专利名称：用于最小化在电连接器之间的电弧放电的装置和方法
技术领域：
本发明一般涉及一种电连接器组件，具体上，本发明涉及包括用于防止或至少最小化电弧放电的发生的部件的电连接器(electrical connector)。
背景技术：
电连接器提供电路径或连接点，以在导线、电路引线、部件或其他电流承载器件之间提供机械连接。通常，在没有电流通过所述器件期间连接或断开电连接器。虽然通常不推荐，但是可以根据电压或电流电平在负载下连接或断开电连接器。这可能继而导致电弧放电状态，其中，电流跳过在触点之间的空气间隙。根据系统的设计和结构，电弧放电可能导致对部件的严重损害(诸如凹陷(pitting))，或在连接器引脚被电弧熔化时可能导致所述连接器被焊接或熔化。另外，在许多系统中，电压和电流电平足够高，也引起对于试图在负载下连接或断开线路的操作员的人身伤害。
授予Casson的美国专利第3,588,605号公开了一种具有电弧抑制的机电开关，它具有门电路，用于由电抗性无源元件(用于感测通过开关触点的电压的电平)组成的交流器件。所公开的开关被设计成在所述开关断开电路时限流以最小化对触点的损害并且延长设备的寿命。
授予Woodworth的美国专利第4,438,472号公开了一种直流器件，用于抑制在机械开关或电路断路器中的电弧。所公开的设计使用双极晶体管来主动分流当在断开期间或在刚闭合时的任何“反跳(bounce)”期间、触点被断开时在开关周围的电流。
要解决的问题是提供一种连接器，它减少或最小化电弧放电，而不需要单独的电弧控制系统，以便可以将所述改进集成到现有的系统中而不需要大量的重新设计。
发明内容
本发明的电弧抑制装置提供了所述解决方案，本发明的电弧抑制装置在电源和负载之间具有连接器、继电器或其他连接器件，其中，所述器件包括外壳和至少一个导电元件以及与所述导电元件的触点并联的电弧抑制电路。所述电弧抑制电路通过监控通过触点的电压来检测电弧，并且当电压达到预定电平时，将通过FET的功率转向负载，由此在衔合或分离所述器件时抑制电弧放电。通常，导电元件或者是连接器引线、连接器插座或继电器触点。在一个优选实施例中，将所述电弧抑制电路布置在连接器外壳内。
现在参见附图来举例说明本发明，其中图1是按照本发明的一个实施例的连接器的透视图。
图2是图1中所示的连接器的另一透视图，其中外盖被移去以露出电弧抑制电路。
图3是图1中所示的连接器的透视图，其中将连接器主体以剖视图示出并且图解了连接器引脚和电弧抑制电路。
图4是按照本发明的一个实施例的电路的示意图。
图5是按照本发明的另一实施例的电路的示意图。
图6是当将连接器从连接状态到断开状态移动时、电压和时间随时间的曲线图。
图7是图解按照本发明的方面的最小化电压升高的曲线图。
具体实施例方式
现在详细参见附图，其中，在几幅视图中，相同的附图标号自始至终指示相同的元件，在图1中示出了按照本发明的一个实施例的电连接器100，它可以包括两个配套的半部分102、104。如图所示，一个半部分102可以包括外壳106和一对连接器引脚124。所图解的实施例是意欲用于汽车或类似应用中的连接器的示例，其中，可以发现连接器承载十分大的电流。但是，应当明白，本发明不限于连接器，而是可以和能够以类似方式而被衔合/分离的任何器件(诸如继电器等)一起使用。在图1中图解的连接器还可以包括第二配套半部分104，它是有源的，并且还包括外壳108，它在其中包含按照本发明的一个实施例的电弧抑制电路，这将在下面详细描述。为了说明，本实施例是用于直流系统的42V连接器，但是本发明不限于此。例如，本发明可以用于使用标准12V电池的系统，例如汽车。
现在参见图2，公开了图1中所示的连接器100的进一步的细节。如在图2中所看到的，连接器100的第二配套半部分104可以包括电路板110，它可以包括控制电路112和至少一个并且可能是两个调节部件114、116，所述调节元件114、116连接到控制电路112，用于调节一个或多个负载。在此实施例中，部件114、116的每一个都是晶体管，并且更具体而言是FET器件。在一个实施例中，控制电路112可以经由可分离的连接118而连接到电源(例如42V直流电，如上所述)和地，但是本发明不限于此。
可以参见图3来更好地理解按照这个实施例而作出的连接器的操作和结构，其中，以剖视图示出了在图1-2中图解的连接器的外壳106、108以进一步图解如上所述的电气和电子部件。在图3中，可以看出图1中图解的接触引脚124可以连接到对应的触点120，触点20继而连接到控制电路112。如图所示，在所示出的实施例中，一对感测引脚122可以将功率转向FET 114、116。当连接器100在负载下与电流源连接时以及当连接器100在负载下断开时，电弧放电至少被最小化，并且最好被防止。本领域的普通技术人员可以明白，用于在负载下连接和断开连接器而不产生电弧的功能是有益的，因为电弧放电可能损坏连接器的部件，并且也带来了安全危险。
在图4和5中图解了可以用于本发明的特定实施例的一种例证电路。图4图解了具有连接器的电路的使用，而图5图解了具有继电器的电路的使用。如上所述，在所图解和在此详细讨论的例证实施例中，电源200包括42V直流电流源。应当明白，在本实施例中图解的电容和阻抗的值仅仅是这样的电路的示例，并且本发明不限于这些值。
可以在电源200和负载50之间提供连接器100，它对应于上面参照图1-3描述的连接器100。当连接器100闭合时，电流将以正常方式流动，而当连接器100开路时，电流中断。但是，如上所述，当连接器100在没有本发明的电弧抑制电路的情况下而在负载下断开时，一般可能发生电弧放电。
在这些实施例中，p沟道MOSFET M1可以并联放置在连接器100的触点两端。MOSFET M1可以连接到电源200的正端，因此可以使用相对的负门驱动来增强MOSFET M1的所述p沟道，这引起低的RDSon和导通。
当触点开路时，MOSFET M1被导通，并且提供一个路径，负载电流可以通过它而流动。因此，防止通过触点的电压升高到足以启动电弧的值，直到触点被分离如下的距离为止其使得要提供给触点的最大电压将不引起电弧。
可以通过使用如图所示的并入npn双极晶体管Q1和Q2的单稳多谐振荡器来提供这种负驱动。齐纳二极管D1提供了电源电压，所述多谐振荡器通过所述电源电压而可以运行。在它的其他状态中，晶体管Q1被由电阻器R1提供的偏置电流保持导通。通过检测在MOSFET M1的漏极D的负向电压转换而触发所述多谐振荡器电路。一旦这个漏极电压降低足够正向偏置二极管D4的量，则晶体管Q1的保持电流被瞬间从其基极引开，使得晶体管Q1截止。所述多谐振荡器因此进入交换状态(swap state)，导通晶体管Q2并且将晶体管Q1的基极强制进入反偏置状态。以这种方式导通晶体管Q2使得通过MOSFET M1的源极S和漏极D的电压升高至并且超过其门限值，并且通道电阻降低到其很低的RDSon值。当此发生时，在漏极D上的电压升高，直到它达到接近由RDSon电阻建立的电源200的电压(例如42V)的电压和继电器300的负载电流。在漏极D的电压被保持在这个电平，直到多谐振荡器电路超时为止，这将MOSFETM1截止，并且使得负载电压降低到0。
当晶体管Q2导通时，pnp晶体管Q3也导通。这将触发器电压箝位回电源200的电压。这种电压箝位帮助防止MOSFET M1的漏极D的电压的负漂移引起多谐振荡器在超时时段的结尾不注意地被重新触发。
所述多谐振荡器电路将保持在其导通状态中，直到晶体管Q1的基极电压充分地恢复以变得正向偏置。此发生的时间间隔主要被由电阻器R1和电容器C1建立的RC时间常数控制。当再次正向偏置晶体管Q1的基极时，晶体管Q1被导通，并且晶体管Q2被截止。
MOSFET M1的栅极G的电压的上升速率主要由电阻器R2和电容器C1的RC时间常数控制。当这个电压向电源200的电压提高时，达到在MOSFETM1的栅极G和源极S之间的门限值，并且MOSFET M1被截止。在此截止转换期间，pnp晶体管Q3保持导通，防止漏极D的负电压转换再次触发所述多谐振荡器和错误地启动另一个延迟间隔。
图6例证了当两个触点在无电弧保护的情况下在负载下分离时的电弧放电事件。示出此图的目的是图解导致电弧启始所需要的电压电平。这被称为最小电弧电压，并且它对于每种触点材料略微不同。通常，普通触点材料的最小电弧电压的值在12和15V之间。这意味着使用足够的电流电平，可以在这些电压电平之间存在稳定的电弧或开弧(free burning arc)。优选的是，防止稳定的电弧或开弧，因为电弧将继续在直流环境中燃烧，直到触点被破坏或触点间隙增加到电源不能再维持升高的电弧电压的水平。因为在此示例中当通过触点的电压降达到大约7V时激活FET，因此应当不发生电弧放电。所述电路因此监控通过触点的电压升高，并且在电弧可以发展之前抑制它。
在图7中图解了本发明的特定实施例的性能，它是图解最小化和防止足以产生电弧的电压升高的特征的图。所述图的上半部分图解了当连接器断开时通过触点的电流，而下半部分图解了通过触点的电压。在诸如上面参照一个例证实施例而描述的互连(其中实现了42V的系统)中，检测到通过触点的大约7V的电压将防止电弧。可以在图7中看到，当这个状态发生时，在控制电路控制并且将电流转向FET时，电压和电流降低到0，其中FET用于控制负载，负载消耗所述电流。
按照本发明的实施例的有效电弧抑制电路在连接器断开时通过逐渐减小电流而消除电弧放电来允许在负载下断开连接器。这避免了全负载的中断，所述全负载的中断将产生通过触点的大的电弧。本领域内的普通技术人员可以明白，可以使用电阻器、晶体管、电容器和二极管的各种组合来建立用于在它们开路(或闭路时，看情况而定)时检测和分流来自连接器的电流的电路。一般，可以在特定实施例中提供半导体元件的组合，所述组合将中断的电流传送离开连接器。这些变化将依赖于多种设计要求和设计限制。
通过查看上述内容，查看者可以进行多种适配、修改和改变。例如，可以替代FET而使用其他适当类型的器件，诸如其他类型的晶体管或适合于提供电流或电压的调节的任何其他部件。但是，这将完全落在本发明的精神之内。因此，应当参见所附权利要求书以便确定本发明的实际范围。
权利要求
1.一种电弧抑制装置，包括在电流源和负载之间的连接器件(100)，所述连接器件具有至少一对导电元件(120，124)，它们可以可移动地彼此衔合，所述电弧抑制电路其特征在于至少一个调节部件(114，116)，其与电压源(200)并联地连接在所述导电元件两端；以及有源开关电路(112)，用于当所述导电元件衔合或脱离时将通过调节部件的电流转向负载(50)。
2.按照权利要求1的装置，其中，所述至少一个调节部件和所述有源开关电路被布置在连接器的一部分中。
3.按照权利要求1的装置，其中，所述电弧抑制电路经由可脱离的连接(118)而连接到电源。
4.按照权利要求1的装置，其中，所述电弧抑制电路经由可脱离的连接(118)而连接到地连接。
5.按照权利要求1的装置，还包括与所述导电元件接触的一个或多个感测引脚(122)，由此，所述感测引脚在与衔合期间或从连接状态脱离期间沿着所述导电元件滑动。
6.按照权利要求1的装置，其中，所述至少一个调节部件包括一个或多个FET。
7.按照权利要求1的装置，其中，所述导电元件包括一组触点，并且其中，所述电弧抑制电路还包括晶体管，它具有与所述触点耦接的漏极和源极、栅极和固有的栅极到源极的电容；一个或多个电容器，用于当所述晶体管响应于电压电平而导通时对所述栅极到源极电容充电，并且分流在所述连接器件周围的电流；以及一个或多个电阻器，用于对所述栅极到源极电容放电，以便所述晶体管在其导通后截止，由此终止负载电流分流。
8.按照权利要求7的装置，其中，所述晶体管包括FET。
9.按照权利要求7的装置，还包括单稳多谐振荡器电路，用于控制通过晶体管的电路的流动。
10.按照权利要求9的电路，还包括箝位电路，用于防止漏极的负电压转换过早地重新触发所述单稳多谐振荡器电路。
11.一种用于抑制在连接器件中的电弧的方法，所述连接器件具有外壳和至少一个导电元件，其特征在于步骤在负载下相对于连接位置而移动所述导电元件；使用与在电流源和负载之间的连接器件并联的电弧抑制电路来感测所述导电元件的移动，包括监控通过触点的电压；使用有源开关电路以在通过触点的电压达到预定电平时将功率转向FET；并且向负载耗散功率，由此，当所述连接器件衔合或脱离时抑制电弧放电。
全文摘要
本发明公开了一种电连接器件(100)和方法，用于当所述连接器件在负载下连接或断开时最小化电弧放电。本发明提供了一种电弧抑制电路，其中将诸如晶体管之类的一个或多个调节器(114、116)集成到连接器件外壳中，所述电弧抑制电路感测连接器件的移动，并且当感测到可能的电弧状态时将电流分流到阻抗电路。
文档编号H02J7/00GK1910802SQ200580002838
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月18日 优先权日2004年1月20日
发明者莱尔·S·布赖恩, 杰里米·C·佩特森, 埃德温·G·科克斯 申请人:蒂科电子公司