自测试故障电路中断器装置和方法

专利名称：自测试故障电路中断器装置和方法
自测试故障电路中断器装置和方法相关申请的交叉引用本申请是非临时申请，其要求2008年1月29日递交的序列号No. 61/024，199的 美国专利申请的优先权，该美国专利申请的公开内容通过引用被全部包含于此。
背景技术：
为了在美国商业销售，GFCI应该最好能够通过根据安全检测实验室UL943标准 (Underwriter' s Laboratory UL943 standard)执行的测试。UL943 要求特定的故障电流 水平和GFCI应该跳闸的响应定时要求。例如，UL943规定当GFCI加电并正常工作时，当大 约250ma的故障被施加于该GFCI时，其应该在大约25毫秒内跳闸。不仅需要在任何模拟 测试之间的时间间隔内，而且在进行模拟测试的时间段期间，即，在任何模拟测试过程期间 遭遇外部故障的情况下(包括恰在开始模拟测试之前)，都需要满足UL943跳闸时间要求。GFCI的跳闸响应时间，因而引伸至模拟测试过程的持续时间，可以至少部分地依 赖于所采用的接地故障检测IC的类型。有两种类型的商业上可获得的常用接地故障检测 IC0第一种类型可从例如国家半导体(例如LM 1851)或者仙童半导体(例如FAN1851)以 及其他另选的经销商获得。另一种类型可从例如仙童半导体(例如RV4141A)获得，并且也 可从其他另选的经销商获得。第一种类型的常用接地故障检测IC(即LM 1851、FAN1851等)是一种集成型电 路，并且利用了在UL943中规定的定时曲线，并且结果针对规定的故障规模根据UL943定时 要求跳闸。对于较小规模的故障，这种类型的接地故障检测IC使用定时曲线一般导致较长 的响应时间，而对于较大规模的故障一般导致较快的响应时间。在存在模拟故障的情况下， 这些类型的接地故障检测IC也表现出这种可变的响应时间。另一种类型的常用接地故障检测IC (例如RV4141等)是比较器电路，它们不利用 UL943定时曲线，而是在存在超过规定阈值的电流水平的情况下具有一般较小的跳闸响应 时间。这些类型的接地故障检测IC的典型跳闸响应时间是2毫秒。目前人们认为需要故障电路中断器的自动自测试。

发明内容
本发明涉及一种自测试故障电路中断器设备(self testing faultcircuit interrupter device)，包含故障电路，包含至少一个线路监视电路、至少一个线路中断电 路，和至少一个故障检测器电路，所述故障检测器电路被配置成当检测到故障时选择性地 操作所述至少一个线路中断电路。这个故障电路也包括至少一个被配置成在所述故障电路 上启动自测试的测试电路。在至少一个实施例中，存在至少一个定时电路，用于控制在所述至少一个自测试 电路上执行的自测试的时间段。该定时电路可以采用包含控制电容器的放电速率的晶体管 的额外电路的形式。此外，在一个实施例中，测试电路可以包括微控制器，所述微控制器可以被编程，以便跨过相反极性的至少两个不同的半周期执行自测试。基于由所述微控制器结合过零电 路执行的定时，确定该自测试的定时。


结合附图考虑，本发明的其他目的和特征将从下列详细描述变得清晰。但是要理 解，附图仅被设计为图示，而不作为本发明限制的定义。在附图中，类似的附图标记贯穿几个视图代表类似的元件。图1是本发明的第一实施例的原理图；图2是本发明的第二实施例的原理图；图3是图1和图2的替换实施例的原理图；图4A是基于作为时间的函数的电压电平的不同模拟故障信号持续时间的图；图4B是自测试随时间进行期间发生的一系列事件的图；图5是流程图，示出了用于安装自测试设备和进行手动测试的过程的一个实施 例；和图6是流程图，示出了用于进行自动自测试的过程的一个实施例。
具体实施例方式本发明公开了利用适当改装、排列和配置的电子电路结合接地故障检测IC和微 控制器来实现自动自测试GFCI设备的新颖系统和方法。只使用微处理器来检测和使GFCI 跳闸带来了某些设计挑战。一个这样的挑战涉及给微处理器提供充足的功率，即，供应给微 控制器的功率必须足以允许该微控制器完全加电、感测故障状况并在规定的时间段内使该 GFCI跳闸。恰当设计的组合设备，即，既具有专用接地故障检测集成电路(IC)也具有微控 制器的GFCI设备可以克服这个挑战。在组合设备中，由于接地故障检测IC基本上一加电 就工作，并且独立于微控制器工作，所以接地故障检测IC能够检测故障并在要求的时间段 内使GFCI跳闸。因此，在可以采用接地故障检测IC来检测故障并使GFCI设备在规定的施 加功率的时间段内跳闸的同时，可以采用微控制器进行GFCI组成电路(例如包括接地故障 检测IC、电路中断器电路等中的一个或更多个)的周期性自测试等等，从而保障GFCI设备 的正确工作。详细参考附图，特别是附图1-2，示出了故障电路中断器19的原理图。在这个例子 中，存在包括故障检测电路200的故障检测部件，故障检测电路200可以采用由国家半导体 (LM1851)和仙童(FAN1851)制造的集成电路或者任何其他本领域已知的适当芯片的形式。这个故障电路中断器设备19具有线路输入连接20，包含相输入22和中性输入 24。还有负载输出连接30，包括相负载连接32和中性负载连接34。还有表面输出连接 (face output connection) 40,包括表面相连接(face phase connection) 42 和表面中性 连接44，其在标准的单联或双联外壳(single or double gang enclosure)中可以被设计 成接纳插头的插脚。电气上被置于这些输入和输出连接之间的是触点50，触点50在开路时 把输入连接20从输出连接30和40在电气上隔离。标准的GFCI设计既使用故障检测器电路200形式的故障检测器，也使用包含两个 线圈、差分变压器110和接地/中性变压器112的故障传感器。
差分变压器110耦合到输入电路111，输入电路111包括齐纳二极管Zl、电容器 C6、C7和C8，以及电阻器R3。这些部件针对进入故障电路200的引脚2和3的输入提供故 障信号滤波和调整。接地/中性变压器112耦合到电路113，在本领域已知的标准设计中， 电路113包括电容器C3和C9。用于故障检测器电路200的功率电路122由二极管Dl以及电阻器R1、R5、R6和电 容器C4及桥式整流器120形成，桥式整流器120包括二极管D2、D3、D4和D5。这些部件是 用于故障检测器电路200的电源，其被输入故障检测器电路200的引脚8。该设备也包括电容器C2，电容器C2提供防护意外触发的噪声保护。此外，存在跨 过负载侧上的相线和中性线耦合的指示器LD1，其指示触点50是否被闭合。指示器LDl沿 包括二极管DlO和电阻器R20的指示器电路耦合。此外，系统中的保护部件包括电容器Cl，以及金属氧化物可变电阻MVl和MV2。这 些部件是对抗高压电力线尖峰的保护部件。在测试和非测试条件下，差分变压器110的输出都被施加在故障检测器电路200 的引脚2和3之间，并生成了通过连接到故障电路200的引脚7的定时电容器C5的充电电 流。从引脚7流动的充电电流的水平与输入到故障电路200的引脚2和3的故障的水平直 接相关。因此，进入引脚2和3的故障输入电流越高，来自引脚7的输出充电电流越高。来 自引脚7的输出电流越高，定时电容器C5的充电越快。在充电期间，定时电容器C5上的电压增长，并且当其达到其阈值时，故障电路200 上的引脚1变高，并导致SCR 135的触发。SCR135的触发给跳闸螺线管130提供电流，触发 触点50的开路并把外部故障从线路去除。实际上，包括螺线管130、SCR 135和触点50的 这些部件中的任何一个包含线路中断电路或断开设备。一旦触点50已经被解锁(unlatch) 或者开路，则电容器C5充电电流消失，并且其被电阻器R2设置的电流放电。在电容器C5 上的电压降到预定的电压电平以下后，故障检测器电路200上的引脚1返回到低电平。在 至少一个实施例中，为了缩短放电定时电容器C5所需的时间段，减少该放电时间的包括定 时电路150的额外电路被耦合到电容器C5。故障检测器电路200的引脚4和5耦合到接地/中性变压器112，而引脚6耦合到 放电电阻器R8，并且引脚8用于接收进入故障检测器电路200的功率输入。此外，在至少一个实施例中，存在微控制器201，其可以用来在故障电路中断器19 上实施自测试。这个微控制器201以及微控制器202 (见图3)可以是本领域已知的任何适 当类型的微控制器，例如由Microchip制造的适当的PIC微控制器，或者任何其他的来自其 他合适的制造商的微控制器。自测试的目的是实施故障电路中断器19的部件的自动周期 性检查，并且如果发生失败的自测试，则触发螺线管，断开功率，和/或指示故障状态。微控制器201由包括电阻器Rll和R17、电容器Cll和C12、以及齐纳二极管Z2的 电源电路供电，所述电源电路向引脚1和8供电。微控制器201的引脚2耦合到SCR 135 的栅以控制SCR 135是否触发。微控制器201被编程以控制引脚2的三个状态。第一个状 态是允许故障检测器电路200控制SCR 135的高阻抗状态。第二个状态是使进入SCR 135 的输入短路或者旁路(shunt) JiSCR 135禁止的低输出状态。这个状态可以在自测试期间 用来防止触点解锁。此外，微控制器201可以禁止SCR 135在过零区域附近激发(fire)以 便为激发螺线管130生成优选的功率条件。
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第三个状态是允许微控制器200触发SCR 135的输出高状态。该第三状态可以用 来在故障事件之后的某个时间段，例如在失败的自测试后的某个时间段使触点50跳闸。在一个实施例中，微控制器201的引脚3耦合到复位按钮170，使得在手动测试期 间，微控制器201启动与微控制器201通常生成的自动周期性测试序列类似的测试序列。在图1所示的第一个实施例中，微控制器201的引脚4是未使用的引脚，其可以用 来允许微控制器201的编程。微控制器201的引脚5耦合到包括电阻器Rl以及R16的过 零电路140。这个过零电路140允许微控制器201分析AC线以确定在线上AC信号何时越 过零点。因为微控制器201可以确定AC线信号的过零点，所以该微控制器201可以输出其 测试信号，以便按需要发送电流与特定的半周期相对应。对于图2中所示的第二实施例，微控制器的布线的不同之处在于微控制器201的 引脚4被连接到包括电阻器R15以及R16的过零电路140。此外，引脚5的输出耦合到晶体 管Ql的基极B，基极B控制晶体管Ql的触发，从而允许定时电容器C5的选择性放电。在图1和图2中所示的两个实施例中，微控制器201的引脚6耦合到故障电路200 的引脚1，所以微控制器201可以感测故障检测器电路上的引脚1何时变高，指示故障检测 器电路200已经检测到故障。在这种情况下，在外部或者内部故障期间，当故障检测器电路 200产生故障信号时，来自故障检测器电路200的输出不仅流动到SCR135，而且其也流动到 微控制器201的引脚6以向微控制器201指示发生了故障。到引脚6的输入是重要的，因 为如果在测试周期期间没有来自故障电路200的引脚1的输入电流或者信号进入微控制器 201，则这个结果将提供故障电路200已经失效或者至少自测试所监视的另一个部件已经 失效的初始指示。在这种情况下，微控制器201被编程以便在不同极性的至少两个不同的 半周期上进行自测试。在至少一个实施例中，这些不同的半周期可以是连续的半周期。所产 生的模拟故障信号由微控制器201结合测试电路160引入到第一半周期的至少一部分上， 然后引入到至少第二半周期的一部分上。这个自测试的持续时间足以将电容器C5充电到 随后导致生成故障信号。如果在跨过至少两个不同极性的AC线电压发生的自测试周期之后，没有信号被 接收到微控制器201的引脚6中，则这将指示故障中断器19的至少一个部件、例如故障电 路200的故障。因为存在两个极性期间的故障电路测试，所以自测试的错误故障指示的可 能性将比较低，因为模拟故障信号跨过两个极性出现，从而避免了任何异相模拟故障信号 被减少或者抵消的结果。但是，随着成功的自测试，定时电容器C5被完全充电，则故障电路200的引脚1变 高，把信号发送到微控制器201的引脚6中。一旦接收到这个信号，微控制器201就为定时 电容器C5的放电设置定时时段(timing period)，例如1到1. 5毫秒。在这个时间段以后， 微控制器201把引脚2重新编程到高阻抗状态，从而去除旁路条件，允许SCR 135激发。在 测试周期中存在外部故障期间，即使测试周期结束以后，电容器C5仍将被充电，从而导致 SCR 135激发。或者，在存在测试周期而不存在外部故障期间，去除旁路时的该1到1.5毫 秒的延迟对于电容器C5是足以放电的时间。因此，在没有外部故障的自测试时段期间，即 使这个旁路被去除以后，SCR 135也不会激发。微控制器201的引脚7连接到自测试电路160以发送出测试信号，在这个例子中所述测试信号流入晶体管Q2的基极B中。在这种情况下，测试电路可以不仅包括用来启动 测试信号并且也用来旁路流到SCR 135的电流的微控制器201，还包括形成额外的测试电 路的晶体管Q2和电阻器R12、R13和R14。这个测试电路也可以包括二极管D7和D8，二极 管D7和D8允许测试信号出现在相反的半周期上，使得二极管D7允许测试周期在第一极性 的第一半周期上出现，而二极管D8允许测试信号在相反极性的半周期上出现。由微控制器201通过引脚7发送信号以激活晶体管Q2，导致电流选择性地流过二 极管D7和/或D8来进行自测试。测试故障电流值由电阻器R12设置。因此，电阻器R12 的电阻越高，所产生的测试故障电流越低。当启动信号被施加到晶体管Q2的基极B时，这 触发晶体管Q2以使测试电流可以被施加，从而造成在差分变压器110中出现故障条件。如 图1和图2中所示，差分变压器110的输出被输入到故障电路200的引脚2和3中。因为 晶体管Q2的打开通过允许电流流过电阻器R12而生成该模拟故障，这生成了要被馈送到故 障电路200的引脚2和3的故障电流信号。在自测试周期期间，微控制器201把引脚2的条件状态改变到上面描述的第二条 件状态，并阻止SCR 135激发，从而如果触点被锁定则防止其解锁。此外，微控制器201的 引脚6通过电阻器RlO感测故障电路200的引脚1上的电压电平。当发生故障时，由故障 电路200产生故障信号，所以这个电路上的引脚1变高，并且微控制器201感测该信号以确
定存在故障。在自测试周期期间也利用定时电路150。定时电路150包括晶体管Ql以及电阻器 R8、R9、R18以允许定时电容器C5更快放电。定时电容器C5的这种更快的放电生成了较短 的测试周期。例如，图1中所示的第一实施例，当故障电路200的引脚1变高时，它把晶体管Ql 导通，并且为定时电容器C5增加了通过电阻器R8的放电路径。使用这个电路，通过快速地 放电电容器C5而使得自测试时间的长度最小化。电容器C5只在其被充电到其阈值电平时 放电，因此一旦C5被充电这就将发生，其中这个放电电流将通过电阻器R8、晶体管Ql流动 到地。电阻器R8设置电容器C5的放电速率，从而控制电荷从定时电容器释放的时间。对图2中所示的第二实施例，通过从微控制器201的引脚5将信号接收到晶体管 Ql的基极B中来激励基极B。对这个第二实施例，因为微控制器201控制晶体管Ql是否被 激励，所以晶体管Ql在外部故障条件期间不激励，而只在测试故障条件期间激励。在启动测试以后，微控制器201等待预定的时间段来从故障电路200接收故障信 号。如果微控制器201接收到故障信号，例如当故障电路200的引脚1上的信号变高时，则 微控制器201确定有过成功的自测试。如果微控制器201在由微控制器201设置的预定的 时间段内未从故障电路200接收到信号，则微控制器确定存在失败的自测试。此刻，在一个 实施例中微控制器则可以指示失败自测试事件，和/或触发SCR 135解锁触点。图3是本发明的另一个实施例，其公开了包括具有线路侧相触点22和线路侧中性 触点24的线路侧20的自测试故障电路中断器115。还存在差分变压器110和接地中性变 压器112。故障电路200可以是任何已知的故障电路，但在这个例子中是如上所述的LM1851 故障电路。故障电路200由从向桥式整流器120供电的设备的相线和中性线的线路侧流动 的功率供电。桥式整流器120包含二极管d2、d3、d4和d5，其为设备中的部件例如故障电 路200和微控制器202提供电源。
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触点50的解锁在实际故障的情况下可以由故障电路200控制，或者在失败的自测 试的情况下由微控制器202控制。因此，这个设备包括电路中断机制，其可以采用任何已知 的电路中断机制的形式，但是在这个例子中，由螺线管线圈130、SCR 135和触点50形成。 当SCR 135的栅极从故障电路200的引脚1或者微控制器202的引脚2接收到信号时，SCR 135被触发，允许电流流过线圈130，导致触点50以已知的方式解锁。还存在由位于桥式整流器120和微控制器202之间的电阻器R15和R17形成的过 零电路140。微控制器202的引脚11具有读取该过零电路140以确定AC线电压何时过零 的输入。定时电路150和测试电路160以上面讨论的方式工作，因为当微控制器202确定 到了进行自测试的时间时，它通过把引脚2重新编程到第二条件状态将SCR 135旁路以防 止故障信号到达SCR 135。接着，从微控制器202的引脚13发送测试信号来触发测试电路 160的晶体管Q2，以便在相线和中性线之间造成电流不平衡。这个电流不平衡被差分变压 器110读取，然后差分变压器110将其输出发送到故障电路200。在这个自测试期间，定时 电容器C5随后被充电，高至其阈值电平，以使故障信号从故障电路200被发送，其中，故障 电路200的引脚1变高。这个故障信号被微控制器202在引脚8中感测，引脚8检测故障 信号何时被发送。当故障信号被发送时，定时电容器C5开始放电，然后测试序列随后结束。微控制器202具有多个引脚，它们与设备的编程结合，被用来控制设备的工作。例 如，引脚1和14用来接收给微控制器202供电的功率。此外，微控制器202的引脚2用来 选择性地使能或禁止，或者触发SCR 135。因此，微控制器202被编程为改变到上面关于图 1和图2公开的引脚2的三个不同的条件状态其中之一。引脚3连接到复位按钮170来读取复位按钮170是否被按压。当复位按钮170被 按压时，在微控制器202的引脚3上存在信号，向微控制器202指示启动包括自测试的手动 测试周期。但是，利用这个设计，当复位按钮170被按压时，被启动的手动测试过程不中断 或者取代周期性自测试。引脚4是开放引脚。提供引脚5以允许微控制器202控制蜂鸣器 来提供对自测试结果的音频指示。提供引脚6和7来控制例如LED的灯，例如红色LED LD3 和绿色LED LD2，以提供对设备的不同状态的指示，例如自测试是否已经成功。提供引脚8 用于感测是否已经从故障电路200接收到故障信号。例如，这个引脚可以用来确定是否已 经有成功的自测试，例如，在预定的时间段以后，如果引脚8从故障电路200的引脚1接收 到故障信号，则这是对设备的成功自测试的确认。引脚9耦合到触点检测器190，并被提供用于指示触点50是开路还是闭合。这个 信息可以用来确定触点50是否不可操作。例如，如果存在实际外部故障，并且微控制器202 在引脚9上未检测到信号，则微控制器202可以指示设备有问题。此外，在用户按压复位按 钮170以后，微控制器202被编程为检查引脚9上的信号，以确定触点50是否被锁定。由 于在手动测试周期开始时触点50应该处于解锁状态，所以这将指示触点50存在问题。然 后微控制器可以通过激活指示器来指示这个问题。引脚9也是有用的，因为如果可听指示 器因设备中的故障所致而被激活，并且触点50被锁定，微控制器202将读取引脚9上是否 存在信号。在不存在信号的情况下，可听指示器仍保持被激活。但是，一旦用户随后按压测 试按钮，即机械地解锁触点50，则将在微控制器202的引脚9上出现信号。在这种情况下微 控制器202可以被编程为将可听指示器解除激活。
引脚10可以被用来连接到温度传感器230。温度传感器230可以包含利用电阻器、 热敏电阻器，或者任何其他已知的传感器电路来确定设备的环境温度的电路。如果必要，微 控制器202可以包括额外的弓I脚连接到这个温度传感器以形成闭合电路。该温度传感器用 来确定设备的环境温度，其中，微控制器202包括如果其检测到由温度传感器230感测的工 作温度或环境温度太高或者太低则使触点跳闸的编程。提供引脚11来从过零电路140读取过零信号。这个过零电路140用于定时和同 步，并且也用来检测过电压或电压不足状况。这通过经电阻器R17读取信号发生。提供引脚12来控制定时控制电路150，而提供引脚13在测试电路160上启动自测
试ο可以使用额外的可选部件来连接到任何开放引脚。这些可选部件其中之一包括电 流变换器210，在这个实施例中，其被示出跨过中性线连接，但是在另外的实施例中，可以跨 过相线和/或中性线耦合以确定流过系统的电流的水平。在这种情况下，在至少一个实施 例中，微控制器202包括用来确定设备是否工作于特定电流范围中的预设置工作参数。如 果电流太低，或者太高，则微控制器202可以确定存在这个状况。在设备的至少一个实施例 中，微控制器将通过指示，例如通过蜂鸣器或者点亮例如LD2或者LD3的灯来指示这个过电 流状况。在另一个实施例中，微控制器202将通过既使触点50跳闸从而切断到设备的负载 侧的功率，而且例如通过报讯器(例如蜂鸣器或扬声器)或者通过例如LD2或LD3的灯提 供指示，来指示这个状况。连接到微控制器202的另一个可选的部件是熔丝260。熔丝260 —端耦合到微控 制器202，并且或者耦合到线路侧的相线和中性线这两者、或者只耦合到相线、或者只耦合 到中性线。熔丝260可以采用可熔断联接、热短路器、PC板上的迹线，或者本领域已知的类 似部件的形式。当微控制器202确定设备应该永久性地离线时，熔丝260可以被选择性地 烧断以便把沿着相线和/和中性线的路径开路以生成开路电路。因此，这个设备还可以包 括加热元件，例如电阻器或者其他已知的可用来把熔丝260烧断的加热元件。可以连接到微控制器202的另一个可选的部件是收发机270，其耦合到微控制器 202的开放引脚。收发机270可以使用任何已知的通信手段通信，例如RF、红外、电力线通 信、包括RS485、以太网、CAN的有线通信，或者任何其他的已知的有线或者无线通信。如果 收发机270是RF收发机，则其可以使用任何网格网络协议，包括ZWAVE、ZIGBEE。所述通信 可以是在局域网(LAN)、广域网(WAN)或者个人区域网(personal area network,PAN)上。使用RF收发机以允许微控制器202与外部设备通信。这种通信可以允许微控制 器202提供自测试、跳间状态或任何其他条件的外部指示，被远程跳间，发送例如温度的与 和设备相关联的参数有关的数据。收发机可以在微控制器外部，或者被集成在微控制器中。该微控制器也可以被编程用来确定何时存在过电压状况。在这种情况下，通过引 脚11读取过零电路的微控制器确定过零的定时以确定该设备是否正在经历过电压状况。 如果过零线(AC线电压)的斜率比正常工作条件期间更陡峭，则微控制器202将解读存在 过电压状况。如果过零线读取(AC线电压读取)的斜率不如正常工作条件陡峭，则微控制 器202将解读存在电压不足状况。此刻，微控制器则将确定是否指示这个状况，和/或选择 性地将触点50跳闸，和/或通过使可熔断触点260开路来使设备永久性地离线。如上面所讨论的那样，借助包括电阻器R15和R17的过零电路140来检测过零的
12定时和极性。如果自测试是在存在低于跳闸限制的外部故障期间进行的，则这个条件可能 导致自测试的假故障。因为在图1到图3中所示的实施例中公开的设备被配置成跨过相 反极性的至少两个不同的半周期进行自测试，所以这种自测试不受存在长期外部故障的影 响。这是因为对于图1到图3中所示的实施例，自测试模拟故障信号是如下面所述并在图 4B中示出的整流故障信号。如果在自测试期间，微控制器202的引脚1在半周期或者在未施加测试故障时的 时间段期间变高，则这意味着外部故障导致了跳闸，并且微控制器202将解锁SCR 135以允 许GFCI芯片将螺线管跳闸。图4A公开了图表400，示出了整流模拟故障信号的一部分的三个不同曲线401、 402、403，电压随时间变化绘制，示出微控制器202可以基于由AC源提供的电压调整用于进 行自测试的时间。在这种情况下，这允许调整模拟故障电流的均方根或者RMS。因此，由于 微控制器202能够控制这个RMS，所以其能够保持该RMS恒定，而不管源电压变化。以这种 方式，微控制器202能够控制自测试的时间段。垂直线404、405和406表示所产生的每一 个模拟故障信号的持续时间。如所示，如果例如曲线403的电压低于曲线401，则每一个自 测试信号的持续时间更长。通过微控制器202的这种调整，针对每一个模拟故障信号生成 了恒定RMS值的自调整系统。图4B示出了一系列具有至少一个公共轴的图表500。例如，这些图表中的每一个 均示出沿着指示AC线信号的X轴的时间段，自测试信号何时被发送，电容器C5上的相关联 电荷水平，和生成故障信号的时间段以及自测试的完整时间段，包括用于旁路SCR 135或 使SCR 135离线的时间段。例如，曲线501示出了标准的AC线信号。箭头502和503代表自测试期间每一个 模拟故障信号的持续时间。这些箭头中的每一个均与由测试电路产生的整流模拟故障信号 的一部分相关联，使得在AC线信号的两个极性上都存在模拟故障信号。例如，箭头502表 示在正半周期上产生的模拟故障信号，而箭头503表示在AC线信号的负半周期上产生的模 拟故障信号。这个视图示出，自测试被跨过每个半周期的大约1/2进行，这导致电容器C5 的充电，导致了在这个电容器中积聚的电荷的增加，直到累积了阈值量，然后当达到电容器 C5的电荷容量时，生成由脉冲520所示的故障信号，导致故障电路200的引脚1变高。虽然 示出了每个半周期的大约1/2，但是如上面在图4A中所示，可以使用任何适当的持续时间。 示出了用于定时电容器C5的充电的相关联曲线510。一旦电容器C5达到其阈值电平，这通 常在故障电路200的引脚1上引起由脉冲520所示的信号。这个信号传递到SCR 135，其一 般将使SCR 135跳闸。但是，在这种情况下，SCR135如上所述被旁路以使触点不跳闸。微控制器202被编程以验证在自测试周期期间检测到的故障信号是由来自自测 试的模拟故障信号生成，还是外部故障。微控制器202确定故障信号是否在开始自测试之 后的预期时间之前出现。如果故障信号出现太早，例如在定时区域560期间，则微控制器 202确定存在外部故障，并且微控制器改变引脚2的状态以允许SCR 135在被示为参考数 字530的旁路时钟自然期满之前激发。旁路时钟530是由微控制器202计算的将足以防止 SCR135在自测试期间激发的时间段。一旦微控制器202从故障电路200接收到故障信号， 微控制器202就开始这个旁路时钟。如果微控制器确定故障信号在预期的时间窗口，例如图4B的窗口或者定时区域550内出现，则微控制器202分析在半周期内产生故障的点。如果检测到的故障信号在施加 模拟测试故障的时间期间被产生，则这在可接受自测试的范围中。如果不是，则这是外部故 障的指示，并且微控制器202在旁路时钟期满之前停止旁路SCR 135。一旦旁路时钟已经期满，这导致微控制器202改变引脚2的状态以便从SCR 135 的栅极去除旁路。如果故障信号延伸超过了自测试的时间段/旁路时钟期满，则这个故障 信号将激活SCR 135，导致触点50开路。这由虚线522示出，虚线522延伸超过自测试故障 信号520。虚线512也示出电容器C5也仍被充电到其阈值电平，从而允许这个故障信号继 续。图5是安装设备并进行手动测试的过程的流程图。例如，步骤Sl包括安装解锁的 故障电路中断器。步骤S2涉及把该故障电路中断器连接到电源。这个步骤可以采用任何 已知的适当方式，例如其可以包括把线路侧的相触点和中性触点连接到功率分配线的相线 和中性线。在步骤S3中，LED LDl将接收功率，从而在至少一个实施例中点亮黄灯。接着，在步骤S4中，微控制器202将启动自测试定时器向下计数到将发生自动自 测试的时间。在这种情况下，第一个自动自测试可以在安装该设备的5秒钟内发生。后续 自测试可以每5秒钟发生，或者以不同的预定速率发生，例如每15分钟、每3小时、每5天 或者任何其他期望的时间段。此外，在至少一个实施例中，微控制器202被编程为以逐渐降 低的速率安排自测试，例如第一次在5秒钟以后，然后再一次在5分钟以后，然后一旦该测 试完成，每5个小时一次，然后在一个或一系列5小时自测试以后，每5天一次，等等。降低 的速率是可能的，因为一旦微控制器已经成功地完成了最初一系列自测试，可能不必如此 频繁地测试，因为大多数自测试故障因错误布线、电涌或者损坏的部件所致而出现在开始 的安装时。接着在步骤S5中，用户将按压复位按钮。如上所述，按压复位按钮启动了手动 自测试。按压复位按钮提供了到微控制器202中的输入，以便在步骤S6开始自测试周期， 这在图6中更详细地公开。在步骤S7A中，如果手动测试周期成功，则触点可以锁定，允许 功率到达负载和表面触点。此外，过程将继续到步骤S8A，其中，微控制器202将在LED LD2 中指示存在成功的手动测试，提供绿色的指示灯。此外，一旦触点已经锁定，则在步骤S9a 中，LED LDl将失去功率，从而指示存在锁定的触点。最终，在这个手动测试周期期间，微控 制器202上的定时器运行，导致自测试最终开始。或者，如果手动测试失败，则在步骤S7b中，触点保持解锁并且闭塞(lock out)。 接着在步骤S8b中，微控制器202将给LED LD3提供功率，该手动测试已经失败。此外，在 步骤S9b中，LDl的状态将保持处于点亮状态，因为触点将保持解锁。图6是进行自测试的过程的流程图。一旦微控制器202在步骤Sll中分析过零电 路，其在步骤S12中启动自测试定时器。接着，在步骤S13中，该设备确定输入AC线的电压 量，这贯穿所述过程不断地继续。接着，在步骤S14中，微控制器202在预定的时间段以后 启动自测试，通过读取AC线信号的过零来计算所述预定的时间段。自测试中的第一个步骤 涉及步骤S15，其包括旁路SCR，例如上面讨论的SCR 135。接着，步骤S16涉及从微控制器 202发送信号到测试电路160，以便使测试电路160上的栅极开路，从而在步骤S17中在相 线和中性线之间生成开路路径以造成电流不平衡。这个电流不平衡被故障电路200读取， 其中，定时电容器C5被利用这个故障信号以及任何后继的模拟故障信号充电，直到其达到 其阈值为止。微控制器202循环通过步骤S16到S19，以便在相反极性的半周期上生成周期性自测试，直到例如电容器C5的定时电容器在步骤S20中达到其充电阈值为止。接着，在步骤S20中，一旦已经经过电容器阈值，则在步骤S21中产生故障信号。在 步骤S22中，这个故障信号被接收到微控制器202中，然后，在步骤S23中，微控制器202启 动该微控制器202中的用来停止旁路SCR 135的内部计数器或者时钟。如上所述，这个旁 路时钟将持续预定的时间段，所述预定的时间段将被视为对于定时电容器C5来说足以放 电的时间段。由于包含定时电路150，所以定时电容器完全放电的时间可以被控制，并且在这种 情况下被减小，所以一旦自测试已经完成，则要求较少的时间用于使故障电路重新联机用 于检测实际故障。因此，步骤S24包括初始化例如定时电路150的定时电路的步骤。定时 电路150的初始化在步骤S25中开始了电容器C5的放电。此外，在步骤S26中，微控制器 确定故障信号何时被产生。如上所述，产生故障信号的定时很重要，因为如果故障信号对于 正常自测试被产生得太早，或者在没有模拟故障信号被施加的时间段期间产生因而单独充 电电容器C5，则微控制器202将此记录为实际故障的证据，然后在旁路定时器到期之前结 束SCR 135的旁路，从而允许触点跳闸。如果微控制器202确定故障信号没有被太快地产生，或者在没有产生模拟故障信 号的时间段期间产生，则在正常的自动自测试期间，电容器放电，并且在步骤S27中，故障 信号结束。接着，在步骤S28中，旁路定时器到期，所以在步骤S29中，微控制器202停止 SCR 135的旁路。但是，如果出现了实际故障，并且微控制器202没有如上所述确定存在外部故障， 则在这种条件下，即使在旁路定时器到期之后，故障信号也将在步骤S30中继续。在这种情 况下，仅在自测试故障信号足以到期但是在实际故障情况下不足以继续旁路的时间段设置 旁路定时器。因此，步骤S31将接着发生，导致将故障信号接收到例如SCR135的SCR的栅 极。这将导致步骤S32，步骤S32导致跳闸序列的初始化，跳闸序列涉及激活SCR 135以允 许电流流过螺线管130，导致引脚激发解锁触点50，并切断到负载的功率。一旦触点50已经 跳闸，则跳闸指示器190将通过点亮LED LDl指示触点50开路来指示跳闸的触点的状况。如果没有出现外部故障，则过程将从步骤S29继续到步骤S34，其中，微控制器在 预定的时间段内，例如在步骤S12中给出的时间内接收故障信号，然后微控制器202将记录 成功的自测试，并在步骤S34中指示这个成功的自测试，例如通过保持LED LD2点亮而不点 亮LED LD3。但是，如果在微控制器202中没有接收到信号，例如进入图3中微控制器202 的引脚8，则微控制器202通过不点亮LD2而是点亮LED LD3来提供这个失败的自测试的 指示。无论在测试电路160中模拟故障信号是否由晶体管Q2生成，并且无论故障电路200 是否正常工作，也可能发生步骤S35。因此，从步骤S16画了直线，因为一旦自测试定时器到 期，如果微控制器202没有接收到故障信号，则微控制器202指示失败的自测试。一旦微控 制器202确定已经发生了失败的自测试，在步骤S36中，其开始针对将来在步骤S37中微控 制器202使触点50跳闸的时间段的定时器。在这种情况下，微控制器202在存在实际故障 信号时不使触点跳闸或者控制触点的跳闸，而是只在失败的自测试以后这样做，失败的自 测试是由微控制器202未能从集成电路200接收到信号来确定的。如果微控制器202被损坏，则该设备可以继续安全地工作(因为GFCI电路仍可 用)，但是它将不能进行手动测试，因为如上所述，微控制器202将不能感测通过按压复位
15按钮导致的手动测试的启动并产生测试所需的所有适当信号。此后，该设备将由于复位闭 塞(resetlockout)特征而不能将其自身复位，并且功率将不被提供给端子。用户则将需要 更换这个设备。如上所述，该设备包括多个不同的LED，它们用来提供多个不同的指示状态。LED LDl可以是任何颜色，但是在至少一个实施例中是黄色。这个灯不受微控制器202控制，而 是由触点检测器190控制，其中，LDl在耦合到触点检测器190的触点处于开路位置时保持 点亮。触点检测器电路190包括触点51和接触柱52，触点51是取自图1到图3中所示的 触点50中的任何一个的触点，接触柱52提供进入微控制器202的引脚9的输入。以这种 方式，当触点51处于开路位置时，它与接触柱52接触，并把功率提供到微控制器202的引 脚9中，从而指示微控制器202该触点开路。此外，在这个状态下，功率也被提供给LD1，所 述功率把LDl点亮，指示触点开路。完全基于触点的位置而不基于微控制器202的控制来 控制给LDl的功率。LED LD2是绿色LED，其指示是否有成功的自测试。LED LD3是红色LED，其指示存 在失败的自测试。这些LED被设计成提供多个指示状态。这些指示状态是指示未提供功 率、或者线路或负载布线已被颠倒的第一指示状态。这通过所有的灯LD1、LD2和LD3关闭 来指示。存在第二指示状态，指示有功率，但是没有功率被提供给自测试电路，并且触点已 经跳间。这通过存在黄灯(LDl被打开)而LD2和LD3被关闭来指示。还有第三指示状态， 指示有功率提供给该设备，并且自测试已经通过，并且所述多个触点锁定。这个指示状态可 以通过由LD2形成的绿灯以及缺少由关闭的LDl形成的黄灯的指示来示出。还有第四指示 状态，指示有功率被提供给该设备，自测试已经通过，并且触点已经跳闸。这由LD2被打开 形成绿灯而黄灯LDl关闭来形成。第五指示状态指示自测试已经失败，并且也指示触点未 成功地跳闸。在这种情况下，红灯随着LD3打开而打开，LD2打开，并且LDl关闭。最后，第 六指示状态指示自测试已经失败，并且所述多个触点已经跳间。这通过LD3打开提供红灯、 LD2关闭不提供绿灯并且LDl打开提供黄灯来指示。这些指示状态在下面的表中示出 在这种情况下，红色LED LD3是闪烁LED，而LD2和LDl是绿色和黄色稳定状态指 示器。可听指示器指示存在无保护的功率。通过将设备跳闸可以使这个可听指示器静音。 如果设备已经跳闸但是触点还未开路(例如焊接的触点)，则压住复位按钮170几秒将指示 微控制器将峰鸣器静音。在自测试过程期间，并且当复位按钮被按压时，红色LED LD3短暂 地闪烁。在这种情况下，自测试不能确定触点开路的能力。微控制器202也可以被编程为检测多个不同的错误。例如，微控制器202可以例如 通过上面概述的标准自测试检测故障电路是否在正常工作。此外，微控制器202可以通过 读取是否存在过零信号来确定是否已经失去任何过零电路。微控制器202不能接收到任何 过零信号可能是基于损坏的过零电路、微控制器引脚损坏，或者损坏的桥式整流器二极管。 如上所述，微控制器202也可以被编程为识别过电压状况，例如当过零信号太窄时。此外， 如上所述，微控制器202可以和触点检测器电路190结合使用以检测在引脚9是否存在指 示触点在实际故障条件下被焊住或不能开路的信号。因此，虽然只示出和描述了本发明的几个实施例，但是很清楚，不偏离本发明的精 神和范围可以对其做出很多改变和修改。
权利要求
一种自测试故障电路中断器设备，包含a)故障电路，包含i)至少一个线路监视电路；ii)至少一个线路中断电路；iii)至少一个故障检测器电路，被配置成当从所述至少一个线路监视电路检测到故障时选择性地操作所述至少一个线路中断电路；b)至少一个自测试电路，被配置成在所述故障电路上进行自测试；和c)至少一个定时电路，被配置成控制所述故障检测器电路的输出的持续时间。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个自测试电路包含至少一个微控制器。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个自测试电路还包含至少一个晶体管。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述至少一个晶体管耦合到所述至少一个微控制 器的输出。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个故障检测器电路包含集成电路。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述故障检测器电路还包含至少一个电容器，其中 所述定时电路被配置成控制所述电容器的放电速率。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个故障检测器电路是集成故障检测器 电路。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述定时电路包含至少一个晶体管，该晶体管被配 置成选择性地增大所述电容器的放电速率。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述定时电路还包含至少一个电阻器，其中，所述 电阻器的电阻水平控制所述电容器的放电速率。
10.如权利要求8所述的设备，其中，所述定时电路受所述微控制器控制。
11.如权利要求1所述的设备，还包含至少一个用于传递自测试的结果的指示器电路。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述至少一个指示器从由可听报讯器、可视指示 器和通信电路组成的组中选择。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述可视指示器包含至少一个用来指示所述设 备的状态的LED。
14.如权利要求13所述的设备，其中，所述LED被配置成显示取决于所述设备的所确定 状态的颜色。
15.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个线路中断电路包含触点，并且其中 所述设备还包含至少一个检测所述触点是处于开路还是闭合状态的触点检测器电路。
16.如权利要求15所述的设备，其中，所述至少一个LED耦合到所述触点检测器电路。
17.如权利要求15所述的设备，其中，所述自测试电路包含微控制器，并且其中，所述 至少一个LED包含耦合到所述微控制器的第一 LED和耦合到所述触点检测器电路的第二 LED。
18.如权利要求11所述的设备，其中，所述指示器电路被配置成指示以下状态中的至 少一个a)第一指示状态，指示未将功率提供给所述故障电路和所述自测试电路，或者所述线 路和负载布线已被颠倒；b)第二指示状态，指示没有功率被提供给所述自测试电路，并且至少一个触点已经跳闸；c)第三指示状态，指示有功率被提供给所述设备，自测试已经通过，并且至少一个触点 被锁定；d)第四指示状态，指示有功率被提供给所述设备，自测试已经通过，并且至少一个触点 开路；e)第五指示状态，指示所述自测试已经失败，并且指示至少一个触点未成功地开路；和f)第六指示状态，指示所述自测试已经失败，并且至少一个触点已经开路。
19.如权利要求2所述的设备，还包含与所述微控制器通信的过零电路，其中，所述微 控制器感测所述过零电路的输出以确定过电压或电压不足状况。
20.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个自测试电路被配置成在第一半周期 的至少一部分期间和相反极性的第二半周期的至少一部分期间提供模拟的故障信号。
21.如权利要求2所述的设备，还包含至少一个过电流检测器，其中，所述微控制器被 配置成执行以下步骤的至少一个当所述微控制器确定过电流状况时激活所述至少一个线 路中断电路，和当所述微控制器确定过电流状况时指示过电流状况。
22.如权利要求2所述的设备，还包含至少一个耦合到所述微控制器的温度传感器，其 中，所述微控制器被配置成当所述微控制器确定了在预设温度范围以外的温度时激活所述 至少一个线路中断电路。
23.如权利要求2所述的设备，还包含至少一个耦合到所述微控制器并且耦合到相线 或中性线中的至少一个的熔丝，其中，所述微控制器被配置成通过所述熔丝选择性地将所 述相线或者所述中性线上的路径开路。
24.如权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个故障检测电路包含集成电路，其中， 所述微控制器被配置成在AC电流的正半周期的至少一部分期间和在负半周期的至少一部 分期间进行自测试。
25.一种自测试故障电路中断器设备，包含a)故障电路；b)用于在所述故障电路上启动自测试的至少一个自测试电路，其中所述至少一个自测 试电路包含i)至少一个微控制器； )至少一个定时电路，被配置成控制所述自测试的时间段，并在存在实际故障的情况 下缩短用于自测试的时间段。
26.一种自测试故障电路中断器设备，包含a)故障电路；b)至少一个自测试装置，用于在AC电流的正半周期的至少一部分期间和在负半周期 的至少一部分期间在所述故障电路上启动自测试。
27.如权利要求26所述的自测试设备，还包含电路中断装置，当所述自测试装置确定 存在失败的自测试状况时，所述电路中断装置被所述自测试装置选择性地激活。
28.一种自测试故障电路中断器设备，包含a)多个故障检测部件；b)断开设备；c)用于测试所述多个故障检测部件中的至少一个部件的测试电路，所述测试电路具有 至少一个被配置成控制自测试的持续时间的时间段的电路；和d)连接到所述测试电路的指示器，用于提供自测试是否已经失败的指示。
29.一种用于对故障电路进行自测试的方法，包含a)禁止致动器；b)通过跨过第一极性的半周期的至少一部分和跨过第二极性的半周期的至少一部分 生成模拟的故障信号来执行自测试；和c)确定自测试是否成功。
30.如权利要求29所述的方法，其中，所述禁止所述致动器的步骤包含防止信号到达 所述致动器以防止所述致动器将信号发送到螺线管。
31.如权利要求30所述的方法，其中，所述禁止所述致动器的步骤包含阻止SCR接收故障信号。
32.如权利要求29所述的方法，其中，所述执行自测试的步骤包含在相线和中性线之 间生成电流不平衡。
33.如权利要求29所述的方法，其中，所述执行自测试的步骤包含a)将来自至少一个微控制器的信号提供给至少一个晶体管；b)激活所述至少一个晶体管以使电流从至少一个被配置成由至少一个故障传感器读 取的电导体流动，以生成被所述至少一个故障传感器读取的电流不平衡。
34.如权利要求29所述的方法，其中，所述执行自测试的步骤包含a)检测AC线信号的过零；b)把自测试定时在第一极性的第一半周期的至少一部分期间和相反极性的第二半周 期的至少一部分期间发生。
35.如权利要求34所述的方法，还包含在交流电流的交替半周期期间定时自测试的步马聚ο
36.如权利要求34所述的方法，其中，所述在交流电流的至少一个半周期期间定时自 测试的步骤包含只在交流电流的所述至少一个半周期的一部分期间定时自测试。
37.如权利要求29所述的方法，还包含控制自测试的持续时间的步骤。
38.如权利要求37所述的方法，其中，控制自测试的持续时间的所述步骤包含基于馈 入电容器中的功率量来控制所述持续时间。
39.如权利要求38所述的方法，其中，控制自测试的持续时间的所述步骤包含控制所 述电容器的功率的放电速率。
40.如权利要求29所述的方法，其中，检测故障的所述步骤包括从故障传感器接收指 示存在故障的信号。
41.如权利要求29所述的方法，其中，指示所述自测试的结果的所述步骤包含为所述 自测试提供光指示。
42.如权利要求29所述的方法，其中，指示所述自测试的结果的所述步骤包含为所述 自测试提供音频指示。
43.如权利要求29所述的方法，其中，指示所述自测试的结果的所述步骤包含指示自 测试是否被成功执行。
44.如权利要求29所述的方法，其中，指示所述自测试的结果的所述步骤包含指示一 组触点是否已经跳闸。
45.如权利要求29所述的方法，还包含确定过电流状况的步骤。
46.如权利要求29所述的方法，还包含确定过电压状况的步骤。
47.如权利要求29所述的方法，还包含通过将沿着所述相线和所述中性线中的至少一 个的可熔断联接开路，将故障电路从工作中永久性去除的步骤。全文摘要
一种自测试故障电路中断器设备，包含故障电路，包含至少一个线路监视电路、至少一个线路中断电路，和至少一个故障检测器电路，所述故障检测器电路被配置成当检测到故障时选择性地操作所述至少一个线路中断电路。这个故障电路也包括至少一个被配置成在所述故障电路上启动自测试的测试电路和至少一个用于控制在所述至少自测试电路上执行的自测试的时间段的定时电路。该定时电路可以采用包含控制定时电容器的放电速率的晶体管的额外电路的形式。存在定时电容器以防止故障电路的任何错误的触发。故障电路测试条件不停止，直到电容器被完全放电为止。通过控制定时电容器放电速率，在存在外部故障时SCR的触发不被延迟太多，因为在存在这个外部故障期间，测试周期在时间上被直接基于外部故障的规模可观地缩短了。测试电路可以包括微控制器，所述微控制器可以被编程为跨过相反极性的至少两个不同半周期执行自测试。基于由微控制器结合过零电路执行的定时，确定自测试的定时。
文档编号G01R31/00GK101910856SQ200980101512
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月29日 优先权日2008年1月29日
发明者A·凯维洛斯, M·奥斯特罗福斯基 申请人:立维腾制造有限公司