专利名称：电线扩展保护的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种电线扩展保护的装置和方法，其提供了相比于本领域当前状况用于相同目的的现有装置和方法更关键的创新特性和重要优点。
更具体的，本发明涉及一种电气/电子装置及其操作方法，其设计为提供具有扩展保护的电线(不管是供电线或者信号传输线)，包括电线状况的连续核查及其潜在异常状况诱因的识别。
背景技术：
电子和电气电路通常由安全元件支持，其提供了一定的保护并便于在潜在过载情况下恢复电路。然而，这些电路安全元件表现出了一些缺陷。
如果电路由熔板元件(flux plate element)保护，则很难在视觉上区分出该安全元件是否被熔合，且不能确定电路中导致故障的原因或任何产生它的单元。线路甚至可能在电路标称电流极限下工作，使得安全元件表现出电阻变化，因此阻止了其供给的单元正确运行，但是不能指示出线路的异常状况。
另一方面，在由其他安全元件保护的电路中，例如热开关或可复位保险丝，恢复用的杆或按钮的操作是简单的，但是这种安全元件也不能够确定电路中故障的起因或产生它的单元，这导致必要的重复恢复，引起安全元件的快速老化。
发明内容
本发明通过一种电线保护装置及方法，允许连续核查电线状况及识别其潜在异常状况的诱因，解决了上述问题。
因此，根据本发明的第一实施例，提供了一种电线的电气/电子保护装置，在需要保护的单元的入口处与安全元件并联，其包括处理单元，用于控制并功能性地彼此连接其余保护装置部件；电源单元，用于在异常线路状况期间，至少在缺少线路本身电源期间向处理单元供电；电压测量单元，用于测量异常本地电压；报警单元，以信号通知该保护装置检测到的状况；和开关单元，交替将线路本身的电源提供给其余装置部件(主分支)或将线路本身的电源通过装置的分支(支路)避开其余装置部件。
该报警单元根据本发明具体应用中进行的动作可以为各种类型。仅作为一个示例，该报警单元可以简单地包括LED型信号器阵列，其选择性的激励通知用户经核查的线路的相应状况，或者包括LCD型信号器，其还能提供给用户核查后线路状况的数据，或者可以包括发射机，其将信号发送给远程线路监视中心等，或者可以包括这几种单元的组合。
此外，本发明的装置还可选地包括负载设计(load laid out)，使得在开关单元处于分支状态时，防止装置短路。
本发明的装置表现出以下特征，可以通过固定方式安装，使得保持与线路的固定(permanent)连接，并可对意外事故实时反应，即本发明的装置允许对安全元件及因连接设置了本发明的装置的终端所提供的单元的连续核查。
根据本发明的第二实施例，提供了一种电线保护方法，包括其根据线路状况包括三种工作模式正常工作模式安全元件处于完好状况，其承受的强度处于标称工作范围内；因此，安全元件表现出基本的零电阻，并因此近乎全部电流流经该元件。
保护装置的电压测量单元不测量任何电压降，保护装置保持不工作。
边界异常工作模式流经安全元件的强度上升到标称工作极限之上，直到超过预定的警戒阈值，这引起温度接近安全元件击穿点或触发点的温度，并因此引起其电阻(该电阻值及持续时间是设计变量，取决于标称阻抗和其他固有线路参数，主要是发射源可提供的最大功率)改变。
因此，部分电流流向本发明的保护装置，并且由于开关单元为默认状态，所以部分电流转向主分支。处理单元接收来自电压测量单元的信号，该信号与一电压相关，该电压可上升直到达到至少对应于所述警戒阈值的值，并且处理单元使能相应控制信号能到报警单元。
线路核查异常工作模式在安全元件发生故障(击穿(breakdown)或触发(trigger))之后，全部电流流经本发明的保护装置，且由于开关单元为默认状态，全部电流转向主分支。
处理单元接收来自电压测量单元的信号，该信号与一电压相关，该电压上升直到达到至少故障点。之后，处理单元起动工作周期，该工作周期包括使能一控制信号到开关单元，使得它们将电流转向支路(使用当前工作的电源单元提供的电压将开关单元保持在此状态)，处理线路参数以核查线路状况，使能一控制信号到对应于线路状况的报警单元，并使能一控制信号到开关单元，使得它们再次将电流转向主分支。
如果需要，基于电压测量单元的性质和设计，处理单元使能其他控制信号到电压测量单元，使得它们在电流必须转向支路时进入断开模式。
本发明的其他特征和优点将从以下结合附图的优选实施例的具体描述中更清楚地观察出，优选实施例仅作为示例的目的给出，但并不限于此，在附图中图1示出了本发明保护装置的框图；图2示出了本发明保护装置第一实施例的电路图；图3示出了本发明保护装置第二实施例的电路图。
具体实施例方式
参照图1，所示框图示出了根据本发明的保护装置的原理，该装置位于线路安全元件F中，使得所述保护装置与线路保持固定连接并对意外事故实时反应，也就是，所述保护装置允许对所述安全元件F和连接终端A、B所提供的电路的连续控制，所述保护装置也连接到终端A、B。因此，所述保护装置将用作电源或者对于给定类型信号的传输源与所要保护的电路之间的连接。
所述保护装置包括主分支，其包括电源单元60，以及电压测量单元10和由所述电源单元60供电的处理单元30。另外，所述处理单元30还设有报警单元40。另外，保护装置还包括支路，其与所述主分支并联。两个分支，即主分支和支路，都在开关单元50处汇聚。
现参照图2，其示出了根据本发明的保护装置的第一基本实施例。在此实施例中，电源单元60包括电容器C1，电压测量单元10包括电阻配置R1、R2、R3，处理单元30包括微处理器M1，报警单元40包括LED型信号器L1、L2、L3配置。
如在图2中可以看到的，开关单元50包括n沟道MOSFET型晶体管T1。
在此实施例中，如果经过位于保护装置的终端A、B之间的安全元件F(为了简化图示而未示出)的电流在正常工作范围内，则所述安全元件F表现出基本的零电阻，且因此近乎全部电流流经它。保护装置不接收任何电流并保持不工作。
另一方面，如果经过安全元件的电流上升到超过警戒阈值(由经过所述安全元件的电压降Vu预定)，且安全元件电阻改变，并因此表现出一定的电阻，则到达终端A、B的部分电流将流向保护装置，并且由于晶体管T1的默认状态为断开，所述电流量将流经保护装置的主分支，即流经电阻配置R1，R2，R3。之后，微处理器M1将被提供一信号，其将所述信号解释为边界异常工作状况，并将轮流使能一信号到指示所示状况的相应信号器L1。
最后，如果经过安全元件的电流上升到超过安全元件的故障点(击穿或触发)(由经过所述安全元件的电压降VR预定)，则近乎全部电流流到根据本发明的保护装置，且由于晶体管T1的默认状态为断开，所以所述电流将流经保护装置的主分支，即流经电阻配置R1，R2，R3，另外给电容器C1充电。
之后，微处理器M1将被提供一信号，其将所述信号解释为线路核查异常工作状况，并将轮流使能一信号到指示所述状况的相应信号器L2，以及使能一信号到晶体管T1，然后将继续处于饱和区(导通状态)。
在所述晶体管T1处于导通状态期间(例如，100μs)，由于从电容器C1所接收到的电源，所以微处理器M1将保持所提供的信号的测量的处理，由于所述晶体管T1处于导通状态，所以电容器C1将继续处于放电状态。
在此100μs期间，微处理器M1分析线路参数，且如果所分析的参数表示线路短路，则微处理器M1也将使能一信号到相应信号器L3，将在100μs期间之后接通L3。
当此100μs结束时，微处理器M1中止该信号到所述晶体管T1，之后晶体管T1返回到断开状态，使电流再次流经保护装置的主分支。
当达到该点时，微处理器M1将被编程在100μs期间周期性地使能该信号到晶体管T1，至少预定的次数，以保持连续的线路核查。
显然，该信号到所述晶体管T1的使能时间(在此实施例中，作为一个例子，设为100μs)和该信号到所述晶体管T1的使能周期，以及该信号到所述晶体管T1的使能次数将以线路设计参数为基础标定，以防止所述线路及其提供电的单元遭受损坏。
现在参照图3，其中与图2中的部件类似的部件具有相同的标记，该图示出了根据本发明的保护装置的第二可选实施例。
考虑到此处所述第二实施例是详细描述的第一实施例的发展，且为了避免重复，下面将偶尔参照所述第一实施例描述所述第二实施例的具体特征。
特别地，第二实施例在第一实施例中增加了整流器D1，使得不管线路极性如何都可以使用保护装置，该整流器D1为与终端A，B以及保护装置的主分支连接的二极管桥式电路。整流器的配置过程在本领域内是公知的，且存在许多技术上等价的变型。
对整流器可选地，或者除整流器之外，第二实施例还在第一实施例中增加了第二晶体管T2，其与T1情况相同为n沟道MOSFET型，其与晶体管T1相对对称设置。该晶体管配置T1，T2，构成本实施例中的开关单元。
此外，第二实施例在第一实施例中增加了替代主分支，其直接将终端A，B互相连接，其间具有额外的电压测量装置L1’和L1”，(在这种情况下中也用作另外的报警单元)以及断开单元S1。
所述替代主分支确保第二实施例中的保护装置和高灵敏度的安全元件即达到故障点表现出相对低电阻的安全元件一起正常地运行。在在这种情况下，主分支可以表现出与安全元件中最大负载(仅在故障点前)相关的高负载，使得在边界异常工作状况期间流向保护装置的更大部分的电流可能不足使微处理器M1工作。
在此实施例中，所述额外的电压测量单元包括LED型信号器L1’和L1”的配置(其用作额外的报警单元，且如果它们被布置到替代主分支中，将包括考虑线路极性而适当设置的单个LED型信号器，该替代主分支是如第一实施例中所示的保护装置的一部分)，且所述断开单元S1在此实施例中包括通常关闭的继电器。
考虑到整流器D1、晶体管配置T1、T2、和替代主分支的存在，在第二实施例中，工作如下正常工作(VAB～0)安全元件表现出基本的零电阻，因此近乎全部电流流经该元件，保护装置不接收任何电流，保持不工作。
边界异常工作(VU＜|VAB|＜VR，其中VU是对应上述警戒阈值的电压，VR是对应安全元件的击穿点的电压)安全元件表现出一定的电阻，到达终端A、B的部分电流将流向保护装置。由于晶体管T1和T2的默认状态为断开，所以继电器S1的默认状态为导通，主分支的负载关于安全元件的负载为高，所述量的转向电流流经保护装置的替代主分支，也就是，流经LED型信号器L1’和L1”配置。对应的信号器L1’和L1”被激励，微处理器M1保持不工作。
线性核查异常工作(VAB＞0且|VAB|＞VR，其中VR是对应于安全元件击穿点的电压)全部电流流经本发明的保护装置，且由于晶体管T1和T2的默认状态为断开，所述电流在保护装置的主分支和替代主分支之间分开。流经经过主分支的电流现在足以激活微处理器M1以发送开启信号给继电器S1。因此，之后全部电流将流经主分支，即流经电阻配置R1，R2，R3，且另外给电容器C1充电。之后，微处理器M1将被提供来自电阻配置R1，R2，R3的一信号，它解释所述信号为线路核查异常工作状况，并将轮流使能一信号到指示所述状况的相应信号器L2以及使能一信号到所述晶体管T1和T2，所述晶体管T1和T2将继续处于导通状态。由于晶体管T1和T2的对称相对设置，所以T1将只允许经过它的电流通过，但是T2将被转变为电阻，使得整体工作在所有其他方面与第一实施例类似。
线性核查异常工作(VAB＜0且|VAB|＞VR，其中VR是对应于安全元件击穿点的电压)全部电流流经本发明的保护装置，且由于晶体管T1和T2的默认状态为断开，所以电流在保护装置的主分支和替代主分支之间分开。流经主分支的电流现在足以激活微处理器M1以发送开启信号给继电器S1。以此方式，之后全部电流将流经主分支，即流经电阻配置R1，R2，R3，另外给电容器C1充电。之后，微处理器M1将被提供一来自电阻配置R1，R2，R3的信号，它将所述信号解释为线路核查异常工作状况，并将轮流使能一信号到指示所述状况的相应信号器L2以及使能活一信号到晶体管T1和T2，所述晶体管T1和T2将继续处于导通状态。由于晶体管T1和T2的对称相对设置，T2将只允许经过它的电流通过，但是T1将被转变为电阻，使得整体工作在所有其它方面与第一实施例类似。
对于图2中的实施例和图3中的实施例，本领域技术人员都可以理解，根据保护装置的具体应用，必须设置通常的足够的部件以使装置良好地运行。
在此意义上，仅作为一个非限制的例子，可以给电容器C1增加传统的稳压单元，例如与电容器C1并联安置的齐纳(Zener)型二极管。
同样，具体地，在第二实施例中，在微处理器M1的初始稳定期间可以给晶体管配置T1和T2增加降低晶体管T1或T2(取决于线路极性)的栅-源电压的单元。
类似地，对于图2中的实施例和图3中的实施例，本领域技术人员都可以理解，VU和VR的设计值(分别预定为警戒阈值和故障点)可由线路参数和所需安全级别确定，VU对于高安全和/或高灵敏度的应用实际上为零。
自然地，如果保持本发明的原理，则实施例和构成细节可以关于以上描述和示例进行各种改变而不脱离本发明的范围。
这些改变将影响装置的物理部件的形状、尺寸、和/或制造材料，当然，还有所需软件的实现特征。
仅作为示例的目的，可以举下列例子。
如已提及的，报警单元可以简单地包括LED型信号器阵列，如在所述实施例中的，其选择性的激励通知用户经核查的线路的相应状况，或者可以包括LCD型信号器，其另外通知用户经核查的线路状况，或者可以包括发射机，其将信号发送给远程线路监视中心等，或者甚至可以包括这几种单元的组合。
同样，处理单元可以包括微处理器，如在实施例中描述的，或者可以包括等价的模拟电路，或者可以包括为具体应用特别设计的模拟电路。
同样，整个装置或部分可以制造在集成电路芯片中。
自然，如果微处理器用于任何任务，其内部软件将取决于具体应用以及对线路的相应具体设计参数。
此外，电源单元可以包括电容单元，如在实施例中所述的；或者可以包括外部电源，例如电池，其补充或替代所述电容单元。
最后，本发明范围内的设计可以包括多种本发明的保护装置，共享单独一套处理单元，以保护具有其各自电路的相应多个安全元件。
权利要求
1.一种用于电线保护的装置，设置在需要保护的单元的入口处与安全元件(F)并联，其特征在于，包括a)处理单元(30)，其控制并功能性地互相连接其余装置部件；b)电源单元(60)，其在异常线路状况期间，至少在缺少线路本身电源期间向处理单元(30)供电；c)电压测量单元(10)，其测量异常本地电压；d)用于产生反映该保护装置检测到的状况的报警信号的单元(30)；和e)开关单元(50)，其交替将线路本身的电源提供给其余装置部件(主分支)或将线路本身的电源通过该保护装置的分支(支路)避开其余装置部件。
2.根据权利要求1所述的电线保护装置，其特征在于，进一步包括报警单元(40)，其响应所述报警信号而以光学信号通知该保护装置检测到的状况。
3.根据权利要求1所述的电线保护装置，其特征在于，其通过固定方式安装。
4.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，包括一负载，其设置在所述主分支之外。
5.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，所述报警单元(40)包括至少一个LED型信号器和/或至少一个LCD型可视装置和/或一个发射机配置。
6.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，所述处理单元(30)包括模拟电路或微处理器。
7.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，所述电源单元(60)包括a)电容单元，优选包括电容器；或者b)电容单元，优选包括电容器和稳压单元，该稳压单元优选包括齐纳二极管；和/或c)外部电源，优选包括电池。
8.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，所述电压测量单元(10)包括电阻配置。
9.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，所述开关单元(50)包括a)至少一个晶体管，优选为n沟道MOSFET型晶体管；或b)继电器。
10.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，包括整流器(D1)，优选为二极管桥式电路以确保该保护装置的恒定极性。
11.根据权利要求1至7中任一个所述的电线保护装置，其特征在于，所述开关单元包括a)第一和第二n沟道MOSFET型晶体管，设置为对称串联使得它们的栅极彼此连接并与处理单元连接，它们的漏极彼此直接连接，并且在所述主分支中一端与开关单元(50)连接，另一端通过整流器与该保护装置的两个终端连接；和优选地，所述开关单元(50)还包括b)作为整流器的二极管桥式电路。
12.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，包括替代主分支，其包括断开单元，优选包括继电器和额外的电压测量单元(10)，该额外的电压测量单元(10)优选包括额外的报警单元，该额外的报警单元优选包括至少LED型信号器，其与所述处理单元(30)连接。
13.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，所述处理单元(30)与任一前述权利要求所述的其他保护装置共享。
14.根据前述任一权利要求所述的电线保护装置，其特征在于，至少部分所述保护装置制造在集成电路芯片中。
15.通过前述任一权利要求的保护装置保护电线的方法，其特征在于，根据线路状况包括三种工作模式a)正常工作模式，其中安全元件(F)处于完好状况，其承受的强度处于标称工作范围内；因此，安全元件(F)表现出基本为零的电阻，并因此近乎全部电流流经该元件(保护装置的电压测量单元(10)不测量电压降，且保护装置保持不工作)；b)边界异常工作模式，其中流经安全元件(F)的强度上升到标称工作极限之上，直到超过预定的警戒阈值，这引起温度接近安全元件击穿点或触发点的温度，并因此引起其电阻改变(因此，部分电流流向保护装置，并且由于开关单元处于默认状态，所以全部电流转向主分支，其中处理单元(30)接收来自电压测量单元(10)的信号，该信号与一电压相关，该电压上升直到达到至少对应所述警戒阈值的值，并且处理单元使能一相应控制信号到报警单元)；c)线路核查异常工作模式，其中安全元件发生故障(击穿或触发)之后，全部电流流经保护装置，且由于开关单元为默认状态，所以全部电流转向主分支，其中处理单元(30)接收来自电压测量单元(10)的信号，该信号与一电压相关，该电压上升直到达到至少故障点，之后它们起动一个工作周期，该工作周期包括使能一控制信号到开关单元(50)，使得它们将电流转向支路(使用当前工作的电源单元(60)提供的电压将开关单元保持在此状态)，处理线路参数以核查线路状况，使能一控制信号到对应线路状况的报警单元(40)，并使能一控制信号到开关单元(50)，使得它们再次将电流转向主分支。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，a)所述处理单元(30)使能另一控制信号到额外的电压测量单元(10)，使得它们在电流必须流向支线时进入断开状态；和/或b)所述处理单元(30)被编程以周期性地形成所述工作周期；和/或c)所述处理单元(30)被编程以通过将电流转向支路在每一工作周期保持所述开关单元(50)约100μs的时间段；和/或d)所述处理单元(30)被编程使得报警单元(40)在整个所述线路核查异常工作模式期间，不管工作周期的什么时刻都保持连续被激励，通过信号发送线路状态。
全文摘要
本发明公开了一种电线保护装置，其包括处理单元；电源单元；电压测量单元；报警单元；和开关单元，交替将线路本身的电源通过主分支(包括其他部件)或支路传送。以及本发明公开了一种通过本发明的装置保护电线的方法，其包括正常工作模式安全元件处于完好状态，保护装置不工作；边界异常工作模式流经安全元件的强度超过警戒阈值，保护装置以信号通知该状况；线路核查异常工作模式安全元件故障之后，全部电流流经保护装置，保护装置检测、分析、以信号通知该状况。
文档编号H02H3/06GK1998119SQ200580009093
公开日2007年7月11日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年3月22日
发明者何塞·路易斯·迪亚斯梅西亚, 赫苏斯·安赫尔·加西亚 申请人:克雷德克有限责任公司