專利名稱：電開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電開關(guān)。機械開關(guān)被廣泛地用于控制電路中電流的流動。術(shù)語“機械開關(guān)”在這里用于指代包括機械觸點的電開關(guān)，這些觸點響應(yīng)于機械的(包括手工的)、電的、熱的或其它形式的觸動作用(activation)而打開或閉合。這類器件(device)包括簡單的手動開關(guān)、斷路器、接地故障中斷器(GFI)、繼電器和雙金屬器件(又稱為電熱繼電器、熱觸動開關(guān)和電熱器件)。
當(dāng)一個機械開關(guān)動作而中斷流過它的電流時，隨著觸點分離，在其間幾乎總是會產(chǎn)生電弧，甚至在正常工作條件下也會產(chǎn)生，因此電流(以電弧形式)繼續(xù)流過開關(guān)，直到電弧熄滅。這種電弧將對觸點造成損壞，損壞程度取決于電流、電壓、電流是交流還是直流、觸點分離的速度以及制造觸點的材料。機械開關(guān)通常是根據(jù)它可以安全地中斷的最大電流確定其額定值的，所說的中斷是在規(guī)定的電壓下并進(jìn)行規(guī)定的操作次數(shù)。隨著開關(guān)的額定值增大，開關(guān)的造價、尺寸和復(fù)雜程度會顯著地增加。
確定開關(guān)的額定值的標(biāo)準(zhǔn)程序一般包括在特定的電壓下在不同的標(biāo)準(zhǔn)電流水平(電流電平)下進(jìn)行測試。一個開關(guān)是在它將通過測試的最高標(biāo)準(zhǔn)電流水平下被確定額定值的。例如，如果標(biāo)準(zhǔn)電流水平之一為15安培(在120伏特的電壓下)并且下一個較高的標(biāo)準(zhǔn)電流水平是20安培(在120伏特的電壓下)，一個15安培額定值的開關(guān)將在15安培下通過測試，但通常將在20安培下不能通過測試，并且在15-20安培之間的非標(biāo)準(zhǔn)電流下可能通過測試也可能不能通過測試。
PTC電路保護器件是公知的。這種器件與負(fù)載串聯(lián)配置，并且在正常的工作條件下是處于低溫、低電阻狀態(tài)。但是，如果通過PTC器件的電流過度增大，和/或PTC器件周圍的環(huán)境溫度過度增大，和/或正常的工作電流維持超過正常的工作時間，那么PTC器件將“跳閘(trip)”，即，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷?、高電阻狀態(tài)，于是電流被大大地降低。通常，PTC器件將保持在跳閘的狀態(tài)下，即使電流和/或溫度回到其正常的水平，直到PTC器件已經(jīng)與電源斷開并得以冷卻。特別實用的PTC器件包含一個PTC元件，此元件是由一種PTC導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的，即，其組成包括(1)有機聚合物和(2)在此聚合物中分散的或以其它方式分布的顆粒狀導(dǎo)電填料，最好是碳黑。PTC導(dǎo)電聚合物和包含這些聚合物的裝置描述于(例如)以下美國專利中4237441，4238812，4315237，4317027，4426633，4545926，4689475，4724417，4774024，4780598，4800253，4845838，4857880，4859836，4907340，4924074，4935156，4967176，5049850，5089801和5378407。
在電路的正常工作條件下，PTC電路保護器件處于低溫、低電阻狀態(tài)。但是，如果發(fā)生故障(例如，如果通過PTC器件的電流過度增大，和/或器件周圍的環(huán)境溫度過度增大，和/或正常的工作電流維持超過正常的工作時間)，那么PTC器件將“跳閘”，即，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷?、高電阻狀態(tài)，于是電路中的電流被降低到安全水平。通常，PTC器件將保持在跳閘的狀態(tài)下，即使故障被消除，直到PTC器件已經(jīng)與電源斷開并得以冷卻。
在由相同的制造工藝制造的一批PTC器件中，工藝中的不可控的變化可以引起將使任何單個的器件跳閘的條件的顯著變化。將不會導(dǎo)致此批器件中的任一器件跳閘的最大的穩(wěn)定狀態(tài)電流在這里被稱為“通過(pass)電流”(IPASS)或“保持電流”，將導(dǎo)致全部器件跳閘的最小的穩(wěn)定狀態(tài)電流在這里被稱為“跳閘電流”(ITRIP)。一般情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，IPASS與ITRIP之間的差緩慢地減小。根據(jù)器件的特定類型，ITRIP在20℃下可能是IPASS的(例如)1.5-2.5倍。對于任一單個器件，通過電流和跳閘電流大致是相同的。但是，在本說明書中，針對具有IPASS和不同的ITRIP的PTC器件給予說明，因為作為一種實際情況，電開關(guān)的制造者必須利用取自一批這類器件中的PTC器件。通常，環(huán)境溫度越高，通過電流和跳閘電流就越低。這種現(xiàn)象被稱為“熱致額定值降低”，術(shù)語“額定值降低曲線”用于指代溫度對通過電流的曲線。
發(fā)明人已經(jīng)對包括兩個串聯(lián)的或者并聯(lián)的機械開關(guān)和一個PTC器件的電開關(guān)裝置的特性進(jìn)行了試驗，其中PTC器件與開關(guān)之一(這里將其稱為“并聯(lián)開關(guān)”)并聯(lián)且與另一開關(guān)(這里將其稱為“串聯(lián)開關(guān)”)串聯(lián)。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，如果兩個開關(guān)大致同時動作，或者串聯(lián)開關(guān)比并聯(lián)開關(guān)稍遲動作，當(dāng)電流ISWITCH在施加的電壓VSWITCH下通過該裝置時，并聯(lián)開關(guān)在明顯低于VSWITCH的電壓下中斷電流ISWITCH，并且由于PTC器件的電阻的增大，串聯(lián)開關(guān)在稍低于VSWITCH的電壓下中斷明顯低于ISWITCH的電流。因此，對于任何一個開關(guān)或者兩個開關(guān)而言，在電壓VSWITCH下具有低于ISWITCH的額定值是可以允許的(或者，換一種方式，對于任何一個開關(guān)或者兩個開關(guān)而言，在低于VSWITCH的電壓下具有額定值ISWITCH是可以允許的)。因此，與在電壓VSWITCH下中斷電流ISWITCH的單個常規(guī)開關(guān)相比，這種開關(guān)裝置更便宜和/或更可靠。還已發(fā)現(xiàn)，這種效果與PTC器件的電和熱特性是相關(guān)的，在許多種情況下，當(dāng)PTC器件包含一種如此構(gòu)成的PTC元件時能夠獲得最佳的結(jié)果，即，這種PTC元件是由在室溫下具有低于10歐姆-厘米的電阻率的材料構(gòu)成的。具有這種電阻率的PTC導(dǎo)電聚合物是容易得到的。
這些發(fā)現(xiàn)可以被用于提供這樣的開關(guān)裝置，它們在電路的正常使用中進(jìn)行電路的開和關(guān)操作，這些開關(guān)可手工操作或者根據(jù)電路正常使用中產(chǎn)生的條件而動作。這些發(fā)現(xiàn)還可用于提供故障防護系統(tǒng)，其中這些開關(guān)則是直接由故障條件促動。另外，在本發(fā)明的開關(guān)裝置中，PTC器件限制在開關(guān)動作過程中傳至負(fù)載的能量。這種特征提供了“故障電流限制”特性。
當(dāng)并聯(lián)開關(guān)打開時，PTC器件的電阻必須由通過此器件的電流的作用而明顯增大。另外，電阻增大的速度對該開關(guān)裝置的設(shè)計具有重要的影響。如果兩個開關(guān)同時動作，電流將以隨觸點分離而在觸點之間形成的電弧的形式，繼續(xù)流過串聯(lián)開關(guān)，直到PTC器件的電阻增大達(dá)到電弧不能維持的水平。因此，PTC器件的電阻達(dá)到此水平越快，串聯(lián)開關(guān)的要求的額定值就越低。如果串聯(lián)開關(guān)在并聯(lián)開關(guān)之后動作，將會縮短串聯(lián)開關(guān)中電弧的持續(xù)時間，并且有可能完全消除電弧。因此，如果PTC器件的電阻在串聯(lián)開關(guān)動作之前達(dá)到要求的水平，串聯(lián)開關(guān)中將不會產(chǎn)生電弧。這對于串聯(lián)開關(guān)而言是理想的，但保證要求的延遲所需的代價可能勝過對采用具有低的額定值的開關(guān)的需要性。在交流電路中，由于電弧(如果有的話)在每一電流零處熄滅，因此，如果PTC器件在小于半周的時間內(nèi)達(dá)到要求的電阻的話，通常就沒有理由要延遲串聯(lián)開關(guān)的動作。應(yīng)當(dāng)還記得，如果串聯(lián)開關(guān)不能在PTC器件的電阻達(dá)到要求的水平時立即動作，那么PTC器件必須是這樣的它可以維持其高溫狀態(tài)，而不損壞其自身或者任何其它元器件(component)，直到串聯(lián)開關(guān)動作。還希望，串聯(lián)開關(guān)應(yīng)當(dāng)在并聯(lián)開關(guān)動作后不超過100毫秒的時間內(nèi)打開和/或動作，以保證在并聯(lián)開關(guān)已動作后電路在適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)停止工作。
PTC器件通常被設(shè)計為適合用于特定的電流(或電流范圍)和特定的電壓(或電壓范圍)條件下，這些設(shè)計是基于PTC器件應(yīng)當(dāng)在那些條件下安全地跳閘的要求。本發(fā)明的一個重要優(yōu)點是，由于電流流過PTC器件僅是在有限的時間內(nèi)(即，并聯(lián)開關(guān)的動作時間與電流停止流動的時間之間)，PTC器件通常不能達(dá)到其正常的“跳閘狀態(tài)”的很高的電阻，因此PTC器件不需要具有通常與在ISWITCH和VSWITCH下工作的PTC器件相關(guān)的特性。結(jié)果，本發(fā)明的開關(guān)裝置可以用于中斷比通常與PTC器件相關(guān)的那些電流和電壓高得多的電流和電壓。如果ISWITCH和/或IVCLTAGE是高的，由PTC器件吸收的能量就相應(yīng)地高。
按照第一方面，本發(fā)明提供了一種電開關(guān)裝置，它包括(1)第一串聯(lián)機械開關(guān)，(2)第二并聯(lián)機械開關(guān)，和(3)一個PTC器件；其中(a)PTC器件和第二開關(guān)并聯(lián)連接，此并聯(lián)組合與第一開關(guān)串聯(lián)連接，或者(b)PTC器件和第一開關(guān)串聯(lián)連接，此串聯(lián)組合與第二開關(guān)并聯(lián)連接；當(dāng)由規(guī)定的程序確定額定值時，其中，兩個開關(guān)同時動作以中斷在電壓VSWITCH下工作的電路中的電流，該裝置具有額定電流ISWITCH；下列至少一種選擇(a)當(dāng)由相同的程序在電壓VSWITCH下單獨確定額定值時，串聯(lián)開關(guān)具有額定電流ISERIES，此電流最大為ISWITCH的j倍，這里j為0.8，優(yōu)選0.6，特別優(yōu)選0.25，尤其優(yōu)選0.1，和(b)當(dāng)由相同的程序在電壓VPARALLEL下單獨確定額定值時，此電壓VPARALLEL最大為VSWITCH的k倍，k為0.8，優(yōu)選0.6，特別優(yōu)選0.25，尤其優(yōu)選0.1，并聯(lián)開關(guān)具有額定電流IPARALLEL，此電流最大為ISWITCH；并且當(dāng)在一個具有開路電壓VSWITCH的測試電路中單獨承受一個電流IPTC時，此電流IPTC最大為ISWITCH的m倍，m為0.75，優(yōu)選0.5，特別優(yōu)選0.25，尤其優(yōu)選0.1，PTC器件電阻增大到至少100倍，優(yōu)選至少200倍，特別優(yōu)選至少700倍，尤其優(yōu)選至少1000倍，電阻增大時間最多100毫秒，優(yōu)選最多30毫秒，特別優(yōu)選最多8毫秒，尤其優(yōu)選最多5毫秒。
按照第二方面，本發(fā)明提供了一種電開關(guān)裝置，它包括(1)第一串聯(lián)機械開關(guān)，(2)第二并聯(lián)機械開關(guān)，和(3)一個PTC器件；其中(a)PTC器件和第二開關(guān)并聯(lián)連接，此并聯(lián)組合與第一開關(guān)串聯(lián)連接，或者(b)PTC器件和第一開關(guān)串聯(lián)連接，此串聯(lián)組合與第二開關(guān)并聯(lián)連接；該開關(guān)裝置具有至少一種下列特性(A)PTC器件包括一種PTC元件，此元件由一種PTC導(dǎo)電聚合物構(gòu)成，此聚合物具有小于5歐姆-厘米的電阻率；(B)開關(guān)是聯(lián)動的，這樣串聯(lián)開關(guān)可以與并聯(lián)開關(guān)同時動作；(C)該裝置包括用于使串聯(lián)開關(guān)在預(yù)定時間動作的裝置，此預(yù)定時間為并聯(lián)開關(guān)動作之后10-100毫秒，此預(yù)定時間由PTC器件的電阻增大速度和兩個開關(guān)的額定值決定；(D)并聯(lián)開關(guān)不是由通過該裝置的過流操縱的；(E)并聯(lián)開關(guān)可以手工操作；(F)當(dāng)電壓從10伏特變化至600伏特時，串聯(lián)開關(guān)、并聯(lián)開關(guān)、PTC器件和該開關(guān)裝置的任何其它元器件中的每一個的電阻最多變化5倍，優(yōu)選最多4倍，特別優(yōu)選最多2倍，尤其優(yōu)選最多1.2倍；和(G)當(dāng)在一個具有開路電壓VPTC的測試電路中單獨承受一個電流IPTC時，PTC器件電阻增大到至少100倍，優(yōu)選至少200倍，特別優(yōu)選至少700倍，尤其優(yōu)選至少1000倍，電阻增大時間最多100毫秒，優(yōu)選最多30毫秒，特別優(yōu)選最多8毫秒，尤其優(yōu)選最多5毫秒，IPTC和VPTC為下列選擇之一(i)VPTC為12伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(ii)VPTC為24伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(iii)VPTC為60伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(iv)VPTC為120伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(v)VPTC為250伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(vi)VPTC為600伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、
20、30或60安培，(vii)VPTC為12伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(viii)VPTC為24伏特直流，IPIC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(ix)VPTC為60伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(x)VPTC為120伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(xi)VPTC為250伏特直流，IPIC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，和(xii)VPTC為600伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培；或(H)(i)當(dāng)串聯(lián)開關(guān)單獨用于中斷工作在預(yù)定的直流電流和電壓下的電路時，會導(dǎo)致在串聯(lián)開關(guān)的兩個觸點之間觸發(fā)電弧，一定重量MSERIES的材料從一個觸點轉(zhuǎn)移至另一個觸點，(ii)當(dāng)并聯(lián)開關(guān)單獨用于中斷相同的電路時，導(dǎo)致在并聯(lián)開關(guān)的兩個觸點之間觸發(fā)電弧，一定重量MPARALLEL的材料從一個觸點轉(zhuǎn)移至另一個觸點，并且(iii)MPARALLEL至少為MSERIES的p倍，這里p為1.5，優(yōu)選4，特別優(yōu)選8。根據(jù)第三方面，本發(fā)明提供了一種電路，它包括(A)一個具有電壓VNORMAL的電源；(B)一個電負(fù)載；和(C)一個電開關(guān)裝置，它包括(1)第一串聯(lián)機械開關(guān)，它與電源和負(fù)載串聯(lián)，(2)第二并聯(lián)機械開關(guān)，和(3)一個PTC器件；其中(a)PTC器件和第二開關(guān)并聯(lián)連接，此并聯(lián)組合與第一開關(guān)串聯(lián)連接，或者(b)PTC器件和第一開關(guān)串聯(lián)連接，此串聯(lián)組合與第二開關(guān)并聯(lián)連接；電路具有正常的工作條件，其中兩個開關(guān)均閉合，并且電路電流為INORMAL；當(dāng)由規(guī)定的程序確定額定值時，其中，兩個開關(guān)在電壓VNORMAL下同時動作，該開關(guān)裝置具有額定電流ISWITCH，此電流至少是電流INORMAL的q倍，這里q為1，優(yōu)選1.5，特別優(yōu)選2；當(dāng)由相同的程序在電壓VCIRCUIT下單獨確定額定值時，串聯(lián)開關(guān)具有額定電流ISERIES，此電流最大為INORMAL的r倍，這里r為0.9，優(yōu)選0.75，特別優(yōu)選0.5，尤其優(yōu)選0.25；當(dāng)由相同的程序在電壓VPARALLEL下單獨確定額定值時，此電壓最大為VNORMAL的s倍，s為0.9，優(yōu)選0.75，特別優(yōu)選0.5，尤其優(yōu)選0.25，并聯(lián)開關(guān)具有額定電流IPARALLEL，此電流最大為INORMAL；并且當(dāng)在一個具有開路電壓VNORMAL的測試電路中單獨承受一個電流IPTC時，此電流IPTC最大為INORMAL的t倍，t為0.9，優(yōu)選0.75，特別優(yōu)選0.5，尤其優(yōu)選0.25，PTC器件電阻增大到至少100倍，優(yōu)選至少200倍，特別優(yōu)選至少700倍，尤其優(yōu)選至少1000倍，電阻增大時間最多100毫秒，優(yōu)選最多30毫秒，特別優(yōu)選最多8毫秒，尤其優(yōu)選最多5毫秒。
按照第四方面，本發(fā)明提供了一種中斷電流的方法，用于中斷在一個電路中流動的電流ICIRCUIT，該電路包括(A)一個具有電壓VCIRCUIT的電源；(B)一個具有電阻RLOAD的電負(fù)載；和(C)一個電開關(guān)裝置，它包括(1)第一串聯(lián)機械開關(guān)，它與電源和負(fù)載串聯(lián)連接，(2)第二并聯(lián)機械開關(guān)，和(3)一個PTC器件；其中(a)PTC器件和第二開關(guān)并聯(lián)連接，此并聯(lián)組合與第一開關(guān)串聯(lián)連接，或者(b)PTC器件和第一開關(guān)串聯(lián)連接，此串聯(lián)組合與第二開關(guān)并聯(lián)連接；當(dāng)在一個具有開路電壓VCIRCUIT的測試電路中單獨承受一個電流ICIRCUIT時，PTC器件電阻增大到至少是RLOAD的w倍，這里w為10，優(yōu)選50，特別優(yōu)選100，其電阻增大時間最多100毫秒，優(yōu)選最多30毫秒，特別優(yōu)選最多8毫秒，尤其優(yōu)選最多5毫秒，該方法包括(A)使并聯(lián)開關(guān)動作，和(B)在步驟(A)后0-100毫秒，使串聯(lián)開關(guān)動作。
當(dāng)在此說明PTC器件承受一個電流IPTC時，電流IPTC是m ISWITCH或INORMAL的函數(shù)，如果ISWITCH或INORMAL是交流電流，IPTC就是交流電流，而如果ISWITCH或INORMAL是直流電流，IPTC就是直流電流。當(dāng)IPTC是交流電流時，此器件在小于半周的時間內(nèi)達(dá)到要求的電阻，電流實際上可能達(dá)不到規(guī)定的值；另外，達(dá)到要求的電阻水平所需的時間將取決于測試開始時電流的相位角。因此，在本說明書中給出的時間是采用這樣的電源測量的，即，如果不中斷的話，此電源將達(dá)到規(guī)定的值(所謂的“預(yù)期”電流)。
雖然本發(fā)明是借助于PTC器件與機械開關(guān)的組合來描述的，但也可以采用具有相同的相應(yīng)額定值特性的固態(tài)器件替代本發(fā)明的電開關(guān)中的機械開關(guān)。
兩個機械開關(guān)可以是手動的，或者，在一個實施例中，例如當(dāng)該裝置是在高壓下工作的斷路器的一部分時，兩個機械開關(guān)響應(yīng)于一個信號而動作，此信號通過一個工作在低電壓下的保護繼電器取自于變壓器或變流器。


圖1示出本發(fā)明的一種裝置10，該裝置包括由一個PTC器件2和一個并聯(lián)開關(guān)6組成的并聯(lián)組合，此并聯(lián)組合與一個串聯(lián)開關(guān)4串聯(lián)連接。當(dāng)該電開關(guān)裝置10啟動時，并聯(lián)開關(guān)6立即打開，使電流流入并聯(lián)的PTC器件2。PTC器件2于是增大了電阻，由此使電流減小，并允許串聯(lián)開關(guān)4在較小的電流下打開。在有些應(yīng)用中，串聯(lián)開關(guān)4和并聯(lián)開關(guān)6是同時動作的(例如采用聯(lián)動的開關(guān))。而在另一些應(yīng)用中，使串聯(lián)開關(guān)4延遲動作可能是有益的，這種延遲可以按機械方式或者電氣方式實現(xiàn)。
為了提供附加的或變化的功能，其它元器件可以與本發(fā)明的裝置相結(jié)合。例如，在具有電感性負(fù)載的電路中，隨著PTC器件2(的阻抗)從低阻抗?fàn)顟B(tài)增大至高阻抗?fàn)顟B(tài)，電路中的電流的快速減小，可能導(dǎo)致在PTC器件2上形成電壓沖擊。圖2示出了一種適合在這種情況下使用的裝置，在該裝置中，一個電壓鉗位器件，諸如變阻器8，與PTC器件2并聯(lián)連接，以限制這種電壓沖擊。也可以采用其它電壓鉗位器件，諸如齊納二極管。
圖3是電壓對電流的示意性曲線，并且在陰影區(qū)域OABCD中示出可以安全地中斷的電壓和電流的組合，這種中斷可由在V伏特電壓下具有I安培的額定電流的典型機械開關(guān)實現(xiàn)。如圖3所示，根據(jù)所選擇的電壓，同一器件可以按不同的方式確定額定值；并且存在電流和電壓的最大值，超過這些值開關(guān)就不能使用。
圖4與圖3相同，但它示出了相關(guān)的電壓VSWITCH和電流ISWITCH的組合。具有圖3和圖4中所示的額定值特性的開關(guān)將不能在正常的電路電壓VSWITCH下中斷正常的電路電流ISWITCH。其每一開關(guān)具有圖5中所示的額定值的本發(fā)明的電開關(guān)裝置，能夠在等于VSWITCH的電壓下中斷等于ISWITCH的電流。在這些開關(guān)裝置中，PTC器件的存在具有將電流的中斷分為兩種獨立的開關(guān)動作的效果，第一種動作發(fā)生在ISWITCH/VINTERRUPT點處，第二種動作發(fā)生在IINTERRUPT/VSWITCH點處。根據(jù)圖1的由PTC器件和機械開關(guān)組成的開關(guān)裝置，其中串聯(lián)開關(guān)和并聯(lián)開關(guān)具有如圖6中所示的不同的額定值特性，該開關(guān)裝置還能夠在等于VSWITCH的電壓下中斷等于ISWITCH的電流。在包括具有圖5或圖6所示的額定值特性的機械開關(guān)的電開關(guān)裝置中，并聯(lián)開關(guān)的額定值選定為在施加的電壓VINTERRUPT下中斷電流ISWITCH，而串聯(lián)開關(guān)的額定值選定為在施加的電壓VSWITCH下中斷電流IINTERRUPT。
圖5和6的示意性曲線指示出，給定的兩個開關(guān)(它們具有如圖5中所示的相同的特性，或者具有如圖6中所示的不同的特性)的組合可以如何與一個PTC器件一起配置(如圖1中所示)，用以中斷任何一個開關(guān)不能單獨中斷的電流和電壓。圖7所示的示意性曲線指示出，對于給定的相關(guān)電流和電壓組合，例如，ISWITCH和VSWITCH，存在機械開關(guān)的多種不同組合，這些機械開關(guān)可與一個PTC器件一起配置用以中斷ISWITCH和VSWITCH，而其中沒有一個開關(guān)能夠單獨地中斷ISWITCH和VSWITCH。對于串聯(lián)和并聯(lián)機械開關(guān)的N種組合(可表示為Si和Pi，i＝1...N)中的每一種，并聯(lián)開關(guān)能夠在電壓Vi下中斷電流ISWITCH，而對應(yīng)的串聯(lián)開關(guān)能夠在電壓VSWITCH下中斷電流Ii。在實際情況下，電開關(guān)設(shè)計者的目標(biāo)將是選擇最便宜的機械開關(guān)組合(通常，最便宜的組合也是最小的，但隨著開關(guān)變得越來越小這并不是必需的)。
圖8示出一個電路20的電路圖，此電路20將本發(fā)明的電開關(guān)裝置10與一個電源12和一個負(fù)載14結(jié)合起來。參照圖5和6所示的示意性曲線，電路20中的正常電壓為VSWITCH或低于此值，而在此實例(sample)電路20中的正常電路電流為ISWITCH或低于此值。由于串聯(lián)開關(guān)4和并聯(lián)開關(guān)6具有圖5或6所示的電壓和電流中斷額定值特性，沒有一個開關(guān)能夠單獨在電壓VSWITCH下中斷電流ISWITCH。但是，并聯(lián)開關(guān)6可以在降低的電壓VINTERRUPT下中斷電流ISWITCH，而串聯(lián)開關(guān)4可以在電壓VSWITCH下中斷降低的電流IINTERRUPT。在此電路20中，由于PTC器件具有低溫電阻RPTCLOW和高溫電阻RPTC HIGH，因此存在下列關(guān)系RPTC LOW×ISWITCH＜VINTERRUPT，此關(guān)系式確定了PTC器件2的低電阻狀態(tài)電阻和并聯(lián)開關(guān)6的中斷額定值之間的關(guān)系；和VSWITCH/RPTC HIGH＜IINTERRUPT，此關(guān)系式確定了PTC器件2的高電阻狀態(tài)電阻和串聯(lián)開關(guān)4的中斷額定值之間的關(guān)系。
根據(jù)這些關(guān)系，可以按以下方式確定構(gòu)成電開關(guān)裝置10的元器件所需的特性。
在其額定值選定為能夠在電壓VSWITCH下中斷電流ISWITCH的本發(fā)明的一種電開關(guān)裝置中1.串聯(lián)開關(guān)和并聯(lián)開關(guān)在閉合時可以連續(xù)地承載等于或大于ISWITCH的電流；2.PTC器件具有小于ISWITCH的通過電流IPASS；3.PTC器件具有在電壓VSWITCH下小于電流ISWITCH的跳閘電流ITRIP；4.PTC器件具有低電阻RPTC LOW，并聯(lián)開關(guān)的額定值選定為能夠在所施加的小于或等于RPTC LOW×ISWITCH的電壓下中斷等于ISWITCH的電流；5.PTC器件具有高電阻RPTC HIGH，串聯(lián)開關(guān)的額定值選定為能夠在所施加的電壓VSWITCH下中斷等于或小于VSWITCH/RPTC HIGH的電流。
在圖1所示的串聯(lián)/并聯(lián)組合中，在該電開關(guān)裝置10中，串聯(lián)開關(guān)4位于由PTC器件2和并聯(lián)開關(guān)6組成的并聯(lián)組合之前。雖然該電開關(guān)裝置的電特性不取決于這種(排列)順序，但其它考慮條件可能決定串聯(lián)開關(guān)的位置。例如，在該電開關(guān)裝置10應(yīng)用于提供過流保護時，圖1中所示的順序具有另外的優(yōu)點，即，除了隔離負(fù)載之外，串聯(lián)開關(guān)4還可以起到將過流保護電路中的元器件與電源隔離的作用。當(dāng)這些元件接近人并且容易被人觸及時，這(隔離作用)尤為必要。
在圖8所示的電路的一個特定實例中，串聯(lián)開關(guān)4和并聯(lián)開關(guān)6的額定值均選定為能夠在120伏特的交流電壓下中斷1/2安培的電流；PTC器件2是一個Raychem RXE030 Polyswitch器件，它在其低電阻狀態(tài)下具有1歐姆的額定電阻；電源12工作在120伏特的交流電壓下；負(fù)載14具有12歐姆的阻抗。因此，此實例電路20中的正常電流是10安培。當(dāng)兩個開關(guān)同時動作時，并聯(lián)開關(guān)6立即打開，使電流轉(zhuǎn)換到通過PTC器件2。由于PTC器件2的電阻為1歐姆，當(dāng)并聯(lián)開關(guān)6打開時PTC器件2上的電壓為1歐姆×(120伏特/(1歐姆+12歐姆))，它約等于9.2伏特。于是，按照上述的定義，并聯(lián)開關(guān)6已能夠在9.2伏特的交流電壓下中斷稍小于ISWITCH的電流。PTC器件2的I2R加熱作用使PTC器件2的電阻在短時間內(nèi)增大至幾千歐姆，所述的時間在10毫秒量級。因此，串聯(lián)開關(guān)4承載的電流在10毫秒量級的時間內(nèi)，從10安培降低至很低的程度，例如幾毫安，此時，串聯(lián)開關(guān)4打開，在120伏特下中斷了這個小電流。
但是，如果在相同電路中，串聯(lián)開關(guān)4被設(shè)定為延遲打開，可以采用諸如Raychem RXE160 Polyswitch器件之類的PTC器件2，這種元件在其低電阻狀態(tài)下具有0.1歐姆量級的電阻。當(dāng)并聯(lián)開關(guān)6打開時，它轉(zhuǎn)換10安培的電流，但僅僅是處于1伏特的電壓下。PTC器件2的I2R加熱作用使其電阻在約3秒內(nèi)增大至幾千歐姆。如果串聯(lián)開關(guān)4被設(shè)定為延遲3秒打開，串聯(lián)開關(guān)4將僅僅需要在120伏特的電壓下關(guān)斷很小的電流(例如約0.02安培)。
在相同電路中，如果PTC器件2為Raychem RXEO17 Polyswitch器件，這種元件在其低電阻狀態(tài)下具有4歐姆量級的電阻，那么其電阻會在10安培的電流下在約1毫秒的時間內(nèi)增大至幾千歐姆。一個10安培的正弦電流則將在達(dá)到其峰值前被中斷。如果并聯(lián)開關(guān)6在正弦電流通過零時打開，PTC器件2將在電流達(dá)到其峰值前限制通過串聯(lián)開關(guān)的電流。并聯(lián)開關(guān)6的額定值將被選定為在40伏特的電壓下中斷10安培的電流。從理論上講，如果僅僅考慮開關(guān)作用，串聯(lián)開關(guān)的參數(shù)可以被選定為在120伏特的電壓下中斷很低的電流。實際上，串聯(lián)開關(guān)的額定值將由這樣的要求決定當(dāng)閉合時，串聯(lián)開關(guān)必須連續(xù)地承載正常的10安培電流。
在選擇用于本發(fā)明的機械開關(guān)和PTC器件時要作出一些折衷處理。隨著處于其低電阻狀態(tài)的PTC器件的電阻的增大，PTC器件趨于在更短的時間內(nèi)達(dá)到所要求的高電阻，因此用于打開串聯(lián)開關(guān)所需的延遲時間縮短了。但是，隨著處于其低電阻狀態(tài)的PTC器件的電阻的增大，并聯(lián)開關(guān)6的額定電壓必須增大。
在以上的實例中描述的本發(fā)明的實施例中，電路元器件一起工作而提供電開關(guān)能力。PTC器件和機械開關(guān)的最佳協(xié)作組合方式還可以應(yīng)用于斷路器。在傳統(tǒng)的斷路器中，要中斷的信號可以與要中斷的電路無關(guān)，并且在高壓情況下，此信號通常通過一個工作在低壓下的保護繼電器取自于變壓器(PT)或變流器(CT)。在采用圖2中所示的電開關(guān)裝置的斷路器中，兩個機械開關(guān)4和6開始同時打開，并聯(lián)開關(guān)6使PTC器件2與串聯(lián)開關(guān)4串聯(lián)連接。這種組合方式的優(yōu)點是，PTC器件2處于電路中半周的時間，因此不需要在長的時間周期中承受大的電壓；PTC器件2不能真正地使電路斷開，因此斷路器的工作不取決于要精確得知的PTC器件2的溫度；PTC器件2僅僅需要將其電阻增大例如20-30倍，以限制故障電流20-30倍；并且機械接觸開關(guān)4和6的故障電流中斷要求降低20-30倍。盡管該裝置需要兩個機械接觸開關(guān)而不是一個，但兩個低故障電流接觸開關(guān)的價格只是一個高故障電流接觸開關(guān)的一小部分。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的原理的第二種裝置，其中兩個機械開關(guān)和一個PTC器件形成一個電開關(guān)裝置10’。在此第二種裝置中，并聯(lián)開關(guān)6與由PTC器件2和串聯(lián)開關(guān)4構(gòu)成的串聯(lián)組合并聯(lián)連接。PTC器件2和串聯(lián)開關(guān)4以及并聯(lián)開關(guān)6之間的關(guān)系與前面參照圖2所示的裝置闡述的相同。圖10是第二實例電路30的電路圖，該電路采用了第二種裝置，即電開關(guān)裝置10’。圖10中所示的裝置還示出了一種方式，其中串聯(lián)開關(guān)4可以配置成延遲打開。在此第二實例電路中，串聯(lián)開關(guān)4包括一組常開的繼電器觸點，這些觸點與一個小電流繼電器線圈18相耦合。當(dāng)此電開關(guān)裝置10’初始閉合時，并聯(lián)開關(guān)6閉合，為負(fù)載14提供了電流，并且激勵繼電器線圈18。受激勵的繼電器線圈18使串聯(lián)開關(guān)4閉合。在正常工作期間，負(fù)載電流流過并聯(lián)開關(guān)。當(dāng)此電開關(guān)裝置10’打開時，并聯(lián)開關(guān)6打開，使負(fù)載電流流過PTC器件2和串聯(lián)開關(guān)4。PTC器件2轉(zhuǎn)換至其高電阻狀態(tài)，由此降低了電路30中的電流，并使繼電器線圈18失去激勵。失去激勵的繼電器線圈18使串聯(lián)開關(guān)4打開，從而完成了該電開關(guān)裝置10’的打開過程。
權(quán)利要求
1.一種電開關(guān)裝置，包括(1)第一串聯(lián)機械開關(guān)，(2)第二并聯(lián)機械開關(guān)，和(3)一個PTC器件；其中(a)PTC器件和第二開關(guān)并聯(lián)連接，此并聯(lián)組合與第一開關(guān)串聯(lián)連接，或者(b)PTC器件和第一開關(guān)串聯(lián)連接，此串聯(lián)組合與第二開關(guān)并聯(lián)連接；當(dāng)由規(guī)定的程序確定額定值時，其中，兩個開關(guān)同時動作以在電壓VSWITCH下中斷一個電流，該裝置具有額定電流ISWITCH；下列至少一種選擇(A)當(dāng)由相同的程序在電壓VSWITCH下單獨確定額定值時，串聯(lián)開關(guān)具有額定電流ISERIES，此電流最大為ISWITCH的j倍，這里j為0.8，和(B)當(dāng)由相同的程序在電壓VPARALLEL下單獨確定額定值時，此電壓最大為VSWITCH的k倍，k為0.8，并聯(lián)開關(guān)具有額定電流IPARALLEL，此電流最大為ISWITCH；并且當(dāng)在一個具有開路電壓VSWITCH的測試電路中單獨承受一個電流IPTC時，其中此電流IPTC最大為ISWITCH的m倍，m為0.25，PTC器件電阻增大到至少100倍，電阻增大時間最多16毫秒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，電壓VSWITCH和電流ISWITCH為下列選擇之一(1)VSWITCH為12伏特交流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(2)VSWITCH為24伏特交流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(3)VSWITCH為60伏特交流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(4)VSWITCH為120伏特交流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(5)VSWITCH為250伏特交流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(6)VSWITCH為600伏特交流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(7)VSWITCH為12伏特直流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(8)VSWITCH為24伏特直流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(9)VSWITCH為60伏特直流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(10)VSWITCH為120伏特直流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；(11)VSWITCH為250伏特直流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培；和(12)VSWITCH為600伏特直流，ISWITCH為1、3、5、10、15、20、30或60安培。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中，該裝置和開關(guān)按照下列標(biāo)準(zhǔn)之一確定額定值(1)UL20，通用快動開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，第11版，1995年5月25日；(2)UL508，工業(yè)控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，第16版，1994年9月20日；(3)UL1054，專用開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，第5版，1995年5月20日；(4)JIS C 4506-1979，用于單相電機的小開關(guān)；(5)JIS C 4520-1984，控制開關(guān)的一般原則；(6)JIS C 4610-1990，用于設(shè)備的斷路器；(7)IEC204，工業(yè)機械裝置的電氣設(shè)備；(8)IEC 337，341，1020，開關(guān)，按鈕型開關(guān)；或者(9)IEC 1058，328，669，開關(guān)，附件(Appliances)，家用和類似用途。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的裝置，其中，該PTC器件包括一種由PTC導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的PTC元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中，該PTC導(dǎo)電聚合物在21℃時具有小于n歐姆-厘米的電阻率，這里n為5。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中，該PTC器件在21℃時具有小于R歐姆的電阻，這里R為5。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的裝置，它包括一個電壓鉗位器件，此器件與PTC器件并聯(lián)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項的裝置，其中，該并聯(lián)開關(guān)的動作還使串聯(lián)開關(guān)動作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的裝置，其中，該并聯(lián)開關(guān)的動作還在最多100毫秒的延遲時間之后使串聯(lián)開關(guān)動作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項的電開關(guān)裝置，具有至少一種下列特性(A)開關(guān)是聯(lián)動的，這樣串聯(lián)開關(guān)可以與并聯(lián)開關(guān)同時動作；(B)該裝置包括用于使串聯(lián)開關(guān)在預(yù)定時間動作的裝置，此預(yù)定時間為并聯(lián)開關(guān)動作之后10-100毫秒，此預(yù)定時間由PTC器件和兩個開關(guān)的特性決定；(C)并聯(lián)開關(guān)不是由通過該裝置的過流促動的；(D)并聯(lián)開關(guān)可以手動；(E)當(dāng)電壓從10伏特變化至600伏特時，串聯(lián)開關(guān)、并聯(lián)開關(guān)、PTC器件和該開關(guān)裝置的任何其它元器件中的每一個的電阻最多變化4倍；和(F)當(dāng)在一個具有開路電壓VPTC的測試電路中單獨承受一個電流IPTC時，PTC器件電阻增大到至少100倍，電阻增大時間最多30毫秒，IPTC和VPTC為下列選擇之一(i)VPTC為12伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(ii)VPTC為24伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(iii)VPTC為60伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(iv)VPTC為120伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(v)VPTC為250伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(vi)VPTC為600伏特交流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(vii)VPTC為12伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(viii)VPTC為24伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(ix)VPTC為60伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(x)VPTC為120伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，(xi)VPTC為250伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培，和(xii)VPTC為600伏特直流，IPTC為1、3、5、10、15、20、30或60安培；或(G)(i)當(dāng)串聯(lián)開關(guān)單獨用于中斷工作在預(yù)定的直流電流和電壓下的電路時，會導(dǎo)致在串聯(lián)開關(guān)的兩個觸點之間觸發(fā)電弧，一定重量MSERIES的材料從一個觸點轉(zhuǎn)移至另一個觸點，(ii)當(dāng)并聯(lián)開關(guān)單獨用于中斷相同的電路時，導(dǎo)致在并聯(lián)開關(guān)的兩個觸點之間觸發(fā)電弧，一定重量MPARALLEL的材料從一個觸點轉(zhuǎn)移至另一個觸點，并且(iii)MPARALLEL至少為MSERIES的p倍，這里p為1.5。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的電開關(guān)裝置，其中，電阻增大時間最多為5毫秒。
12.一種電路，包括(A)一個具有電壓VSWITCH的電源；(B)一個電負(fù)載；和(C)一個根據(jù)權(quán)利要求1-10中的任一項的電開關(guān)裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電路，其中，采用下列條件中的至少一個(i)j為0.5；(ii)s為0.5；和(iii)m為0.25，并且電阻增大時間最多為8毫秒。
14.一種中斷電流的方法，用于中斷在一個電路中流動的電流ICIRCUIT，該電路包括(A)一個具有電壓VCIRCUIT的電源；(B)一個具有電阻RLOAD的電負(fù)載；和(C)一個根據(jù)權(quán)利要求1-11中的任一項的電開關(guān)裝置；該方法包括(i)使并聯(lián)開關(guān)動作，和(ii)在步驟(i)后0-100毫秒時間內(nèi)，使串聯(lián)開關(guān)動作。
全文摘要
一種如圖1和圖9中所示的電開關(guān)裝置,包括第一串聯(lián)機械開關(guān)(4)、第二并聯(lián)機械開關(guān)(6)和一個PTC器件(2),其中,PTC器件和第二開關(guān)并聯(lián)連接,并且此并聯(lián)組合與第一開關(guān)串聯(lián)連接,或者PTC器件和第一開關(guān)串聯(lián)連接,并且此串聯(lián)組合與第二開關(guān)并聯(lián)連接。該裝置可以中斷比開關(guān)和PTC器件的每一個的額定電流和電壓高的電流和電壓。并聯(lián)開關(guān)的額定值可選定為能夠在比該電開關(guān)裝置的額定電壓低的電壓下中斷該電開關(guān)裝置的額定中斷電流,而串聯(lián)開關(guān)的額定值可選定為能夠在該電開關(guān)裝置的額定電壓下中斷比該電開關(guān)裝置的額定中斷電流低的電流。
文檔編號H02H9/02GK1202268SQ96198211
公開日1998年12月16日 申請日期1996年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月14日
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