相间浪涌保护装置的制作方法

本申请是申请号为201680039886.8、发明名称为“相间浪涌保护装置”、申请日为2016年5月6日的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用本申请要求2015年5月6号提交的题为“Phase-To-Phase Surge Protective Devices”的共同未决的美国临时申请号62/157,907的优先权，该申请在此通过引用整体被并入本申请中。

背景技术：

技术领域

本公开通常涉及浪涌保护装置领域。更具体地，本公开涉及具有多模浪涌保护且具有指示浪涌保护装置的运行状态的一个或多个指示器的浪涌保护装置。

相关技术

在AC电源电路中，共模瞬态浪涌倾向于由诸如闪电的外部事件生成，且差模瞬态浪涌倾向于由诸如开灯和关灯的切换或切换电源的内部电路事件生成。参考图1，共模瞬态浪涌是同时提高在线路(或热)线和地线之间以及在中性线和地线之间的电压的电压瞬变。差模瞬态浪涌是其中电压瞬变出现在线路线和中性线之间的一个浪涌。共模浪涌和差模浪涌可能对连接到AC电源电路的负载产生负面影响。为了最小化浪涌可能具有的负面影响，浪涌保护装置被配置以防止电压浪涌到达连接到AC电源电路的负载。然而，当电流浪涌保护器达到寿命结束状态时，即使浪涌保护器可能不再运行但电源仍然可能用于负载。

技术实现要素：

本公开提供了一种具有热线、负载线、中性线和地线的浪涌保护器。该浪涌保护器具有耦合在热线和负载线之间的熔断器以保护负载免受电流浪涌的影响。差模保护电路被耦合在负载线和中性线之间以保护负载免受差模瞬态电压浪涌的影响。共模保护电路被耦合到负载线、中性线和地线以保护负载免受共模瞬态电压浪涌的影响。指示器电路监控差模保护电路和共模保护电路以提供关于浪涌保护器的运行状态的指示。

在根据本公开的浪涌保护器的一个实施例中，该熔断器被耦合在热线和负载线之间，该差模保护电路被耦合在负载线和中性线之间，且该共模保护电路被耦合到负载线、中性线和地线。指示器电路至少被耦合在负载线和中性线之间，且能够指示浪涌保护器的运行状态。在一个实施例中，指示器电路具有实质上为DC的电源，和被配置成当浪涌保护器运行时激活的指示器。可替换地，该指示器可以被配置成当浪涌保护器不运行时激活。指示器优选地是目视指示器，然而，可以使用其它指示器，诸如可听指示器。目视指示器可以是光源，诸如发光二极管。

在一个实施例中，该差模保护电路包括耦合在负载线和中性线之间的至少一个浪涌抑制器。该至少一个浪涌抑制器可以是变阻器，诸如金属氧化物变阻器。并且，共模保护电路包括耦合在负载线和地线之间的至少一个浪涌抑制器，和耦合在中性线和地线之间的至少一个浪涌抑制器。在一个实施例中，该至少一个浪涌抑制器可以是变阻器，诸如金属氧化物变阻器。在另一个实施例中，该至少一个浪涌抑制器可以是气体放电抑制器，诸如气体放电管。优选地，该共模保护电路包括三个浪涌抑制器，其中第一浪涌抑制器被耦合在地线和中间节点之间，第二浪涌抑制器被耦合在负载线和中间节点之间，且第三浪涌抑制器被耦合在中性线和中间节点之间。

在根据本公开的浪涌保护器的另一个实施例中，该熔断器被耦合在热线和负载线之间，该差模保护电路具有耦合在负载线和中性线之间的至少一个浪涌抑制器，且该共模保护电路被耦合到负载线、中性线和地线。在这个实施例中，该共模保护电路包括耦合在地线和中间节点之间的第一浪涌抑制器，耦合在负载线和中间节点之间的第二浪涌抑制器，和耦合在中性线和中间节点之间的第三浪涌抑制器。

本公开还提供了浪涌保护装置。在一个实施例中，该浪涌保护装置包括外壳、热线、负载线、中性线和地线、耦合在热线和负载线之间的熔断器、耦合在负载线和中性线之间的差模保护电路，和耦合到负载线、中性线和地线的共模保护电路。指示器电路可以至少被耦合在负载线和中性线之间，且能够指示浪涌保护装置的运行状态。

附图说明

该图仅用于说明的目的而描述实施例。本领域的技术人员将从下面的描述中容易意识到在此图示的结构的可替换实施例在不脱离在此描述的原理的情况下可以被采用，其中：

图1是AC电源线且说明线上的差模瞬态浪涌和共模瞬态浪涌的概图表示；

图2是根据本公开的浪涌保护装置的示例性实施例的概图说明；

图3是根据本公开的浪涌保护装置的另一示例性实施例的概图说明；

图4是根据本公开的浪涌保护装置的另一示例性实施例的概图说明；

图5是用于根据本公开的浪涌保护电路的示例性实施例的电路图；

图6A是用于根据本公开的浪涌保护电路的另一示例性实施例的电路图；

图6B是用于根据本公开的浪涌保护电路的另一示例性实施例的电路图；

图7是用于根据本公开的说明了作为开关的光耦合固态继电器的浪涌保护电路的另一示例性实施例的电路图；

图8是用于根据本公开的说明了作为开关的光耦合器的浪涌保护电路的另一示例性实施例的电路图；

图9是用于根据本公开的浪涌保护电路的另一示例性实施例的电路图；且

图10是用于根据本公开的浪涌保护电路的另一示例性实施例的电路图；

具体实施方式

以下描述和附图是说明性的且不被解释为限制性的。许多具体细节被描述以提供本公开的彻底理解。然而，在某些情况下，众所周知或常规的细节没有被描述以避免使描述模糊不清。

在此说明书中参考“一个实施例”、“实施例”等意思是结合实施例描述的特定特征、结构、特点、优点或好处可以被包括在本公开的至少一个实施例中，但可能不被其它实施例所展示。在说明书的不同位置中的短语“在一个实施例中”的出现未必是全部参考相同的实施例，也不是其它实施例的相互排斥的单独或可替换的实施例。同样地，描述了各种要求，该要求可能是对于某些实施例的要求但不是对于其它实施例。该说明书和附图被认为是说明性意义而不是限制性意义。在不脱离权利要求书中如前所述的精神和范围的情况下可以对其做出各种修改。

参考图2，示出了根据本公开的浪涌保护装置10的示例性实施例。在这个示例性实施例中，该浪涌保护装置10包括外壳20和将电气连接提供到放置在外壳20内的浪涌保护电路的一组电气连接22、24、26和28。示出的外壳20是圆柱形的外壳，然而，该外壳可以实现为多种形状和尺寸以在期望的环境中适用。例如，该外壳可以是矩形的或是正方形的形状。示出的电气连接是端子电线，其中电线22是热连接点，电线24是负载连接点，电线26是中性连接点，且电线28是地连接点。然而，该电气连接可以是任何常规类型的端子连接，诸如端子接线片或固定螺丝。

参考图3，示出了根据本公开的浪涌保护装置30的另一示例性实施例。在这个示例性实施例中，该浪涌保护装置30包括外壳32，将电气连接提供到放置在外壳30内的浪涌保护电路的一组电气连接34、36、38和40，和指示器42。类似于图2的实施例，示出的外壳30是圆柱形的外壳，然而，该外壳可以具有多种形状和尺寸以在期望的环境中适用。例如，该外壳可以是矩形的或是正方形的形状。示出的电气连接是端子电线，其中电线34是热连接点，电线36是负载连接点，电线38是中性连接点，且电线40是地连接点。然而，电气连接可以是任何常规类型的端子连接，诸如端子接线片或固定螺丝。

参考图4，示出了根据本公开的浪涌保护装置50的另一示例性实施例。在这个示例性实施例中，该浪涌保护装置50包括外壳52，将电气连接提供到放置在外壳52内的浪涌保护电路的一组电气连接54、56、58和60，以及用于连接到遥示器64的一组电气连接62，如图4中虚线所示。如果浪涌保护装置50被安装在不容易检查的位置，则连接到遥示器64允许终端用户通过在更方便的位置处检查来确定浪涌保护装置50的运行状态。

类似于上述的实施例，示出的外壳50是圆柱形的外壳，然而，该外壳可以具有多种形状和尺寸以在期望的环境中适用。例如，该外壳可以是矩形的或是正方形的形状。示出的电气连接54、56、58和60是端子电线，其中电线54是热端子连接点，电线56是负载端子连接点，电线58是中性端子连接点，且电线60是地面端子连接点。然而，该电气连接可以是任何常规类型的端子连接，诸如端子接线片或固定螺丝。图4示出了作为电线端子连接的用于遥示器的一组电气连接62。然而，该电气连接62可以是任何常规类型的端子连接，诸如端子接线片或固定螺丝。可替换地，到遥示器的电气连接可以经由无线通信链路(其中浪涌保护装置经由已知的发送器电路(见图10))来传递信号以激活或停用遥示器。

参考图5，示出了可以被包括在浪涌保护装置10、30或50中的浪涌保护电路70的示例性实施例的电路图。在这个示例性实施例中，该浪涌保护器电路70具有熔断器110、差模保护电路120、共模保护电路130和指示器电路140。如图5所示，该熔断器110被连接在也被称为具有端子连接34的热线100的交流(AC)输入100和也被称为具有端子连接36的负载线102的AC输出102之间。熔断器110优选地被额定为其中使用浪涌保护器电路70的装置的额定负载的最大额定电流的2-3倍。例如，如果其中使用浪涌保护器电路的装置的AC额定负载在277VAC时是7安培，则熔断器110会被额定为大约14安培(2倍)和21安培(3倍)或大约在14安培(2倍)和21安培(3倍)之间。合适的熔断器110的示例是由Littlefuse公司制造的0328系列。在热线100上的浪涌事件可能导致暂时流经熔断器110的电流增加。如果通过熔断器110的电流超过熔断器的额定值，则熔断器熔断导致在热线100和负载线102之间开路，从而将连接到负载端子连接36和中性端子连接38的负载电隔离。这种电隔离保护负载免受AC电源中随后的电流畸变的影响。

差模保护电路120被耦合到负载线102和AC中性之间，AC中性也被称为具有中性端子连接38的中性线104。差模保护电路120是提供用于浪涌保护装置10、30或50的多模浪涌保护的电路中的一个电路。差模保护电路120被配置成吸收且耗散穿过负载线102和中性线104的差模瞬态电压浪涌。在图5示出的示例性实施例中，差模保护电路120包括耦合在负载线102和中性线104之间的瞬态抑制器122。在图5中示出的瞬态抑制器122是变阻器。虽然图5的示例性实施例示出了变阻器122作为提供差模浪涌保护的瞬态抑制器，但是其它瞬态抑制器和浪涌保护电路可以被用于提供差模浪涌保护。例如，瞬态抑制器可以是瞬态-电压-抑制二极管。

为了便于描述，瞬态抑制器122将会被描述为变阻器。优选地，变阻器122是当其失效也就是达到寿命结束状态时短路的变阻器，且优选地变阻器是金属氧化物变阻器(MOV)。在某一测试条件下，合适的金属氧化物变阻器的示例是具有大约445焦耳的最大额定能量、大约320伏特的最大额定工作电压、大约20K安培的最大额定电流、以及大约840伏特的最大击穿或钳位电压的金属氧化物变阻器。合适的金属氧化物变阻器的示例是由TDK/Epcos制造的SIOV S25K320E。当典型的AC电压(例如277VAC)被施加到其端子上时，金属氧化物变阻器具有高阻抗以使得金属氧化物变阻器表现为开路。然而，当瞬态电压浪涌在金属氧化物变阻器的端子上发生时，金属氧化物变阻器的高阻抗下降在其端子之间创建允许金属氧化物变阻器吸收且耗散瞬态能量的导电通路。因此，穿过负载线102和中性线104的差模瞬态浪涌导致变阻器122的阻抗充分地减小以允许电流在负载线102和中性线104之间流动，其中金属氧化物变阻器122吸收且耗散来自差模浪涌的能量。因此，连接到浪涌保护装置10、30或50的负载线端子36的负载被保护免受差模瞬态电压浪涌的影响。

如图5所示，该共模保护电路130被耦合在负载线102、中性线104和也被称为地线106的具有接地端子40的电气接地之间。共模保护电路130是提供用于浪涌保护装置的多模浪涌保护的电路中的另一个电路。优选地，共模保护电路130提供被配置成吸收且耗散在负载线102和/或中性线104上的共模瞬态电压浪涌的多级浪涌保护电路。在图5中示出的示例性实施例中，共模保护电路130包括耦合到负载线102和中间节点135之间的瞬态抑制器132、耦合到中性线104和中间节点135之间的瞬态抑制器134、以及耦合到中间节点135和地线106之间的瞬态抑制器136。图5中示出的瞬态抑制器132和134是变阻器，且瞬态抑制器136是气体放电抑制器。虽然图5的示例性实施例示出了提供共模浪涌保护的变阻器132和134和玻璃放电抑制器136，但是其它瞬态抑制器和浪涌保护电路可以被用于提供共模浪涌保护。例如，瞬态抑制器可以是瞬态-电压-抑制二极管，或与变阻器结合的瞬态-电压-抑制二极管，或与气体放电抑制器结合的瞬态-电压-抑制二极管，或与变阻器和气体放电抑制器结合的瞬态-电压-抑制二极管，或其任意结合。

为了便于描述，瞬态抑制器132和134将会被描述为变阻器，且瞬态抑制器136将会被描述为气体放电抑制器。如上所述，优选地，变阻器132和134是当其失效也就是达到寿命结束状态时短路的变阻器，且优选地变阻器是金属氧化物变阻器。优选地，气体放电抑制器136是具有大约470伏特的击穿电压、大约25K安培的最大浪涌额定电流的气体放电管。合适的气体放电抑制器的示例是气体放电管，诸如由TDK/Epcos制造的A81-A470X气体放电管。

如上所述，当典型的AC电压(例如277VAC)被施加到其端子上时，金属氧化物变阻器具有高阻抗以使得金属氧化物变阻器表现为开路。然而，当瞬态电压浪涌发生穿过金属氧化物变阻器的端子时，金属氧化物变阻器的高阻抗下降在其端子之间创建允许金属氧化物变阻器吸收且耗散瞬态能量的导电通路。应该注意的是，气体放电抑制器典型地具有定义明确的击穿电压。因此，在负载线102和地线106之间的共模瞬态电压浪涌导致金属氧化物变阻器132和气体放电管136的阻抗充分地减小以允许电流在负载线102和地线106之间流过，其中金属氧化物变阻器132和气体放电管136吸收且耗散来自共模瞬态电压浪涌的能量。此外，在中性线104和地线106之间的共模瞬态电压浪涌导致金属氧化物变阻器134和气体放电管136的阻抗充分地减小以允许电流在中性线104和地线106之间流过，其中金属氧化物变阻器134和气体放电管136吸收且耗散来自共模瞬态电压浪涌的能量。因此，连接到浪涌保护装置10、30或50的负载线端子连接36、中性线端子连接38和地面端子连接40的负载被保护免受共模浪涌的影响。

指示器电路140被耦合在负载线102和中性线104之间。该指示器电路140提供浪涌保护装置30或50的运行状态的指示。在图5示出的示例性实施例中，指示器电路140包括被耦合以接收穿过负载线102和中性线104的AC电源的整流器142，优选地为全桥式整流器。该整流器142生成穿过电阻器144和优选地为串联耦合的发光二极管的指示器42(另见图3)的脉冲DC电源。在此配置中，当电源在负载线102上时，发光二极管42照亮，该发光二极管42指示差模保护电路120和共模保护电路130是运行的，且因此浪涌保护装置30或50是运行的。如果熔断器110熔断，或如果差模保护电路120或共模保护电路130是不运行的，也就是任一电路故障导致短路，则指示器42将停止照亮以提供浪涌保护装置30或50是不运行的视觉指示。因此，终端用户可以检查浪涌保护装置30或50的指示器42以迅速地确定浪涌保护装置的运行状态。虽然图5的示例性实施例示出了目视指示器电路140，但是本领域的技术人员容易意识到可以使用其它指示器电路和其它指示器。例如，可听指示器可以与相应的电路部件一起使用以激活和停用可听指示器。可替换地，如图6A所示且也参考图4，除了指示器电路140被替换为指示器驱动电路148之外，浪涌保护电路80与浪涌保护电路70相似。该指示器驱动电路包括整流器142和电阻器144，且指示器驱动电路连接到电气连接62以远程激活和停用遥示器64，如图4所示。

参考图6B，示出了可以被包括在浪涌保护装置10、30或50中的浪涌保护电路85的另一示例性实施例的电路图。这个示例性实施例在相间应用中是适用的且在480VAC和其它VAC处是可运行的。浪涌保护电路85包括6个端子连接P1-P6。浪涌保护电路85具有耦合在来自AC输入AC L1In P1的第一热线和AC输出负载线AC L1Out P2之间的熔断器F1，和耦合在来自AC输入AC L2In P3的第二热线和AC输出负载线AC L2Out P4之间的附加熔断器F2。熔断器F2功能地邻近AC输入端子连接AC L2In P3，例如，熔断器F2被耦合在AC端子连接AC L2In P3和连接到其的其它图示的电路部件之间的AC线中。可选择地，熔断器F1和F2的一个或两个熔断器具有600VAC的额定值。合适的熔断器F1、F2的示例是来自著名的电路保护熔断器供应商Cooper Bussmann的熔断器零件#MDH-V-21-R。如图6B所示使用熔断器产生了这样的设计：其中来自任一相的浪涌会被考虑在内且被防范，该设计是有利的，这是因为在相间应用中的两相的切换是标准实践。此外，图6B的示例在相同电路板设计上提供了的相到中性线和相到相应用的组合。如图所示，P4可以充当AC输出AC L2Out或中性输入AC N In。在相位到中性应用中(例如，如图5中所示)，AC L1In P1连接到AC输入，AC L1Out P2可连接到负载，AC N In P4连接到中性线，P5连接到地；未使用P3和P6。在相位到相位应用中(如上所述)，AC L1In P1连接到第一AC输入，AC L2In P3连接到第二AC输入，AC L1Out P2可连接到负载，AC L2Out P4可连接到负载，P6连接到地；未使用P5。这里描述的浪涌保护电路的差模保护电路(其包括瞬态抑制器Z1)和共模保护电路(其在相位到中性应用中包括瞬态抑制器Z2、Z3和Z4，并且在相位到相位应用中包括瞬态抑制器Z2和Z3)和其它特征也被提供。

图6B中指示的各种部件Z1、Z2等对应于图5和图6A中的相同部件，但是额定值可以根据需要而改变以适应根据图6B获得的额定电压和电路修改。图6B也包括由例如D1、R1和Led1组成的指示器电路。

现在参考图7，示出了可以被包括在根据本公开的浪涌保护装置中的浪涌保护电路的另一示例性实施例的电路图。在这个实施例中，浪涌保护器电路90具有熔断器110，多模浪涌保护电路220和指示器电路240。在这个示例性实施例中，熔断器110被连接在热线100和负载线102之间。如上所注意的，熔断器110优选地被额定为其中使用浪涌保护器电路90的装置的额定负载的最大额定电流的2-3倍。例如，如果其中使用浪涌保护器电路的装置的AC额定负载在277VAC时为7安培，则熔断器110会被额定为大约14安培(2倍)和21安培(3倍)或大约在14安培(2倍)和21安培(3倍)之间。合适的熔断器110的示例是由Littlefuse公司制造的0328系列。在热线100上的浪涌事件可能导致暂时流经熔断器110的电流增加。如果通过熔断器110的电流超过熔断器的额定值，则熔断器熔断导致热线100和负载线102之间开路，从而将连接到负载端子连接36和中性端子连接38的负载电隔离。这种电隔离保护负载免受AC电源中随后的电流畸变的影响。

如图所示，该多模浪涌保护电路220被耦合在负载线102、中性线104和地线106之间。优选地，多模浪涌保护电路220包括如上所述且在图5中示出的差模保护电路120和共模保护电路130。然而，其它已知的浪涌保护电路可以被用来保护连接到负载端子连接36和中性端子连接38的负载免受瞬态电压浪涌的影响。

在这个示例性实施例中，指示器电路240包括指示器部分250和指示器控制部分270。该指示器部分250包括优选地为全桥式整流器的整流器252、优选地为发光二极管(LED)的指示器42(另见图3)、以及与指示器42串联的电阻器256。该指示器控制部分270包括优选地为全桥式整流器的整流器272、电容器274、延迟电路276、电阻器278和开关280。指示器电路240被耦合到热线100、负载线102和中性线104，且指示器42指示浪涌保护装置30或50的运行状态。优选地，延迟电路276包括电容器，且诸如电容器274和电容器276的电容的参数可以被选择以控制延迟的持续时间。然而，本领域的技术人员会容易意识到其它电路可以被用来提供延迟。开关280优选地为光耦合固态继电器，见图7。光耦合固态继电器的示例是由IXYS公司制造的PLA170。然而，本领域的技术人员会容易意识到可以使用其它开关类型，诸如见图8的其它光隔离器或固态继电器。

在这个实施例中，当AC电源第一次被应用到热端子连接34和中性端子连接38上时，AC电源通过熔断器110被应用到负载端子连接36，指示器部分250激活(如将在下面描述的)，且指示器控制部分270在一段时间内是无效的(如将在下面更详细描述的)。

继续参考图7，当电源第一次被应用穿过热端子连接34和中性端子连接38时，整流器252生成足以持续照亮指示器的脉冲DC输出258。同时，通过电容器274耦合到负载线102且耦合到中性线104的整流器272生成脉冲DC输出到延迟电路276和电阻器278中以驱动脉冲DC输出282到开关280的输入。该DC输出282增加到具有由延迟电路276导致的延迟的稳态值。当DC输出282正在增加到其稳态值时，开关280处于“断开”状态以使得穿过开关280的端子284的阻抗较高，且开关280是有效地开路。

在AC电源被应用到热线100之后的某一时间，例如，大约一秒或更少，到开关280的脉冲DC输出282达到其稳态(或高态)，导致开关280转换到“接通”状态以使得穿过端子284的阻抗较低，提供用于DC输出258的导电通路以绕过指示器42以使得指示器关闭。例如，这个时序可以通过修改延迟电路276的特征来延长。

在这个配置中，指示器42在AC电源被应用到热端子连接34和中性端子连接38之后立即打开，且指示器42在开关280接通之后关闭。来自当电源被应用到端子连接34和38时其中指示器42变为“打开”直到开关280变为“接通”的间隔提供指示器电路部分250和指示器控制部分是运行的视觉确认。

如果熔断器110熔断，或者如果多模浪涌保护电路220中的差模保护电路120或共模保护电路130没有运行(也就是任一电路出现故障导致短路因此熔断器110熔断)，则开关280会变为“断开”且指示器42会变为“关闭”来提供浪涌保护装置30不再运行的指示。因此，终端用户可以检查浪涌保护装置30的指示器42以快速地确定浪涌保护装置的运行状态。虽然图7的示例性实施例示出了目视指示器电路部分250，但是本领域的技术人员将会容易意识到可以使用其它指示器电路和其它指示器。例如，可听指示器可以与相应的电路部件一起使用以激活可听指示器。

图7的可替换的实施例在图8-10中被说明。除非另有说明，具有图8-10中的相同参考编号的部件与关于图7描述的部件相同。

可替换地，如图8所示且也参考图7，除了图7中指示器电路240的光耦合开关280被替换为光隔离器开关280之外，浪涌保护电路95与图7中浪涌保护电路90相似。在这个示例中，浪涌保护器电路95具有熔断器110、多模浪涌保护电路220和指示器电路240。指示器驱动电路包括整流器252和电阻器256，且指示器驱动电路连接到电气连接62以远程激活和停用遥示器64。

可替换地，如图9所示且也参考图7，除了图7中指示器电路240的指示器42被移除之外，浪涌保护电路96与图7中浪涌保护电路90相似。在这个示例中，浪涌保护器电路96具有熔断器110、多模浪涌保护电路220和指示器电路240。指示器驱动电路250包括整流器252和电阻器256，且指示器驱动电路250连接到电气连接62以远程激活和停用遥示器64。

可替换地，如图10所示且也参考图7，除了发送器被连接以增加指示器部分250来代替指示器42之外，浪涌保护电路97与图7中浪涌保护电路90相似，如图7所示。在这个示例中，浪涌保护器电路97具有熔断器110、多模浪涌保护电路220和指示器电路240。指示器驱动电路250包括整流器252和电阻器256。

前面的说明书参考特定的示例性实施例提供了描述。该说明书和附图被认为是说明性意义而不是限制性意义。在不脱离权利要求书中如前所述的精神和范围的情况下可以对其做出各种修改。