CN117239678A - 一种漏电检测和自动保护电路 - Google Patents
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Abstract
一种漏电检测和自动保护电路，包括分别串联在火线和零线上的线性霍尔传感器；两个线性霍尔传感器的霍尔电压输出端分别连接差分放大器模块的两个信号输入端，差分放大器模块输出端与比较器模块的输入端连接，比较器输出端与保护模块中的单刀双掷继电器控制端连接；所述保护模块包括串联在火线或零线上的可控硅开关，可控硅开关的控制端与一个单刀双掷继电器的两个输出端连接，单刀双掷继电器的控制端与比较器模块输出端连接。本发明采用硬件电路形式实现漏电检测，通过检测漏电流大小判断是否关闭交流供电，无需软件编程即可实现漏电检测和自动关断功能，提高了保护电路安全性并降低了检测电路成本。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，涉及电源保护技术，特别是涉及一种漏电检测和自动保护电路。
背景技术
电源保护电路是对电源发生不正常工作状态时对电源电网和用电设备进行动作保护的专用电路，对于大功率交流电源，漏电现象可能导致严重的设备损坏甚至人身伤亡事故，必须设置漏电保护电路。
现有技术中，电源漏电保护电路大多是通过接地线回流到大地，通过上一级保护实现人员安全防护，且部分产品电源设计并没有与大地接线，无法做到安全防护，而且即使带大地接线的产品，也不能在发生漏电情况下，自动断电，需要依靠上一级空气开关进行跳闸保护人身安全，在没有空气开关的情况下，经常会发生产品漏电造成的人员触电事故。
虽然电源供电主线路上一般安装有保险丝，但是也只是针对接地故障大电流情况才能进行保护，而例如数十毫安小电流的漏电情况无法进行保护，但人体接触式漏电超过30mA就存在触电危险，保险丝无法对人身安全进行防护。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种漏电检测和自动保护电路。
本发明所述漏电检测和自动保护电路，其特征在于，包括分别串联在一对输入电源线上的线性霍尔传感器；两个线性霍尔传感器的霍尔电压输出端分别连接差分放大器模块的两个信号输入端，差分放大器模块输出端与比较器模块的输入端连接，比较器输出端与保护模块中的单刀双掷继电器控制端连接；
所述保护模块包括串联在输入电源线的可控硅开关，可控硅开关的控制端与一个单刀双掷继电器的两个输出端连接，所述单刀双掷继电器为有源器件，单刀双掷继电器的两个输出端分别连接有大小不同的电阻，单刀双掷继电器的控制端与比较器模块输出端连接。
优选的，比较器模块输出端通过一个PMOS管与单刀双掷继电器的控制端连接，比较器模块输出端连接PMOS管的栅极，PMOS管的漏极接地，源极连接单刀双掷继电器。
优选的，所述线性霍尔传感器采用CC6900SO-30A。
优选的，所述差分放大器模块包括差分放大器芯片，差分放大器芯片第一信号输入端分别通过第五电阻和第六电阻连接差分放大器模块正相输入端和地，差分放大器芯片第二信号输入端分别通过第三电阻和第四电阻连接差分放大器模块反相输入端和差分放大器芯片输出端；第三和第五电阻阻值、第四和第六电阻阻值分别相等。
优选的，所述单刀双掷继电器供电电源为漏电检测和自动保护电路所连接的电源转换器产生，且所述供电电源连接有电容。
优选的，所述单刀双掷继电器采用HFD23。
优选的，所述比较器模块包括比较器芯片，比较器芯片的正相输入端与基准电压连接，比较器芯片的反相输入端连接差分放大器模块输出端，所述基准电压通过串联在外部电源和地之间的第七电阻和第八电阻分压得到。
优选的，所述一对输入电源线为交流火线和零线，或直流电源线和地线。
本发明具有以下有益效果：
一.采用硬件电路形式实现漏电检测，通过检测漏电流大小判断是否关闭交流供电，无需软件编程即可实现漏电检测和自动关断功能。
二.利用一对线性霍尔传感器实现感应检测，检测范围宽且检测结果与输入交流电频率和幅值无关，漏电流本身不流过任何检测用器件，大功率电流仅流过双向可控硅一个器件，提高了保护电路安全性并降低了检测电路成本。
三.通过一对线性霍尔传感器检测电流差实现对漏电流检测，不需要接地线并在地线上检测，提高了保护电路应用范围。
四.采用电容和有源继电器配合实现电路的自动恢复供电，并方便调节恢复供电时间。
附图说明
图1为本发明所述漏电检测和自动保护电路的一个具体实施方式示意图；
图2为本发明所述差分放大器模块的一个具体实施方式示意图；
图3为本发明所述比较器模块的一个具体实施方式示意图；
图中附图标记名称为：L-火线，N-零线，C-电容，P-PMOS管，D-双向可控硅，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，R5-第五电阻，R6-第六电阻，R7-第七电阻，R8-第八电阻。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：
本发明所述漏电检测和自动保护电路，用于为连接在输入电源上的用电设备提供漏电保护功能，如图1所示，以交流输入电源为例，可用于为交流火线和零线之间在连接有用电设备时提供漏电保护功能，例如图1中的用电设备为一个ACDC转换器，所述保护电路包括分别串联在火线和零线上的线性霍尔传感器；两个线性霍尔传感器的霍尔电压输出端分别连接差分放大器模块的两个信号输入端，差分放大器模块输出端与比较器模块的输入端连接，由差分放大器模块进行差分放大后输出差分电压到比较器模块，比较器输出端与保护模块中的单刀双掷继电器连接。
当电源线连接的任何设备如***整机到大地出现漏电时，火线和零线上流过的电流将由于漏电产生差值，两个线性霍尔传感器检测到的电流之差导致输入到差分放大器模块输入端的电压差增加，差分放大器模块输出电压增大，比较器模块与一个基准电压连接，当差分放大器模块输出电压大于基准电压时，比较器模块输出电压将发生翻转，对串联在火线和／或零线上的保护模块进行操作。
其中，差分放大器的功能为：输出电压为两个信号输入端的电压差值乘以差分放大器的电压增益。
保护模块包括串联在火线或零线上的可控硅开关，可控硅开关的控制端与一个单刀双掷继电器的两个输出端连接，单刀双掷继电器的两个输出端分别连接有大小不同的电阻，单刀双掷继电器的控制端与比较器模块输出端连接。
如图１所示，比较器模块输出端通过一个PMOS管Ｐ的源极与单刀双掷继电器的控制端连接，比较器模块输出端连接PMOS管的栅极，PMOS管的漏极接地，源极连接单刀双掷继电器，单刀双掷继电器为有源器件，在PMOS管关闭期间，单刀双掷继电器控制端无电流，继电器保持初始默认状态，控制端为高电平，此时单刀双掷继电器输出保持初始默认状态到第一输出端输出，单刀双掷继电器第一输出端连接的第一电阻Ｒ１阻值较小，第一输出端电流较大，可维持双向可控硅的正常开启。
当比较器模块输出电压翻转时，PMOS管开启，对PMOS管源极连接的单刀双掷继电器控制端电压下拉至低电平，单刀双掷继电器输出电流切换到第二输出端输出，单刀双掷继电器第二输出端连接的第二电阻R2阻值较大，第二输出端电流减小，不能维持双向可控硅开启，双向可控硅关闭，如图1所示，此时交流电相当于与内部的ACDC转换器断开，ACDC转换器不再工作。
一个优选实施方式中，单刀双掷继电器的电源V1由ＡＣ转换器提供，电源V1连接有电容C，当ACDC转换器（交流直流转换器）正常工作时，电容被充电并持续为单刀双掷继电器供电，当出现漏电保护时，保护模块断开了交流电与内部ACDC转换器之间的连接，ACDC转换器不再正常工作，此时单刀双掷继电器由电容C继续供电，控制双向可控硅维持关闭，放电时间持续T1时长后，当电容Ｃ放电完毕或放电至较低电压时，单刀双掷继电器恢复正常状态，通电即可让双向可控硅器件D导通，从而保证正常供电，使得保护电路在由于出现漏电后，可自动恢复工作，放电时间Ｔ１可设置一个较长时间，一般为数十秒至数百秒，方便操作人员处置并决定是否关闭电源检修。
以下给出一个具体实施例，对各个模块，给出具体型号和具体电路设计，从而对本发明的技术原理技术效果进行更准确的说明。
线性霍尔传感器采用CC6900SO-30A，CC6900 -30A内部集成了一颗高精度，低噪声的线性霍尔电路和一根低阻抗的主电流导线。当采样电流流经主电流导线，其产生的磁场在霍尔电路上感应，并输出霍尔电压信号。
对CC6900SO-30A，正常工作时，输出的霍尔电压
VI = VCC / 2 + 0.067 ×IP*1.414，（1）
其中VCC为线性霍尔传感器的电源电压，IP为搭载线性霍尔传感器的导线电流。
如图2给出本具体实施例中差分放大器模块的一个具体实时方式，包括差分放大器芯片LM358DR，差分放大器芯片第一信号输入端分别通过第五电阻R5和第六电阻R6连接差分放大器模块正相输入端VP和地，差分放大器芯片第二信号输入端分别通过第三电阻R3和第四电阻R4连接差分放大器模块反相输入端VN和差分放大器芯片输出端VLI。
假设两个线性霍尔传感器输出的霍尔电压分别为VI+和 VI-，其中VI+表征火线电流，VI-表征零线电流，则差分放大器模块的输出电压VLi等于
VLi=(R4/R3)*(VI+-VI-)，（2）
由于现实中漏电是指火线电流没有从零线到地，而是从其他未知区域泄露，因此漏电时必然是火线电流大于零线电流，即VI+必然大于VI-。
假设两个线性霍尔传感器的导线电流分别为
IP(+)和IP(－)，代入公式（1）
VLi=（R4/R3）*((VCC / 2 + 0.067 × IP(+)*1.414)-(VCC / 2 + 0.067 × IP(-)*1.414))，本实施例中VCC=5，R4=R6=116K,R3=R5=1K,
简化后可以得到VLi=116.1*(0.094738*( IP(+)-IP(－))),（3）
其中IP(+)-IP(－)为两根导线的电流差，即漏电流。
假设漏电流为30毫安时需要比较器模块输出翻转，则带入公式（3）后计算得到VLi=0.33V 时，比较器模块输出电平翻转,即比较器模块的被比较基准电压应为0.33V。
如图3所示给出比较器模块的具体实施方式，包括比较器芯片AP331AWG，比较器芯片的正相输入端与基准电压VREF 连接，比较器芯片的反相输入端VCN连接差分放大器芯片输出端VLI。
基准电压VREF通过3.3V电压由串联的第七电阻R7和第八电阻R8分压得到，其中R7=90K，R8=10K，则基准电压VREF=0.33V。其中3.3V电压也可以由ACDC转换器将交流电转化为直流3.3V电压得到。
比较器芯片的电源电压和单刀双掷继电器电源电压应一致，使得比较器模块输出高电平电压时能够完全关闭PMOS管。
如前所述，当漏电流达到30毫安时，差分放大器模块输出电压将超过0.33V，此时比较器模块输出电压将翻转。
比较器模块输出电压翻转后，PMOS管从关闭状态转化为开启状态，将单刀双掷继电器控制端电压拉低。
单刀双掷继电器采用HFD23，为有源器件，具有两个输出端，本具体实施例中，两个输出端连接的第一电阻和第二电阻分别为R1=5.5K和R2=1M，单刀双掷继电器的电源电压为5V，
通过R1到双向可控硅D的控制端提供一个持续的控制端电流Igt,,根据HFD23器件的产品说明书，通过计算可以得到控制端电流：
Igt=220V*1.414/R1=220*1.414/5.5K=56mA。该电流大于双向可控硅D的最小导通控制电流IGT，双向可控硅导通，电路正常工作。
当发生漏电，且漏电路大于安全电流30mA时，比较器模块输出低电平，PMOS导通拉低单刀双掷继电器控制端，继电器输出端切换为第二输出端，此刻双向可控硅D的控制端电流Igt=220V*1.414/R2=220*1.414/1000K=0.3mA,小于双向可控硅D的最小导通控制电流，此时双向可控硅不能导通，断开电源，起到保护作用。
本具体实施例中，单刀双掷继电器电源连接一个1.5F的超级电容，此时虽然ACDC转换器（交流直流转换器）不再工作，但超级电容存储电荷仍然能持续供电，使单刀双掷继电器保持动作状态，动作保持时间T为电池放电时间，
假设继电器线圈内阻为125Ω，C=1.5F,最低工作电压为4V，单刀双掷继电器电源V1=5.5V,通过计算可以得到T≈125*C（5.5V-4V）=281秒,在这段时间内继电器始终保持动作状态，从而保持双向可控硅断开状态不导通，当超级电容放电到4V以下后，继电器复归，恢复正常状态，通电即可让双向可控硅导通，从而保证正常供电。
为简化设计，通常差分放大器模块和比较器模块通常由后续的ACDC转换器提供电源，当断电后，由于ACDC转换器不能正常工作，差分放大器模块和比较器模块不能工作，此时通过比较器模块输出信号控制单刀双掷继电器已无可能，采用上述自动恢复方式，在恢复工作时，不需要差分放大器模块和比较器模块正常工作，即可自动恢复正常供电。
本发明具有以下有益效果：
一.采用硬件电路形式实现漏电检测，通过检测漏电流大小判断是否关闭交流供电，无需软件编程即可实现漏电检测和自动关断功能。
二.利用一对线性霍尔传感器实现感应检测，检测范围宽且检测结果与输入交流电频率和幅值无关，漏电流本身不流过任何检测用器件，大功率电流仅流过双向可控硅一个器件，提高了保护电路安全性并降低了检测电路成本。
三.通过一对线性霍尔传感器检测电流差实现对漏电流检测，不需要接地线并在地线上检测，提高了保护电路应用范围。
四.采用电容和有源继电器配合实现电路的自动恢复供电，并方便调节恢复供电时间。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种漏电检测和自动保护电路，其特征在于，包括分别串联在一对输入电源线上的线性霍尔传感器；两个线性霍尔传感器的霍尔电压输出端分别连接差分放大器模块的两个信号输入端，差分放大器模块输出端与比较器模块的输入端连接，比较器输出端与保护模块中的单刀双掷继电器控制端连接；
所述保护模块包括串联在输入电源线的可控硅开关，可控硅开关的控制端与一个单刀双掷继电器的两个输出端连接，所述单刀双掷继电器为有源器件，单刀双掷继电器的两个输出端分别连接有大小不同的电阻，单刀双掷继电器的控制端与比较器模块输出端连接。
2.根据权利要求1所述的漏电检测和自动保护电路，其特征在于，比较器模块输出端通过一个PMOS管与单刀双掷继电器的控制端连接，比较器模块输出端连接PMOS管的栅极，PMOS管的漏极接地，源极连接单刀双掷继电器。
3.根据权利要求1所述的漏电检测和自动保护电路，其特征在于，所述线性霍尔传感器采用CC6900SO-30A。
4.根据权利要求1所述的漏电检测和自动保护电路，其特征在于，所述差分放大器模块包括差分放大器芯片，差分放大器芯片第一信号输入端分别通过第五电阻和第六电阻连接差分放大器模块正相输入端和地，差分放大器芯片第二信号输入端分别通过第三电阻和第四电阻连接差分放大器模块反相输入端和差分放大器芯片输出端；第三和第五电阻阻值、第四和第六电阻阻值分别相等。
5.根据权利要求1所述的漏电检测和自动保护电路，其特征在于，所述单刀双掷继电器供电电源为漏电检测和自动保护电路所连接的电源转换器产生，且所述供电电源连接有电容。
6.根据权利要求1所述的漏电检测和自动保护电路，其特征在于，所述单刀双掷继电器采用HFD23。
7.根据权利要求1所述的漏电检测和自动保护电路，其特征在于，所述比较器模块包括比较器芯片，比较器芯片的正相输入端与基准电压连接，比较器芯片的反相输入端连接差分放大器模块输出端，所述基准电压通过串联在外部电源和地之间的第七电阻和第八电阻分压得到。
8.根据权利要求1所述的漏电检测和自动保护电路，其特征在于，所述一对输入电源线为交流火线和零线，或直流电源线和地线。
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