具有过电压保护的测试保护电路的制作方法

1.本发明总体上涉及电气安全装置，更具体地说，涉及自动复位接地故障电路中断器(gfci)，其具有自动监视寿命终止电路和过电压监视。


背景技术：

2.传统的电气设备一般是经过一对导电线路从诸如电源插座等电源接收交流电流(ac)。这对导电线路，通常称为相线和中线，使电器或负载能够接收运行所需的电流。
3.通过一对导电线路将电气设备连接到电源会产生许多潜在的危险状况。特别是，导电线路中存在接地故障和中线接地状况的风险。当在相线和中线中流动的电流之间存在不平衡时，就会发生接地故障状况。当中线在负载处接地时，就会发生中线接地状况。接地故障状况极为危险，可能导致严重伤害。
4.接地故障中断器包括接地故障断路器、接地故障插座以及甚至安装线缆的接地故障保护装置。接地故障中断器即使通过了目前所有的行业标准，它们也可能因误跳闸而产生麻烦。误跳闸的原因之一是电力与感应式设备断开连接，特别是因拔下设备的插头而与电力断开连接。
5.这些设备的示例包括电动剃须刀、高强度灯和小型冷却风扇，例如用于冷却电子设备的风扇。拔下这些设备的插头会在插头和插座之间产生电弧，从而导致将几伏的宽带噪声叠加到电力线路上。由于噪声的宽带特性，即使非常小的杂散耦合电容也会将噪声从电力线路导线耦合到接地故障电路中，从而引起误跳闸。
6.典型的接地故障中断器包括运算放大器，其将所感测到的接地故障信号放大，并将放大后的信号施加到窗口比较器，窗口比较器将该信号与正、负基准信号进行对比。如果超过了任一基准值，则生成跳闸信号。一种通用类型的接地故障检测电路是休眠振荡器型检测器。这种检测器包括第一传感器线圈，受保护电路的相线和中线穿过该第一传感器线圈。第一传感器线圈的输出经耦合电容器施加到上述运算放大器，运算放大器后面跟着窗口比较器。相线到地的故障引起放大后的信号超过基准值，并生成跳闸信号。
7.休眠振荡器型接地故障检测器包括第二传感器线圈，只有中线穿过该第二传感器线圈。中线到地的故障将两个检测器线圈耦合在一起，引起放大器振荡，这种振荡导致跳闸信号的生成。
8.已经发现，诸如由拔出感应型设备的插头等引起的与负载有关的开关现象，其引起的宽带噪声会造成接地故障中断器的误跳闸。
9.接地故障电路中断器在本领域中是众所周知的，并且普遍用于免受接地故障和中线接地状况的影响。一般而言，gfci装置感测到导电线路中存在接地故障和中线接地状况，并且对此作出响应，断开电源和负载之间的导电线路中的至少一根以消除危险状况。
10.在发明人为m.baer等人的美国专利第5,177,657号中，公开了一种接地故障中断器电路，该电路中断电流流向在电源和负载之间延伸的一对线路。该接地故障中断器电路包括：包括设置在这两条线路中一条或两条上的常开开关的断路器、用于选择性地闭合所
述常开开关的继电器电路、能够在第一双稳态和第二双稳态下运行的电子闩锁电路，以及用于感测至少一条线路中存在故障状况的故障感测电路。当电子闩锁电路处于第一双稳态状态时，电子闩锁电路使继电器电路闭合常开开关，并将常开开关保持在其闭合位置。当闩锁电路处于其第二双稳态状态时，电子闩锁电路还使继电器电路允许常开开关返回其常开状态。故障感测电路对至少一条线路中存在故障状况进行感测，并在检测到故障状况时使电子闩锁电路闩锁在其第二状态。
11.在发明人为t.m.mcdonald的美国专利第5,418,678号中，公开了一种改进的接地故障电路中断器(gfci)装置，其需要在一开始连接到交流电源或电源中断结束后进行手动设置。这种改进的gfci装置利用了一种受控开关器件，该受控开关器件响应于负载电力信号，仅当在输出端或负载端上可获得电力时才允许gfci装置的继电器触头组闭合。该受控开关器件优选包括当继电器触头组断开时在gfci输入端和输出端之间提供隔离的光隔离器或其他类型的开关器件。这种改进的gfci装置可以合并到便携式单元中，例如插入式或线路线缆的单元，以与不受保护的ac插座一起使用。
12.在发明人为l.f.irwin的美国专利第4,816,957号中，公开了一种适配器单元，该适配器单元包括防潮外壳，在该防潮外壳中装有改进的、自测试型接地线路故障中断器装置。这种改进的装置与装在适配器外壳外部的连接器电互连，使得该单元可以直接插入到现有电路的标准双工插座中。该设备包括当装置插入双工插座时自动测试所述装置的可操作性的电路，而无需用户手动操作测试按钮或其他明显动作。
13.在发明人为c.w.draper等人的美国专利第4,578,732中，公开了一种墙壁插座型接地故障电路中断器，其具有可从中断器的前面够到的一对插座、复位按钮和测试按钮。该中断器具有被闩锁的速动触头和用于将速动触头保持在电路接通位置的新颖的闩锁继电器结构。所述速动触头允许将包括监视用环形线圈(感测变压器)和电源在内的所有部件分别定位并连接在速动触头的负载侧，使得当触头快速动作到达电路断开位置时，中断器的所有电路都被断电。速动触头机构和继电器设有若干结构，这些结构为中断器提供了无跳闸模式触头致动，并因此提供了一种防止戏弄人的速动触头操作。
14.上述类型的gfci装置的一个缺点是，gfci装置通常包括用以选择性地打开和闭合开关器件的大型螺线管。具体而言，为了切换并将螺线管维持在其通电状态，螺线管通常需要恒定供应线路电压(大约120伏)。结果，螺线管成为了很大的功耗源。
15.ul943现在要求面板安装型和基于插座型gfci在手动操作测试按钮时如果装置未能跳闸，则要指示“寿命终止”。然而，即使最终用户定期测试其装置，未经正确测试的gfci装置也还是可能复位并继续提供电力，但却不能提供接地故障保护。如果没有内置的拒绝通电特征结构，消费者可能会错误而且悲剧性地以为，如果有电，也就有保护。尽管制造商发出了警告，但许多最终用户仍然(并继续保持)不知道需要定期测试；其他的人知道定期测试，但不总是认真地进行测试。ul也将引入要求自动监视gfci，由此gfci将按固定时间间隔进行自我测试并向用户提供“寿命终止”的指示。
16.一般而言，寿命终止事件是接地故障感测部件(环形线圈和集成电路)开路或短路；跳闸螺线管和/或其控制电路出现故障，或者控制跳闸螺线管控制电路的开关半导体(scr)开路或短路。
17.因此，需要一种用于线路电压gfci装置的具有足够额定值的螺线管，其具有降低
的失效趋势，该失效是由于与典型线路电压相关联的高电压和电流而造成的。还需要一种接地故障中断器，其不会响应于受保护电路中的宽带噪声而产生误跳闸。还需要这样的接地故障电路，其对也是响应于溅射电弧故障产生的宽带噪声具有改善的抗干扰性。
18.还需要一种gfci，其能够对gfci中经常发生故障的部件进行手动和自动测试，并在测试失败时拒绝供电。


技术实现要素：

19.根据本发明构造的一种gfci，用于中断流经一对在电源和负载之间延伸的线路的电流，所述gfci包括：断路器，该断路器具有设置在所述线路之一上的开关，所述开关具有第一位置和第二位置，在第一位置，其相关线路中的电力电源未连接至负载，在第二位置，其相关线路中的电力电源连接至负载；继电器电路，用于选择性地移动所述开关并将所述开关保持在所述第一位置或第二位置。
20.所述gfci包括能够工作在第一双稳态和第二双稳态(通/断)的闩锁电路，所述闩锁电路在处于所述第一双稳态时允许所述螺线管从其断电状态切换到其通电状态并保持在其通电状态，以及在处于所述第二双稳态时使得所述螺线管从其通电状态切换到其断电状态并保持在其断电状态。
21.所述gfci包括故障检测电路，用于检测在电源和负载之间延伸的所述线路的至少一条线路中故障状况的存在，并在检测到所述故障状况时使得所述闩锁电路闩锁在其第二双稳态。所述故障检测电路包括：低电力接地故障中断器集成电路和scr驱动器；以及至少一个无源rf噪声抑制器，用于防止rf噪声被该集成电路放大并意外触发scr驱动器。所述gfci还包括用于指示gfci正在正常工作的发光二极管电路。
22.本发明另外的目的以及特征和优点，部分将在下面的具体实施方式部分中进行阐述，部分将根据具体实施方式部分变得清楚明白或者可通过实施本发明而获悉。在具体实施方式部分中参考了附图，附图形成具体实施方式部分的一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了用于实施本发明的特定实施例。对这些实施例将足够详细地进行描述，使本领域技术人员能够实施本发明，并且应当理解，在不脱离本发明保护范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构上的改变。因此，下面的具体实施方式部分不应以限制方式解读，本发明的保护范围由所附权利要求书进行最适当地限定。
附图说明
23.附图在此结合于本说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了本发明的各种实施例，并且与具体实施方式部分一起用于解释本发明的原理。在附图中，相同的附图标记表示相同的部分：
24.图1是自动复位接地故障电路中断器(gfci)的示意性电路图，具有本发明的监视特征和过电压特征；以及
25.图2是图1所示监视特征的时序关系图形。
具体实施方式
26.以下术语的简要定义应该应用于整个申请：
27.术语“包括”是指含有但不限于，应当按照其一般在专利语境中使用的方式进行解释；
28.短语“在一个实施例中”、“根据一个实施例”等，一般是指：跟在该短语之后的特定特征、结构或特性可以被包含在本发明的至少一个实施例中，并且可以被包括在本发明的多于一个的实施例中(重要的是，这些短语不一定是指同一实施例)；
29.如果说明书将某事描述为“示例性”或“示例”，则应理解为是指非排他性示例；
30.如果说明书指出某个部件或特征“可以”、“能”、“会”、“应该”、“优选”、“有可能”、“一般”、“选择性”、“例如”或“可能”(或其他此类语言)被包括或具有某个特性，则该特定部件或特征不必一定被包括或具有该特性。
31.现在参见附图，尤其是图1，其中示出了根据本发明教导构造的接地故障电路中断器(下文称“gfci”)电路，gfci总体上用附图标记11来表示。
32.如下面将详细讨论的那样，在初始时将输入端l连接到负载端l以及将输入端n连接到负载端n之后，gfci 11即会保护负载免受接地故障状况的影响。此外，一旦gfci 11保护了负载免受接地故障状况的影响，gfci 11就可以被复位，以免受另外的接地故障状况的影响。
33.gfci 11包括断路器13、继电器电路15、电源电路17、故障检测电路21、双稳态电子闩锁电路23以及测试电路27。gfci 11还包括自动监视寿命终止模块，该自动监视寿命终止模块包括继电器同步开关31、模拟接地故障生成器33、自动监视和寿命终止逻辑电路、以及寿命终止开关35a。
34.断路器13包括一对单刀双掷开关sw1和sw2，这对开关分别被设置在电源和负载之间的相线和中线中。断路器13的作用是选择性地断开和闭合所述对导电线路。开关sw1和sw2可以被置于两个连接位置中的任一个。在第一连接位置或断开位置，即图1所示的位置，开关sw1和sw2定位成使得输入电源不连接到负载。在第二连接位置，即与图1所示相对的位置，开关sw1和sw2定位成使得输入电源连接到负载。在这两个位置上，输入电源都连接到电源电路17。
35.继电器电路15用于将断路器13选择性地置于其第一连接位置或第二连接位置。继电器电路15包括螺线管rl1a、晶体管q2 15a以及包括电阻r21和齐纳管zd2的偏置电路。
36.螺线管rl1a与开关sw1和sw2的断路器13触头联动，负责选择性地控制开关sw1和sw2的连接位置。在将电力供给gfci 11之前，螺线管rl1a将开关sw1和sw2置于如图所示的第一连接位置。当开关sw1和sw2接合并且螺线管rl1a通电时，螺线管rl1a将开关sw1和sw2保持在第二连接位置。
37.晶体管q2是一种高压晶体管，用于控制流经通电的螺线管rl1a的电流流动。当晶体管q2“截止”时，流经螺线管rl1a的电流被禁用，rl1a被断电。当晶体管q2“导通”时，电流流经螺线管rl1a，使rl1a通电。
38.电源电路17为gfci电路11提供电力。电源电路17包括整流二极管d17和电容器c12。在图1中还示出了变阻器mov1，其值为150伏，用于防止来自交流电源的电涌。硅整流器d17和电容器c12将来自电源的线路交流电流转换为直流电流。
39.当开关sw1和sw2处于其第二连接位置时，故障检测电路21对导电线路中的接地故障和中线接地状况都进行检测。故障检测电路21包括感测变压器t1、接地中线变压器t2、耦
合电容器c7、反馈电阻r3和接地故障中断器集成电路(ic)(gfci ic)。
40.感测变压器t1感测相线和中线之间的电流差，并且在出现接地故障状况时，变压器t1会从其次级绕组感应出一个关联输出。接地中线变压器t2与变压器t1共同作用，以感测中线接地状况的存在，进而感应出一个关联输出。耦合电容器c7将来自变压器t1次级绕组的交流信号耦合到gfci ic。
41.在检测到接地故障或中线接地状况之后，gfci ic在引脚5上生成一个输出脉冲，以激活闩锁电路23。激活的闩锁电路23经由继电器同步开关31使螺线管rl1a停止工作或断电。闩锁电路23包括可工作在导电或非导电状态下的可控硅整流器scr1。
42.整流器scr1经由继电器同步开关31选择性地导通和截止继电器电路15中的晶体管q2，这个内容将在此更详细地讨论。复位开关sw4是一种传统的推入式开关，当被按下时，它会从整流器scr1的阳极移除保持电流，从而，如果整流器scr1处于其导电状态则使整流器scr1关断。
43.电阻r2和电容器c4用作滤波电路，以平滑电源提供的变化的直流电压，并向ic u1的电力输入端提供滤波直流电压。如此处更详细讨论的那样，当gfci 11处于自动的自动监视模式时，c4还提供临时的gfci ic vcc。
44.测试电路27提供了一种测试电路11是否正常起作用的手段。测试电路27包括限流电阻r12和具有传统推入式设计的测试开关sw3。当按下测试开关sw3给测试电路27通电时，电阻r12向变压器t1提供类似于接地故障状况的模拟故障电流。
45.在使用中，gfci 11以下列方式起作用。在初始连接之前，开关sw1和sw2在正常情况下处于图1所示的第一连接位置。
46.gfci 11的一端初始连接到电力电源之后，大约120伏rms的线路电压即通过电源电路17施加到螺线管rl1a。开关sw1和sw2接合(与图1所示位置相反)，来自电源电路17的电力通过螺线管rl1a将开关sw1和sw2维持在其连接位置。
47.在螺线管rl1a维持在其通电状态的时候，整流器scr1处于非导电状态而晶体管q2导通，这使得电流能够流经螺线管rl1a流经q2到达中线。一旦检测到接地故障或中线接地状况，则故障检测电路21向整流器scr1发送栅极信号，使整流器scr1处于导电状态，继而经由继电器同步开关使晶体管q2截止。在晶体管q2截止的情况下，电流不会流经螺线管rl1a，因此，螺线管rl1a变成断电。一旦断电，螺线管rl1a使开关sw1和sw2返回其第一非连接位置，从而中断从电源到负载的电力。
48.一旦故障状况消除，就可以通过按下开关sw4使电路11复位。按下开关sw4引起scr1保持电流的去除，这使得整流器scr1关断。这进而在释放开关sw4时使晶体管q2重新导通，使得螺线管rl1a重新通电。应理解，电源到负载的电力需要开关sw1和sw2的接合。
49.120/240开关
50.120/240开关101监视来自电源电路17的电力。在正常工作期间，即输入电力是120v交流电，120/240开关101为螺线管电流经螺线管rl1a经q2到达中线提供接地或中线路径。如果120/240开关101感测到诸如240v交流电等过电压状况，则120/240开关101解除为螺线管电流流经螺线管rl1a提供的中线路径，从而使rl1a断电并断开开关sw1和sw2。
51.自动监视和寿命终止
52.监视模块101包括继电器同步开关31、模拟接地故障生成器33、自动监视和寿命终
止电路35以及寿命终止开关35a。
53.模拟接地故障生成器(sgfg)33包括模拟周期性接地故障所需的逻辑和装置。参见图2，在正常的gfci工作期间，sgfg 33关断。在自动监视窗口期间，sgfg生成短路开启脉冲，设定自动监视寿命终止(eol)窗口的基本时序。sgfg脉冲被gfci电路21感测为接地故障。一检测到该模拟接地故障，gfci ic就在引脚5生成输出脉冲，用以激活闩锁电路23(scr1)。
54.当为了自动监视接地故障检测电路21的目的sgfg 33生成短路开启脉冲时，sgfg脉冲还被gfci继电器同步开关31感测到，继电器同步开关31包括临时隔离上述正常gfci故障检测所需的逻辑和装置。受测试的gfci部件包括感测变压器t1、接地变压器t2、gfci ic以及双稳态电子闩锁电路23。
55.将会明白的是，由sgfg设定的时序窗口或脉冲周期具有足够短的时长，使得在自动监视eol窗口期间当k1 15被继电器同步开关31暂时隔离时，电容器c4上的电荷足以将供给gfci ic的电力维持达自动监视eol窗口的时长。
56.自动监视和eol逻辑(监视)电路35确定在连续自动监视eol窗口期间scr1不接通的次数。如图2所示，如果测试问题“scr1接通？”为“关断”，则scr1没有被接通。如果scr1没有被接通达预定次数，则gfci故障检测电路是有故障的，并且eol开关35a被激活，从而使螺线管k1断电。
57.上面描述的本发明其意图仅仅是示例性的，本领域技术人员应该能够在不脱离本发明精神的情况下对其做出多种变型和修改。所有这些变型和修改其意图都是落入所附权利要求书所限定的本发明的范围内。