提高跳闸强度的过流保护电路 本发明与电路过流保护相关。
PTC电路保护装置众所周知。此装置与载荷串联，在通常的工作条件下处于低温、低电阻状态。然而如果流经PTC器件的电流过量增加，并且/或者PTC器件周围的室温过度上升，并且/或者正常的工作电流维持的时间超出了正常的工作时间，PTC器件就会“自动跳闸”，即转换到高温、高电阻状态从而大幅度的减少电流。通常情况下，即使电流和/或温度恢复至正常值，PTC器件也会保持自动跳闸状态，直至电源切断并被冷却。特别有效的PTC器件包含一个由PTC导电聚合物组成的PTC元件，即包括(1)有机聚合物，和(2)一个分散或者扩散在聚合物中的颗粒导电填充物最好是碳黑的组合物。带有以上物质的PTC导电聚合物及装置例如在美国专利代号为如下地4237441，4238812，4315237，4317027，4426633，4545926，4689475，4724417，4774024，4780598，4800253，4845838，4857880，4859836，4907340，4924074，4935156，4967176，5049850，5089801以及5378407的专利中有所描述，这些专利的内容在此引入以作参考。
保护装置在已知的使用中存在的局限是如果过电流相对较小，如仅为正常电路电流的几倍时，则保护装置将会耗用较长的时间才能把PTC器件转换至跳闸状态。美国专利号为5666254，对应的PCT号为WO 97/10635的专利公布的过电流保护系统，会对引起载荷两端电压降低，如载荷两端部分或全部短路的过电流迅速反应，尤其适合在产生了导致相对较小过电流的故障时保护电路。在该系统中，控制元件与载荷并联。当载荷两端的电压降低时，控制元件两端的电压也下降。控制元件用于与和载荷串联的电路中断元件连接的目的在于：当控制元件两端的电压降低时，电路中断元件会从相对导电状态转换至相对非导电状态(包括完全断开状态)。该系统还包括一个与电路中断元件并联的旁路元件。之所以要用此旁路元件的目的在于在电路接通时就让电流流经电路，给控制元件通电，然后将电路中断元件转换至相对导电状态。但是旁路元件必须满足若故障引起电路中断元件转换至相对非导电状态，则通过旁路元件的合成电流能将旁路元件转为高阻抗状态，从而保证控制元件两端的电压能低得足以维持电路中断元件处于相对非导电状态。
在较受欢迎的美国专利号为5666254而相应的PCT号为WO97/10635所公开的发明装置中，电路中断元件是一组常开的继电器触点，控制元件是一个继电器线圈，该线圈能在通电时闭合继电器触点，断电时断开触点；旁路元件是PTC器件，尤以聚合态的PTC器件为最佳。在电路正常工作时，继电器线圈通电从而闭合触点。如果电压不足，则继电器线圈断电断开触点。电流分流到PTC器件上，该设备跳到高电阻状态。PTC器件与机械触点相结合可容许使用只在电压基本上小于正常电路电压时为切断过电流之用的触点。此结合还容许使用在电流基本上小于正常电流值时跳闸的PTC器件。
但当继电器触点断开且PTC器件处于高电阻状态时，PTC器件必须承受电源电压直至继电器复位为止，例如通过再循环(recycling)电源的方式。在一些电路应用中，这将影响PTC的跳闸强度，即该装置在高电阻高温态超时情况下的稳定性。因此，有必要提供一种既可消除PTC上的电源电压，又可同时保持电路保护装置处于故障状态从而继续保护载荷的装置。
现在我们发现了一种新的过电流保护系统，该系统能迅速的对引起载荷两端电压降低例如载荷部分或全部短路的过电流产生反应，也保持了保护系统中所用PTC器件的跳闸强度。新系统通过消除PTC上的电源电压并保持电路保护装置处于故障状态的方式保持PTC器件的跳闸强度，从而继续保护载荷。以上效果是通过使用有两条并联旁路线路的旁路元件达到的。
在新系统中，控制元件与载荷并联。当载荷两端的电压降低时，控制元件两端的电压也将降低。控制元件特与电路中断元件连接，该中断元件和旁路元件并联，该并联组又与由控制元件和载荷组成的并联组串联。当控制元件两端的电压降低时，电路中断元件将会由相对导电状态变为相对非导电状态(包括完全断开状态)。
旁路元件有两条并联线路。当电路中断元件变为相对非导电状态时，电流分流到旁路元件上，几乎所有电流都流经第一旁路线路。与第一旁路线路耦合的PTC器件初始时处于低阻抗状态。电流经由第一旁路分流，相应地PTC器件的电阻增加，从而将电流分流到第二旁路线路上。在第二旁路线路中的旁路传感器，如继电器线圈或分压器，测试着旁路元件两端的电压值。当旁路元件两端的电压达到预设值时，旁路传感器启动与PTC器件串联的旁路开关，例如继电器触点或场效应晶体管，从闭合或将闭路态调至断开或断路态。旁路传感器的阻抗足够高，足以保证只要持续供电，仅有非常低的电流可以流过旁路传感器，从而保证旁路开关处在断开或断路状态，但还可以让微量电流通过载荷。这样可以允许极少的(或趋于零的)电流通过PTC器件，还可将电源电压加到旁路传感器和旁路开关两端，从而让PTC器件回到它的低阻抗状态。这样连接旁路元件的目的是如果发生故障引起电路中断元件转换到相对非导电状态，则流经旁路元件的合成电流能将该元件改变，以达到让控制元件两端的电压保持在低得足以让电路中断元件处于相对非导电状态的值的目的。
旁路元件的附加用途是当电路刚接通时能让电流流到电路，给控制元件通电，然后再将电路中断元件转换到相对导电状态。
在一优选方面，本发明提供了一个电气系统，此系统能连接在电源和电载荷之间形成工作电路，这样连接可保护电路免受过流破坏，该系统包括：
a.一个在工作电路里与载荷并联的控制元件；以及
b.一个电路中断元件，一个旁路元件，它们在工作电路中并联，电路中断元件和旁路元件组成的并联组与由电载荷和控制元件组成的并联组串联连接；其中，
i.电路中断元件有：
(1)闭合态，可允许INORMAL通过电路中断元件，和
(2)断开态，可允许最多减少到基本上小于正常电流INORMAL通过电路中断元件；
ii.控制元件
(1)当控制元件两端为正常电压VNORMAL时为导通状态，控制元件两端电压降至或低于VFAULT时为截止状态，和
(2)特别与电路中断元件连接，使得当控制元件导通时电路中断元件处于闭合态，而当控制元件截止时电路中断元件处于断开态；
iii.旁路元件
(1)包括第一旁路线路和与之并联的第二旁路线路；和
(2)有启动态，如果电路中断元件断开且通过旁路元件的电流为正常值INORMAL时，几乎所有流经旁路元件的电流都经第一旁路线路通过，并且控制元件两端的电压大于VFAULT，和
(3)制动态，如果因控制元件两端的电压降至或低于故障电压VFAULT而导致电路中断元件断开，那么几乎所有流经旁路元件的电流都经第二旁路线路通过，而且通过旁路元件的电流可保证控制元件两端的电压维持在等于或小于故障电压值VFAULT。
在本发明的优选实施例中，电路中断元件是第一组常开的继电器触点，控制元件是第一继电器线圈，该线圈在通电时闭合第一组继电器触点，断电时让第一组断电继电器断开。第一旁路线路是一组PTC器件与第二组常闭继电器触点的串联组，第二旁路线路是第二继电器线圈，该线圈通电时断开第二组继电器触点，断电时闭合第二组继电器触点。万一过电流引起第一继电器线圈两端的电压下降，第一继电器线圈断电让第一组继电器触点断开，从而将电流分流到第一和第二旁路线路组成的并联组上。在低阻抗状态，PTC器件的阻抗基本上小于第二继电器线圈的阻抗。因此，几乎所有被分流的电流都流经包括PTC器件的第一旁路线路。若电流加大，相应地PTC器件的温度升高，阻抗增大，从而将电流分流到第二旁路线路上去，即第二继电器线圈上。第二继电器线圈通电从而断开第二组触点并阻止电流通过PTC器件，PTC器件冷却并恢复到低阻抗的状态。只要持续供电，而且引起过电流的条件存在，就会有少量电流继续流经第二继电器线圈，从而保持给第二继电器线圈通电并让第二组触点断开。几乎所有施加的电源电压都似乎加在了第二继电器线圈和第二组继电器触点两端，PTC器件两端的电压很小或者为零。
在另一优选实施例中，两个继电器线圈均被分压器取代，两组继电器触点也都被场效应晶体管(FET)所代替。分压器的输出端与相应的场效应晶体管(FET)的控制极连接。保护系统的工作情况基本与以上的描述相同，主要的区别在于在截止状态时，两个场效应晶体管(FET)可以允许少量的漏泄电流通过。
这两个优选实施例都能对引起载荷两端电压减少的过电流迅速反应。两个实施例都通过去除PTC的源电压的方式维持PTC器件的跳闸强度，同时也可在出故障时保持电路保护的连接方式，从而达到继续保护载荷的目的。固态连接较之继电连接的优势在于可选择分压器以显示比继电器线圈高得多的电阻，因而消耗比继电器线圈少得多的电量。固态连接的其它潜在优势是寿命更长，成本更低，尺寸更小。
本发明在附图中有说明，其中类似的部件它们出现的每张图中使用的参考代号一致。在这些图中：
图1是美国专利号为5666254和WO97/10635的图1之改进版。改动是旁路元件106含有两条旁路线路105和107。图1所绘的五个工作元件是电源102，控制元件104，旁路元件106，中断元件108以及载荷112。电源102对电路供电，载荷112完成电路设计的目的。控制元件104，中断元件108和旁路元件106共同完成过电流保护的目的。
图2与美国专利号为5666254和WO97/10635的图2相同。图中显示了电路20，该电路包含电源12，电源阻抗13，开关15，载荷8，和过电流保护系统10。过电流保护系统10包括常开的第一组继电器触点2，与继电器触点并联的PTC器件4，和与载荷8并联的电压感应第一继电器线圈6。在正常的工作状态下，当闭合开关15来连接电源12时，第一组继电器触点2初始为断开状态，但通过电流流经PTC器件4而给第一继电器线圈通电，从而闭合了第一组继电器触点2。在第一组继电器触点2闭合时，PTC器件4停止传送正常的电路电流。如果是在载荷8处出了故障，那么电路20中的电流会增加，载荷8两端及第一继电器线圈6两端的电压都将降低，引起第一继电器线圈6断电，第一组继电器触点2将断开。过流然后流经PTC器件4，该装置将会跳至其高电阻状态，并将电流降至安全值。
在图2的电路中，第一继电器线圈6的作用与(图1中的)控制元件104相同，第一组继电器触点2的功用同中断元件108一样，PTC器件4起美国专利申请号为08/564457号专利的图1中的旁路元件102的作用。
和第一组继电器触点2并联的PTC器件4允许采用第一组继电器触点，这些触点能承载正常电路电流，还可当电压低于使用的正常电压时切断最大的过电流。当PTC器件4处于低电阻RPTC LOW状态且载荷8短路最大过流Imax overcurrent通过电路20时，第一组继电器触点2就设在电压低于RPTCLOW×Imax overcurrent时切断最大过流Imax overcurrent。
图3显示的是本发明的电路保护装置的实施例。图3中显示的电路40与图2中的电路20类似。图3中的保护系统30与图2中的保护系统10的区别在于(图1中的)旁路元件106是由两条而非一条电路组成。第一旁路线路105(图1)包括与第二组继电器触点17串联的PTC器件4，而第二旁路电路107(图1)包括电压敏感的第二继电器线圈19，而此线圈19与第二组继电器触点连接。
在正常的工作状态下，当闭合开关15连通电源12时，第一组继电器触点2初始时断开，第二组继点触点17初始时闭合。当电流流经第二组继电器触点17和PTC器件4(即第一条旁路线路105(图1))时，第一继电器线圈6通电，从而闭合第一组继电器触点2。当第一组继电器触点2闭合时，几乎所有的电路电流都通过第一组继电器触点2。如果在载荷8处发生故障，则电路40中的电流增加，载荷8和第一继电器线圈6两端的电压降低，从而使第一继电器线圈6断电并断开第一组继电器触点2。过流将流过第二组继电器触点17和PTC器件4。PTC器件4跳到其高电阻状态，从而将电流分流到第二旁路107(图1)中的第二继电器线圈19上。第二继电器线圈19通电断开第二组继电器触点17，从而断开第一旁路线路105(图1)并从PTC器件上分去电流。第二继电器线圈19的阻抗大的足以保持电路40中的电流小至保护载荷8，同时仍将保持第一继电器线圈6为断路状态。
在图2和图3所示的过电流保护装置10，30中，第一继电器线圈6在正常工作状态时持续供电，因此不断的从电源12处获取电能。与图2中的电路的固态替换如图4中的电路60所示。此电路就是美国专利号为5666254和WO97/10635的专利中图5所示电路。固态系统50中使用的不是图2中的继电器线圈6和继电器触点2，而是包括固态开关，如与电路60连接的第一场效应晶体管(FET)14，同时第一场效应晶体管(FET)14的控制极连接到第一分压器22上。第一分压器22包括串联的电阻16，18，这两个电阻又和载荷8并联，并同第一FET的控制极耦合。固态装置50的的作用方式基本同于图2中的过电流保护装置20。电路启动的时候，开始时第一FET截止直至电流流经PTC器件4令载荷8和第一分压器22两端产生电压。第一FET14控制极上产生的电压使第一FET14导通，从而让电流在电路60中流动。如果载荷8处出现短路或其他的故障，则造成的分压器22两端的低电压会使第一FET14截止。然后电流分流至PTC器件4上，它会跳到高电阻状态。第一FET14和PTC器件4的组合会减少第一FET14的开关能量，可以使用较小的FET。
图5所示的是本发明电路保护装置的第二实施例。图5中的电路80包括与图3所示电路40里的保护系统30类似的第一和第二旁路线路105，107(图1)，但它使用的是类似图2电路60中的保护系统50的固态器件，如FET。在图5的保护系统70中，第一旁路线路105(图1)包含与第二FET24并联的PTC器件4，第二旁路线路107(图1)包括第二分压器32，该分压器包括电阻26，28的串联组与第二FET24和PTC器件4的串联组并联而成的结构。第二分压器32与第二FET24的控制极连接。第二FET24可能是P沟道结型连FET(JFET)，或者是其他通常为导通状态的装置。
正常的工作状态时，当关闭开关15连通电源12时，第一FET14开始时截止而第二FET24导通。电流流经第二FET24和PTC器件4(即第一旁路线路105(图1))给分压器22通电。第一FET14的控制极的电压足以使第一FET14导通。随着第一FET14导通，基本上所有的电流都流经第一FET14。如果载荷8处产生了故障，则电路80中的电流增加，载荷8和第一分压器22两端的电压降低，从而使第一FET14截止。过流然后通过第二FET24和PTC器件4。PTC器件4跳到它的高电阻状态，然后将电流分流到第二旁路线路107(图1)中的第二分压器32。第二分压器32两端增大了的电压将增加第二FET24控制极的电压并使第二FET24截止。包括PTC器件4的第一旁路线路105(图1)中的电流，进一步降低到第二FET24截止状态的漏电流。第二分压器32的阻抗高得足以让电路70中电流低到保护载荷8，从而让第一FET14截止。
在图5所示的固态保护系统70中，其他的电路装置可用于代替第一和第二分压器22，32。例如，可能使用包含齐纳稳压二极管或其他电压调节或箝压器件的装置。
固态的过流保护系统70相对继电过流保护系统30的优势在于包括第一分压器22的电阻16，18的值可选择，以提供比第一继电器线圈6的阻抗高得多的阻抗，从而在正常工作状态时比包括第一继电器线圈6的装置消耗少得多的功率。固态装置70的潜在优势是寿命更长，成本更低，体积更小。其他固态开关器件如双极晶体管，三端双向可控硅开关，和硅控制整流器可被用于代替FET。也会使用混合组，如用于控制元件104和中断元件108的固态装置和用在旁路元件106中的继电器装置，或是相反，如用于控制元件104和中断元件108的继电器装置和用在旁路元件106中的固态电路组合。
上文对本发明的详细说明包括的一些段落主要或全部与本发明的具体部件或方面相关。需要理解的是这样做是为了清楚方便，具体的特征有可能不仅仅出现在说明它的段落中，这里的说明包括在不同段落中出现的信息的适当组合。类似的，尽管这里的各种图和说明与该发明的具体实施例相关，应该理解的是结合具体的图说明特定的特征，这样的特征还可被适当的用于另一图的内容中，也可与其他的特征组合或总的来说用于本发明。