专利名称：电气高/低压自动断路设备和方法
技术领域：
一种设备，只要任意两线(L-N，L-G，N-G)之间的限制电压(continuous voltage)超过交流电的一个预定电压，就自动切断到一个电力中心的火线(L)和中线(N)连接，但不切断地线(G)连接，而当电压返回到允许电平时，再自动重新连接电力中心的输出。所述装置可以使用模拟或数字逻辑，并且可用于高达250伏(Vac)或更高的单相或多相电源。所述装置还检测供电电压，及如果供电电压小于一个预定电平时，阻止负载与电源的连接。
背景技术：
在电子设备的电力供应中使用电涌保护设备是电气技术领域中普遍采用的方法，这方面内容可以参见例如授予Packard等人的美国专利5,978,198。金属氧化物变阻器(MOV)常用于提供电涌保护。MOV一般被设计成在一个非常短的时间内吸收大量电功率，例如在一种电源线电涌情况下所出现的。然而，如果线电压超过对于MOV安全的额定值(典型值275V)长于一个比较短的时间，通常大约100毫秒(ms)，MOV很容易被损坏，并产生严重的后果。需要这样一种电路，该电路能用来检测不安全的电压或电流，并且当电压超过安全界限时，在MOV或其他部件被损坏以前，断开通过MOV系统的电源，当电压返回并稳定在一个安全范围时，能重新连接。还需要另一种电路，该电路能用来检测超出容差的低电压，并且当存在低电压的情况时，断开通过MOV系统的电源，当电压返回并稳定在一个安全范围时，能自动重新连接。
电气技术中另一个常见的问题是电源的错误连线，例如在连接普通家用电气插座时产生的错误。当普通家用电气插座配置成接收三线(L、N和G)插头时，在普通的家用电气插座中没有实体的阻碍物，用于防止电线被连接到错误端。对于致力于解决这种问题的设备，请参见例如授予Winch等人的美国专利6,040,969。因此，需要这样一种电涌保护装置，除了可以检测超出容差的电压外，还能检测不正确的连线，并能阻止电能传导到一个受保护的设备。
发明内容
为了易于理解本发明，本发明的以下说明将按照一种单相，额定120Vac的电路形式来介绍。本发明也适用于多相电路和额定电压高达240Vac的情况。根据是否可以获得具有适当容差的元件，用于更高的电压也是可能的。本发明适用于电涌保护装置及类似物，这些设备用于保护具有微电路元件的灵敏电子设备，例如计算机、音频和视频设备，免于出现诸如超出规定电压和电流的电涌等危险情况。本发明包括一种电路，其检测低输入电压和高输入电压，并且当从一个电源接收到异常的高或低电压时，在设备遭受电气损坏(例如熔断金属氧化物变阻器或保险丝)以前，启动至少一个继电器，来断开到一个受保护设备的火线和中线的电源接线。该检测电路和用于额定120Vac的单相电路的电源供应端，都能承受连续250Vrms(伏，均方根)或更高电压超过100毫秒(ms)。所述电路还被设计成能承受6千伏(kV)电涌而没有损坏。功率波动也可被检测和吸收。在超出容差电压的情况下，该设备并不断开地线(G)。本发明的装置持续监控输入电源，并且当电源输出可接受的电压一段时间时，一般为10到20秒，优选15秒，就自动重新连接负载。下面描述的模拟和数字典型实施例提供电涌保护，符合Underwriter’s Laboratory 1449 standard(美国保险人实验室1449标准)，包括L-N、L-G和N-G错误连线情况下，6kV 8×20毫秒@3000安培电涌测试，没有元件损坏。
参照以下附图，可以更全面地理解本发明，附图仅用作说明目的，其中相似的编号表示相似的元件。
图1是根据本发明的一种典型设备的结构图。
图2是根据本发明的用于典型设备的一种数字控制电路的逻辑图。
图3是图1的典型模拟设备的原理图。
图4是图1的典型数字设备的原理图。
具体实施例方式
为了容易地理解本发明，本发明的以下说明将按照一种单相、额定120Vac的电路来进行。本发明也适用于多相电路和额定电压高达240Vac的情况。根据能否得到具有适当容差的元件的情况，本发明用于更高的电压也是可能的。本发明是一种包含一个模拟电路的设备，所述模拟电路给任何连接到该设备的电子装置提供自动断路保护。本发明涉及模拟和数字两种控制电路。该设备包括具有一个插头1的接线绳(cord，软线)，用于连接到一个交流(AC)电源，例如一个普通的家用电气插座。可选择地，该设备也能硬连线到另一个设备机架这样的更大的装置或另一个电气装置。该设备可以包含单个的插座5，用于承接受保护的电子装置的插头，或可选择地，该受保护装置可以是硬连线到本发明的设备的其它电子元件。
以下典型的模拟和数字实施例的说明是针对额定120Vac电源来进行的。对于电气技术领域的一个熟练技术人员来说，使用适当尺寸的元件，把本发明用于其它电源或更高电压的可选择的实施方式，将很容易想到，并且这些实施方式包含在此供参考。
参照图1，示出了本发明的一种典型实施例的结构图。电气高/低压断路设备100是一个断开电路部件10，该部件具有电源输入连接器1和电源输出连接器5。连接器1是一个具有(火)线2、中线3和地线4元件的三线接头。连接器1可以是具有三脚插头的三线电缆，该三脚插头用于插入大约120Vrms(伏)或250Vrms的普通交流电源插座，连接器1也可以可选择地是直接接线到电源火线、中线和地线的导线连接(硬布线)。输出连接器5可以是用于连接受保护装置的插头的三脚插座，或可选择地是硬布线，与火线2、中线3和地线4直连到受保护的电气设备一样。输出连接器5也可以是一种多插座装置，用于接受一个以上装置(即多插座装置)的电源插头。
部件10是一个具有继电器K1和K2的电路，当接到电压检测和控制电路11发出的断开火线2和中线3的命令时，上述继电器用于分别断开火线2和中线3。继电器K1和K2优选是单个的常开单极继电器，但也可以是一个单双极常开继电器。当供电电源的电压低于大约132Vrms和高于大约60Vrms时，常开继电器K1和K2分别连接火线2和中线3，并且控制电路11把电力传送到继电器K1和K2。控制电路11既可以是模拟形式也可以是数字形式。当控制电路11检测到超过设定的最大值、或低于设定的最小值的电压时，控制电路11就改变向继电器K1和K2传送电力，从而断开火线2和中线3，并保护任何连接到连接器5的装置。控制电路11持续监控输入电源电压，并且当超出容差电压的情况不再出现，且保持这种状态大约10到20秒时，就通过重新闭合继电器K1和K2重新连接连接器5。在典型实施例中，断开时间大约少于100毫秒，并且断开时间是由继电器K1和K2的反应时间决定的。另外，最大断开/重新连接电流大约是15安培，同样取决于继电器K1和K2的操作性能。在典型实施例中，部件10能承受火线2-中线3、火线2-地线4或中线3-地线4之间持续的300Vrms电压而没有元件损坏。
参照图2，示出了一个根据本发明典型实施例的装置100的数字控制电路11的逻辑图。方块20表示一旦把电源施加到电路11就立即确定存在的最小规定电压。方块21表示点亮发光二极管(LED)以指示通电状态。方块22表示输入电源、火线2、中线3和地线4的第一模拟电抽样。方块23表示电源质量的初步确定。如果电源不符合规定，逻辑返回到方块21；如果在规定值内，逻辑就进入方块24。方块24表示的稳定时间是由微控制器确定的，并且典型值是100到200ms。方块25表示第二个电源质量的测定，不在规定值内的电源导致返回到方块21，而在规定值内的电源就导致进入方块26。方块26表示多个LED状态的更新，和继电器K1和K2的触发(启动)。方块27-30表示电源质量的持续监控，方块31表示如果电源质量偏离规定值达到方块29延迟时间那么长的时间，就进行处理(动作)。方块29的时间延迟典型地是60赫兹输电线波形的一个周期，或16ms。
现在参照图3，示出了一种典型模拟实施例电路单元100的原理图。表1标出了图3的元件。
表1模拟实施例元件列表标记数量 零件C1 1 0.0047μf/1000vC2，C4 2 220μf/63vC3 1 47μf/450vC5 1 22μf/25vD1，D2，D5，D6，D8 5 1N4007D9，D11，D123 1N4007D3，D16 2 1N4007
D7，D17 2 15v/1wD10 1 绿色LEDD13 1 红色LEDD14，D15 2 1N4148F1 1 250maJ1-J66 CON1K1，K2 2 48v线圈，30a 250v 15a 125v触点，欧姆龙(OMRON)G8P-1114P-USMOV1 1 450v变阻器Q1-Q44 MPSA44R1，R16 2 4M 1/2WR2 1 12KR3，R6，R19 3 100KR4，R17，R18 3 47KR19-R21 3 47KR5 1 1K/25WR7，R11，R13 3 120KR8 1 220K 1/2WR9 1 100K 1WR10 1 11K 20WR12 1 560KR14 1 20KR15 1 4MR20，R22 2 5KR21 1 240KU1，U2 2 LM393AU3 1 4N35表2数字实施例元件列表C1 1 0.022μF/250VC2 1 50μF/50VC3 1 10μF/25VD1-D5，D7，D10
D12，D14-D16 11 IN4007二极管D6 115V，1瓦特稳压(zener)二极管D8-9，D11，D13 45.1V，1瓦特稳压(zener)二极管K1，K2 248v线圈，(30A 250V 15A 125V触点)欧姆龙(OMRON)G8P-1114P-UA或类似L1 156μH，1.48AQ1，Q2 24401 NPN晶体管R1-R442.2K，1瓦特R5-R621.5K，1瓦特R7-R12 61.3M，1/2瓦特R13-R16，R18-R19 620K，1/2瓦特R17，R20 210KR21-R22 24.7KU1 17805+5V调节器U2 1PIC1212CE674，或类似4信道模拟到数字微控制器在典型实施例中，当没有通电时，继电器K1和K2是常开的。在正常电压情况下这些继电器是通电的，允许火线2和中线3从输入连接器1到输出连接器5传导。对于过压，全波桥式整流器二极管D8，D9，D10和D12将一部分接收的AC电源，整流到被比较器U1A和U2A监控的没有过滤的全波波形上。电压被稳压二极管(zener diodes)D7和D17和R10、C2和C4传送、降低、过滤并调整到15Vdc，来驱动比较器。比较器U2A监控L-N和正极G-L、N的电压。U2A上的R11和R20相对于U2A的引脚4设置参考电压。当L-N或正极G-L、N瞬时电压超过132Vrms时，在U2A按比例降低的电压引脚2将高于引脚3。在U2A中引脚1上的晶体管将使电容C5充电和放电，使U2B的引脚7的电压降低。当U2B引脚7上的电压降低时，通常用于开启继电器的通过R14的电流被改送U2B。继电器K1和K2将被断电，并且即刻断开火线和中线电路。当火线电压返回正常时，R12和C15的组合来延迟继电器重新连接时间15秒。
除了关于负极G-L、N过压以外，比较器U1A同U2A处理同样的事情，光隔离器U3把该过压信号发送给U2B。过压状态期间，晶体管Q1和Q3切断到滤波电容C3的电压。当重新连接该线时，高压状态期间，这将防止继电器K1和K2的线圈被存储在电容中的电压击穿。
在数字实施例中，控制电路11的功能由一个微处理器代替上面描述的模拟元件来执行。微处理器逻辑在图2中示出，及典型原理图在图4中示出。其元件在表2中列出。具有EEPROM性能的优选微控制器可来自于Microchip，如型号PIC12C672或型号PIC12C674(www.microchip.com)。优选微控制器具有至少三个模拟到数字(ADC)输入引脚，用于检测所有的电压干线(火线、中线、地线)。微处理器是一种4MHz或更高的处理器，其将在1ms或更短时间内抽样所有的三条干线。为了适当的抽样平均，使用高容差电阻器按比例降低干线电压，进行多重抽样干线电压，至少10次或更多。其它的，类似的，微控制器也可以使用，并且只要具有适当特性就可以替代。
所述模拟和数字设备保护三种错误连线情况。典型设备进行检测和保护使之免于三种常见的错误连线情况，其中这些情况中输入电源不同于正常情况下可预见的，也就是说，正常是火线2为+120Vac、中线3为0Vac，及地线为适当地接地。错误连线情况A使火线2连接到+120Vac，中线3连接到中线，及地线4连接到-120Vac。情况B使火线2连接到中线，中线3连接到-120Vac，及地线4连接到+120Vac。情况C使火线2连接到-120Vac，中线3连接到+120Vac，及地线4连接到中线。
这里所示和详细说明的信息完全能够实现上述发明目的，因此，本发明的优选实施例代表了本发明广泛构思的主题。本发明的范围完全包含了其他的实施例，这些实施例可能对于本领域技术人员来说很容易想到。因此，本发明的范围不受所要求的保护范围以外的内容的限定，其中涉及的单个元件除非明确声明，不是指“一个和仅一个”，而是指“一个或更多”。上面描述的优选实施例中元件的所有结构的、有关电的和功能的等效物，及本领域普通技术人员知道的可附加的实施例都包括于此，作为参考，并且这些是本发明所要求的保护范围所包含的。
此外，对于所要解决的每个和所有问题的设备或方法都被本的一个发明保护内容包含是没有必要的，当然这些问题是本发明设法解决的。而且，本公开中没有元件、部件和方法步骤可以允许公众任意使用，而不管是否在本发明的保护范围中明确地的要求了这些元件、部件或方法步骤。在此没有技术特征按照美国法典35 U.S.C112，第六款的规定解释，除非元件明确使用了短语“装置用于”进行陈述。
工业实用性本发明可以用于保护诸如音频、视频和数字设备等电动设备，免于危险的电源电涌、低和高电压及其他强加于电源的瞬态加载，例如雷击和电源变弱等情况。本领域的技术人员可以使用市场上可得到的电子和数字元件实施本发明。该设备检测超出容差的情况，并从电源断开负载，然后当电源已经稳定并在容差范围内一段时间后，就重新连接负载。
权利要求
1.一种电气设备，包括将所述设备连接到至少一相的交流电源的供电端的连接装置，所述交流电源具有火线、中线和地线；跨越火线-中线、火线-地线和中线-地线，检测供电电源的电压的检测装置；分配检测的电源的配电装置；和当所述检测装置检到超出容差电压的情况时，将所述电源与配电装置断开的断路装置，其中在所述设备遭受电气损坏前，所述检测装置启动所述断路装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述连接装置是一个具有三脚插头的三导线电气接线绳，而所述配电装置是至少一个三脚插座。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述检测装置是由包括模拟电路元件、数字电路元件的组中选出的。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述检测装置能测出超过132伏的电压和低于60伏的电压。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述交流电源的供应端是一个三相电源。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述连接装置是用于火线和中线的具有分离触点的继电器。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述超出容差电压的情况是低于大约60伏或高于大约132伏的电压。
8.根据权利要求3所述的设备，还包括一个重新连接装置，所述重新连接装置在检测装置不再检测到超出容差电压的情况时，将所检测的电源重新连接到所述配电装置。
9.根据权利要求8所述的设备，其中当所述检测装置不再检测到超出容差电压的情况时，所述重新连接装置具有一个大约15秒的延迟。
10.一种电气设备，包括连接所述设备到至少一相的交流电源的供电端的连接装置，所述交流电源具有火线、中线和地线；跨越火线-中线、火线-地线和中线-地线，检测所述供电电源的电压的检测装置，其中所述检测装置能检到超过132伏的电压和低于60伏的电压；分配检测的电源的配电装置；当所述检测装置检测到超出容差电压的情况时，将电源与所述配电装置断开的断路装置，其中在所述设备遭受电气损坏前，所述检测装置启动所述断路装置；和当所述检测装置不再检测到超出容差电压的情况时，将所检测的电源重新连接到所述配电装置的重新连接装置，其中当所述检测装置不再检测到超出容差电压的情况时，所述重新连接装置具有一个大约15秒的延迟。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述检测装置是由包括模拟装置、数字装置的组中选出的。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述超出容差电压的情况是低于大约60伏或高于大约132伏的电压。
13.一种提供电气高/低压保护的方法，包括提供一个用于连接至少一相交流电源的供电端的连接装置，其中所述交流电源具有火线、中线和地线；提供一个检测所述供电电源的电压的检测装置；提供一个分配所检测的电源的配电装置；和提供一个当所述检测装置跨越火线-中线、火线-地线和中线-地线，检测到超出容差电压的情况时，将电源与配电装置断开的断路装置，其中在所述设备遭受电气损坏前，所述检测装置启动所述断路装置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中提供一个检测装置的步骤包括从一个包含模拟设备、数字设备的组中选择一个检测装置的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述检测装置检测超过132伏的电压。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述检测装置检测低于60伏的电压。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述配电装置通过至少一个三脚插座分配电源。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述检测超出容差电压的情况是检测低于大约60伏或高于大约132伏的电压。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括当检测装置不再检测到超出容差电压的情况时，提供一个将所检测的电源重新连接到所述配电装置的重新连接装置。
20.根据权利要求19所述的方法，其中当所述检测装置不再检到超出容差电压情况时，所述重新连接装置在一个大约15秒的延迟之后启动。
全文摘要
一种模拟或数字电路，能检测低输入电压和高输入电压，并且当从一个单相或多相电源接收到异常的低或高电压时，能操纵断开到受保护装置的火线和中线的电源连接，而当输入电源稳定时，重新连接受保护的装置。该检测电路和电源供应端具有处理高达至少240Vac的功能。额定120Vac的电路被设计成承受6千伏电涌而不损坏。在超出容差电压的情况期间，该设备不断开地线。
文档编号H02H3/20GK1521912SQ03157440
公开日2004年8月18日 申请日期2003年9月19日 优先权日2002年9月20日
发明者爱因斯坦·加朗, 德米安·马丁, 索布斯外德·蓬波, 马丁, 外德 蓬波, 爱因斯坦 加朗 申请人:蒙斯特电缆产品有限公司