专利名称：接地故障电路断续器的制作方法
背景技术：
本发明一般涉及电气安全装置，尤其涉及接地故障电路断续器(GFCI)。
常规的电气用具通常经由一对导线输入来自诸如电源插座等电源的交流(AC)电力。这对导线通常称为电线和中性线，它使电气用具或负载能输入工作所必需的电流。
电气用具通过一对导线与电源连接造成若干潜在的危险状态。尤其在导线中存在接地故障和中性线接地状态的风险。当流经电线和中性线的电流之间存在不平衡时将发生接地故障状态。当中性线在负载处接地时将发生中性线接地状态。接地故障和中性线接地状态是非常危险的，并可能导致严重的损毁。
在本领域中，对于接地故障电路断续器是众所周知的，它通常用于防备接地故障和中性线接地状态。通常，GFCI装置检测导线中接地故障和中性线接地状态的发生，并据此而断开电源与负载之间的至少一根导线以消除危险状态。
M.Baer等人的第5,177,657号美国专利披露了一种接地故障电路断续器电路，它能中断电流流向在电源与负载之间延伸的一对电线。该接地故障电路断续器电路包含断路器，包括设置在一条或两条电线中的常开开关；有选择地闭合常开开关的继电器电路；可在第一和第二双稳态下操作的电子闩锁电路；故障检测电路；用以检测至少一条电线中所存在的故障状态。当电子闩锁电路处于第一双稳态时，电子闩锁电路使继电器电路闭合常开开关并使该常开开关维持在闭合状态。当电子闩锁电路处于其第二双稳态时，它还使继电器电路允许常开开关返回其常开状态。故障检测电路检测至少一条电线中存在的故障状态，并当检测到故障状态时，使电子闩锁电路锁定在其第二状态。
T.M.McDonald的第5,418,678号美国专利披露了一种改进的接地故障电路断续器(GFCI)装置，它要求对中断的交流电源或电源终端手动设定下一初始连接。该改进的GFCI装置利用受控开关装置，后者响应于负载电源信号，允许GFCI装置的继电器触点组仅当电源可用于输出或负载端时才闭合。受控开关装置最好包括光电隔离器或其它类型的开关器件，当继电器触点组断开时，能在GFCI输入端与输出端之间提供隔离。该改进的GFCI装置可以包含在，诸如插件或电源软线装置等便携式单元内，用以与未加保护的交流插座配合使用。
L.F.Invin的第4,816,957号美国专利披露了一种适配器，它包括防潮壳体，其中装有改进的、自测接地线路故障断续器装置。该改进的装置与安装在适配器壳体外的连接器在电气上相互连接，从而使适配器可以直接插入现有电路的标准双工输出口。该适配器包括当其插入双工输出口时能自动测试装置的可操作性的电路，无需用户手动操作测试按钮或其它明显的动作C.W.Draper等人的第4,578,732号美国专利披露了一种壁装式插座接地故障电路断续器，该电路断续器有可从电路断续器的前面触及的一对插座、一个重置按钮和一个测试按钮。该电路断续器具有闩锁的速动触点，还有新颖的闩锁继电器结构，以便可断开地将此速动触点维持在电路接通位置。该速动触点允许所有组成部分包括监视环和电源分别位于和连接在速动触点的负载侧，由此，当触点迅速到达开路位置时使电路断续器的所有电路断开。该速动触点机构和继电器配备了这样一种结构，它使电路断续器具有自动断路方式的触点动作，及由此而带来的防纠缠的速动接触操作。
上述一类GFCI装置的缺陷在于，GFCI装置通常包括较大的螺管式继电器以选择性地通、断开关器件。尤其是，螺管式继电器通常需要持久供电(约为120伏)，使螺管式继电器切换并维持于激励状态。结果，螺管式继电器相当于一个大的功耗电源。此外，对螺管式继电器持久供电将使该继电器明显发热并可能烧坏。
发明概述本发明的目的在于提供一种新的和改进的接地故障电路断续器(GFCI)。
本发明的另一目的在于提供一种GFCI，它能检测导线中存在的接地故障和中性线接地状态，据此它包括螺管式继电器断开电源与负载之间的至少一条导线的螺管式继电器。
本发明的另一目的在于提供一种采用上述类型的GFCI，其中的螺管式继电器可以激励并维持于激励状态，而耗电最小。
本发明的再一目的在于提供一种采用上述类型的GFCI，其中的螺管式继电器可以激励并维持于激励状态，而发热量为最低。
本发明进一步的目的在于提供一种采用上述类型的GFCI，它可以批量生产，部件数量达到最少，且容易组装。
根据本发明构成的GFCI用于中断电流流经在电源与负载之间延伸的一对电线，它包括断路器，有一个开关位于所述电线之一，所述开关具有第一位置和第二位置，在第一位置时，相关线路的电源未连接到负载，在第二位置时，相关线路的电源连接到负载；继电器电路，有选择地在所述第一位置或第二位置移动并维持所述开关，所述继电器电路包括可工作于激励状态或去激励状态的螺管式继电器，所述螺管式继电器当其处于激励状态时将所述开关置于所述第二位置，当其处于去激励状态时将所述开关置于所述第一位置；启动电路，有选择地将第一电压提供给螺管式继电器，足以使所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态，当所述开关位于其第一位置时，所述第一电压经由所述开关供给所述螺管式继电器；电源电路，所述电源电路将第二电压提供给螺管式继电器，在由第一电压最初供电后，所述第二电压足以使螺管式继电器维持于其激励状态，该第二电压小于第一电压，且第二电压足以使所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态；闩锁电路，工作于第一和第二双稳态状态，当处于第一双稳态状态时，所述闩锁电路允许所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态并维持于其激励状态，当处于第二双稳态状态时，所述闩锁电路使所述螺管式继电器从其激励状态切换到其去激励状态并维持于其去激励状态；故障检测电路，检测在电源与负载之间延伸的所述电线中至少一条电线中存在的故障，以在测得所述故障时使所述闩锁电路闩锁于其第二双稳态状态。
根据本发明构成的另一种GFCI用于中断电流流经在电源与负载之间延伸的一对电线，它包括断路器，有一个开关位于所述电线之一，所述开关具有第一位置和第二位置，在第一位置时，相关线路的电源未连接到负载，在第二位置时，相关线路的电源连接到负载；继电器电路，有选择地在所述第一位置或第二位置移动并维持所述开关，所述继电器电路包括可工作于激励状态或去激励状态的螺管式继电器以及耦合至所述螺管式继电器以控制所述螺管式继电器状态的装置，所述螺管式继电器当其处于激励状态时将所述开关置于所述第二位置，当其处于去激励状态时将所述开关置于所述第一位置；启动电路，有选择地将第一电压提供给螺管式继电器，足以使所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态，当所述开关位于其第一位置时，所述第一电压经由所述开关供给所述螺管式继电器；电源电路，所述电源电路将第二电压提供给螺管式继电器，在由第一电压最初供电后，所述第二电压足以使螺管式继电器维持于其激励状态，该第二电压小于第一电压，且第二电压足以使所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态；以及故障检测电路，检测在电源与负载之间延伸的所述电线中至少一条电线中存在的故障，以在测得所述故障时使所述闩锁电路闩锁于其第二双稳态状态。
根据本发明构成的另一种GFCI用于中断电流流经在电源与负载之间延伸的一对电线，它包括断路器，有一个开关位于所述电线之一，所述开关具有第一位置和第二位置，在第一位置时，相关线路的电源未连接到负载，在第二位置时，相关线路的电源连接到负载；继电器电路，有选择地在所述第一位置或第二位置移动并维持所述开关，所述继电器电路包括可工作于激励状态或去激励状态的螺管式继电器，所述螺管式继电器当其处于激励状态时将所述开关置于所述第二位置，当其处于去激励状态时将所述开关置于所述第一位置；向所述GFCI供电的电源电路；闩锁电路，工作于第一和第二双稳态状态，当处于第一双稳态状态时，所述闩锁电路允许所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态并维持于其激励状态，当处于第二双稳态状态时，所述闩锁电路使所述螺管式继电器从其激励状态切换到其去激励状态并维持于其去激励状态；故障检测电路，检测在电源与负载之间延伸的所述电线中至少一条电线中存在的故障，以在测得所述故障时使所述闩锁电路闩锁于其第二双稳态状态；跳闸指示电路，指示所述故障检测电路已经测得故障。
根据本发明构成的另一种GFCI用于中断电流流经在电源与负载之间延伸的一对电线，它包括断路器，有一个开关位于所述电线之一，所述开关具有第一位置和第二位置，在第一位置时，其相关线路的电源未连接到负载，在第二位置时，其相关线路的电源连接到负载；继电器电路，有选择地在所述第一位置或第二位置移动并维持所述开关，所述继电器电路包括可工作于激励状态或去激励状态的螺管式继电器，所述螺管式继电器当其处于激励状态时将所述开关置于所述第二位置，当其处于去激励状态时将所述开关置于所述第一位置；电源电路，向所述GFCI提供电源，所述电源电路包括或将第一电压加到所述螺管式继电器，或将第二电压加到所述螺管式继电器的装置；闩锁电路，工作于第一和第二双稳态状态，当处于第一双稳态状态时，所述闩锁电路允许所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态并维持于其激励状态，当处于第二双稳态状态时，所述闩锁电路使所述螺管式继电器从其激励状态切换到其去激励状态并维持于其去激励状态；故障检测电路，检测在电源与负载之间延伸的所述电线中至少一条电线中存在的故障，以在测得所述故障时使所述闩锁电路闩锁于其第二双稳态状态。
本发明的附加目的、以及特征和优点将在说明书的以下部分中加以阐明，它们可以从说明书中了解，或者通过本发明的实践加以认识。说明书中是参照形成其一部分的附图来描述的，并通过实践本发明的说明性的特定实施例来表示的。这些实施例将足以详细地加以描述，使本领域的熟练人员能实践本发明，同时应当理解还可以采用其它的实施例，并在不脱离本发明精神的情况下可以改变其结构。因此，以下的详细描述并非作为限制性内容，本发明的范围最好由所附的权利要求书所限定。
附图简述由此，将附图结合到说明书并构成说明书的一部分，它们连同说明书来说明本发明的各个实施例，用以说明本发明的原理。附图中，相同的参照号表示相同的部件
图1是本发明的接地故障电路断续器(GFCI)的示意性电路图；图2是本发明的另一GFCI的示意性电路图；图3是本发明的另一GFCI的示意性电路图；图4是本发明的另一GFCI的示意性电路图；图5是本发明的另一GFCI的示意性电路图；图6是本发明的另一GFCI的示意性电路图；图7是本发明的另一GFCI的示意性电路图；图8是本发明的另一GFCI的示意性电路图。
较佳实施例的详细描述现在参照附图尤其是图1，它表示根据本发明主张构成的接地故障电路断续器(以下称为GFCI)，该GFCI整个用参照号1表示。
以下将详细讨论，GFCI11设置成当最初将负载插上电源时即保护其免遭接地故障影响。GFCI11还设置成一旦断电后再恢复供电时保护负载免遭接地故障影响。此外，一旦GFCI11保护负载免遭接地故障影响后，GFCI11可手动重置，以再次防止接地故障影响。
GFCI11包括断路器13、继电器电路15、电源电路17、启动电路19、故障检测电路21、双稳态电子闩锁电路23、滤波器电路25以及测试电路27。
断路器13包括一对单刀双掷开关SW1和SW2，它们分别位于电源与负载之间的电线和中性线中。断路器13的作用是有选择地断开和闭合该对导线。开关SW1和SW2可以位于两种连接位置的任一种。图1所示的第一种连接位置中，开关SW1和SW2设置成使电源不连接到负载而连接到启动电路19。在与图1所示相反的第二种连接位置中，开关SW1和SW2设置成使电源连接到负载而不连接到启动电路19。此两种位置中，电源均连接到电源17。
继电器电路15的作用是有选择地将开关SW1和SW2置于其第一连接位置或其第二连接位置。继电器电路15包括螺管式继电器SOL1、晶体管Q1、负载电阻R3、一对分压器电阻R4和R5以及噪声抑制电容器C5。
螺管式继电器SOL1与开关SW1和SW2的断路器触点联动，并负责选择性地控制开关SW1和SW2的连接位置。在电源加到GFCI11之前，螺管式继电器SOL1将开关SW1和SW2置于其第一连接位置。在电源加到GFC11后，开关SW1和SW2将维持在其第一连接位置。当螺管式继电器SOL1激励时，螺管式继电器SOL1将开关SW1和SW2置于第二连接位置。
注意，对常规GFCI装置来说，螺管式继电器SOL1的特殊结构是独一无二的。尤其是，SOL1的尺寸显著减小，且所需电能比现有技术的GFCI装置中所用的绝大多数螺管式继电器少。具体而言，螺管式继电器SOL1具有2400欧姆的线圈电阻。由于螺管式继电器SOL1的独特结构，市电电压(约为120伏)必须直接加到螺管式继电器SOL1上，以最初使螺管式继电器SOL1从其去激励状态转为激励状态。但，更为重要的是一旦激励就需要将仅仅约为28伏的恒压加到螺管式继电器SOL1以使其保持在激励状态。以下将详细讨论，启动电路19负责提供市电电压，最初使螺管式继电器SOL1从其去激励状态转为激励状态，电源电路17负责提供约28伏的恒压使螺管式继电器SOL1维持于其激励状态。螺管式继电器SOL1维持其激励状态所需电压的减少(约为92伏)显著减少了电路11中的SCOL1的耗电，而且减少了能引起螺管式继电器SOL1烧坏的热量。
晶体管Q1较佳地为Motorola公司销售的MPSA42晶体管，用以控制提供给螺管式继电器SOL1激励电流。
当晶体管Q1截止时，电流不能流经螺管式继电器SOL1。另一方面，当晶体管Q1导通时，电流可以流经螺管式继电器SOL1。负载电阻R3的阻值为4.7千欧，其作用是控制闩锁电路23中的整流器(以下将详细描述)。分压器电阻R4和R5的每一个阻值为22千欧，其作用是一起提供必需的基极电流使晶体管Q1导通。噪声抑制电容器C5的数值为0.1微法，其作用是滤除GFCI11内的噪声。
电源电路17的作用是为GFCI电路11提供电源。电源电路17包括金属氧化物变阻器MOV1、硅整流器D1、降压电阻R8、滤波电容器C7、泄放电阻R7、硅整流器D2和D4。变阻器MOV1的数值为150伏，其作用是防御来自交流电源的浪涌电压。硅整流器D1较佳地为IN4005型，其作用是将电线中来自电源的交流电流转换为直流。降压电阻R8的阻值为5.1千欧，其作用是鉴于上述原因限制加到螺管式继电器SOLQ的恒定输入电压。尤其是，电阻R8在电线中的线电压直接加到螺管式继电器SOL1之前就将其降到约28伏。滤波电容器C7的数值为22微法，其作用是对加到螺管式继电器SOL1的恒压进行滤波。泄放电阻R7的阻值为100千欧，其作用是当负载从电源上拔去时为电容器C7泄放电荷。硅整流器D2较佳地为IN4005型，其作用是防止启动电路19(以下将作详细描述)提供的直流电压浪涌进入GFCI11的其它部分。硅整流器D4较佳地为IN4005型，它作为螺管式继电器SOL1的稳压器，也用以加速滤波电路25的充电以快速滤波。
启动电路19的作用是提供足以使螺管式继电器SOL1从其去激励状态初始化为激励状态的瞬时电压。启动电路19包括硅整流器D3和浪涌限制电阻R9。整流器D3较佳地为IN4005，其作用是将电源线中的交流电源转换为直流电源。当开关SW1处于其第一位置且电源加到GFCI11时，整流器D3向螺管式继电器SOL1提供瞬时直流电压，使螺管式继电器SOL1激励，从而使螺管式继电器SOL1将开关SW1和SW2移到其第二连接位置。当开关SW1和SW2移到其第二连接位置时，启动电路19即与电源断开。电阻R9的阻值为47欧姆，其作用是防止整流器D3和电容器C7过电流。
故障检测电路21的作用是当开关SW1和SW2位于其第二连接位置时，检测导线中的接地故障和中性线接地状态。故障检测电路21包括读出变压器T1、中性线接地变压器T2、耦合电容器C1、一对噪声抑制电容器C2和C8、反馈电阻R2以及接地故障中断器芯片U1。变压器T1较佳地为Magnetic Metals公司销售的C-5029-01-00变压器，变压器T2较佳地为Magnetic Metals公司销售的F-3006-01变压器。读出变压器T1检测电线与中性线之间的电流差，当出现接地故障状态时，变压器T1在其次级绕组产生相关的输出。中性线接地变压器T2的作用是联合变压器T1检测中性线接地情况的发生并产生相关的输出。耦合电容器C1的数值为47微法，其作用是将来自变压器T1次级绕组的信号耦合到芯片U1。噪声抑制电容器C2的数值为4700微微法，噪声抑制电容器C8的数值为1000微微法。电容器C2和C8的作用是一起防止检测电路21响应于线路干扰，诸如电气噪声和低级故障时就动作。调谐电容器C3的数值为0.033微法，反馈电阻的阻值为908千欧。电容器C3和电阻R2的作用是一起设置能使故障检测电路21将输出信号提供给闩锁电路23的最小故障电流。中断器芯片U1较佳地为Raytheon公司销售的RV4145型低功率接地故障中断器电路。芯片U1用以放大变压器T1产生的故障信号并在引脚5上将输出脉冲提供给有源闩锁电路23。
闩锁电路23的作用是当测得接地故障或中性线接地状态时取出故障检测电路21产生的电信号，并提供给去激励的螺管式继电器SOL1。闩锁电路23包括可工作于导电或非导电状态的可控硅整流器SCR1、噪声抑制电容器C4以及重置开关SW4。整流器SCR1较佳地为Teccor公司销售的EC103A整流器，其作用是有选择地接通和截止继电器电路15中的晶体管Q1。噪声抑制电容器C4的数值为2.2微法，其作用是防止整流器SCR1处于非导通状态时因电路11中的电气噪声而动作。重置开关SW4为常规的推入式开关，其作用是当按下而去除整流器SCR1的阳极的保持电流时，使处于导通状态的整流器SCR1截止。
滤波电路25的作用是平滑由电源提供的变化直流电压并向芯片U1的电源输入端提供滤波后的直流电压。滤波电路25包括降压电阻R6，较佳的阻值为18千欧，其作用是调节加到芯片U1上的合适的电压。滤波电路25还包括直流滤波电容器C6，较佳的数值为3.3微法，其作用是滤除加到芯片U1上的电压的波纹。
测试电路27提供测试电路11是否正常工作的手段。测试电路27包括阻值为15千欧的限流电阻R1以及采用常规推入式设计的测试开关SW3。当按下SW3向测试电路27供电时，电阻R1向变压器T1提供模拟故障电流，其与接地故障情况相似。
使用时，GFCI11按以下方式工作。在初始连接前，开关SW1和SW2通常位于其第一连接位置，如图1所示。
当GFCI11的一端初始连接到负载，另一端初始连接到电源时，约120伏的市电电压经由启动电路19加到螺管式继电器SOL1并激励螺管式继电器SOL1。一旦螺管式继电器SOL1激励，螺管式继电器SOL1即使开关SW1和SW2移动到其第二连接位置(与图1所示位置相反)，由此取消由启动电路19向螺管式继电器SOL1供电。然而，由于有恒定的28伏电压由电源电路17向螺管式继电器SOL1供应，故螺管式继电器SOL1维持于其激励状态。
由于螺管式继电器SOL1维持于其激励状态，整流器SCR1处于非导通状态，晶体管Q1导通，它使电流通过螺管式继电器SOL1。当测得接地故障或中性线接地状态时，故障检测电路21将电流送到整流器SCR1使整流器SCR1处于导通状态，反过来使晶体管Q1截止。由于晶体管Q1截止，电流不能通过螺管式继电器SOL1，由此使螺管式继电器SOL1变成去激励。一旦去激励，螺管式继电器SOL1即使开关SW1和SW2回到其第一连接位置，由此切断由电源向负载供应的电源。
一旦故障状态消除，即可通过手动按压开关SW4使电路11重置。按压开关SW4使电流通过重置开关SW4而不是整流器SCR1，它使SCR1截止。反过来又使晶体管Q1导通，使螺管式继电器SOL1变成重新激励。
在负载插入电源时，如果电源断电，螺管式继电器SOL1将变成去激励，致使开关SW1和SW2返回其第一连接位置。当以后电源恢复时，螺管式继电器SOL1将再次变成重新激励，这将使开关SW1和SW2移动到其第二位置。
图2表示根据本发明教导构成的另一接地故障电路断续器(GFCI)，该GFCI整个以标号31表示。
GFCI31在负载初始接入电源时，自动保护负载防止接地故障影响。GFCI31还能在断电后一旦恢复供电时，保护负载防止接地故障影响。而且，一旦GFCI31已保护负载防止接地故障影响，它能手动重置以再次防止接地故障影响。
除重置开关连接这唯一区别外，GFCI31在构成上相似于GFCI11。GFCI11的门闩电路23中，重置开关SW4并联跨接在整流器SCR1的阳极和阴极间。与此相反，在GFCI31的门闩电路33中，重置开关SW4与整流器SCR1串联，其一端连接整流器SCR1的阳极，其另一端连接开关SW2。
使用时，GFCI31以与GFCI11相似的方式运行。在GFCI11和GFCI31中，如果故障检测电路检测到接地故障，则可控硅整流器SCR1导通，晶体管Q1截止，然后，螺管式继电器SOL1去激励。但是，若导线线对中仍然为接地故障状态，故障检测电路21持续检测到接地故障，则GFCI11和GFCI31作用不同。
具体地说，如果在这种状态下，按压GFCI11的重置开关SW4，只要按下开关SW4，整流器SCR1就截止。这样，尽管导线线对仍存在接地故障，晶体管Q1却暂时导通，从而螺管式继电器SOL1激励，产生对使用者有潜在危险的情况。
与此相反，若在这种状态下，按下GFCI31的重置开关SW4，则只要保持这种状态，不管开关SW4是否仍按下，整流器SCR1将保持导通。这样，防止导线仍有接地故障时，螺管式继电器SOL1再激励，由此避免了潜在的危险情况。
图3表示根据本发明教导构成的另一个接地故障断续器(GFCI)，该GFCI整个以标号41表示。
GFCI41在负载初始接入时，自动保护负载防止接地故障影响。GFCI41也能在断电后一旦恢复供电，自动保护负载防止接地故障影响。而且一旦GFCI41已保护负载防止接地故障影响，GFCI41可人工重置以再次保护负载防止接地故障影响。
GFCI41包括电路断路器33，继电器电路35，电源电路17，启动电路19，故障检测电路21，门闩电路23，滤波电路25和测试电路27。GFCI41不同于GFCI11之处仅在于，电路断路器中使用的开关的类型及继电器电路中的电容器值。
具体地说，在GFCI41中，电路断路器33包括单刀双掷开关SW1和常开单刀单掷开关SW21。当开关SW21打开时，如图3所示，电源的中性导线不连接负载。而当开关SW21闭合时，电源中性线连接负载。与之相反，在GFCI11的电路断路器13中，开关SW1和SW2均是单刀单掷开关。
此外，GFCI41的继电器电路35中的噪声抑制电容器C15容量为1μF，而继电器电路19中的电容器C5容量为0.1μF。
图4表示根据本发明教导构成的另一个接地故障断续器(GFCI)，该GFCI整个以标号51表示。
下文将详细讨论，在负载初始接入电源时，GFCI51要求手动按压重置开关，以保护负载防止接地故障影响。在断电后一旦恢复供电，GFCI51也要求手动按压重置开关，以保护负载防止接地影响。而且，一旦GFCI51已保护负载防止接地故障影响，为了再次防止接地故障影响，GFCI51要求手动重置。
GFCI51包括电路断路器53，继电器电路55，电源电路57，启动电路59，故障检测电路61，滤波电路63和测试电路65。故障检测电路62、滤波电路63和测试电路65，在构成和功能上，分别与故障检测电路21、滤波电路25和测试电路27相同。
电路断路器53与电路断路器13的不同之处仅在于，电路断路器53的开关SW32是常开单刀单掷开关，而GFCI11中的开关SW2是单刀双掷开关。开关SW32可位于两个位置之一即，如图4所示，开启的第1位置，使电源的交流功率不连至负载；闭合的第2位置，使电源的交流功率连至负载。
继电路电路55类似于GFIC11的继电器电路15和门闩电路23的混合电路。具体地说，继电器电路55包括螺管式继电器SOL31，晶体管Q31，可控硅整流器SCR31，负载电阻R33，偏置电阻R34和噪声抑制电容器C34。
螺管式继电器SOL31在构成和功能上与螺管式继电器SOL1相同。晶体管Q31最好是2N2222晶体管，其作用是控制提供给整流器SCR31的电流。整流器31最好是Teccor制造的EC103D整流器，其作用是控制电流是否提供螺管式继电器SOL31。负载电阻R33最好为39KΩ，其作用是向晶体管Q31提供集电极电压。偏置电阻R34最好为10KΩ，其作用是与电阻R3一起，向整流器SCR31提供偏置栅极电流。噪声抑制电容器C34最好为2.2μF，其作用是防止晶体管Q31因电流中的电噪声而导通。
电源电路57，除了其中不包含电路17中的泄放电阻R7外，其余均与电源电路17相同。
启动电路59基本与启动电路18相同，唯一不同之处在于，在电路51中，重置开关SW4位于启动电路59中，而在电路11中，重置开关SW4位于门闩电路23中。开关SW4换到启动电路59中的新位置，后文将详细讨论，使电路51能具有可手动操作GFCI装置的功能。
使用时，GFCI51以下述方式动作。在初始连接前，如图1所示，开关SW1和SW32通常位于其第1连接位置。
在GFCI51其一端初始连至负载，而另一端连至电源时，开关SW1和SW2保持在第1位置。由于开关SW1和SW32处于其第1位置，如图4所示，开关SW1通过导线66连接开关SW4的端A。当按压重置开关SW4时，线路电压经启动电路59加至螺管式继电器SOL31，约120伏的该线路电压激励该螺管式继电器。一旦螺管式继电器SOL31被激励，该螺管式继电器使开关SW1和SW32移动至其第2位置(与图4所示位置相反的位置)，由此，没有电源从启动电路59加至螺管式继电器SOL31。但是因线路电压由电源电路57变换为28伏且始终提供至螺管式继电器SOL31，故后者保持激励状态。
由于螺管式继电器SOL31保持激励状态，整流器SCR31处于导通状态且晶体管Q31截止，使电流流经螺管式继电器SOL31。当检测到接地故障或中性线接地时，故障检测电路61传送电流至晶体管Q31使之导通，从而整流器SCR31截止。由于整流器SCR31截止，电流不流经螺管式继电器SOL31，使后者去激励。一旦去激励，螺管式继电器SOL31使开关SW1和SW2回复其第1位置，由此，切断从电源向负载提供电力。
一旦去除故障，电路51即可通过按压重置开关SW34重置，上述工作过程重复进行。
图5是根据本发明教导构成的另一个接地故障断续器(GFCI)，该GFCI整个以标号71表示。
GFCI71在负载初始接入电源时，自动保护负载，防止接地故障影响。GFCI71也能在断电后一旦恢复供电时，自动保护负载，防止接地故障影响。而且，一旦GFCI71保护负载防止接地故障影响后，GFCI71可手动重置，以再次防止接地故障影响。
GFCI71其构成类似于GFCI11，GFCI71包括电路断路器73，继电器电路75，电源电路77，启动电路79，故障检测电路81，滤波电路83和测试电路85。GFCI71还包括跳闸指示电路87。电路断路器73、故障检测电路81、滤波电路83和测试电路85，其构成和功能分别与电路断路器13、故障检测电路21、滤波电路25和测试电路27相同。
继电器电路75类似于GFCI11的继电器电路15和门闩电路23的混合电路。具体地说，继电器电路75包括螺管式继电器SQL41，第1晶体管Q41，第2晶体管Q42，重置开关SW44，负载电阻R45，反馈电阻R44，输入电阻R43和噪声抑制电容器C44。
螺管式继电器SOL41其构成和功能与螺管式继电器SOL1相同。第1晶体管最好是MPSA42晶体管，其作用是控制提供给第2晶体管Q42的电流。第2晶体管Q42最好是MPSA42晶体管，其作用是控制提供给螺管式继电器SOL41的电流。重置开关SW44是常闭拉开型开关，连接螺管式继电器SOL41与第2晶体管Q42。负载电阻R45最好为100KΩ，其作用是为第1晶体管Q41提供需要的集电极电压。反馈电阻R44最好为68KΩ，其作用是向第1晶体管Q41提供基极电流。输入电阻R43最好为2KΩ，其作用是与电阻R44一起偏置第1晶体管Q41的栅极电流。噪声抑制电容器C44最好为2.2μF，其作用是保护第1晶体管Q41，防止因电路中的电噪声而导通。
电源电路77，除其中不包括电路17中的泄放电阻R7或整流二极管D4外，其余均与电源电路17相同。
跳闸指示电路87在GFCI响应于接地故障或中性线接地状态而跳闸时，提供可视指示装置。跳闸指示电路87包括硅整流二极管D44，发光二极管LED41和限流电阻R48。整流二极管D44最好是IN4004，其作用是把市电交流电力转换为用于二极管LED41的直流电力。二极管LED41通过发光提供电路71已跳闸的可视指示。电阻R48最好为47KΩ，其作用是限制流经二极管LED41的电流。
使用时，GFCI71以下述方式运作。在连接前，如图5所示，开关SW1和SW2处于其第1连接位置。
当GFCI71在其一端初始连至负载，另一端连至电源时，市电电压提供给启动电路79，又经电阻R9和整流器D3至螺管式继电器SOL41。约120伏的市电电压激励螺管式继电器。一旦螺管式继电器SOL41激励，螺管式继电器SOL41即使开关SW1和SW2移动至其第2连接位置(与图5所示位置相反的位置)，由此，没有电源从启动电路79加至螺管式继电器SOL41。但是，因市电电压由电源电路77变换为28伏且始终向螺管式继电器SOL41提供，后者保持其激励状态。
由于螺管式继电器SOL41保持激励状态，第1晶体管Q41截止，第2晶体管Q42导通，由此电流流经螺管式继电器SOL41，保持其为激励状态。当检测能接地故障或中性线接地状态时，故障检测电路81传送电流至第1晶体管Q41使之导通，然后第2晶体管Q42截止。由于第2晶体管Q42截止，电流不流经螺管式继电器SOL41，使后者去激励。一旦去激励，螺管式继电器SOL41使开关SW1和SW2回复其第1连接位置，由此，切断从电源向负载提供电力。
由于开关SW1和SW2处于其第1连接位置，市电电压经跳闸指示电路87，从而使发光二极管LED41发光，由此指示电路71已跳闸。
一旦去除故障，通过拉开重置开关SW44即可重置电路71。开启开关SW44使第1晶体管Q41截止，使螺管式继电器SOL1重新激励，上述工作过程重复进行。
图6表示根据本发明教导构成的另一接地故障电路断续器(GFCI)，该GFCI整个以标号91表示。
后文将详细讨论，为了在负载初始接入电源时保护负载防止接地故障影响，GFCI91要求手动按重置开关。为了在断电后一旦恢复供电时保护负载，防止接地故障影响，GFCI91也要求手动按压重置开关。而且，一旦GFCI91已保护负载防止接地故障影响，GFCI91要求手动重置以再次防止接地故障影响。
GFCI91其构成类似于GFCI11。GFCI91包括电路断路器93，继电器电路95，电源电路97，故障检测电路99，双稳态电子门闩电路101，滤波电路103和测试电路105。故障检测电路99、门闩电路101、测试电路105其构成和功能分别与故障检测电路21、门闩电路23、测试电路27相同。
电路断路器93与电路断路器13不同之处在于，在电路断路器93中，开关SW51和SW52均是常开单刀单掷开关，而不是电路断路器13中的单刀双掷开关SW1和SW2。开关SW51和SW52可位于两个位置之一第1位置，开关SW51和SW52开启，如图6所示，使交流电力不从电源连至负载；第2位置，开关SW51和SW52闭合，使电源交流电力接至负载。
除螺管式继电器、负载电阻和噪声抑制电容器的值外，继电器电路95与继电器电路15相同。具体地说，螺管式继电器SOL51其线圈电阻为800Ω，负载电阻R53阻值为10KΩ，噪声抑制电容器C55容量为1μF。由于螺管式继电器SOL51尺寸增大，故为初始激励及保持激励状态，螺管式继电器SOL51均需市电电压。
电源电路97包括金属氧化物可变电阻MOV1，4个硅整流二极管D1、D2、D3、D4，降压电阻R57和存储电容器C57。整流二极管D1～D4一起构成常规的二极管桥式整流器，把来自线路的交流功率转换成直流功率。降压电阻R57其阻值最好为5.1KΩ，其作用是限制加至螺管式继电器SOL51的输入电压，以免螺管式继电器SOL51，使电路断路器触点从其常开位置闭合。存储电容器C57其容量最好为2.2μF，下文将详细讨论其作用是当晶体管Q1截止时充电至全线路电位。
滤波电路103除了降压电阻值不同外，其余均与滤波电路25相同。具体地说，电阻R56阻值最好为24KΩ。
使用时，GFCI91以下述方式运行。在连接前，开关SW51和SW52位于如图6所示的第1连接位置。
当GFCI91其一端初始连至负载，另一端连至电源时，由电源97经电阻R57提供至螺管式继电器SOL51的电压约40伏，不足以激励螺管式继电器SOL51。一旦重置开关SW4按压而不释放，晶体管Q1即截止。由于晶体管Q1截止，电流不能经电阻R57流至螺管式继电器SOL51。这使电容器C57瞬时充电至全线路电压。
一旦按压的开关SW4释放，晶体管Q1即回复导通，使电容器C57把其充至线路电压的120伏电压放电至螺管式继电器SOL51。从而使螺管式继电器SOL51激励，由此开关SW51和SW52移至其第2位置(与图6所示相反的位置)，把电源连至负载。
一旦检测到接地故障或中性线接地状态，故障检测电路99即传送电流至整流器SCR1，从而使晶体管Q1截止。由于晶体管Q1截止，电流不能流经螺管式继电器SOL51，后者去激励。一旦去激励，螺管式继电器SOL51使开关SW51和SW52回复其第1位置，由此切断电源的电力接至负载。
一旦故障去除，通过按压开关SW4，电路91即可重置，上述动作过程重复进行。
图7是根据本发明教导构成的另一种接地故障电路断续器(GFCI)，该GFCI整个以标号111表示。
GFCI111可在负载初始接入电源时，自动保护负载，防止接地故障影响。GFCI111也能在断电后一旦恢复供电时，自动保护负载防止接地故障影响。而且，一旦GFCI111已在接地故障情况下保护了负载，GFCI111可手动重置以重新防止接地故障影响。
GFCI111在构成上类似于GFCI91。GFCI111包括电路断路器113，继电器电路115，电源电路117，故障检测电路119，门闩电路121，滤波电路123和测试电路125。GFCI111还包括跳闸指示电路127。故障检测电路119、门闩电路121、滤波电路123和测试电路125，在构成和功能上，分别与故障检测电路99、门闩电路101、滤波电路103和测试电路105相同。
电路断路器13与电路断路器93不同之处在于，电路断路器113的开关SW61和SW62不是电路断路器93中那样的单刀单掷开关，而均是单刀双掷开关，它们可处于二个位置之一即如图7所示的第1位置，在该位置，电源的交流电力不接至负载，而是连至跳闸指示电路127；与图7所示相反的第2位置，在该位置，电源的交流电力接至负载。
除负载电阻的阻值外，继电器电路155与继电器电路95相同。具体地说，负载电阻R63阻值最好是4.7KΩ。
电源电路117除其中不包括电路97中的降压电阻R57及存储电容器C57外，其余均与电源电路97相同。
跳闸指示电路127提供响应接地故障或中性线接地状态GFCI111已跳闸的可视指示装置。跳闸指示电路127包括硅整流二极管D65，发光二极管LED61及限流电阻R67。整流二极管D65最好是IN4004整流二极管，其作用是把市电交流电力转换为直流电力用于二极管LED61。二极管LED61通过发光提供电路111已跳闸的闪光可视指示。电阻R67最好为33KΩ，其作用是限制流经二极管LED61的电流。
使用时，GFCI111以下述方式运行。在连接前，开关SW61和SW62处于图7所示的第1连接位置。
在GFCI111其一端初始连至负载，另一端连至电源时，电源的线路电压与负载不连，U1芯片没有对整流器SCR1提供基极电流，因而SCR1关断。同时，从电源117，经电阻R63、R56和R4对晶体管Q1提供基极电流，该晶体管导通。也在此时，电源电路117的120伏直流电压提供至螺管式继电器SOL51，使其激励且使开关SW61和SW62移动至其第2位置(与图7所示相反的位置)，由此，向负载提供电力。
由于螺管式继电器SOL51处于激励状态且晶体管Q1导通，通过来自电源117的120伏直流电压，螺管式继电器SOL51保持激励状态。一旦检测到接地故障或中性线接地状态，故障检测电路119从U1芯片第5脚对整流器SCR1传送基极电流使之导通。从而使晶体管Q1截止。由于晶体管Q1截止，电流不流经螺管式继电器SOL51，使之去激励。一旦去激励，螺管式继电器SOL51使开关SW61和SW62回复其第1连接位置，由此切断向负载提供电源电力。
由于开关SW61和SW62处于其第1连接位置，市电电压加至跳闸指示电路127，使发光二极管LED61发光并闪烁，从而指示电路111已跳闸。
一旦故障去除，电路111可通过按重置开关SW4重置。按重置开关SW4关断整流器SCR1，使晶体管Q1导通，螺管式继电器SOL51能重新激励。
图8是根据本发明教导构成的另一个接地故障断续器(GFCI)，该GFCI整个以标号131表示。
除跳闸指示电路外，GFCI131与GFCI111相同。具体说，GFCI131中的跳闸指示电路132包括压电蜂鸣器133以提供音响信号而不是可视信号，指示故障，从而代替GFCI111中的含LED的跳闸指示电路。
本发明的上述各种方案仅试图作出示范，本领域的技术人员不脱离本发明的精神可作出各种变换和修改。所有这种变换和修改均落在所附权利要求限定的本发明的范围内。例如，应注意，上述实施例中的具体部件可相互更换或组合以构成另外的实施例。
权利要求
1.一种接地故障电路断续器(GFCI)，用于中断电流流经在电源与负载之间延伸的一对电线，其特征在于包括(a)断路器，有一个开关位于所述电线之一，所述开关具有第一位置和第二位置，在第一位置时，相关线路的电源未连接到负载，在第二位置时，相关线路的电源连接到负载；(b)继电器电路，有选择地在所述第一位置或第二位置移动并维持所述开关，所述继电器电路包括可工作于激励状态或去激励状态的螺管式继电器，所述螺管式继电器当其处于激励状态时将所述开关置于所述第二位置，当其处于去激励状态时将所述开关置于所述第一位置；(c)启动电路，有选择地将第一电压提供给螺管式继电器，足以使所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态，当所述开关位于其第一位置时，所述第一电压经由所述开关供给所述螺管式继电器；(d)电源电路，所述电源电路将第二电压提供给螺管式继电器，在由第一电压最初供电后，所述第二电压足以使螺管式继电器维持于其激励状态，该第二电压小于第一电压，且第二电压足以使所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态；(e)闩锁电路，工作于第一和第二双稳态状态，当处于第一双稳态状态时，所述闩锁电路允许所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态并维持于其激励状态，当处于第二双稳态状态时，所述闩锁电路使所述螺管式继电器从其激励状态切换到其去激励状态并维持于其去激励状态；(f)故障检测电路，检测在电源与负载之间延伸的所述电线中至少一条电线中存在的故障，以在测得所述故障时使所述闩锁电路闩锁于其第二双稳态状态。
2.如权利要求1所述的GFCI，其特征在于所述继电器电路进一步包括耦合到所述螺管式继电器，有选择地控制所述螺管式继电器工作的装置。
3.如权利要求2所述的GFCI，其特征在于所述有选择地控制所述螺管式继电器工作的装置为晶体管。
4.如权利要求1所述的GFCI，其特征在于所述断路器中的开关通常置于所述第一位置。
5.如权利要求1所述的GFCI，其特征在于所述启动电路使所述继电器电路在电源加到所述电线时可自动将所述开关移到第二位置。
6.如权利要求1所述的GFCI，其特征在于第一电压约为120伏，第二电压约为28伏，所述电源电路包括一限制电阻，以降低第一电压产生第二电压。
7.如权利要求1所述的GFCI，其特征在于还包括重置开关，在所述闩锁电路由故障检测电路置于所述第二双稳态状态后，自动将其重置到所述第一双稳态状态。
8.如权利要求7所述的GFCI，其特征在于所述闩锁电路包括可控硅整流器，当所述闩锁电路处于第一状态时它为非导通，当所述闩锁电路处于第二状态时它为导通。所述故障检测电路当其测得所述故障状态时使所述整流器导通。
9.如权利要求8所述的GFCI，其特征在于按压所述重置开关，通过短路所述可控硅整流器使所述闩锁电路重置。
10.如权利要求8所述的GFCI，其特征在于按压所述重置开关，不短路所述可控硅整流器使所述闩锁电路重置。
11.一种接地故障电路断续器(GFCI)，用于中断电流流经在电源与负载之间延伸的一对电线，其特征在于包括(a)断路器，有一个开关位于所述电线之一，所述开关具有第一位置和第二位置，在第一位置时，相关线路的电源未连接到负载，在第二位置时，相关线路的电源连接到负载；(b)继电器电路，有选择地在所述第一位置或第二位置移动并维持所述开关，所述继电器电路包括可工作于激励状态或去激励状态的螺管式继电器以及耦合至所述螺管式继电器以控制所述螺管式继电器状态的装置，所述螺管式继电器当其处于激励状态时将所述开关置于所述第二位置，当其处于去激励状态时将所述开关置于所述第一位置；(c)启动电路，有选择地将第一电压提供给螺管式继电器，足以使所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态，当所述开关位于其第一位置时，所述第一电压经由所述开关供给所述螺管式继电器；(d)电源电路，所述电源电路将第二电压供给螺管式继电器，在由第一电压最初供电后，所述第二电压足以使螺管式继电器维持于其激励状态，该第二电压小于第一电压，且第二电压足以使所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态；(e)故障检测电路，检测在电源与负载之间延伸的所述电线中至少一条电线中存在的故障，以在测得所述故障时使所述闩锁电路闩锁于其第二双稳态状态。
12.如权利要求11所述的GFCI，其特征在于还包括跳闸指示电路，用在视觉上指示所述故障检测电路已经测得故障状态。
13.如权利要求11所述的GFCI，其特征在于所述断路器中的开关通常置于所述第一位置。
14.如权利要求13所述的GFCI，其特征在于所述启动电路包括一个重置开关，当电源初次加到所述电线时，所述GFCI需要手动按压所述重置开关，以便所述启动电路使所述继电器电路初始闭合所述常开开关。
15.一种接地故障电路断续器(GFCI)，用于中断电流流经在电源与负载之间延伸的一对电线，其特征在于包括(a)断路器，有一个开关位于所述电线之一，所述开关具有第一位置和第二位置，在第一位置时，相关线路的电源未连接到负载，在第二位置时，相关线路的电源连接到负载；(b)继电器电路，有选择地在所述第一位置或第二位置移动并维持所述开关，所述继电器电路包括可工作于激励状态或去激励状态的螺管式继电器，所述螺管式继电器当其处于激励状态时将所述开关置于所述第二位置，当其处于去激励状态时将所述开关置于所述第一位置；(c)向所述GFCI供电的电源电路；(d)闩锁电路，工作于第一和第二双稳态状态，当处于第一双稳态状态时，所述闩锁电路允许所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态并维持于其激励状态，当处于第二双稳态状态时，所述闩锁电路使所述螺管式继电器从其激励状态切换到其去激励状态并维持于其去激励状态；(e)故障检测电路，检测在电源与负载之间延伸的所述电线中至少一条电线中存在的故障，以在测得所述故障时使所述闩锁电路闩锁于其第二双稳态状态；(f)跳闸指示电路，指示所述故障检测电路已经测得故障状态。
16.如权利要求15所述的GFCI，其特征在于所述跳闸指示电路在听觉上指示所述故障检测电路已经测得故障状态。
17.如权利要求15所述的GFCI，其特征在于所述跳闸指示电路在视觉上指示所述故障检测电路已经测得故障状态。
18.一种接地故障电路断续器(GFCI)，用于中断电流流经在电源与负载之间延伸的一对电线，其特征在于包括(a)断路器，有一个开关位于所述电线之一，所述开关具有第一位置和第二位置，在第一位置时，相关线路的电源未连接到负载，在第二位置时，相关线路的电源连接到负载；(b)继电器电路，有选择地在所述第一位置或第二位置移动并维持所述开关，所述继电器电路包括可工作于激励状态或去激励状态的螺管式继电器，所述螺管式继电器当其处于激励状态时将所述开关置于所述第二位置，当其处于去激励状态时将所述开关置于所述第一位置；(c)电源电路，向所述GFCI提供电源，所述电源电路包括或将第一电压加到所述螺管式继电器，或将第二电压加到所述螺管式继电器的装置；(d)闩锁电路，工作于第一和第二双稳态状态，当处于第一双稳态状态时，所述闩锁电路允许所述螺管式继电器从其去激励状态切换到其激励状态并维持于其激励状态，当处于第二双稳态状态时，所述闩锁电路使所述螺管式继电器从其激励状态切换到其去激励状态并维持于其去激励状态；以及(e)故障检测电路，检测在电源与负载之间延伸的所述电线中至少一条电线中存在的故障，以在测得所述故障时使所述闩锁电路闩锁于其第二双稳态状态。
全文摘要
一种接地故障电路断续器,GFCI,用于中断电流流经在电源与负载之间延伸的一对电线(L,N),它包括:断路器,有一个开关位于所述一对电线之一,所述开关具有第一位置和第二位置,在第一位置时,电源未连接到负载,在第二位置时,电源连接到负载;继电器电路(15)包括耦合到开关或有选择地使开关置于第一位置或第二位置的螺管式继电器(SOL1),所述螺管式继电器当其处于激励状态时将开关置于第二位置,当其处于去激励状态时将开关置于第一位置;启动电路(19),有选择地将第一电压提供给螺管式继电器,足以使螺管式继电器激励;电源电路(17),将第二电压供给螺管式继电器,足以使螺管式继电器维持于其激励状态;闩锁电路(23)允许螺管式继电器在激励状态与去激励状态之间切换;故障检测电路(21),检测故障,以使所述闩锁电路将螺管式继电器闩锁于去激励状态。
文档编号H02H3/32GK1214154SQ96180153
公开日1999年4月14日 申请日期1996年12月27日 优先权日1995年12月29日
发明者维克托·V·阿罗明 申请人:塔瓦制造有限公司