專利名稱：過壓保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過壓保護(hù)電路，更準(zhǔn)確地說，涉及一種具有增強(qiáng)故障控制能力的、經(jīng)過改進(jìn)的過壓保護(hù)電路。
現(xiàn)有許多熟知的保護(hù)電子設(shè)備以防過壓或過流的裝置。在許多情況下，保護(hù)方法同時保證設(shè)備使用者的人身安全是必要的或是所希望的。有些保護(hù)器件，如保險絲和電路斷路器，主要用于電路的過流，另外還設(shè)計了一些其它器件，用來限制過壓時的故障電流，例如，可熔斷電阻器和正溫度系數(shù)(PTC)的熱敏電阻器。PTC熱敏電阻器在電源和設(shè)備中作為浪涌電流調(diào)節(jié)器也有廣泛的應(yīng)用。第三類限流器是通過迫使過載電流流過受控通路而把過壓鉗位到安全電平，這類例子是齊納二極管、氣體放電器件和金屬氧化物變阻器(MOV)。美國通用電氣公司半導(dǎo)體產(chǎn)品部發(fā)表的《瞬時電壓抑制》(TransientVoltageSuppression)(手冊)(1986年第5版)和MurataErieNorthAmerica，Inc.發(fā)表的《正溫度系數(shù)熱敏電阻》(Posistor)(熱敏電阻手冊)(1986年目錄No.R14E-1)中圖示并描述了這些先有的過壓保護(hù)器件的實例。
所有這些保護(hù)器件都有能量限制。在保險絲、電路斷路器的場合下，爆炸損壞也許是由過壓和過流一并造成的。類似地，電壓限制器件，如果遭受極大的過電流，或是爆炸或是把電路短路。
某些類型的，在或許小于1伏安的低能量級上正常工作的系統(tǒng)也會遭遇包含幾個千伏安的過載情況。這樣的一個系統(tǒng)是易受到雷擊或電源交擾的普通電話線。另一個例子是用萬用表測量電壓，這種情況下，無論是事故性的錯誤測量，還是內(nèi)部故障都會引起爆炸損壞。這些例子的每種最壞情況是過載能量是如此之大，以致于從物理尺寸或(和)經(jīng)濟(jì)上考慮，常規(guī)的熔斷都是不切實際的。在所有這些情況下，最佳的設(shè)計是常規(guī)過載下完全可恢復(fù)的(即，按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)的過載)。另外，對于最壞情況的故障(甚至保護(hù)器件失效的)，也應(yīng)使之對生命和財產(chǎn)的損害最小。
根據(jù)本發(fā)明，提供用于過壓保護(hù)的改進(jìn)電路或器件，它利用與電壓限制器(例如，金屬氧化物變阻器)能量承受極限相配合的PTC熱敏電阻的固有能量限制特性。PTC熱敏電阻同電壓限制器串聯(lián)連接，這種連接方式提供了多方面的優(yōu)越性。這樣，對于將引起串聯(lián)的保險絲或并聯(lián)的電壓限制器斷開或更槽的伴隨爆炸的損壞的過載情況，PTC熱敏電阻預(yù)定可完全恢復(fù)。根據(jù)本發(fā)明，通過把保護(hù)的焦點(diǎn)從可恢復(fù)性轉(zhuǎn)移到保護(hù)器件的非劇烈損失來處理這些極端的過壓情況。
由于利用消除熱敏電阻體兩端之間起弧的幾何形狀，使得熱敏電阻的故障模式比過載的保險絲或電阻的情況更可以預(yù)言。這種可預(yù)言的故障模式涉及由于熱應(yīng)力造成熱敏電阻體材料的分離。在故障時，降低了電路電流，增加了過載電流的安全的、非劇烈中斷的可能性。結(jié)合本發(fā)明，使用承受能量的MOV保證它也能從適度的過壓狀態(tài)完全恢復(fù)。本發(fā)明的電路允許用于極端過壓情況，此時，熱敏電阻提供的能量限制預(yù)防了MOV外殼的劇烈破裂。在大多數(shù)適度過載的情況下，新式電路中的熱敏電阻把它的表面溫度保持在限定的范圍內(nèi)，以防止熔化、或點(diǎn)燃絕緣材料，因而使火災(zāi)的危險性最小。在常用常規(guī)限流電阻的類似情況下，把溫度上升限制在安全的、無危險性的水平要困難得多。
因此、本發(fā)明的目的在于提供改進(jìn)了的過壓保護(hù)電路，該保護(hù)電路擴(kuò)展了在最極端的過載條件下的保護(hù)器件從過載狀態(tài)以及非劇烈損壞中完全恢復(fù)的范圍。
本發(fā)明的另一個目的在于提供用于使電路免于在輸入或電源電路上過壓的過壓保護(hù)器件，所述過壓保護(hù)器件包含變阻器裝置和熱敏電阻，變阻器裝置與要保護(hù)的電路相并聯(lián);熱敏電阻有正的電阻溫度特性，串聯(lián)連接在要保護(hù)的電路和輸入電路之間。
本發(fā)明的更進(jìn)一步的目的在于提供過壓保護(hù)電路，該保護(hù)電路有并聯(lián)在電路的金屬氧化物變阻器和串聯(lián)在要保護(hù)的電路與輸入電路之間的正的熱敏電阻。
參考下面的說明、權(quán)利要求和附圖，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將更容易清楚。附圖中

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的過載保護(hù)電路原理圖;
圖2A-2C是現(xiàn)有技術(shù)的電話線保護(hù)電路原理圖。
圖3是按照本發(fā)明構(gòu)成的過載保護(hù)電路原理圖。
參照圖1，圖中所示的是普通的熔融的MOV變阻器過壓保護(hù)電路。以10表示被保護(hù)的電路，MOV變阻器12和保險絲14與它相并聯(lián)。同時也示出線路保險絲16。
MOV變阻器是電壓相關(guān)的非線性器件，其電氣特性類似于背靠背的齊納二極管。當(dāng)變阻器受到瞬時高壓的作用時，其阻抗變化許多個量級，從接近開路變到高導(dǎo)通狀態(tài)，因而把瞬時高壓鉗位在安全的電平上。輸入的瞬時脈沖的潛在破壞能量被變阻器吸收，因此保護(hù)了被保護(hù)電路中易損壞的電路元件。雖然變阻器是結(jié)實的，但是，它們受到超過其峰值電流和能量的額定值的電沖擊時，在短路狀態(tài)中一開始就損壞。當(dāng)它們工作在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其電壓額定值的穩(wěn)態(tài)電壓時，也會把電路短路。在所強(qiáng)調(diào)的后一種狀態(tài)下，由于熔化鉛焊料接頭，會導(dǎo)致器件的完全開路。當(dāng)器件在短路狀態(tài)中損壞時，變阻器的電流主要受制于電源阻抗。所以，會引入大量的能量，從而造成外殼的機(jī)械斷裂，并伴隨著外殼材料以固體和氣體的形式爆炸。
圖1的電路說明一種使這些潛在的變阻器危險性最小的普通方法，它是通過因保險絲熔斷而使變阻器斷路來限制大的故障電流的。保險絲的位置可以位于電路的配電線路中，或者與變阻器相串聯(lián)連接，如圖1所示。按照常規(guī)的實際情況，保險絲熔斷同變阻器的特性一致，以便把電流限制在變阻器外殼會發(fā)生損壞的電平以下。這種熔斷詳細(xì)描述于上文指出的《瞬時電壓抑制》手冊中。然而即使熔斷達(dá)到了它的預(yù)定目的，在保險絲斷開以保護(hù)變阻器的每一次過載狀態(tài)之后，也還有必要嚴(yán)格地置換。
在大功率的工業(yè)電路中，線路電流一般如此之大，以致拒絕考慮使用線路保險絲作為變阻器的保護(hù)，在變阻器發(fā)生故障的情況下，保險絲沒有拆除或開路，就會損壞變阻器。在小功率應(yīng)用中，只使用線路保險絲16才是可行的。使用線路保險絲16而不用保險絲14不會有保險絲電弧電壓加到電路兩端的問題。反過來說，單獨(dú)使用保險絲14，保險絲電弧電壓就疊加到變阻器電壓上，結(jié)果增加了瞬間鉗位電壓。因為某些保險絲的峰值電弧電壓可以超過兩倍的峰值工作電壓，所以保險絲的清潔對保護(hù)電平有顯著的影響。保險絲位置選擇的另一個因素是系統(tǒng)斷路的后果。保險絲位置16將引起電路斷路，而位置14則不會。當(dāng)保險絲14拆除，保護(hù)不再存在時，電路仍可繼續(xù)工作。為此，能夠監(jiān)視保險絲14的狀況。
參照圖2A、2B和2C，圖中表示出利用變阻器和電阻或保險絲保護(hù)電話系統(tǒng)電路的典型電路。參照圖2A-2C，所示的變阻器18-28用線路電阻或保險絲34和36，連接于塞尖和振鈴線30、32與地線之間。這種電路在上述的《瞬時電壓抑制》手冊中也有描述。與圖1相關(guān)的上述說明也可用于這些電路。
參照圖3，圖中表示出根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例構(gòu)成的過壓保護(hù)電路。該圖中，以38表示要保護(hù)的裝置，作為例子，它可以指定為含有被保護(hù)電路40的萬用表。一對MOV變阻器42和44串聯(lián)跨接在被保護(hù)電路40的兩端或兩輸入接點(diǎn)。另外，如果買得到的話，也可以使用電壓額定值相近的單個MOV變阻器。作為例子，可以從通用電氣公司得到適合的MOV，如列于上文提到的《瞬時電壓抑制》手冊中的MOV。
萬用表備有輸入端46和48，用以連接到電源電路。將端48連接到MOV44以及被保護(hù)電路40的一端或連接點(diǎn);將另一輸入端46通過PTC熱敏電阻50和電阻52連接到另一個MOV42以及被保護(hù)電路40的另一端或連接點(diǎn)。作為例子，可以從MurataErie得到適合的PTC熱敏電阻，如列于上述所指出的《熱敏電阻》手冊目錄中的。與熱敏電阻50相關(guān)的雜散電容示于幻象電路中54處。
作為說明實例，端46和48的輸入電壓可以是承受瞬時峰值電壓6000V的1000V工作電壓，可以選擇MOV42和48以提供1800V的極限值。電阻52可以是500Ω， 1/2 W的電阻，用來吸收通過雜散電容54耦合到被保護(hù)的電路40的快速瞬時電壓。PTC熱敏電阻54可以具有1500Ω的標(biāo)稱值。即，初始值。一般地說，PTC熱敏電阻把這個開始的電阻值保持恒定不變，直到一定的溫度。超過該溫度，電阻值突然增加，突然發(fā)生變化的這一點(diǎn)稱為居里點(diǎn)(Curie point)。
本發(fā)明的電路利用了PTC熱敏電阻同電壓限制器(例如MOV42和44)串聯(lián)連接時所固有的能量限制特征?；驹硎亲屚ㄟ^熱敏電阻的能量與電壓限制器MOV所承受的能量相協(xié)調(diào)。與圖1和圖2的現(xiàn)有技術(shù)保護(hù)電路相比較，本發(fā)明的電路優(yōu)點(diǎn)包括下面幾點(diǎn)1.可以把PTC熱敏電阻50設(shè)計成對會引起圖1和圖2中所示的保險絲和電阻開路或更槽的伴有保險絲爆炸的損壞的過載條件完全可以恢復(fù)的。因此，新式保護(hù)電路提供較寬范圍的可恢復(fù)保護(hù)。
2.對于極端過壓的情況，保護(hù)的焦點(diǎn)從可恢復(fù)性轉(zhuǎn)移到保護(hù)器件的非劇烈損壞。由于熱敏電阻的幾何形狀設(shè)計可消除熱敏電阻體兩端的起弧，所以，它的損壞狀態(tài)比過載的保險絲或電阻的情況更可預(yù)言。這種較好預(yù)言的損壞狀態(tài)涉及在熱應(yīng)力下熱敏電阻體材料的分離。由于在損壞時，電路電流降低，所以，增加了過載電流的安全的、非劇烈中斷的可能性。于是，這種新式電路保證了比較安全和更可控的破壞性損壞。
3.通過選擇合適的能量承受額定值的MOV器件，也能使之從適度的過載條件中完全恢復(fù)。這樣的MOV器件可以含有一個或多個串聯(lián)的MOV，由MOV的電壓額定值和所考慮電路的電壓參考而定。這種構(gòu)形中熱敏電阻器件提供的能量限制可預(yù)防劇烈的MOV外殼破裂。對于這樣一種極端狀況，MOV損壞不僅是可以接受的，而且也是所希望的，因為它是通過內(nèi)部短路而不是外殼破裂受到損壞。本發(fā)明的電路提供了這種保護(hù)。
4.在適度過載的某些條件下，熱敏電阻50將把它的表面溫度保持在極限溫度以內(nèi)，該極限溫度既防止熔化又防止點(diǎn)燃絕緣材料，因此，使得火災(zāi)的危險性最小。在類似的條件下，用普通電阻限流，把溫度上升限制到安全、無危險性的水平要困難得多。
5.在一次過載以后，保險絲或可熔斷電阻總是要求進(jìn)行嚴(yán)格的更換，可以預(yù)先采取措施加以防止的不恰當(dāng)?shù)母鼡Q，在接著發(fā)生的過載期間會導(dǎo)致危險的損壞。熱敏電阻、MOV組合的可恢復(fù)特性取消了例行過載后元件更換的要求。
雖然已經(jīng)詳細(xì)地說明并圖示了本發(fā)明，但還要弄明白，上述情況是作為圖解說明和實例，并不是作為限制，本發(fā)明的實質(zhì)和范圍僅受所附各項權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種其電源輸入端適合于連接到電源接線端的過壓保護(hù)電路，其特征在于包括連接到所述電源輸入端的要保護(hù)的電路；跨接于所述電源輸入端的變阻器裝置；具有正電阻溫度特性、連接于所述輸入端之一和所述電源接線端之一之間的熱敏電阻裝置。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述變阻器裝置含有金屬氧化物變阻器。
3.按照權(quán)利要求2的裝置，其特征在于所述熱敏電阻裝置含有正的熱敏電阻。
4.按照權(quán)利要求3的裝置，其特征在于包括連接于所述熱敏電阻和所述輸入端之間的電阻裝置。
5.一種適合于連接到電源電路的過壓保護(hù)電路，其特征在于包括要保護(hù)的電路;跨接于所述被保護(hù)電路的變阻器裝置;以及具有正電阻溫度特性、串聯(lián)連接在所述要保護(hù)的電路和所述電源電路之間的熱敏電阻裝置。
6.按照權(quán)利要求5的裝置，其特征在于所述變阻器裝置含有金屬氧化物變阻器。
7.按照權(quán)利要求6的裝置，其特征在于，所述熱敏電阻裝置含有正的熱敏電阻。
8.按照權(quán)利要求7的裝置，其特征在于包括連接于所述熱敏電阻和所述要保護(hù)的電路之間的電阻裝置。
9.一種使待保護(hù)的電路免于在其輸入電路上過壓的過壓保護(hù)裝置，其特征在于包括跨接在所述要保護(hù)電路兩端的變阻器裝置和熱敏電阻裝置，所述熱敏電阻裝置具有正的電阻溫度特性，并串聯(lián)連接在所述要保護(hù)的電路和所述輸入電路之間。
10.按照權(quán)利要求9的裝置，其特征在于，所述變阻器裝置含有金屬氧化物變阻器。
11.按照權(quán)利要求10的裝置，其特征在于，所述熱敏電阻裝置含有正的熱敏電阻。
12.按照權(quán)利要求11的裝置，其特征在于包括連接在所述熱敏電阻和所述要保護(hù)的電路之間的電阻裝置。
全文摘要
保護(hù)要保護(hù)的電路免于過壓的過壓保護(hù)電路，它含有連接在要保護(hù)電路兩端的金屬氧化物變阻器和串聯(lián)在要保護(hù)電路和輸入或電源電路之間的正的熱敏電阻。
文檔編號H02H9/02GK1039934SQ89106230
公開日1990年2月21日 申請日期1989年7月24日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月25日
發(fā)明者理查德·埃墨森·喬治, 沃特·弗朗西斯·哈特 申請人:約翰弗蘭克制造公司