專利名稱：用于接地故障保護(hù)電路的方法和安全裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種防止泄漏電流的方法以及用于實(shí)施所述方法的裝置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)知道，當(dāng)利用由電力網(wǎng)提供的裝置，并且其可能與人員發(fā)生直接接觸時(shí)，電灼的風(fēng)險(xiǎn)很高；這正是安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定保護(hù)性差動(dòng)斷路器的原因。
通常，在單相系統(tǒng)中，公用電力網(wǎng)(也稱為干線)通過(guò)兩根電線提供電氣裝置(即，一般而言為負(fù)載)，所述兩根電線中，一根稱為“火線(hot)”或“相線”，另一根稱為“中線”。通常，在配電箱(distribution cabin)附近的公用事業(yè)公司將所述中線接地。
一般類型的家中傷害通常發(fā)生在當(dāng)人在洗澡或接近水池的同時(shí)使用電力網(wǎng)所提供的裝置的時(shí)候。水成為電流的通道，這稱為泄漏電流或接地故障，電流從所述“火”線流向地；如果此泄漏電流流經(jīng)人的身體，將導(dǎo)致電灼。當(dāng)人在觸摸或站立在對(duì)地的導(dǎo)電表面而接觸所述“火”線時(shí)，也會(huì)發(fā)生同樣的情況。
用于此類危險(xiǎn)事件的商用保護(hù)電路，稱為接地故障電路斷流器(GFCI)，其包括差動(dòng)電流互感器，此差動(dòng)電流互感器的初級(jí)繞組由所述火線和中線形成，而次級(jí)繞組與放大級(jí)連接。如果所述火線電流到達(dá)所述負(fù)載，并通過(guò)所述中線返回，而沒(méi)有對(duì)地泄漏，則所述變換器的芯中不會(huì)有磁發(fā)電動(dòng)力(magneto motive force)來(lái)引起二次電流。
相反，如果所述電流發(fā)生泄漏，則在所述次級(jí)繞組中產(chǎn)生與火線和中線電流之間的差成比例的電流此信號(hào)被放大，然后與適當(dāng)?shù)陌踩撝迪啾容^，當(dāng)超出閾值時(shí)，繼電器(或電路斷路器)解扣(trip)，將所述火線和中線從所述負(fù)載斷開(kāi)。
由于這些裝置在整體上保護(hù)住宅的電氣系統(tǒng)，其靈敏度被限制為30mA，并沒(méi)有考慮在系統(tǒng)中自然流動(dòng)的小的寄生泄漏電流。
當(dāng)在一些情況下使用電氣設(shè)備或手工工具時(shí)，即，在潮濕環(huán)境下或在可能與上下水設(shè)施，如水管或潔具相接觸的情況下，出于安全考慮，需要依靠更靈敏的保護(hù)電路，其能被插入與所述電力網(wǎng)電源相連接的插頭。在這種情況下，可實(shí)現(xiàn)裝置的電流靈敏度降到3mA，甚至更小。
危險(xiǎn)電流級(jí)別取決于各種電醫(yī)療應(yīng)用的元件和標(biāo)準(zhǔn)，其中，與病人接觸的電極需要保護(hù)電路具有最大為3mA的閾值；盡管如此，如果所述保護(hù)電路的斷開(kāi)時(shí)間不能保證在危險(xiǎn)事件發(fā)生之前中斷電流，即使是低于1mA的電流也是危險(xiǎn)的。
具有這樣的高靈敏度的保護(hù)電路能夠確保操作人員的安全，但是，這僅在所述電路正常工作時(shí)。為允許檢查所述電路是否正常工作，為目前使用的常規(guī)器具配備了測(cè)試按鈕，按下其可模擬使得泄漏電流略微大于所述電路靈敏度，從而解扣所述保護(hù)電路。然而，所述檢查的負(fù)擔(dān)留給了用戶，其每次都必須將所述電氣設(shè)備與電源相連接，按下所述測(cè)試按鈕，并在解扣后再次觸發(fā)所述電路。
為確保最大可靠性，保護(hù)系統(tǒng)不應(yīng)該依賴于用戶的人工干預(yù)。
在現(xiàn)有的技術(shù)中，已公開(kāi)了幾種解決方案。
專利US 5 982 593公開(kāi)了一種電路斷路器，其集成了接地故障保護(hù)這樣的保護(hù)進(jìn)一步配備了用于測(cè)試所述保護(hù)電路自身的安全工作的測(cè)試電路；然而，僅能用測(cè)試按鈕啟動(dòng)這種測(cè)試電路。
專利US 6 426 632公開(kāi)了一種用于產(chǎn)生電流波形以測(cè)試電弧故障保護(hù)的系統(tǒng)，并且簡(jiǎn)短地描述了使用微處理器檢測(cè)差動(dòng)互感器的二次電流，并且將其與所述微處理器自身存儲(chǔ)的閾值相比較如果檢測(cè)到的電流大于所述閾值，所述微處理器發(fā)送信號(hào)，通過(guò)該信號(hào)解扣所述繼電器，斷開(kāi)與電源的連接。
然而，沒(méi)有給出對(duì)所述微處理器和相關(guān)電路如何進(jìn)行此功能的詳細(xì)描述，并且沒(méi)有給出對(duì)由所述微處理器進(jìn)行的其它功能的參考。
專利US 5 875 087涉及一種用于控制從電源到負(fù)載的電流的電路斷路器。在其中使用微處理器將所述電流與存儲(chǔ)和/或能夠存儲(chǔ)在所述微處理器中的性能參數(shù)相比較，從而為電路斷路器產(chǎn)生控制信號(hào)。所述微處理器僅對(duì)相鄰的電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒y(cè)試，而并不對(duì)所述保護(hù)系統(tǒng)在整體上進(jìn)行測(cè)試；此外沒(méi)有系統(tǒng)的校準(zhǔn)階段。
專利US 6 262 871涉及一種自動(dòng)測(cè)試GFCI的電子電路；此發(fā)明的一個(gè)重要特點(diǎn)在于，其必須與已實(shí)現(xiàn)的GFCI相結(jié)合，或者，其必須包括其中的重要組件。
周期地，利用微控制器產(chǎn)生人工泄漏電流，并且調(diào)查由所述GFCI產(chǎn)生的信號(hào)如果這些信號(hào)正常，則測(cè)試結(jié)束，否則通過(guò)解扣需加入所述系統(tǒng)的第二電路斷路器，將由所述GFCI控制的負(fù)載與所述電源斷開(kāi)。
此解決方案的缺點(diǎn)在于過(guò)渡的電路冗余，由于其應(yīng)有的功能，即，自動(dòng)無(wú)效檢測(cè)(automatic non-efficiency detection)，GFCI很復(fù)雜；此外，為定義電壓采樣的臨界節(jié)點(diǎn)，其中所述節(jié)點(diǎn)并不總是能被輕易接入，導(dǎo)致在另一方面電線和系統(tǒng)的成本增加，應(yīng)用于此發(fā)明的GFCI電路架構(gòu)可以被認(rèn)為是現(xiàn)有知識(shí)。在不同電路架構(gòu)的情況下，根據(jù)此發(fā)明的系統(tǒng)必須完全被重新設(shè)計(jì)。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，不存在同時(shí)具有如下特性的GFCI-不需要人工干預(yù)，完全自動(dòng)；-對(duì)于泄漏電流高度靈敏；-尺寸小、緊湊，可插入任何插頭、插座或分流元件；-包括自檢測(cè)功能，以在所述GFCI通電的初始化階段或者在對(duì)所述負(fù)載進(jìn)行供電后周期地進(jìn)行安全操作；-向用戶顯示故障類型；-僅在檢查到所述保護(hù)正常有效工作之后，才允許通過(guò)所述電源進(jìn)行供電；-通過(guò)校準(zhǔn)所述泄漏電流檢測(cè)電路，獨(dú)立于這些檢測(cè)電路的實(shí)施而進(jìn)行操作，并且能夠補(bǔ)償其中的漂移和偏移；-在檢測(cè)到危險(xiǎn)的泄漏電流之后，將所述負(fù)載從所述電源斷開(kāi)，并要求用戶的人工干預(yù)，以重新建立電力供應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種GFCI，其包括前述的所有特征。
當(dāng)根據(jù)所附權(quán)利要求實(shí)現(xiàn)GFCI時(shí)，可達(dá)到這樣的目標(biāo)。


從對(duì)優(yōu)選的但并非唯一的實(shí)施例的描述，可以更容易且清楚地理解根據(jù)本發(fā)明的GFCI的所述優(yōu)點(diǎn)，這將在以下參照附圖通過(guò)非限制性的例子給出，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的GFCI的框圖；圖2示出了圖1中的GFCI的詳細(xì)示意圖；圖3示出了圖2中的電路的一種變型的示意圖；圖4示出了圖2中的電路的另一種變型的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在通過(guò)一種家用電器，即，吹風(fēng)機(jī)，來(lái)描述本發(fā)明——但是，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很明顯，本發(fā)明同樣也可應(yīng)用于其它應(yīng)用，例如，配備有可靠的GFCI的工具，工廠中的機(jī)器，或者任何其它電氣設(shè)備。
在特別的實(shí)施例中，所述GFCI被集成在位于所述吹風(fēng)機(jī)的輸電線末端的插頭中，但是，不能認(rèn)為此實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的限制。然而，通過(guò)將本發(fā)明的GFCI集成到墻壁插座中，也可獲得與前述等同的有利方案，其中，所述吹風(fēng)機(jī)或另一種家用電器的插頭被插在所述插座中。
參照?qǐng)D1，可以看到根據(jù)本發(fā)明的GFCI1的框圖，所述單相電力網(wǎng)或電源被標(biāo)示為10；火線12和接地的中線14將所述網(wǎng)絡(luò)10與繼電器20的可分離的接觸器22a、22b相連接。也可以使用其它類型的受控開(kāi)關(guān)(或電路斷路器)，即，半導(dǎo)體裝置。當(dāng)所述繼電器20被通電時(shí)，所述接觸器22a、22b接觸兩個(gè)終端24a、24b，兩個(gè)導(dǎo)線(conductor)12a、12b從所述兩個(gè)終端延伸并與吹風(fēng)機(jī)16的終端相連接。
導(dǎo)線12、14包括所述導(dǎo)線12、14自身中的泄漏電流檢測(cè)電路，在這種情況下，利用已知技術(shù)在環(huán)行鐵芯上實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電流互感器30。利用導(dǎo)線12、14得到所述變換器的初級(jí)繞組，而利用同一環(huán)行鐵芯上的另一個(gè)線圈實(shí)現(xiàn)次級(jí)繞組，將其示意性地用32標(biāo)示。為檢測(cè)直接泄漏電流，可使用，例如，電流探針或LEM產(chǎn)品。
測(cè)試生成電路(test generator circuit)40利用兩個(gè)導(dǎo)線42、44對(duì)所述導(dǎo)線12、14進(jìn)行分流。后面將詳細(xì)解釋，所述電路40的功能在于人工引入精確已知的電流，其在導(dǎo)線42、44中流動(dòng)，并因此在導(dǎo)線12、14中流動(dòng)由于所述電流是所述變換器30的差動(dòng)分量，檢測(cè)所述電流，從而產(chǎn)生次級(jí)信號(hào)，此信號(hào)具有與所述電流成比例的振幅。
通過(guò)邏輯運(yùn)算單元(logic elaboration unit)50獲取(或采樣)此信號(hào)，所述次級(jí)繞組32經(jīng)由放大級(jí)與所述邏輯運(yùn)算單元相連接，這將在后面變得更清楚；所述邏輯運(yùn)算單元50也與所述測(cè)試生成電路40以及繼電器20相連接，分別通過(guò)連接36和38向其發(fā)送控制和/或使能信號(hào)。并且，所述單元50包括至少算術(shù)模塊以進(jìn)行二進(jìn)制運(yùn)算，以及RAM、ROM和A/D變換器(未示出)。
參照?qǐng)D2，將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的GFCI1；保留了圖1中對(duì)應(yīng)部分所使用的參考符號(hào)。
特別地，所述單相電力網(wǎng)10經(jīng)由兩個(gè)保險(xiǎn)絲11與導(dǎo)線12和14相連接，其到達(dá)所述繼電器20的所述可分離的接觸器22a、22b；當(dāng)繼電器20的線圈21被通電時(shí)，所述接觸器22a、22b接觸兩個(gè)終端24a、24b，兩個(gè)導(dǎo)線12a、12b從該終端延伸，并與所述吹風(fēng)機(jī)16的終端相連接。
本發(fā)明此實(shí)施例的組件有利地被封裝在所述吹風(fēng)機(jī)16的供電插頭55中，在圖2中用短劃線示意性地示出。
從此圖中可見(jiàn)，導(dǎo)線41、42與測(cè)試生成電路40(在虛線中示出)相連接，且導(dǎo)線45分流所述電力網(wǎng)10的導(dǎo)線12、14。
虛線內(nèi)部所示的下降電阻-電容網(wǎng)絡(luò)(drop resistive-capacitivenetwork)46與導(dǎo)線45相連接，以到達(dá)整流橋47，該整流橋47經(jīng)由導(dǎo)線44直接與所述電力網(wǎng)10相連接。所述橋47的輸出由電解電容器48濾波，并且，在此實(shí)施例中，由齊納二極管將電平拉到30V。此電壓是GFCI1的第一供電電壓。電容器48的正極端子經(jīng)由導(dǎo)線200與兩個(gè)PNP晶體管60、70的發(fā)射極相連接，而負(fù)極端子與構(gòu)成所述GFCI電路1的地的導(dǎo)線100相連接，該導(dǎo)線被稱為地100，后面將涉及。在晶體管60的發(fā)射極和基極之間提供電阻器61，晶體管的基極通過(guò)限流電阻器62與NPN晶體管80的集電極相連接，所述晶體管80的發(fā)射極與地100相連接，其基極經(jīng)由偏置電阻器63和導(dǎo)線38與所述邏輯單元50的輸出引腳相連接。例如，可使用微處理器Motorola MC908Q2作為這樣的單元。晶體管60的集電極連接到自由旋轉(zhuǎn)二極管(free-wheeling diode)64的陰極、用于晶體管70的基極的偏壓電阻器65以及繼電器20的線圈21的終端，其中，所述二極管64的陽(yáng)極與地100相連接。線圈21的另一個(gè)終端延伸到校準(zhǔn)齊納二極管92和濾波電容器91的平行線，其負(fù)終端與地100相連接，而正終端與導(dǎo)線110相連接，所述導(dǎo)線110形成次級(jí)供電電壓(此情況下為5.1V)的正極，所述次級(jí)供電電壓向所述邏輯單元50和運(yùn)算放大器90(例如，LPV 321)供電。晶體管70的集電極電流通過(guò)限流電阻器71到達(dá)導(dǎo)線110，其中，米勒電容器72應(yīng)用在所述晶體管70上。
所述放大器90的輸出90u與所述單元50的輸入引腳以及星形連接的反饋電阻器74、75、76相連接；所述前兩個(gè)電阻器的串與放大器90的同相引腳相連接，而第三個(gè)電阻器將電阻器74、75的公共節(jié)點(diǎn)與對(duì)所述5.1V次級(jí)供電電壓進(jìn)行分壓的電阻分壓器相連接。
利用兩個(gè)相等的電阻器76、77形成此分壓器，電阻器76的終端與所述公共節(jié)點(diǎn)相連接。兩個(gè)旁路電容器78、79被分別與電阻器76，77并聯(lián)。
放大器90的反相和同相輸入分別連接到電阻器82和去耦電容器83的串以及電阻器84。這組組件感應(yīng)負(fù)載電阻器85上的電壓，其與來(lái)自互感器30的次級(jí)32的兩根導(dǎo)線32a、32b串聯(lián)連接。所述負(fù)載電阻器85的終端還與由電阻器76、77形成的所述分壓器的輸出相連接。
虛線中包圍的是所述測(cè)試生成電路40的如下組件的組合。高精度測(cè)試電阻器86經(jīng)由導(dǎo)線42與導(dǎo)線12相連接，并且連接到三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件(triac)88的陽(yáng)極，其中，所述三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件的陰極經(jīng)由導(dǎo)線44與導(dǎo)線14相連接。電阻器86對(duì)在互感器30下游節(jié)點(diǎn)處的導(dǎo)線12進(jìn)行分流，這樣，在所述電阻器86中流動(dòng)的電流通過(guò)導(dǎo)線44和14返回所述網(wǎng)絡(luò)10，而不流經(jīng)互感器30的環(huán)行鐵芯。實(shí)際上，導(dǎo)線44與在所述互感器30上游的導(dǎo)線12相聯(lián)系。由于在電阻器86中流動(dòng)的電流僅需要通過(guò)互感器30進(jìn)行檢測(cè)，也可以在所述導(dǎo)線的其它位置。平行于所述電阻器86，提供了另一個(gè)補(bǔ)償電阻器87，其經(jīng)由互感器30上游的導(dǎo)線41對(duì)導(dǎo)線12進(jìn)行分流。在所述三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件88的柵極和陰極之間提供了電阻器89。所述柵極連接了電阻器101和二極管104的串，以及電阻器103和二極管102的串，其中二極管102的陽(yáng)極朝向所述柵極。所述二極管104和102反向平行。電阻器103連接了NPN晶體管105的集電極，所述晶體管的發(fā)射極連接到地100，其基極被電阻器106偏置，并且又由單元50的輸出引腳饋電。此輸出引腳還連接到二極管104的陽(yáng)極，所述二極管104與電阻器101串聯(lián)。
所述邏輯單元50的兩個(gè)引腳分別對(duì)電阻器111和發(fā)光二極管112的串以及電阻器113和發(fā)光二極管114的串進(jìn)行饋電。通過(guò)驅(qū)動(dòng)所述發(fā)光二極管，所述邏輯單元50能夠向所述GFCI1的用戶提供可視警告或信號(hào)。為突出這些警告，所述發(fā)光二極管112是綠色的，所述發(fā)光二極管114是紅色的。并且，可考慮使用聲音警告，例如蜂鳴等。
兩個(gè)電阻器28、29的串形成了分壓器，其一端連接到地100，另一端與降壓電阻器46串聯(lián)，以網(wǎng)絡(luò)10的頻率向單元50的引腳提供方波電壓，所述單元50通過(guò)對(duì)線路周期計(jì)數(shù)來(lái)用于內(nèi)部計(jì)時(shí)(50Hz電源為20ms，60Hz電源為16.66ms)。另一個(gè)內(nèi)部計(jì)時(shí)源為從單元50的時(shí)鐘恢復(fù)的方波信號(hào)，此方波信號(hào)被分壓器適當(dāng)?shù)匕幢壤s小。
現(xiàn)在描述所述GFCI的操作階段，從初始化，即當(dāng)用戶將插頭55連接到所述插座時(shí)，到穩(wěn)定狀態(tài)，即此用戶安全使用所述吹風(fēng)機(jī)16時(shí)。所述階段為I.所述用戶將插頭55插入相應(yīng)插座。所述繼電器20，正常開(kāi)啟，沒(méi)有被通電，從而所述吹風(fēng)機(jī)16沒(méi)有被連接到所述電力網(wǎng)10，因此沒(méi)有在工作。經(jīng)由所述二極管電橋47，電容器48充電，并且一旦達(dá)到齊納二極管49的擊穿電壓，所述電容器48兩端的電壓就穩(wěn)定下來(lái)。晶體管60是截止?fàn)顟B(tài)(cut-off)，因?yàn)槠錄](méi)有被晶體管80偏置，晶體管80也是截止?fàn)顟B(tài)，因?yàn)閱卧?0沒(méi)有通過(guò)電阻器63對(duì)其基極進(jìn)行偏置。而晶體管70飽和，這是由于存在用于其基極電流通過(guò)電阻器65、繼電器20的線圈21以及齊納二極管92的電流通路。此基極電流很低，不能激勵(lì)繼電器20。晶體管70的飽和通過(guò)電阻器71向齊納二極管92供電，其中齊納二極管92的電壓被電容器91濾波，并向運(yùn)算放大器90和邏輯單元50供電。
II.由于所述吹風(fēng)機(jī)16中沒(méi)有電流流動(dòng)，因此，在互感器30的初級(jí)繞組及其次級(jí)繞組中也沒(méi)有電流流動(dòng)，于是，電阻器85兩端沒(méi)有電壓。因此，放大器90的輸出90u的電壓保持在由分壓器設(shè)置的穩(wěn)定值，此值約為其供電電壓的一半，其中，所述分壓器由電阻器78、79形成。單元50通過(guò)其內(nèi)部的A/D(在此實(shí)施例中為8比特)變換器對(duì)放大器90的輸出90u的電壓進(jìn)行順序取樣(采樣)，利用其內(nèi)部算術(shù)模塊在65536(216)個(gè)獲取值上對(duì)采樣進(jìn)行平均；進(jìn)行此操作所需要的時(shí)間不到一秒。所述平均值必須為127，即，滿標(biāo)度(full scale)的一半，可以有三個(gè)比特左右的偏差來(lái)作為公差。當(dāng)由電阻器76、77形成的分壓器輸出等于所述供電電壓一半的額定電壓時(shí)，得到這樣的值。如果所獲得的值超出此范圍，從頭開(kāi)始重復(fù)進(jìn)行階段II，否則，接著進(jìn)行階段III。在此階段，發(fā)光二極管112、114均開(kāi)啟。
III.單元50存儲(chǔ)在階段II獲得的所述平均值，并對(duì)放大器90輸出電壓90u進(jìn)行另外的65536次采樣，和階段II一樣，計(jì)算其平均值。所得到的平均值必須等于在前的值，最多存在1比特的差，否則，系統(tǒng)再次跳到階段II。這保證了所述次級(jí)供電電壓穩(wěn)定，以及所述A/D變換器在正常工作。在此階段計(jì)算得到的所述平均值存儲(chǔ)在所述單元50中，并且假設(shè)意味著所述A/D變換器的零基準(zhǔn)值。發(fā)光二極管112、114保持開(kāi)啟。
IV.所述單元50進(jìn)入獲取放大器90輸出電壓90u的正常模式計(jì)算在放大器90的采樣輸出電壓90u與在階段III中存儲(chǔ)的零基準(zhǔn)值之間的差的絕對(duì)值。存儲(chǔ)所有這些處理得到的值中的最大值，并且在經(jīng)過(guò)一些網(wǎng)絡(luò)10的周期的延遲之后，單元50驗(yàn)證所述最大值低于2，即，在所述A/D變換中，僅改變了最低有效位的比特。這保證所述系統(tǒng)的噪聲足夠低，不會(huì)干擾GFCI1的工作；如果不能滿足此條件，單元50再次跳到階段I。在此階段中，發(fā)光二極管112、114均閃爍。
V.單元50利用正電壓導(dǎo)線36進(jìn)行偏置，利用電阻器106偏置晶體管105，并使其飽和。通過(guò)所述二極管104-電阻器101的串，在網(wǎng)絡(luò)10的正半波電壓作用于導(dǎo)線12期間，正向偏置三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件88的柵極。而在所述負(fù)半波期間，用于三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件88的偏置電流的通路包括二極管102、電阻器103以及晶體管105；在這兩種情況下，電流流經(jīng)電阻器89，并且，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件88開(kāi)啟。
VI.所述三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件88的開(kāi)啟狀態(tài)持續(xù)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)10電壓周期當(dāng)所述三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件88開(kāi)啟時(shí)，數(shù)值非常精確的測(cè)試電阻器86為互感器30產(chǎn)生差動(dòng)電流，所述互感器30檢測(cè)所述電流，并在所述次級(jí)32中引起電流，從而在電阻器85兩端產(chǎn)生電壓。利用運(yùn)算放大器90放大此AC電壓，并在其輸出90u提供此電壓。與在前的階段一樣，單元50對(duì)此電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，并利用內(nèi)部A/D變換器將其變換為數(shù)字值，存儲(chǔ)其中的最大值。然后，單元50驗(yàn)證所述最大值包含在預(yù)先存儲(chǔ)在單元50的ROM中的上閾值和下閾值之間。這是為了保證用于檢測(cè)差動(dòng)電流的電路作為整體正在工作，并且具有可接受的靈敏度。如果所述最大采樣值太低，綠色二極管LED 112短時(shí)間閃爍，并且所述系統(tǒng)從階段II再次啟動(dòng)。如果所述最大采樣值太高，紅色二極管LED 114短時(shí)間閃爍，并且所述系統(tǒng)從階段II重新啟動(dòng)。如果所述最大采樣值是可接受的，將其存儲(chǔ)為測(cè)試值，其被所述GFCI1使用，并且，進(jìn)行到下一個(gè)階段VII。
VII.現(xiàn)在，單元50利用正電壓導(dǎo)線38進(jìn)行偏置，利用電阻器63偏置晶體管80，所述晶體管80飽和。現(xiàn)在電流能夠通過(guò)電阻器61、62從所述第一30V電源流到地100，使晶體管60飽和，并從所述第一電源對(duì)繼電器20的線圈21供電。現(xiàn)在，在線圈21中的電流有足夠的幅度以激勵(lì)繼電器20，其使得所述吹風(fēng)機(jī)16與網(wǎng)絡(luò)10相連接，從而可以被使用。同時(shí)，單元50持久地開(kāi)啟綠色二極管112，關(guān)閉紅色二極管114。
VIII.在激勵(lì)所述繼電器20從而從所述網(wǎng)絡(luò)10對(duì)所述吹風(fēng)機(jī)16供電之后，與在前的階段一樣，單元50繼續(xù)監(jiān)控運(yùn)算放大器90的輸出電壓90u。特別地，在利用所述A/D變換器將所述輸出電壓90u變換為數(shù)字值之后，所述單元50將其最大值減到零值，然后計(jì)算其模值(或絕對(duì)值)，得到所述實(shí)際泄漏電流的最大值。如果此最大值大于限制值(在這種情況下，為在階段VI結(jié)尾時(shí)存儲(chǔ)的值，即，所述測(cè)試值)超過(guò)連續(xù)10次，即10次獲取(約0.1ms進(jìn)行一次)，所述單元50從導(dǎo)線38撤去電壓，從而解扣繼電器20，并將吹風(fēng)機(jī)16從網(wǎng)絡(luò)10斷開(kāi)。所述邏輯單元50通過(guò)閃爍紅色發(fā)光二極管114來(lái)顯示危險(xiǎn)情況。在此危險(xiǎn)情況下，所述GFCI1保持鎖定，從而防止進(jìn)一步激勵(lì)繼電器20，并且僅能通過(guò)再次關(guān)閉和開(kāi)啟而再次啟動(dòng)。這意味著，在這種情況下，述用戶必須將所述插頭55從墻上插座斷開(kāi)，去除導(dǎo)致GFCI1解扣的故障，并再次連接所述插頭55。此時(shí)，GFCI1將從前述階段I開(kāi)始工作。
在階段VIII中，即，當(dāng)對(duì)所述吹風(fēng)機(jī)16供電時(shí)，可以如階段V和VI中一樣周期性地進(jìn)行測(cè)試，以確保所述GFCI1良好工作。在這種情況下，在所述測(cè)試期間，即，當(dāng)進(jìn)行在階段V和VI中描述的操作時(shí)，加倍不解扣所述繼電器20所需的所述運(yùn)算放大器90的輸出90u的可接受的最大值，即，所述限制值，以無(wú)論如何確保所述用戶的安全。
根據(jù)之前所述，很明顯，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)置所述GFCI1的工作閾值的方便性，即，通過(guò)改變所述測(cè)試電阻器86的值。由于該閾值不是預(yù)先存儲(chǔ)在單元50中以用于比較的固定值，而是必須在所述初始化階段由所述GFCI1檢測(cè)的預(yù)設(shè)電流的結(jié)果，即使是對(duì)于所述GFCI1而言實(shí)際上太低的工作閾值，所述GFCI1也確保進(jìn)行檢查。在這種情況下，實(shí)際上，將被供電的負(fù)載保持隔離。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可以方便地在前述保護(hù)中加入其它類型的自動(dòng)保護(hù)，例如，短路或電弧故障保護(hù)。
當(dāng)圖2中的導(dǎo)線12a和12b接觸時(shí)，即使只是暫時(shí)地，或者，所述負(fù)載達(dá)到非常低的阻抗值時(shí)，發(fā)生短路情況，例如，有人接觸導(dǎo)線12a和12b此時(shí)，很高的電流將流經(jīng)導(dǎo)線12a和12b，這將是致命的。保險(xiǎn)絲11(見(jiàn)圖2)不能保證快速的解扣動(dòng)作。
通過(guò)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的變型可克服此不便，如圖3所示，其中畫出了關(guān)于附加組件的參考數(shù)字，電路的剩余部分與前述相同。
在此變型中，通過(guò)在導(dǎo)線14上插入電流互感器300，加入了短路電流保護(hù)。
也可將互感器300插入導(dǎo)線12，或繼電器20的下游；所述互感器300的初級(jí)繞組為導(dǎo)線14本身，而利用次級(jí)繞組330實(shí)現(xiàn)中心抽頭(centered-tapped)的次級(jí)。所述中心抽頭與具有非常低的值的電阻器111a(幾歐姆)的一端相連接，所述電阻器的另一端與兩個(gè)二極管310、311的陽(yáng)極相連接，所述兩個(gè)二極管的陰極與互感器300的次級(jí)繞組的終端相連接。
電阻器111，圖2中示出其直接與發(fā)光二極管112相連接，現(xiàn)在其連接到二極管310、311的陰極的結(jié)合節(jié)點(diǎn)；導(dǎo)線320將互感器300的次級(jí)330的中心抽頭與發(fā)光二極管112相連接，具有相對(duì)高阻值(約10千歐)的電阻器111b也被加入與所述發(fā)光二極管112并聯(lián)。
因此，可知道，電流互感器300的次級(jí)繞組330的電壓由二極管310和311整流，因而將在電阻器111a兩端提供與流入導(dǎo)線14的電流成比例的脈沖信號(hào)。
所述電路的工作如下。
與電阻器111相連接的單元50的引腳——在此定義為A0——在初始化時(shí)作為輸出引腳，并通過(guò)已描述的電阻器111以及電阻器111a驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二極管112，而電阻器111b不影響發(fā)光二極管112的工作。在所述初始化階段結(jié)尾時(shí)，紅色發(fā)光二極管112被關(guān)閉，并且單元50的所述A0引腳變成模擬輸入(analogic input)，這歸功于在所述單元50中包含的程序的適當(dāng)指令。
然后，所述A0引腳能夠通過(guò)所述A/D變換器對(duì)在其上施加的電壓進(jìn)行采樣，并且從而能夠利用所述電流互感器300間接地測(cè)量饋入所述負(fù)載的電流在導(dǎo)線14中的電流超出預(yù)設(shè)閾值的情況下，單元50確保所述開(kāi)關(guān)(繼電器)20以與前述類似的方式斷開(kāi)，從而確保短路保護(hù)。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二變型例，其中，大部分與所述第一變型例相同，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，僅畫出新的數(shù)字，電路的余下部分與前述相同。
在與所述負(fù)載相連接的導(dǎo)線12b上，插入了電流互感器3001，其也可插入導(dǎo)線14b上或(繼電器)開(kāi)關(guān)20的上游；利用導(dǎo)線12b實(shí)現(xiàn)互感器3001的初級(jí)繞組，而利用次級(jí)繞組3301實(shí)現(xiàn)所述次級(jí)。
阻值非常低的電阻1111a(幾歐姆)與所述次級(jí)繞組3301的終端相連接。電阻器111，在圖2中示出其與發(fā)光二極管112相連接，現(xiàn)在其連接到向發(fā)光二極管112的陽(yáng)極供電的電阻器1111a。其陰極與晶體管370的集電極相連接，并由晶體管70的集電極供電，所述晶體管的發(fā)射極與地100相連接，而基極由分壓器偏置，該分壓器由兩個(gè)電阻器346、344形成并且由晶體管70的集電極供電。平行于所述晶體管370，提供了電容器340，而晶體管370的集電極通過(guò)電阻器342與運(yùn)算放大器90的輸出90u相連接。
由電阻器342和電容器340組成的集合形成了放大器90的輸出90u的電壓的低通濾波器，從而使得晶體管370的集電極的DC電壓保持等于所述第二供電電壓的一半。
所述電路的工作如下。
在初始化階段，如前所述，單元50的引腳A0用作輸出引腳，并通過(guò)電阻器111和電阻器1111a驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二極管112，而晶體管370飽和，由于晶體管70也飽和，并且繼電器20未被激勵(lì)，允許發(fā)光二極管112開(kāi)啟。在所述初始化階段的結(jié)尾，紅色發(fā)光二極管112關(guān)閉，并且單元50的引腳A0變成模擬輸入，這歸功于適當(dāng)?shù)某绦蛑噶睢?br> 同時(shí)，由于晶體管70截止，使得晶體管370截止并且繼電器20被激勵(lì)；然后，在晶體管370的集電極的是放大器90的輸出90u電壓的DC分量此DC電壓被加入到電阻器1111a兩端由互感器3001產(chǎn)生的信號(hào)，且該DC電壓被通過(guò)所述A/D變換器采樣，并且因此單元50能夠間接地測(cè)量由所述負(fù)載吸收的電流。
以與讀取放大器90的輸出90u電壓相同的方式讀取在引腳A0的電壓將引腳A0的電壓與所述零電壓(在前述階段IV中存儲(chǔ)作為零值)之間的差的絕對(duì)值與存儲(chǔ)在單元50的ROM中的限制值進(jìn)行比較，如果較大，解扣繼電器20，從而斷開(kāi)所述負(fù)載16。
可以理解的是，只要不明顯偏離通過(guò)前述說(shuō)明和附圖所表達(dá)的保護(hù)方法和相關(guān)電子電路，都包含在以下權(quán)利要求的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種防止泄漏電流的方法，所述泄漏電流是在對(duì)與電力網(wǎng)絡(luò)(10)相連接的負(fù)載(16)供電時(shí)產(chǎn)生的，所述方法包括如下階段的結(jié)合-產(chǎn)生并檢測(cè)預(yù)設(shè)的測(cè)試泄漏電流，從而驗(yàn)證所述泄漏電流檢測(cè)的效率和/或校準(zhǔn)；-檢測(cè)實(shí)際泄漏電流并產(chǎn)生與之成比例的信號(hào)，-當(dāng)達(dá)到對(duì)應(yīng)于所獲取信號(hào)的幅度大于限制值的危險(xiǎn)情況時(shí)，獲取所述比例信號(hào)，并將所述負(fù)載(16)從所述電力網(wǎng)絡(luò)(10)斷開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在將所述負(fù)載(16)連接到所述網(wǎng)絡(luò)(10)之前進(jìn)行所述驗(yàn)證效率和/或校準(zhǔn)的階段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，通過(guò)產(chǎn)生測(cè)試泄漏電流、產(chǎn)生與之成比例的相應(yīng)信號(hào)以及驗(yàn)證這種信號(hào)包含在預(yù)先設(shè)置的范圍內(nèi)，來(lái)進(jìn)行所述驗(yàn)證效率和/或校準(zhǔn)的階段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3的方法，其中，在將所述負(fù)載(16)連接到所述網(wǎng)絡(luò)(10)之前，通過(guò)一次或多次獲取所述比例信號(hào)而不產(chǎn)生測(cè)試泄漏電流，得到所述比例信號(hào)的零基準(zhǔn)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，進(jìn)一步包括進(jìn)行平均操作以獲得對(duì)所述零基準(zhǔn)值的更可靠的估計(jì)的階段。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，通過(guò)獲得在所述零基準(zhǔn)值和所述負(fù)載(16)從所述網(wǎng)絡(luò)(10)斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生所述測(cè)試泄漏電流之后的獲取的信號(hào)(90u)的幅度之間的差的絕對(duì)值來(lái)得到所述限制值。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，進(jìn)一步包括在將所述負(fù)載(16)連接到所述網(wǎng)絡(luò)(10)之后，通過(guò)產(chǎn)生至少測(cè)試電流來(lái)周期地驗(yàn)證泄漏電流的正常檢測(cè)的階段。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括只要在所述對(duì)泄漏電流的正常檢測(cè)的周期性驗(yàn)證階段，所述獲取的信號(hào)(90u)的幅度的模的最大值大于所述限制值與在所述負(fù)載(16)從所述網(wǎng)絡(luò)(10)斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生所述測(cè)試泄漏電流之后所獲取的所述獲取的信號(hào)(90u)的幅度之和，將所述負(fù)載(16)從所述網(wǎng)絡(luò)(10)斷開(kāi)的階段。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的方法，其中，利用差動(dòng)互感器(30)進(jìn)行泄漏電流的檢測(cè)，所述差動(dòng)互感器(30)包括由導(dǎo)線(12，14)形成的初級(jí)繞組，其向所述負(fù)載(16)供電，以及次級(jí)繞組(32)，用于產(chǎn)生所述與泄漏電流成比例的信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，利用電控開(kāi)關(guān)(20)進(jìn)行所述斷開(kāi)所述負(fù)載(16)的階段，當(dāng)所述開(kāi)關(guān)開(kāi)路時(shí)，其將所述負(fù)載(16)從所述網(wǎng)絡(luò)(10)斷開(kāi)，當(dāng)其閉合時(shí)，將所述負(fù)載(16)與所述網(wǎng)絡(luò)(10)相連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，在危險(xiǎn)情況下，迫使所述電控開(kāi)關(guān)(20)開(kāi)路，直到此開(kāi)關(guān)(20)從所述網(wǎng)絡(luò)(10)斷開(kāi)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的方法，進(jìn)一步包括這樣的階段，在其中，檢測(cè)至少在與所述負(fù)載(16)相連接的導(dǎo)線中的電流，并且只要所述電流大于預(yù)設(shè)閾值，斷開(kāi)所述負(fù)載(16)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，在將所述負(fù)載(16)連接到所述網(wǎng)絡(luò)(10)之前和/或之后進(jìn)行檢測(cè)至少在與所述負(fù)載(16)相連接的導(dǎo)線中的電流的階段。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的方法，其中，利用電流互感器進(jìn)行所述對(duì)至少在與所述負(fù)載(16)相連接的導(dǎo)線中的電流的檢測(cè)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12到14的方法，其中，利用所述電控開(kāi)關(guān)(20)斷開(kāi)所述負(fù)載(16)。
16.一種執(zhí)行根據(jù)前述權(quán)利要求的方法的設(shè)備(1)，包括-設(shè)置在所述網(wǎng)絡(luò)(10)和所述負(fù)載(16)之間的電控開(kāi)關(guān)(20)，當(dāng)其開(kāi)路時(shí)，將所述負(fù)載(16)從所述網(wǎng)絡(luò)(10)斷開(kāi)，并且當(dāng)其閉合時(shí)，將所述負(fù)載(16)與所述網(wǎng)絡(luò)(10)相連接；-用于泄漏電流的檢測(cè)裝置(30)，其產(chǎn)生與所述泄漏電流成比例的信號(hào)；-運(yùn)算單元(50)，該單元與用于檢測(cè)泄漏電流以獲取所述比例信號(hào)的所述檢測(cè)裝置(30)有關(guān)，或者與所述開(kāi)關(guān)(20)有關(guān)以只要遇到危險(xiǎn)情況則利用控制信號(hào)(38)驅(qū)動(dòng)其開(kāi)路；其特征在于，所述設(shè)備包括生成電路(40)以產(chǎn)生測(cè)試泄漏電流，從而驗(yàn)證所述檢測(cè)裝置(30)以及所述開(kāi)關(guān)(20)的效率和/或校準(zhǔn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備，其特征在于，利用所述運(yùn)算單元(50)通過(guò)至少控制信號(hào)(36)來(lái)控制所述生成電路(40)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17的設(shè)備，其中，所述開(kāi)關(guān)(20)是具有由來(lái)自所述運(yùn)算單元(50)的控制信號(hào)(38)控制的勵(lì)磁線圈(21)的繼電器。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求的設(shè)備，其中，所述運(yùn)算單元(50)是微控制器。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求的設(shè)備，進(jìn)一步包括這樣的電路，其為所述運(yùn)算單元(50)產(chǎn)生穩(wěn)定的電力供應(yīng)，其中從所述電力網(wǎng)絡(luò)(10)對(duì)所述電路供電。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求的設(shè)備，由單相AC電壓進(jìn)行供電。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求的設(shè)備，其中，用于泄漏電流的所述檢測(cè)裝置(30)包括差動(dòng)互感器(30)，所述互感器具有這樣的磁芯，在其上提供了由向所述負(fù)載(16)供電的導(dǎo)線(12，14)構(gòu)成的初級(jí)繞組，以及次級(jí)繞組(32)，該次級(jí)繞組產(chǎn)生與在所述初級(jí)繞組中流動(dòng)的電流成比例的信號(hào)。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求的設(shè)備，其中，所述生成電路(40)包括與三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件(88)串聯(lián)的電阻器(86)，所述三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)電性由所述運(yùn)算單元(50)產(chǎn)生的信號(hào)(36)進(jìn)行控制，所述串聯(lián)利用所述檢測(cè)裝置(30)的下游終端和上游終端對(duì)所述導(dǎo)線(12，14)進(jìn)行分流，其中所述導(dǎo)線(12，14)為所述負(fù)載(16)供電。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求的設(shè)備，其中，在用于泄漏電流的所述檢測(cè)裝置(30)的下游提供了用于所述與所述電流成比例的信號(hào)的放大器(90)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，進(jìn)一步包括用于為所述放大器(90)產(chǎn)生穩(wěn)定的電力供應(yīng)的電路(91，92)，其中從所述電力網(wǎng)絡(luò)(10)對(duì)所述電路供電。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求的設(shè)備，其中，所述運(yùn)算單元(50)驅(qū)動(dòng)可視(112，114)和/或聲音警告。
27.根據(jù)前述權(quán)利要求的設(shè)備，其中，所述運(yùn)算單元(50)配備了計(jì)時(shí)裝置(28，29)，所述計(jì)時(shí)裝置適用于在操作所述開(kāi)關(guān)(20)之前或之后掃描所述泄漏電流的幅度的周期性控制。
28.根據(jù)前述權(quán)利要求的設(shè)備，其中，所述運(yùn)算單元(50)配備了算術(shù)模塊，其適用于將由用于泄漏電流的所述檢測(cè)裝置(30)獲取的值與預(yù)先設(shè)置或?qū)崟r(shí)獲取的值進(jìn)行比較。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的設(shè)備，其中，將所述預(yù)先設(shè)置的值存儲(chǔ)在所述運(yùn)算單元(50)中的ROM中。
30.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，其進(jìn)一步包括用于至少在與所述負(fù)載(16)相連接的導(dǎo)線中的電流的檢測(cè)裝置(300，3001)，所述裝置(300，3001)產(chǎn)生與所述電流成比例的信號(hào)，并與所述運(yùn)算單元(50)相連接，以在遇到危險(xiǎn)情況時(shí)控制所述開(kāi)關(guān)(20)的解扣。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的設(shè)備，其特征在于，所述用于至少在與所述負(fù)載(16)相連接的導(dǎo)線中的電流的檢測(cè)裝置(300，3001)包括電流互感器。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31的設(shè)備，其特征在于，為了在遇到危險(xiǎn)情況時(shí)利用控制信號(hào)(38)控制所述開(kāi)關(guān)(20)的解扣，所述運(yùn)算單元(50)與所述用于至少在與所述負(fù)載(16)相連接的導(dǎo)線中的電流的檢測(cè)裝置(300，3001)相連接，或者與所述開(kāi)關(guān)(20)相連接。
33.一種配備有插頭(55)的電氣設(shè)備，其中所述插頭用于將所述電氣設(shè)備與電力網(wǎng)絡(luò)(10)相連接，其特征在于，所述電氣設(shè)備包括根據(jù)權(quán)利要求16到32中任何一項(xiàng)的保護(hù)設(shè)備(1)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的電氣設(shè)備，其為吹風(fēng)機(jī)或任何其它家用電器。
35.一種用于為電氣設(shè)備供電的插座，其包括根據(jù)權(quán)利要求16到32中任何一項(xiàng)的保護(hù)設(shè)備(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于當(dāng)使用電氣設(shè)備，例如家用電器等時(shí)，保護(hù)人們不受泄漏電流傷害的方法和裝置。所述裝置(1)配備了通常開(kāi)路的差動(dòng)開(kāi)關(guān)(20)，以及差動(dòng)電流互感器(30)，其產(chǎn)生與所述泄漏電流成比例的信號(hào)，與后者相連接的運(yùn)算單元(50)，其獲取所述信號(hào)并保持所述開(kāi)關(guān)(20)閉合，直到遇到對(duì)應(yīng)于所獲取的信號(hào)具有大于限制值的幅度的危險(xiǎn)情況。
文檔編號(hào)H02H3/10GK1842951SQ200480024584
公開(kāi)日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2004年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月19日
發(fā)明者S·贊多尼拉巴爾科 申請(qǐng)人:特里尼迪股份有限公司