霍爾磁感應電子斷路器的製作方法

2023-11-09 00:48:17 2

專利名稱：霍爾磁感應電子斷路器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電子式自動斷路器，特別是一種應用霍爾元件的磁感應式電子斷路器，具有過流、短斷，欠壓等保護功能，屬於基本電氣元件。
斷路器作為可多次重複使用的自動保護裝置，在許多電路及設備中得到廣泛的應用。
目前市場所見的中小電流規格的斷路器，存在如下不足之處一是體積大，成本高，機械加工複雜。
二是過電流保護多採用雙金屬片熱變形動作，在需快速保護的場合，顯得靈敏度不高。
隨著社會進步和生產發展，許多地方十分需要中小電流，高靈敏，低價格的斷路器，取代傳統的保險絲作設備或電路的保護裝置。
近年許多資料介紹了不少電子斷路保護裝置，與傳統的機械斷路器比較，具有成本低，重量輕，體積小，壽命長等優點，充分顯示了電子技術的優勢。其部份資料可見1、高速電子保險絲－－《實用電子文摘》1986年第二期，P202。(四川)2、電子保險絲－－《實用電子文摘》1987年第四期，P192。(四川)3、電子設備的保險裝置－－《實用電子文摘》1987年第五期，P171。(四川)4、高速電子斷路器－－《電子電路百科全書》第二冊，P96。科學出版社5、給晶閘管調壓器加裝過流保護－－《電子報1985年合訂本》，P32。(四川)6、集成穩壓電源附加過流保護器－－《北京電子報1990年合訂本》，P131。
上述資料的電子斷路器，基本採用了電阻式電流取樣或幹簧繼電器作電流傳感。但作為產品，尚有以下幾點缺陷1、通用性較差，額定斷路電流的調整較困難。
2、在較大負荷時，串聯於電路內的取樣電阻本身要消耗一定功率，易發熱損壞。且大功率小阻值電阻的製作也較困難。
3、幹簧繼電器在震動較劇的場合易產生誤動作。尤其在車船等交通工具上不能適用。
本實用新型的目的是a、用電磁感應線圈及霍爾開關集成電路作額定斷路電流可調式傳感器。b、組成通用性強的具有過流、短斷保護功能的快速電子斷路器。c、電子斷路器可設欠壓、失壓保護及可視和可聞性工作狀態顯示功能。d、儘可能採用市場易購，性能穩定，價格較低，便於製作維修的元器件。
霍爾開關集成電路的特性、原理及使用方法，可見如下參考資料1、霍爾傳感器－－《實用自動控制》P59。四川科學技術出版社2、磁感應霍爾開關傳感器及其應用－－《電子報1989年合訂本》P146。(四川)3、霍爾集成電路的原理及應用－－《無線電》1986年第8期4、霍爾集成電路的原理及應用(續)－－《無線電》1986年第9期5、霍爾開關IC的應用－－《無線電》1988年第12期本實用新型所以選用霍爾開關集成電路及電磁線圈作為傳感器，一是其良好的轉移特性。二是負載電流較大。三是無觸點，在震動較劇的場所不產生誤動作。四是電磁傳感線圈基本不消耗能量，且製作容易。五是改變傳感線圈鐵芯空氣隙可調節額定斷路電流。


圖1為本實用新型的組成框圖。1為霍爾元件及傳感線圈組成的檢測電路；2為電子控制電路；3為線路通斷開關；E為電源；RL為負載；X1、X2為輸出端；X3、X4為輸入端。
圖2為電磁傳感線圈製作參考圖。圖中a為線圈鐵芯；b為線圈框；c為固定霍爾元件螺栓(φ6)；d為鐵芯空氣隙調節螺栓(φ6)；e為固定霍爾元件的塑料件；f為鐵芯截面。
電磁傳感線圈的工作原理是需檢測電流流經線圈L，在螺栓組成的空氣隙中產生相應的磁通。當電流達到額定值，則氣隙中的磁通密度達到霍爾開關集成電路的導通點磁感應強度Bop，霍爾開關集成電路導通。此檢測信號經控制電路，完成線路額定電流的通斷控制。
霍爾開關集成電路選用靈敏度高的，如UGN－3020；導通點磁感應強度Bop＝220GS；截止點磁感應強度Brp＝165GS；Io＝25mA；最高工作頻率為100KHZ；Vcc＝4.5～24V。
以下就交直流霍爾磁感應電子斷路器的工作原理，結合圖例予以說明。
一、直流霍爾磁感應電子斷路器1、電感式傳感線圈的計算公式B·L0＝W·I·μ0式中B－－鐵芯空氣隙中的磁感應強度；(×10－4GS／
)L0－－空氣隙長度；mW－－線圈匝數；匝I－－流過線圈的電流；A
μ0－－空氣磁導率；4π×10－7H／m公式的導出，在此省略。由公式可見，氣隙距離與電流大小成線性正比關係。故調節氣隙距離，可調節斷路電流的額定值。
2、圖例圖3是脫扣式電子斷路器的電路原理圖。
圖3中，D1為霍爾元件；D2為時基電路；SCR為單向晶閘管；VD為穩壓管；LED為發光管；J為脫扣器電磁線圈；C為電容；L為傳感線圈；FU為保險絲；SA1為脫扣器主觸點；SA2為脫扣器副觸點；K為斷路按鈕；E為直流電源；R1－R5為電阻；X1、X2為輸出端；X3、X4為輸入端；A為降壓單元(當電源電壓E高於電子電路工作電壓Vcc時所設)。
a、圖3的過流，短路保護功能當合上脫扣器觸點SA2，電子電路工作。同時SA1閉合，經J、R5、LED亮，表示通路狀態。
當L中電流達到額定電流，線圈空氣隙中磁通達到霍爾集成電路導通點磁感應強度Bop，D1的2、3端導通。D2的S端成低電位，Q輸出高電位(時基電路工作原理及各端符號旁註見《實用電子文摘》1988年第四期)，觸發SCR導通，J通電吸合，脫扣器釋放斷路。同時電子電路工作電源被切斷，LED滅。
脫扣器SA1、SA2為同步開關，但SA2應先SA1閉合，以防在負載短路狀態閉合瞬間，因電子電路工作電壓未建立，造成短路電流無保護。
b、圖3的欠壓保護功能許多使用蓄電池為電源的設備，需對蓄電池終了電壓進行保護，以延長使用壽命。圖3的欠壓保護原理如下D2的VC端被穩壓管VD箝位在一穩定電壓(應小於電子電路工作電壓Vcc的2／3)UD。經過R1、R2、R3的分壓，使D2的S端略高於1／2UD，當電源電壓E降至終了電壓，使S端低於1／2UD，D2輸出高電位，觸發SCR導通，J吸合，脫扣器釋放斷路。
電路中C的設置，可使D2通電瞬間S端呈高電平，以免誤動作。
電子電路工作電壓Vcc以6～12V為宜，這是由於受到D1、D2工作電壓的限制。在電源電壓E高於VCC時，應於A處設置降壓電路。
保險絲FU可在電子電路故障時起二次保護。
圖4是繼電器式電子斷路器的電路原理圖。不設欠壓保護功能。
圖4中K2為復位按鈕；D2為光電耦合器；J為繼電器線圈；SA1為繼電器常閉觸點；SA2為繼電器常開觸點；V1為復位開關管；V2為報警開關管；HA為蜂鳴器；LED1為通路狀態發光管；LED2為斷路狀態發光管；其餘符號旁註同圖3。
圖4的工作原理為經J、R4，LED1亮，顯示通路狀態。當L中電流達到額定電流，D1的2、3端導通。D2導通(光電耦合器工作原理可參閱《無線電》1987年12期)，觸發SCR，J吸合，LED1滅，SA1常閉觸點開路，線路斷路。SA2常開觸點閉合，通過R5，LED2亮，顯示斷路狀態。同時經R6使V2導通，HA音響報警。由於SA2閉合K2進入可工作狀態。按下K2，V1飽和導通，使SCR兩端電壓下降到維持電壓以下，SCR關斷。J的吸合電流由V1承擔。當鬆開K2，J釋放，SA1閉合，SA2開路，恢復通路狀態。K2的接法可在RL短路時快速切斷電路。
圖5是固態繼電器式電子斷路器的電路原理圖。具有過流，短路、欠壓、失壓保護功能。
圖5中，SSR為直流固態繼電器；VD2為隔離二極體；其餘符號旁註同圖3。
圖5的工作原理是按下K2，經R7，電子電路得到工作電壓，但VD2隔離不進入主線路。同時經R5、R6，固態繼電器SSR導通，線路饋電。當L中電流達到額定電流，D1導通，D2輸出高電平觸發SCR導通。SSR中發光元件的電流被旁路，固態繼電器斷路，電子電路工作電壓也被切斷。
失壓時SSR發光元件無電流，固態繼電器SSR斷路。
VD2可防止RL短路時按下K2，使電子電路在工作電壓未建立而SSR導通，造成短路電流無保護狀態。
圖6是多路固態繼電器式電子斷路器電路原理圖。可用於需多路保護的電子儀器、設備等。
圖6中D1～D3為霍爾元件；D4～D6為反相器；D7為七重達林頓電晶體陣列(如MC1413)；LED1～LED3為變色發光管；RD為LED中紅色管，GN為LED中綠色管；VD1～VD3為二極體或門電路；VD4～VD6為隔離二極體；K1～K3為復位按鈕；K4～K6為斷路按鈕；RL1～RL3為負載；FU1～FU3為保險絲；L1～L3為傳感線圈；SSR1～SSR3為直流固態繼電器；E為電源；R1～R15為電阻；HA為蜂鳴器；X1～X3為輸出端；X4、X5為輸入端。
圖6電路工作原理以X1一路為例加以說明按下K1，電流經R7饋給SSR1中發光元件，VD4隔離不進入主線路SSR1導通，經R10、VD4、SSR1自鎖保持通路。同時經R13，使LED1中GN亮。GN的管壓饋給D7的IN2，則OUT2導通，使由R4饋給LED1中RD管的電流旁路短接，RD滅。此時表示通路狀態。
當L中的電流達到額定電流，D1導通，D4輸出高電平給D7的IN1，OUT1導通，SSR1發光器件的電流被D7分流切斷，SSR1斷路。LED1中GN管無電流而滅。而D7的IN2處低電平，OUT2截止，旁路消除，經R4，LED1中RD亮。同時由於D4輸出高電平，經二極體或門電路，D7的IN7成高電位，OUT7導通，電子蜂鳴器發出音響報警，顯示斷路狀態。
X2及X3兩路工作原理與X1相同，不再贅述。
二、交流霍爾磁感應電子斷路器1、電感式傳感線圈的計算公式B·L0＝
·W·I·μ0式中符號及單位與直流計算公式相同。可參閱直流公式的注釋。
2、圖例圖7為交流脫扣式電子斷路器電路原理圖。具有過流、短路、欠壓保護功能，適用於220伏以下的單相交流電源。
圖7中SA1、SA2為脫扣器主觸點，SA2為脫扣器副觸點；B為電子電路電源變壓器；U為橋式整流器；C1為濾波電容；其餘符號旁註同圖3。
圖7電路的工作原理與圖3相同，只是電子電路的電源由變壓器B、整流器U、濾波電容C1從交流電源變換後提供。同樣，同步脫扣器觸點SA2應先SA1、SA3閉合，以期先建立電子電路工作電壓。
傳感器線圈由於採用了線框，故能得到較好的絕緣。
圖8是一種交流固態繼電器式電子斷路器電路原理圖。具有過流、短路、欠壓、失壓保護功能。
圖8中，SSR1為線路交流固態繼電器；SSR2為電子電路交流固態繼電器；其餘符號同前圖。
圖8的工作原理是按下K2，變壓器B通電，經整流器U，濾波電容C1，提供電子電路直流工作電壓。經R5、R6，SSR2導通並自鎖。同時經R5、R7，SSR1導通，饋電給負載RL。
當L中電流達到額定電流，D1、D2觸發SCR導通，固態繼電器SSR1、SSR2發光元件的電流被切斷，SSR1、SSR2斷路。欠壓和失壓工作原理同圖5。
應用霍爾開關集成電路與電感式傳感線圈，可以方便地與各種數字電路，接口電路組成實用的電子斷路器。外觀式樣也可做成不同類型。如交流類可採用市售觸電保安器式，直流類採用插座式。
由於霍爾磁感應電子斷路器成本低，製作方便，應用廣泛，有利於組成系列產品。作為一種「高級」保險絲，有著廣闊的市場前景。如廣播站，不僅可對電子設備實施保護，而且還可裝在廣播線路中，對各路輸出實行過流短路保護(霍爾開關集成電路最高工作頻率為100KHZ)。而各電器修理部，可對電器維修中的過流、短路故障進行保護。在車船等交通工具中，可將普通保險絲升級換代。與普通觸電保安器可組成功率限制型保安系統。
因此，本實用新型投放市場後，具有較好的經濟效益和社會效果。
權利要求1.霍爾磁感應電子斷路器由電流傳感器(1)、電子控制電路(2)、線路通斷開關(3)組成。電流傳感器(1)在過流、短路時送出檢測信號，經電子控制電路(2)控制線路通斷開關(3)，其特徵在於電流傳感器是電磁感應線圈和霍爾開關集成電路。
2.如權利要求1所述的霍爾磁感應電子斷路器，其特徵在於電子控制電路(2)是數字電路，接口電路和晶閘管。
3.如權利要求1或2所述的霍爾磁應電子斷路器，其特徵在於線路通斷開關(3)可以是脫扣器、繼電器或固態繼電器。
專利摘要一種霍爾磁感應電子斷路器，由電流傳感器(1)，電子控制電路(2)，線路通斷開關(3)組成。以電磁感應線圈與霍爾集成電路為電流傳感器。本實用新型可用於交直流低壓電路作過流，短路，欠壓，失壓保護，而且製作容易，成本低廉，還可以有可視性和可聞性工作狀態顯示。
文檔編號H02H3/10GK2110305SQ91226609
公開日1992年7月15日 申請日期1991年10月10日 優先權日1991年10月10日
發明者潘為東 申請人:潘為東