TW201707323A - 全電子式交流過電流斷路器 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種全電子式交流過電流斷路器，其主要係設有電流偵測電路用來偵測電流，於該電流偵測電路電性連接有電壓放大比較電路，以於取得訊號後濾波擷取有效參考電壓且進行放大後，將該訊號以比較器進行比較，於該電壓放大比較電路電性連接有計時電路，以於比較出電路過載、短路情況發生時，即進入保護狀態，予以進行斷電計時一預設時間，於該計時電路電性連接有斷路觸發控制電路，以於達到預設之斷電計時時間後，令其進行觸發恢復供電；藉此，以能供應用於交流電源上，不僅成本低廉，且於電路過載或短路時，更能快速反應進行斷電，以更能提升用電之安全性，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

Description

全電子式交流過電流斷路器

     本發明係有關於一種全電子式交流過電流斷路器，尤其是指一種能供應用於交流電源上，不僅成本低廉，且於電路過載或短路時，更能快速反應進行斷電，以更能提升用電之安全性，而在其整體施行使用上更增實用功效特性之全電子式交流過電流斷路器創新設計者。

     按，於現代生活中，電力供應系統是不可或缺的，小電器如手機、收音機、電視機、電腦、音響，大電力如冷氣、電梯等常見的設備以及工廠的自動化機台，其內部的元件所使用的電源幾乎都為直流電源，但實際從電力公司送出來的電源則是為能夠提供極大電流的交流電源，而雖然於上述各類產品設備內部皆會裝設有保護機制，但該類產品保護機制所顧及到的均係為自身產品或外部所造成短路，於整個電力系統中，承擔最大的還是為斷路器。

     而一般常見之斷路器，其係於向上扳起把手時，會執行啟動電流［ｃｉｒｃｕｉｔ－ｃｌｏｓｅ］，而當電路過載或短路時即自動跳脫，並於將事故原因排除之後，需重新扳動把手，否則無法達成再次閉路動作。該類斷路器與普通電源開關不同點，係為於該斷路器增設彈簧與消弧裝置，該彈簧作用為於啟斷［ＯＰＥＮ］或閉合［ＣＬＯＳＥ］之操作過程中，預儲彈簧力量至臨界點後，瞬間彈離而快速接通或跳開接點，故其操作速度不受手操作速度之影響；該消弧裝置為消除操作上內部接點所產生之火花之消弧室，任何接點打開負載電流均會產生電弧［即火花］，因電弧本身是極高溫之空氣柱游離所變成的導電體，它係應用安培右手定則，在消弧室之鐵片間構成一強磁場，再利用佛來明右手定則，將電弧之空氣導體快速推彎而拉長電弧，使火花更快速地熄滅。

     然，隨著世代改變仰賴電力驅動系統需求快速，傳統機械式或半電子式過載斷路器已無法完美的扮演電力安全的角色，其反應時間對於電子儀器設備而言仍然不足，往往讓災害悲劇不斷發生。而雖然有許多研究過載保護電源［ＤＣ］的方法，其皆係利用電阻來偵測電流是否達到，當達到足以供應比較ＩＣ所工作偏壓開始動作將電流降低，以達到限流目的；但過載保護電源［ＡＣ］部分，有許多技術上限制，如電子元件均為直流、電子元件能夠承受電流有限。

     因此，於越來越依賴電力的現代社會中，加上因用電所產生的災難發生越來越頻繁，造成不得不意識到整體電力系統的安全性，使得設計一個能夠更快速且低成本的過電流斷路器即為一重要課題。

     緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，提供一種全電子式交流過電流斷路器，以期達到更佳實用價值性之目的者。

     本發明之主要目的在於提供一種全電子式交流過電流斷路器，其主要係能供應用於交流電源上，不僅成本低廉，且於電路過載或短路時，更能快速反應進行斷電，以更能提升用電之安全性，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

     本發明全電子式交流過電流斷路器之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：

     其主要係令斷路器包括有電流偵測電路、電壓放大比較電路、計時電路及斷路觸發控制電路；其中：

     該電流偵測電路，其用來偵測電流；

     該電壓放大比較電路，其與該電流偵測電路電性連接，以於該電流偵測電路取得訊號後，將不需要的電壓濾波擷取有效參考電壓，再將擷取後之有效參考電壓以放大器放大，於將訊號濾波放大後，將該訊號以比較器進行比較；

     該計時電路，其與該電壓放大比較電路電性連接，該計時電路係於該電壓放大比較電路比較出電路過載、短路情況發生時，即進入保護狀態，予以進行斷電計時一預設時間；

     該斷路觸發控制電路，其與該計時電路電性連接，使得於該計時電路達到預設之斷電計時時間後，該斷路觸發控制電路即會進行觸發恢復供電。

     本發明全電子式交流過電流斷路器的較佳實施例，其中，該電流偵測電路係設有霍爾元件進行偵測電流。

     本發明全電子式交流過電流斷路器的較佳實施例，其中，該電流偵測電路分別設有兩霍爾元件，令其中一霍爾元件處理交流訊號之上半波、另一霍爾元件處理交流訊號之下半波，再於兩霍爾元件輸出端連接設有二極體，以防止訊號互相干擾。

     本發明全電子式交流過電流斷路器的較佳實施例，其中，該電流偵測電路係採用感應線圈內建式霍爾ＩＣ進行偵測電流。

     本發明全電子式交流過電流斷路器的較佳實施例，其中，該電壓放大比較電路係採用二極體利用障壁電壓來擷取電壓。

     本發明全電子式交流過電流斷路器的較佳實施例，其中，該電壓放大比較電路為能有效將雜訊發生機率降到最低，將該比較器輸出電壓移至外部供應。

     本發明全電子式交流過電流斷路器的較佳實施例，其中，該斷路觸發控制電路係設有光耦合ＴＲＩＡＣ進行觸發，於常態下該光耦合ＴＲＩＡＣ係呈持續導通狀態。

     為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：

    首先，請參閱第一圖本發明之架構示意圖及第二圖本發明之電路示意圖所示，本發明之斷路器主要係包括有電流偵測電路（１）、電壓放大比較電路（２）、計時電路（３）及斷路觸發控制電路（４）；其中：

    該電流偵測電路（１），其設有霍爾元件（１１）以偵測電流，且為求達到最靈敏的反應速度係採用感應線圈內建式霍爾ＩＣ（１１），並為第一時間點能夠偵測到過載並達到快速保護作用，可分別設有兩霍爾元件（１１），令其中一霍爾元件（１１）處理交流訊號之上半波、另一霍爾元件（１１）處理交流訊號之下半波，以能避免造成延遲時間過大，再於兩霍爾元件（１１）輸出端連接設有二極體（１２），以防止訊號互相干擾。

    該電壓放大比較電路（２），其與該電流偵測電路（１）電性連接，以於該電流偵測電路（１）取得訊號後，將不需要的電壓濾波擷取有效參考電壓，由於該電流偵測電路（１）之霍爾元件（１１）訊號輸出為２﹒５Ｖ，而所需參考部分的有效變動電壓值約為０﹒０１Ｖ，使得可採用數顆二極體利用障壁電壓來擷取掉１﹒７Ｖ，但不可小於放大器的最小工作電壓，再將擷取後之有效參考電壓以放大器放大，該放大器具有高抗雜訊及穩定性，於將訊號濾波放大後，將該訊號與預設的準位電壓以比較器進行比較，且為能有效將雜訊發生機率降到最低，將該比較器輸出電壓移至外部供應。

    該計時電路（３），其與該電壓放大比較電路（２）電性連接，該計時電路（３）係於該電壓放大比較電路（２）比較出電路過載、短路情況發生時，即進入保護狀態，予以進行斷電計時一預設時間，以具有更為安全的保護效果。

    該斷路觸發控制電路（４），其與該計時電路（３）電性連接，該斷路觸發控制電路（４）設有光耦合ＴＲＩＡＣ（４１）進行觸發，於常態下該光耦合ＴＲＩＡＣ（４１）係呈持續導通狀態，使得於該計時電路（３）達到預設之斷電計時時間後，該斷路觸發控制電路（４）即會進行觸發恢復供電。

    如此一來，使得本發明於操作使用上，其係利用該電流偵測電路（１）偵測輸入電流，且利用該電壓放大比較電路（２）將該電流偵測電路（１）所取得之訊號進行濾波，將不需要的電壓濾波擷取有效參考電壓，再將擷取後之有效參考電壓以放大器放大，於將訊號濾波放大後，將該訊號以比較器進行比較，於當電路過載或短路時，該電壓放大比較電路（２）即會傳輸訊號至該計時電路（３），令其進入保護狀態，予以進行斷電計時一預設時間，並於該計時電路（３）達到預設之斷電計時時間後，令該斷路觸發控制電路（４）進行觸發恢復供電。

    而將本發明以示波器進行實驗驗證，其條件為該標記１為斷路觸發控制電路（４）之觸發訊號、該標記２為電流訊號，令負載由３安培功率電阻代替，驗證結果如下：

    請再一併參閱第三圖本發明之實驗驗證波形圖（一）所示，於常態下正常導通，但隨著電阻溫度升高、阻抗會下降，此時電流會提升，當提升至有效電流３﹒１安培時，超過限流即進入保護狀態，電流瞬間中止。

    請再一併參閱第四圖本發明之實驗驗證波形圖（二）及第五圖本發明第四圖之放大實驗驗證波形圖所示，在導通狀態持續３安培電流，瞬間轉換為３﹒４安培時，將電流斷開至０安培進保護狀態僅需要５ｍｓ的時間。

    請再一併參閱第六圖本發明之實驗驗證波形圖（三）及第七圖本發明第六圖之放大實驗驗證波形圖所示，持續３安培電流導通狀態下，若瞬間將負載短路造成極大電流產生，可觀察到瞬間最大電流為６安培，但時間僅小於１０ｍｓ，能夠將電流斷路，達到保護功能。

    請再一併參閱第八圖本發明之實驗驗證波形圖（四）及第九圖本發明第八圖之放大實驗驗證波形圖所示，模擬還未接上任何負載［電器產品］，此時斷路器工作狀態為正常導通狀態，在加上負載時電器有短路或者異物***造成短路時，忽然造成短路及大電流最大達７﹒５安培，但時間非常非常短僅２﹒５ｍｓ以內。

    請再一併參閱第十圖本發明之實驗驗證波形圖（五）所示，於將１１０Ｖ直接短路測試，最大電流顯示為３﹒６３Ａ，斷路所需時間也是５ｍｓ內可完全斷路；請再一併參閱第十一圖本發明之實驗驗證波形圖（六）所示，於１１０Ｖ持續短路狀態，斷路觸發控制電路（４）再次導通發現過載立即斷路，斷路所需時間也是內５ｍｓ可完全斷路，最大電流示波器顯示為約３﹒９６Ａ左右。

    請再一併參閱第十二圖本發明之實驗驗證波形圖（七）及第十三圖本發明第十二圖之放大實驗驗證波形圖所示，在２２０Ｖ電源狀態下將電源直接短路來產生極大電流，可得知最大電流僅為９Ａ以內，從電流產生至斷路器探測到訊號切斷電源延遲時間為２ｍｓ，完全切斷總時間１０ｍｓ內，最大電流約９Ａ。

    使得於上述各實驗驗證可知，本發明在全電壓狀態下［２２０Ｖ以內］，反應時間都小於１０ｍｓ。

    藉由以上所述，本發明之使用實施說明可知，本發明與現有實施方式相較之下，本發明主要係能供應用於交流電源上，不僅成本低廉，且於電路過載或短路時，更能快速反應進行斷電，以更能提升用電之安全性，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

    然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

    綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

（１）‧‧‧電流偵測電路

（１１）‧‧‧霍爾元件

（１２）‧‧‧二極體

（２）‧‧‧電壓放大比較電路

（３）‧‧‧計時電路

（４）‧‧‧斷路觸發控制電路

（４１）‧‧‧光耦合ＴＲＩＡＣ

    第一圖：本發明之架構示意圖

    第二圖：本發明之電路示意圖

    第三圖：本發明之實驗驗證波形圖（一）

    第四圖：本發明之實驗驗證波形圖（二）

    第五圖：本發明第四圖之放大實驗驗證波形圖

    第六圖：本發明之實驗驗證波形圖（三）

    第七圖：本發明第六圖之放大實驗驗證波形圖

    第八圖：本發明之實驗驗證波形圖（四）

    第九圖：本發明第八圖之放大實驗驗證波形圖

    第十圖：本發明之實驗驗證波形圖（五）

    第十一圖：本發明之實驗驗證波形圖（六）

    第十二圖：本發明之實驗驗證波形圖（七）

    第十三圖：本發明第十二圖之放大實驗驗證波形圖

(1)‧‧‧電流偵測電路

(2)‧‧‧電壓放大比較電路

(3)‧‧‧計時電路

(4)‧‧‧斷路觸發控制電路

Claims (7)

1. 一種全電子式交流過電流斷路器，其主要係令斷路器包括有電流偵測電路、電壓放大比較電路、計時電路及斷路觸發控制電路；其中： 該電流偵測電路，其用來偵測電流； 該電壓放大比較電路，其與該電流偵測電路電性連接，以於該電流偵測電路取得訊號後，將不需要的電壓濾波擷取有效參考電壓，再將擷取後之有效參考電壓以放大器放大，於將訊號濾波放大後，將該訊號以比較器進行比較； 該計時電路，其與該電壓放大比較電路電性連接，該計時電路係於該電壓放大比較電路比較出電路過載、短路情況發生時，即進入保護狀態，予以進行斷電計時一預設時間； 該斷路觸發控制電路，其與該計時電路電性連接，使得於該計時電路達到預設之斷電計時時間後，該斷路觸發控制電路即會進行觸發恢復供電。
2. 如申請專利範圍第１項所述全電子式交流過電流斷路器，其中，該電流偵測電路係設有霍爾元件進行偵測電流。
3. 如申請專利範圍第２項所述全電子式交流過電流斷路器，其中，該電流偵測電路分別設有兩霍爾元件，令其中一霍爾元件處理交流訊號之上半波、另一霍爾元件處理交流訊號之下半波，再於兩霍爾元件輸出端連接設有二極體，以防止訊號互相干擾。
4. 如申請專利範圍第１、２或３項所述全電子式交流過電流斷路器，其中，該電流偵測電路係採用感應線圈內建式霍爾ＩＣ進行偵測電流。
5. 如申請專利範圍第１項所述全電子式交流過電流斷路器，其中，該電壓放大比較電路係採用二極體利用障壁電壓來擷取電壓。
6. 如申請專利範圍第１項所述全電子式交流過電流斷路器，其中，該電壓放大比較電路為能有效將雜訊發生機率降到最低，將該比較器輸出電壓移至外部供應。
7. 如申請專利範圍第１項所述全電子式交流過電流斷路器，其中，該斷路觸發控制電路係設有光耦合ＴＲＩＡＣ進行觸發，於常態下該光耦合ＴＲＩＡＣ係呈持續導通狀態。