是可接近的，因而这些装置被打开，从而被不合理地使用。在一些供电系统中，正常的电表被省去，根据电流限制器所允许的最大电流向用户收费。允许用户在所有的时间内汲取最大电流，显然，如果电流限制器允许用户接近以便复位，就有可能或者通过把限制器旁路，或者通过干扰电流限制器的操作进行舞弊。
本发明提供一种电流限制装置，包括线路输入和输出端子，用于在使用时在交流主电源的一个端子和负载的一个端子之间进行连接，可控的半导体器件，其形成在所述输入端和输出端之间的载流通路的一部分，在所述载流通路中的检测电阻，和响应在所述检测电阻两端产生的电压的电路装置，所述电路装置在流过负载的电流超过预定值的情况下使所述半导体器件截止，所述电路装置包括延迟装置，从而使得在一个有限的时间间隔内电流可以超过所述预定值，对于较高的过电流，所述有限的时间间隔较短，在负载短路或者在一个突然的或者非常高的电流的情况下，所述时间间隔实际上是0。因而，当半导体器件处于其导通状态时，电流流过负载。然而，当半导体器件截止即非导通时，流过负载的电流被减少到0或者至多等于剩余电流。
按照本发明的装置完全是电子型的并且没有运动部件。通过在一个时间间隔内允许电流超过一个预定值，按照本发明的装置不会切断在浪涌状态下的电流，例如由于电气设备中的冲击电流。此外，过电流越大，被切断的速度也越快。
在短路或者在过电流的情况下，按照本发明的装置能够快速地切断负载(一般在几微秒之内)，从而阻止破坏装置中的电子电路。当所述装置用作用户电源中的电流限制器时，这是重要的，因为用户可能试图使限制器失效而获得额外的电能。通过重复地使负载短路可以使机电限制器失效。在短路条件下装置的鲁棒性使得其能够被安装在具有非常低的阻抗的电路中。这又意味着所述装置可以被安装在用户用电入口的外部。
一般地说，在电流超过50倍预定值时装置的切断时间小于10微秒。当电流超过预定值两倍或三倍时，切断时间可以是一秒或几秒的数量级，而在电流大于预定值的10倍时，所述装置可以在几十毫秒的数量级的时间内切断电路。
在短路或过电流状态下按照本发明的装置的切断速度比保险丝或机电电路断路器大约快1000倍。因此，可以用于减少在故障情况下对电气设备或电子设备的破坏，从而改善安全性，尤其是用于可燃的或爆炸环境中时。
按照本发明的装置一般还包括二极管整流桥。
按照本发明的装置最好包括用于在所述半导体器件截止之后再使其导通的装置。可以包括定时器装置，其通过操作可以使在半导体器件截止之后经过预定时间使其导通。也可以包括禁止装置，用于禁止所述半导体器件的导通，直到负载被切断。
当所述装置用作用户电源中的限制器时，自动复位特征是有益的，因为这使得所述装置能够被安装在不能接近的位置，例如被连接在供电用的电线杆上，借以减少和通过旁路和篡改有关的舞弊问题。此外，自动复位特征使得不再需要可更换的元件，例如保险丝，并且使得装置能够被完全密封，借以避免由于操作环境或害虫的侵入而损害。
特别是，在这种应用中，最好在预定的时间延迟之后发生自动复位。这种延迟可以是几秒到几分的数量级，一般5秒到60秒。一般地说，延迟应当是足够的，以便使用户能够切断负载，把电流减少到小于使半导体器件截止的预定值，而不会使用户在一个过长的时间内断电。合适的延迟大约是30秒。在一个实际应用中，所述装置可以以这样的方式构成，其允许用户汲取足够的用于给规定数量的电灯供电的电流。此时如果用户接通其它的电灯，因而超过预定的电流值，所述半导体器件就截止，因而停止电流的供给。此时30秒的延迟足够使用户切断多余的电灯，使得在延迟结束时，当恢复电流的供应时，不再发生跳闸。如果用户不切断附加的电灯，则重复供电中断和再连接的处理，直到负载被充分减小，使得电流下降到预定限制以下。
所述装置最好被安装在电源主电缆和用户的用电入口之间的位置，即在属于由供电部门管理而不是由用户管理的位置。所述装置还最好被完全封装和密封，使得任何用户不能篡改。
所述装置另外最好还包括用于确保当负载被连接时，在交流电压过零的区域使半导体器件导通的装置。
通过使在复位时在电压过零时接通负载，按照本发明的装置可以减少冲击电流和负载中的相关的应力，使电磁干扰最小。
按照本发明的装置最好还包括在所述电源电压低于一个预定值的情况下能够通过操作使所述半导体器件截止的装置。
这种欠电压截止能够帮助保护电压敏感负载，例如电动机，免受由于在太低的电压下操作而受到损害，并保护半导体器件由于低的电源电压引起的驱动电压的减少而产生过大的导通电压降而造成的过热。
可控的半导体器件可以是晶体管，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。最好使用晶体管，因为它可以在主周期上的任何点截止，而例如双向可控硅或可控硅只能在电压过零时截止。在短路的情况下，晶体管的快速截止会使装置免遭破坏，在所述短路状态下将破坏双向可控硅或可控硅。使用IGBT是特别合适的，因为这种晶体管在短路条件下比其它的形式的晶体管更健壮。
使晶体管在正常操作期间保持连续地导通也是特别合适的。这能够消除射频干扰，而在利用双向可控硅或可控硅时，在每个周期截止之后经过一个延迟继续导通，则会产生射频干扰。
按照本发明的另一方面，提供一种用于限制对用户的房屋的电力供应的方法，所述方法包括在电源主电缆和用户的用电入口之间安装一个上述的装置。
下面参照
按照本发明的电流限制装置的例子，其中图1表示装置的主要元件；图2表示低压电源，以及
图3是所述装置的第二实施例的类似于图1的图。
参看附图，所述装置包括线路输入和输出端子10，11，用于分别连接交流电源的线路端子和负载的线路端子。所述装置还具有中性输入和输出端子12，13，用于连接交流电源的中性端子和负载的中性端子。
线路端子10，11用于连接包括二极管D1-D4的桥式整流器的相对的连接点，而其它的相对的连接点分别和第一线14以及第二线15相连。
呈绝缘栅双极晶体管形式的可控的半导体器件Q3具有和线15相连的集电极和通过电流检测电阻R2和线14相连的发射极。在使用时，只要晶体管Q3处于导通状态，在电源的正半周，电流就通过二极管D1、晶体管Q3、检测电阻R2和二极管D4流过负载，在负半周，则通过二极管D2、晶体管Q3、电阻R2和二极管D3流过负载。在电阻R2两端产生和负载电流成正比的电压，并且对于最大连续操作电流，所述电压是0.1V的数量级。
晶体管Q3的栅极的驱动电压借助于电阻R3、R4由18V的直流电源获得，所述电阻R3、R4串联连接，并具有借助于场效应晶体管Q1的载流通路和线14连接的接点。18V的电源相对于线14是正的，其来源将在下面说明。在使用时，只要晶体管Q1截止，驱动电压就被加于晶体管Q3的栅极，电流就流过负载。在正常使用时，在电阻R2两端产生的电压对于提供给晶体管Q3的有效驱动电压没有什么影响，但是在负载中短路的情况下，即使在使晶体管Q1导通之前，将借助于将要说明的其它电路的作用使晶体管Q3截止，加于晶体管Q3上的有效驱动电压将由于电阻R2上的电压的增加而减少。这具有减少晶体管Q3的电流，借以限制其中的功率消耗的效果。
Q1的导通由包括集成电路IC2，一种555型的定时器IC的定时器控制，其操作由分别包括IC1A，IC1B，IC1C和IC1D的4个其它的电路确定。包括IC1A的另一个电路提供最大电流控制，包括IC1B的另一个电路提供对突然严重过载和短路的快速响应的控制，包括IC1C的另一个电路用于确保只在交流电源过零附近发生过载跳闸(当负载连接时)之后使所述装置进行自动恢复，并且包括IC1D的另一个电路用于确保在电源电压低于一个预定值的情况下断开所述负载。
电阻R21和电容C5形成定时器的一部分，所述电阻和电容被串联连接在5V的直流电源的正端和线14之间。电阻和电容的节点被连接到一个门限和集成电路IC2的放电端。IC2的控制电压后端借助于串联连接的电阻R19、R20和5V电源相连，并且触发端通过电阻R14和5V电源相连。
集成电路IC2的触发端和集成电路IC1A，IC1B以及IC1D的输出相连，下面说明这些电路的外围电路。
首先考虑集成电路IC1A，该电路被连接成一个比较器，其具有和一对电阻R9、R10的节点相连的同相输入端，所述电阻分别和5V的电源端和线14相连。反相输入端首先通过串联连接的电阻R6、R7和晶体管Q3与电阻R2的节点相连，其次通过电容C3和线14相连。电阻R9、R10确定施加到比较器上的参考电压，因此确定电阻R2两端的电压降和使比较器改变状态的负载中的预定的电流值。当比较器改变状态时，晶体管Q1导通，晶体管Q3截止，从而切断负载。但是，因为在正常使用时，例如由于电机启动具有浪涌电流以及流入电源和灯中的冲击电流，这些电流可能超过预定值，在这种情况下，需要阻止切断负载，因而，电阻R6、R7和电容C3一道提供时间延迟功能。对于较高的电流浪涌，例如当施加太长的时间时将会破坏晶体管Q3的浪涌电流，则通过PNP晶体管Q2的作用使延迟时间常数被减少，晶体管Q2使电阻R8接入，从而增加电容器C3的充电速率。
提供上述的时间延迟意味着在负载电流突然高速增长恒值在负载中短路的情况下可能破坏晶体管Q3。在这种情况下，具有集成电路IC1B的电路将阻止在这种情况下的破坏，这种电路由于能够减少晶体管Q3上的电压而具有电流限制效果。IC1B作为比较器，其具有和一对电阻R11、R12的节点相连的同相输入端，所述电阻分别和5V电源以及线14相连。反相输入端借助于电阻R13和晶体管Q3以及电阻R2的节点相连，一个和电容器C3相比具有非常低的值的电容器C4被连接在反相输入端和线14之间，作为高频滤波器，并且不会对比较器响应电阻R2两端电压的变化提供大的延迟。施加于比较器IC1B的参考电压远大于施加于比较器IC1A的参考电压，因此，该比较器只在非常高的电流的情况下改变使晶体管Q3开始截止时的状态。
包括集成电路IC1D的其它电路如图2所示，其和低压电源有关。集成电路IC1D也被连接成比较器，其输入端分别和串联连接的电阻R25-R27以及R31的节点相连。电阻R27、R31被连接在5V电源线16和线14之间，电阻R25、R26被连接在18V的电源线17和线14之间。这些电阻的值是这样的，其使得在正常使用时，在比较器的反相输入端的电压是2.5V，在同相输入端的电压是3V。
线17借助于电阻24和二极管D8的阴极相连，二极管的阳极和中性端子12、13相连。电源电路的其余元件包括被连接在线17和14之间的存储电容C7，也被连接在线17和14以及电阻R23之间的齐纳二极管D9，以及被串联在线17和14之间的5V的精确的参考电压D11。电源线16和电阻R23以及二极管D11的阴极相连。
在使用时，电容器C7在电源电压的负半周被充电到齐纳二极管D9的击穿电压(18V)，电流通过二极管D8、电阻24以及二极管D3流动。精确电压D11通过电阻R23确定线16上的电压。在交流电源的电压减少的情况下，线17上的电压在线16上的电压下降之前将开始下降，并且当其降低到使得同相输入端的电压小于反相输入端的电压时，比较器IC1D则改变状态，从而禁止晶体管Q3的操作。用这种方式，当电源电压低时，则保护构成负载的并且可以在低电压线被破坏的电动机等，并保护晶体管Q3不会由于在太低的电压下操作而过热。
包括集成电路IC1C的其它的电路包括被串联连接在线14和5V电源线16之间的一对电阻R16、R17，所述两个电阻R16、R17之间的节点和集成电路IC1C的反相输入端相连。同相输入端借助于电阻R18和NPN晶体管Q4的基极相连，并借助于电阻R15和线路输入端10相连。晶体管的发射极和IC1C的输出相连，集电极和电阻R19、R20的节点相连。此外，串联连接的二极管D5和D6被连接在线14和5V的电源线之间，并相对于5V电源处于非导通状态。二极管D5，D6的节点和集成电路IC1C的同相输入端相连。二极管D5、D6的用途是把同相输入端的电压控制在集成电路IC1C的安全操作限制之内，其比交流电源电压具有相当小的范围。
在正常操作时，晶体管Q1因为IC2的输出为低而截止，因此晶体管Q3处于导通状态，使得电流可以流过负载。如果由于上述原因使任何一个比较器IC1A，IC1B或IC1D改变状态，则在集成电路IC2的触发输入端的电压被降低，并且集成电路IC2的输出变高，借以导通晶体管Q1。与此同时，电容C5放电，然后通过电阻R21再次充电，当C5两端的电压达到预定的控制电压时，IC2被复位，使得晶体管Q1截止，晶体管Q3导通。
如果需要只有负载被切断才发生自动复位，则使用图3所示的所述装置的一种改型。和图1的电路的区别在于，其中提供晶体管Q5和电阻30。在晶体管Q3截止时，通过电阻R29、R30有一非常小的电流流过负载。这个电流在电阻R30两端产生电压降，其使晶体管Q5导通，借以阻止电容C5再充电。因而，一旦检测到过电流或大的浪涌电流或者低的电源电压时，便使晶体管Q3截止，并被保持截止，直到负载被切断。当负载被切断时，则使晶体管Q5截止，电容器C5被再充电。
尽管已经被“切断”，但是仍然有可以忽略的剩余电流继续流过负载，这不仅是由于通过电阻R29、R30能够继续流过电流，而且因为通过电路元件例如CI和Q3也流过小的漏电流。
电路应当这样修改，使得在由于短路、过电流或欠电压跳闸使晶体管Q3截止的情况下，阻止晶体管Q3的导通，直到通过手动操作进行转换为止。手动复位的特征可以应用于所有的跳闸，或者只应用于一些跳闸，并且可以对于所有的跳闸使用一个开关，或者对于每一种跳闸使用一个开关。
为了减少当使晶体管Q3导通时的大的电流浪涌和电磁干扰，可以这样设置，使得这只能发生在负载被连接时电源电压的过零点附近。这个功能由集成电路IC1C和相关的元件提供。当电源电压低于由电阻R16、R17的相对值确定的门限值时，集成电路IC1C的输出是低的。此外，只有当电源电压高于大约0.7V时，晶体管Q7才处于导通状态。因此，在这两个电源电压之间，施加于IC2上的控制电压被减少，因而确保只有在接近电源过零点时使晶体管Q1截止，从而允许电流通过晶体管Q3流过负载。因此，可以使装置发生复位时的浪涌电流和电磁干扰最小。
只有在装置的输出端连接有负载的情况下才发生过零接通。为了保证晶体管总是在过零时导通而不管是否连接有负载，应当借助于高值电阻使得在LOUT和N之间通过一个小电流。
本发明的自动复位特征和不含运动部件这个事实意味着电路元件可以被封装在壳体内，并且在使用时被安装在在物理上不能接近的位置。控制单元非常快速地响应大的过电流和短路，借以使得可能发生的负载或线路的破坏最小。
通过使用精密元件可以达到好的精度，和保险丝以及热断路器的情况不同，控制单元的操作不依赖于发热，因此在一个宽的温度范围内可以实现好的精度。通过改变电阻和电容值，所述控制单元可以容易地适用于不同的设备。
权利要求
1.一种电流限制装置，包括线路输入和输出端子，用于在使用时在交流主电源的一个端子和负载的一个端子之间进行连接，可控的半导体器件，其形成在所述输入端和输出端之间的载流通路的一部分，在所述载流通路中的检测电阻，和响应在所述检测电阻两端产生的电压的电路装置，所述电路装置在流过负载的电流超过预定值的情况下使所述半导体器件截止，所述电路装置包括延迟装置，从而使得在一个有限的时间间隔内电流可以超过所述预定值，对于较高的过电流，所述有限的时间间隔较短，在负载短路或者在一个突然的或者非常高的电流的情况下，所述时间间隔实际上是0。
2.如权利要求1所述的控制单元，还包括在所述半导体器件截止之后自动地使其导通的装置。
3.如权利要求2所述的控制单元，其中所述用于使半导体器件导通的装置包括定时器装置，其在所述半导体器件截止之后经过一个预定时间通过操作使所述半导体器件导通。
4.如权利要求2或3所述的控制单元，还包括直到负载被切断之前通过操作禁止所述半导体器件导通的装置。
5.如权利要求2到4中的任何一个当从属于权利要求2时所述的控制单元，还包括当负载被连接时，用于确保所述半导体器件在交流电源的过零区域内导通的装置。
6.如前面任何一个权利要求所述的控制单元，其中所述检测电阻在负载短路的情况下用于减少在所述半导体器件中流过的电流。
7.如前面任何一个权利要求所述的控制单元，还包括在所述电源电压下降到预定值以下时通过操作使所述半导体器件截止的装置。
8.如前面任何一个权利要求所述的控制单元，其中所述半导体器件是绝缘栅双极晶体管或其它类型的晶体管。
9.如前面任何一个权利要求所述的控制单元，还包括二极管整流器桥。
10.一种用于限制对用户的房屋的电力供应的方法，所述方法包括在电源主电缆和用户的用电入口之间安装一个如前面任何一个权利要求所述的装置。
全文摘要
一种被连接在交流主电源和负载之间的电流限制装置。所述装置具有在电源和负载之间的载流通路中的可控半导体器件Q3。在所述通路中还有检测电阻R2。单元还具有响应检测电阻R2两端产生的电压的电路装置。所述电路装置在流过负载的电流超过一个预定值的情况下使所述半导体器件截止。在一个时间间隔内电流可以超过所述预定值,对于较高的过电流,所述有限的时间间隔较短,在负载短路或者在一个突然的或者非常高的电流的情况下,所述时间间隔实际上是O。所述半导体器件在截止之后可以再返回导通,但是只有经过预定时间间隔之后并且在负载尚未被切断之前从能返回导通。
文档编号H02H3/093GK1334984SQ99815880
公开日2002年2月6日 申请日期1999年11月26日 优先权日1998年11月26日
发明者奈杰尔·保罗·安德鲁·史密斯 申请人:奈杰尔·保罗·安德鲁·史密斯