CN115485801A - 混合开关和控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及允许熄灭电弧和在电路中切换电流的一种混合开关和控制装置,所述装置首先包括混合开关(1、2),其包括用于协助熄灭电弧和切换由所述电弧产生的电流的、并联的机电开关(1)和电子开关(2),所述机电开关(1)包括至少一个电触点(1a),所述至少一个电触点(1a)的两端连接至所述电子开关(2),并且所述装置其次包括能够在所发生述电弧时直到电流被切换为止控制所述电子开关(2)的电子控制电路(3)。电子控制电路(3)由基于半导体(Q2)的模拟电子控制电路(3)组成,并被配置为检测发生在电触点(1a)两端的电弧的出现,并向所述电子控制电路(3)的输出端(S)传递输出信号,该输出信号能够根据在多个阶段中熄灭电弧和切换电流的时间顺序来控制所述电子开关(2)。
Description
技术领域
本发明涉及在电路中连接的并且可能产生电弧的开关和安全保护电路领域,并且尤其涉及允许熄灭这种电弧并断开所述电路中的电流的混合开关及其控制装置。本发明的主题是一种混合开关和控制装置。
背景技术
众所周知,混合开关包括机电开关和电子开关。基于机电切换的机电开关包括至少一个电触点,并有可能在闭合状态下获得至少一个电触点两端的低电压降且在断开状态下获得良好的电隔离,但是,机电开关具有在负载下的电触点断开时产生电弧的缺点。至于电子开关,没有电弧,但在接通状态下有更高的电压降,并且不可能在断开状态下提供电隔离。
混合开关的基本目的是通过将两种开关各自的缺点折中来利用它们各自的优势。
这两种开关(即机电开关和电子开关)的组合,可以以串联、或并联、或串联和/或并联组合的方式形成混合开关。串联组合,根据断开指令的同步性,可以在负载下的断开期间带电弧或不带电弧,使得有可能在断开状态下提供电隔离,但在接通状态下有高电压降。并联组合,根据断开指令的同步性,可以在负载下的断开期间带电弧或不带电弧,在接通状态下有低电压降,但不可能在断开状态下提供电隔离。
电子开关由电子控制装置控制,并且由模拟电子电路组成,模拟电子电路包括与功率半导体(例如功率晶体管,一般为场效应晶体管或绝缘栅极晶体管)并联的变阻器。变阻器和半导体直接并联连接到机电开关的触点的端子。
电子开关一般包括两个并联的支路,即包括变阻器的第一支路和包括半导体的第二支路。混合开关的电路中包括电触点的支路与电子开关的所述第一支路和所述第二支路并联。
在操作中,可以区分并且尤其是根据以下三个连续的阶段,在已知的顺序中区分在若干个/几个阶段中的用于熄灭电弧和切断电流的时间顺序:
在第一阶段,当机电开关的触点打开时,例如在检测到电气故障后,出现电弧;
在第二阶段,控制电子开关的半导体切换到饱和状态ON,并且然后,电流完全切换到电子开关的第二支路,导致电弧的熄灭;
然后,在第三阶段,半导体被控制切换到截止状态OFF,半导体中的电流突然断开,这产生过电压,激活变阻器,其效果是电流完全切换到电子开关的第一支路。变阻器两端的电压足以限制电流并达到熄灭电流。
然而,无论使用什么顺序,电子开关(尤其是功率半导体)的控制使用复杂的且基于微处理器或微控制器的数字电子装置,其需要外部稳定的电源。文档US 2019/0252143公开了这种控制/驱动电子装置,包括基于微处理器或微控制器的电子控制单元。
众所周知,在交流电应用中、或在具有双向直流电源的应用中(例如在正在充电或产生电流的电池中),在变阻器和半导体之间加入二极管桥以便在两个方向上切断电流。
发明内容
本发明的目的是克服这些缺点,因此,提出一种使用不需要外部电源的不复杂的控制电子装置的混合开关和控制装置。
为此,根据本发明的混合开关和控制装置允许熄灭电弧和切断电路中的电流,所述装置一方面包括混合开关,混合开关包括并联的机电开关和电子开关,用于协助熄灭电弧并切断由所述电弧产生的电流,所述机电开关包括至少一个电触点,其能够闭合以允许电流在电路中流动,并能够断开以切断所述电流,所述电子开关被配置为能够熄灭在所述电触点断开时发生的电弧并且然后切断电流,并且所述电子开关由连接在电触点两端的基于功率半导体的模拟电子电路组成,并且另一方面,电子控制电路能够在所述电弧发生时直到所述电流被切断为止控制所述电子开关并且,其主要特征在于电子控制电路由基于半导体的模拟电子控制电路组成,并且在于所述电子控制电路被配置为检测在电触点两端发生的电弧的出现,并向所述电子控制电路的输出端传递能够根据在若干个阶段中熄灭电弧和切断电流的时间顺序来控制所述电子开关的输出信号。
在电子控制电路的第一实施例中,电子控制电路被配置为通过其特征电弧电压来检测电弧的出现,同时能够向所述电子控制电路的输出端传递输出信号作为电触点两端的电压的函数,输出信号能够根据几个阶段中的用于熄灭电弧和切断电流的时间顺序控制所述电子开关。
在电子控制电路的第二实施例中,电子控制电路可以被配置为通过其特征发射光来检测电弧的出现,同时能够向所述电子控制电路的输出端传递输出信号作为所述发射光的函数,输出信号能够根据几个阶段中的用于熄灭电弧和切断电流的时间顺序控制所述电子开关。
附图说明
通过涉及至少一个优选实施例的以下描述将更好地理解本发明,优选实施例作为非限制性示例给出并参照所附示意图来进行解释,其中:
图1示出了根据本发明的在电路中连接的混合开关和控制装置的示意图,其中,电子开关和电子控制电路以框图形式示出,
图2示出了如图1所示根据本发明的混合开关和控制装置的电子开关的优选实施例的电气示意图,
图3示出了如图2所示根据本发明的装置的电子控制电路的第一实施例的电气示意图,其中,控制晶体管为双极晶体管类型,
图4示出了如图3所示的电子控制电路,其不具有电容器,
图5示出了如图3所示的电子控制电路的变体,其中,控制晶体管为场效应型,
图6示出了如图5中所示的电子控制电路的变体,其不具有电容器,
图7示出了如图3、图4、图5和图6所示根据本发明的装置,其不具有电子控制电路3,并且在该实施例中,电子开关被配置为在具有二极管桥的双向配置中操作,
图8示出了如图2所示根据本发明的装置,其机电开关为断路器隔离器类型,并且还包括装有位移和分弧(arc-splitting)断流器(interrupter)的第二电触点,第二电触点与电子开关连接在其两端的第一电触点串联。
具体实施方式
附图示出根据本发明的允许熄灭电弧和切断电路C中的电流的混合开关和控制装置。
根据本发明,这种装置:
一方面包括,混合开关1、2,其能够连接到所述电路C,并且包括用于协助熄灭电弧和切断电流的、并联的机电开关1和电子开关2,所述机电开关1包括至少一个电触点1a,其能够闭合以允许电流在电路C中流动,以及断开以切断所述流动。电子开关2被配置成能够熄灭在所述电触点1a断开期间发生的电弧,并且然后切断电流,并且电子开关2由连接在电触点1a两端的、基于功率半导体Q1的模拟电子电路组成,并且
另一方面包括,电子控制电路3,其能够在所述电弧发生时直到电流被切断为止,控制所述电子开关2,。
根据本发明,电子控制电路3由基于半导体Q2的模拟电子电路组成。此外,所述电子控制电路3被配置为检测在电触点1a两端发生的电弧的出现,并向所述电子控制电路3的输出端S传递能够在几个阶段中熄灭电弧和切断电流的时间顺序来控制所述电子开关2的输出信号。
更具体地,参考图3、图4、图5、图6、图7和图8,可以看出在根据本发明的装置的第一实施例中,电子控制电路3被配置为通过其特征电弧电压来检测电弧的出现,同时能够向所述电子控制电路3的输出端S传递输出信号作为电触点两端的电压的函数,该输出信号能够根据在几个阶段中熄灭电弧和断开电流的所述时间顺序来控制所述电子开关2。
参考图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8,可以看出在电子开关2的优选实施例中,电子开关2可以包括并联连接在电触点1a两端的两个支路(即,包括变阻器RV的第一支路和包括功率晶体管Q1的第二支路)的联合,用于协助熄灭电弧的所述晶体管Q1为例如绝缘栅极双极晶体管、场效应晶体管(图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8)或双极晶体管。还可以看出,电子控制电路3的输出端S与用于协助熄灭电弧的所述晶体管Q1的栅极或基极连接,以便能够将输出信号应用于用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的栅极或基极,从而根据几个切换阶段将用于协助熄灭电弧的晶体管Q1切换到饱和状态ON或截止状态OFF,来控制电子开关2。这些切换阶段使得能够执行熄灭电弧和断开电流的时间顺序的阶段。
在晶体管起作用的众所周知的方式中,可以想起,截止状态OFF对应的是晶体管不导电的状态,而饱和状态ON对应的是晶体管导电的状态。
在操作中,几个阶段中熄灭电弧的时间顺序可以包括三个阶段,第一阶段、第二阶段和第三阶段,这是从初始阶段开始的,在初始阶段,电触点1a闭合,使得电流在电路C中流动,然后,电子开关2和电子控制电路3是不活动的,同时将用于协助熄灭电弧的晶体管Q1控制为处于截止状态OFF:
第一阶段:断开电触点1a,并且在所述断开的电触点1a这一级出现电弧。
第二阶段:施加到用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的栅极或基极的电子控制电路3的输出信号具有以下效果:将用于协助熄灭电弧的晶体管Q1从截止状态OFF切换到饱和状态ON,然后电流切换到包括用于协助熄灭电弧的所述晶体管Q1的电子开关2的第二支路,并导致电弧熄灭,以及
第三阶段:施加到用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的栅极或基极的电子控制电路3的输出信号具有以下效果:将用于协助熄灭电弧的晶体管Q1从饱和状态ON切换到截止状态OFF,这导致切断所述晶体管Q1中的电流,产生过电压,该过电压激活第一支路的变阻器RV,然后电流切换到所述第一支路。变阻器RV两端的电压足以限制电流并实现熄灭电流。
在第三阶段结束时,电触点1a断开并且电流为零。
因此,根据本发明的混合开关和控制装置适合于在由于电触点1a断开而出现电弧之后,检测所述电弧的出现,并通过作用于用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的控制电压来执行熄灭电弧和切断电流的顺序,也就是说通过驱动/控制晶体管Q1,以便根据几个切换阶段(例如根据上述两个切换阶段)来将晶体管Q1从截止状态OFF切换到饱和状态ON,反之亦然。
现在参考图3、图4、图5和图6,可以看出电子控制电路3在第一实施例中可以包括称为控制晶体管Q2的开关晶体管Q2,例如双极晶体管(图3和图4),或在一种变体中可以包括场效应晶体管(图5和图6)和并联的两个支路(即包括与第一电容器C1串联的第一电阻器R1的第一支路、和包括与第二电容器C2串联的第二电阻器R2的第二支路)的联合。控制晶体管Q2可以通过其集电极(图3和图4)或漏极(图5和图6)在第一结点连接到第一支路,第一结点构成电子控制电路3的输出端并位于第一电阻器R1和第一电容器C1之间。此外,控制晶体管Q2可以通过其基极(图3)或栅极(图5)在第二结点连接到第二支路,第二结点位于第二电阻器R2和第二电容器C2之间。
在电子控制电路3的该第一实施例中,根据本发明的该装置的逐阶段功能可以如下所述,从初始阶段开始,在初始阶段,电触点1a闭合,并且电流在电路C中流动,电子开关2和电子控制电路3是不活动的,并且使第一电容器C1和第二电容器C2放电:
第一阶段:断开电触点1a,并且出现根据本发明的装置检测的电弧,电触点1a两端的电压等于电弧电压,并且同时通过第一电阻器R1和第二电阻器R2对第一电容器C1和第二电容器C2充电。当形成电子控制电路3的输出信号的、第一电容器C1两端的电压超过一定的阈值VG(TH)时(这是用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的固有特征),晶体管Q1被切换到饱和状态ON,其效果是电流从电路C切换到包括用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的电子开关2的第二支路,并且因此熄灭电弧。
第二阶段:电触点1a两端的电压等于漏极/源极VDS(图3和图5)或集电极/基极电压,即用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的固有特征电压,并且该电压继续对第二电容器C2充电。当电容器C2两端的电压超过一定的阈值(例如在硅晶体管的情况下为大约0.7V)时,大量的电流开始在基极(图3)流动,或对控制晶体管Q2的栅极(图5)施加开关电压,然后将控制晶体管Q2切换到饱和状态ON,其效果是通过所述控制晶体管Q2使第一电容器C1放电,并且一旦第一电容器C1两端的电压下降到阈值VG(TH)之下,就将用于协助熄灭电弧的晶体管Q1切换到截止状态OFF。突然切断电流在晶体管Q1产生了一个足以激活变阻器RV的过电压,并且然后电流完全切换到包括所述变阻器RV的第一支路。
第三阶段:电流在包括变阻器RV的电子开关2的第一支路中流动,并且电触点1a两端的电压等于变阻器RV的极限电压。因为电流继续在基极(图3)流动,开关电压仍然通过第二电阻器R2施加到控制晶体管Q2的栅极(图5),所以用于协助熄灭电弧的晶体管Q1保持在截止状态OFF。
因此在上述顺序结束时,尽管出现了电弧,但所述电弧已完全熄灭,并且电流已完全断开。
优选地,可以选择变阻器RV的工作电压,以便使电流的强度迅速降低,直到电流熄灭。
优选地,更具体地是在用于协助熄灭电弧的晶体管Q1是场效应晶体管(图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8)或绝缘栅极双极晶体管的情况下,选择所述晶体管可以使得:
在不同的电流强度值下,VG(TH)(栅极电压)<50V,优选地小于10V,这是为了保证电弧电压足以激活用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的栅极。
在不同的电流强度值下,VDS(漏极/源极电压)<50V,优选地小于10V,因为当将用于协助熄灭电弧的晶体管Q1切换到饱和状态ON时,其阻抗必须低于电弧的阻抗,以分流全部电流。
确定选择第一电阻器R1和第一电容器C1的值,以调整对第一电容器C1充电的时间常数t1,并且因此调整切换用于协助熄灭电弧的晶体管Q1之前的时间,也就是说,将其从截止状态OFF变为饱和状态ON的时间。这样的时间常数t1可以选择为,例如并且优选地小于100ms,并且更优选地是在0到5ms之间。
同样,确定选择第二电阻器R2和第二电容器C2的值,以调整对第二电容器C2充电的时间常数t2,并且因此调整切换控制晶体管Q2之前的时间,也就是说,将其从截止状态OFF变为饱和状态ON的时间。这样的时间常数t2优选为小于100ms,并且更优选地是在0到5ms之间。
第一电阻器R1的值也对控制晶体管Q2中的电流限制有影响(特别是在第三阶段)。应当指出从本质上讲,电弧电压在电流强度增加时下降。因此,电流强度增加越多,第一电容器C1到达用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的栅极的阈值VG(TH)的充电时间(持续时间)就越长。因此,当强度增加时,用于协助熄灭电弧的晶体管Q1切换到饱和状态的时间较晚。
需要注意的是,当电流强度增加时,电流在控制晶体管Q2中流动的持续时间略有减少。
还要注意的是,电子控制电路3的有利特性是其在超过一定强度阈值时的自我抑制作用。当电流强度增加时,第一阶段的持续时间增加,并且第二阶段的持续时间减少。事实上已经观察到,在超过一定强度时,在第一电容器C1的电压达到用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的阈值电压VG(TH)的值之前,第二电容器C2两端的电压超过了控制晶体管Q2的阈值电压的值(例如等于约0.7V的阈值电压),使得不会将晶体管Q1切换到饱和状态,并且功能受到抑制。
达到或超过阈值电压的值的时间基本上取决于第一电阻器R1和第二电阻器R2、以及第一电容器C1和第二电容器C2的值。它也是电弧耗散的能量和晶体管Q1耗散的能量之间折衷的结果。
现在参考图4和图6可以看出,与包括电阻器R1、R2和电容器C1、C2的电子控制电路3的第一实施例相比,在电子控制电路3的第二实施例中,第一支路被配置为去掉第一电容器(C1)和/或第二支路被配置为去掉第二电容器(C2)。因此,第一支路只包括第一电阻器R1和/或第二支路只包括第二电阻器R2,并且根据本发明可以想到只去掉第二支路的第二电容器C2和/或只去掉第一支路的第一电容器C1。
可以理解的是,在电子控制电路3的第二实施例中,时间常数t1和t2的值将取决于电阻器R1、R2的值和/或用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的杂散电容(在没有第一电容器C1的情况下)和/或控制晶体管Q2的杂散电容(在有第二电容器C2的情况下)。
在电子控制电路3的第二实施例中,在没有电容器C1和/或C2的情况下,那么将几乎是即时熄灭电弧。
根据所使用的用于协助熄灭电弧的晶体管Q1的类型,即场效应晶体管(图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8)或绝缘栅极双极晶体管,电子控制电路3可以具有相同的电路图,只是元件(R1、R2、C1、C2)的值不同。
本发明还可以规定,对于交流电,电子控制电路3连接到被配置为以双向配置操作的电子开关2。图7示出了这种配置的示例,其中电子开关2包括二极管桥D。更具体地,二极管桥D连接在变阻器Rv两端。
本发明还可以规定,电子控制电路3可以连接到需要电隔离的混合开关1、2,并且包括位于电触点1a的上游或下游的额外的电触点1b。在这种情况下,两个电触点1a和1b的同步对根据本发明的装置的操作没有影响。
上述的自我抑制功能可以用于在一个应用中发挥优势(图8),其中(例如在隔离器类型的断路器中)由另一个装置负责管理超过一定阈值的电流,另一个装置包括两个电触点1a和1b,并且其中两个电触点1b中的一个配备了在现有技术中已知的位移和电弧操作中断室。该中断室针对强度超过一定的阈值Is的电流管理熄灭电弧,并且根据本发明的装置(其混合开关2、3与另一个电触点1a并联连接)可以管理熄灭在电触点1a的这一级发生的电弧和断开低于所述阈值Is的电流。
控制晶体管Q2,如双极或场效应晶体管,可以是PNP双极或NPN双极、MOSFET(N型或P型)或JFET晶体管。可以理解的是,根据所使用的晶体管的类型,电子控制电路3可以具有该相同的电路图,只是元件(R1、R2、C1、C2)的值不同。
本发明还可以提供,在电子控制电路3的第一实施例的另一种实施方式中(未在附图中示出),第一电容器C1和/或第二电容器C2被电感器(即,电子元件(例如线圈或扼流圈))取代。
在电子控制电路3的第二实施例中,电子控制电路3可以被配置为检测电弧的出现及其特征发射光,同时能够向所述电子控制电路3的输出端S传递输出信号作为所述发射光的函数,输出信号能够根据在几个阶段中熄灭电弧和切断电流的时间顺序来控制所述电子开关2。在一个优选实施例中,电子控制电路3可以包括LDR、光电晶体管或光电二极管类型的光敏元件,以检测电弧并执行几个阶段中的熄灭电弧和切断电流的时间顺序。
因此,这种用于熄灭电弧和切断电流的顺序、或任何其它使用根据本发明的装置的这种类型的顺序,特别是在其上述的第一实施例和第二实施例中,使得能检测电弧的出现,并且更具体地,检测在电触点1a两端的电弧的电压或由电子控制电路3发出的光,并直接控制(或驱动)电子开关2的用于协助熄灭电弧的晶体管Q1,或此类电子开关2的执行用于协助熄灭电弧的此类功能的任何其它功率半导体,仅由基于半导体的模拟电子电路(电子控制电路3)进行,也就是说无需使用如现有技术中的已知系统的情况下的复杂的电子器件,特别是基于微处理器或微控制器的电子器件。
本发明当然不限于附图中描述和示出的实施例。然而在不脱离本发明的保护范围的情况下,特别是从各部件的构成角度或通过替换技术等价物来修改仍然是可能的。
Claims (7)
1.一种混合开关和控制装置,其允许熄灭电弧和切断电路(C)中的电流,所述装置一方面包括混合开关(1、2),所述混合开关(1、2)包括并联的机电开关(1)和电子开关(2),以协助熄灭电弧并切断由所述电弧产生的电流;所述机电开关(1)包括至少一个电触点(1a),其能够闭合以允许所述电流在所述电路(C)中流动、并且能够断开以切断所述流动;所述电子开关(2)被配置为能够熄灭在所述电触点(1a)断开时发生的电弧并且然后切断所述电流,并且所述电子开关(2)由连接在所述电触点(1a)两端的、基于功率半导体(Q1)的模拟电子电路组成;以及所述装置另一方面包括电子控制电路(3),其能够在所述电弧发生时直到电流被切断为止控制所述电子开关(2);其特征在于,所述电子控制电路(3)由基于半导体(Q2)的模拟电子控制电路(3)组成,并且其特征在于,所述电子控制电路(3)被配置为检测发生在所述电触点(1a)两端的电弧的出现,并将输出信号传递到所述电子控制电路(3)的输出端(S),其中所述输出信号能够根据在若干个阶段中熄灭所述电弧并切断所述电流的时间顺序来控制所述电子开关(2)。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述电子控制电路(3)被配置为通过其特征电弧电压来检测所述电弧的出现,同时能够向所述电子控制电路(3)的所述输出端(S)传递输出信号作为所述电触点两端的电压的函数,所述输出信号能够根据在若干个阶段中熄灭所述电弧并切断所述电流的所述时间顺序来控制所述电子开关(2)。
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述电子开关(2)包括并联连接在所述电触点(1a)两端的两个支路的联合,所述两个支路即包括变阻器(RV)的第一支路和包括功率晶体管(Q1)的第二支路,用于协助熄灭电弧的所述晶体管(Q1)是例如绝缘栅极双极晶体管、场效应晶体管或双极晶体管,并且其特征在于,所述电子控制电路(3)的所述输出端(S)连接到用于协助熄灭电弧的所述晶体管(Q1)的栅极或基极,以便能够将所述输出信号施加到所述晶体管(Q1)的所述栅极或所述基极,以便根据若干个切换阶段通过将用于协助熄灭电弧的所述晶体管Q1切换到饱和状态或截止状态来控制所述电子开关(2)。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述电子控制电路(3)包括被称为控制晶体管(Q2)的开关晶体管(Q2),例如双极晶体管或场效应晶体管;并且所述电子控制电路(3)包括并联的两个支路的联合,所述两个支路即包括串联的第一电阻器(R1)和第一电容器(C1)的第一支路和包括串联的第二电阻器(R2)与第二电容器(C2)的第二支路,并且其特征在于,一方面所述控制晶体管(Q2)的集电极或漏极在第一结点处连接到所述第一支路,所述第一结点构成所述电子控制电路(3)的所述输出端并且位于所述第一电阻器(R1)和所述第一电容器(C1)之间,并且另一方面所述控制晶体管(Q2)的基极或栅极在第二结点处连接到所述第二支路,所述第二结点位于所述第二电阻器(R2)和所述第二电容器(C2)之间。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述第一支路被配置为去掉所述第一电容器(C1)和/或所述第二支路被配置为去掉所述第二电容器(C2)。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述电子控制电路(3)被配置为通过其特征发射光来检测所述电弧的出现,同时能够向所述电子控制电路(3)的所述输出端(S)传递所述输出信号作为所述发射光的函数,其中所述输出信号能够根据在若干个阶段中熄灭所述电弧和切断所述电流的所述时间顺序来控制所述电子开关(2)。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述电子控制电路(3)包括LDR、光敏电阻器或光电二极管类型的光敏元件,以便检测所述电弧并执行在若干个阶段中熄灭所述电弧和切断所述电流的所述时间顺序。
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