基于微電流技術(shù)的提前檢測(cè)與保護(hù)裝置

文/田昌軍 馬穎婷 王海時(shí)

對(duì)于“電”，大家都知道，雖不至于談“電”色變，卻也總是小心謹(jǐn)慎。雖然有各種類(lèi)型的用電保護(hù)裝置來(lái)降低用電的危險(xiǎn)，但總還是有很多的意外發(fā)生，給我們的生活和工作帶來(lái)不必要的損失和傷害。

漏電和短路是當(dāng)前造成用電設(shè)備損壞和引發(fā)電力火災(zāi)的主要原因，此問(wèn)題是由于環(huán)境潮濕、設(shè)備老化、意外破壞等不可控因素引發(fā)的，這會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。在目前國(guó)內(nèi)電流檢測(cè)裝置中，只能在設(shè)備通過(guò)大電流時(shí)才能檢測(cè)出電路是否漏電或短路，判斷空氣開(kāi)關(guān)是否關(guān)閉，但是無(wú)法預(yù)防故障。這樣可能會(huì)因故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)設(shè)備造成巨大的損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備報(bào)廢或引發(fā)火災(zāi)。同時(shí)隨著漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的事后漏電保護(hù)器已經(jīng)難以滿(mǎn)足人們的需求。針對(duì)這些不安全因素及彌補(bǔ)事后保護(hù)的技術(shù)缺陷，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于微電流技術(shù)的提前檢測(cè)與保護(hù)裝置。

1 基于微電流技術(shù)的漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)及原理分析

1.1 基于微電流技術(shù)的漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

漏電保護(hù)設(shè)備主要有四個(gè)核心環(huán)節(jié)構(gòu)成，即微電流檢測(cè)電路、邏輯判斷電路、開(kāi)關(guān)控制子電路和電力切換電路，另外還有輔助電源電路、報(bào)警電路和被檢測(cè)電路。漏電保護(hù)裝置電路如圖1所示。

設(shè)備通電前，輔助電源為檢測(cè)裝置提供一個(gè)合適的電壓使檢測(cè)裝置工作，其內(nèi)部的微電流檢測(cè)系統(tǒng)為設(shè)備提供一個(gè)可控的恒定電流。當(dāng)恒定電流通過(guò)待檢測(cè)設(shè)備后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓值，若待檢測(cè)設(shè)備正常，則微小的電勢(shì)差在邏輯判斷電路中不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸出高電平，同時(shí)運(yùn)算放大器反相端高電平信號(hào)傳入控制電路，控制開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，功率電源為待檢測(cè)裝置正常供電，設(shè)備正常工作；若待檢測(cè)設(shè)備出現(xiàn)短路或接地，則電勢(shì)差在邏輯判斷電路的會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸出高電平，同時(shí)運(yùn)算放大器反相端低電平信號(hào)將傳入控制電路，控制開(kāi)關(guān)電路一直處于斷開(kāi)狀態(tài)，待檢測(cè)裝置無(wú)法工作。漏電保護(hù)裝置工作流程如圖2所示。

圖1：漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

圖2：漏電保護(hù)裝置工作流程

1.2 基于微電流技術(shù)的漏電保護(hù)裝置原理分析

被檢測(cè)電路正常工作或短路、接地，恒定微小電流通過(guò)R3 會(huì)產(chǎn)生不同電勢(shì)差，利用R3兩端不同電勢(shì)差和A2 運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比較器控制A2 運(yùn)算放大器輸出，從而控制報(bào)警電路通斷。當(dāng)被檢測(cè)電路短路時(shí)，R3 電勢(shì)差較大，A2 運(yùn)算放大器同相端高于反相端，輸出高電平；當(dāng)被檢測(cè)電路正常工作時(shí)，R3電勢(shì)差較小，不用引起A2 運(yùn)算放大器輸出高電平。

R3 低電勢(shì)一端接入A3 運(yùn)算放大器正相端，利用A3 運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比較器，控制A3 運(yùn)算放大器輸出，從而控制電力切換電路的通斷。當(dāng)被檢測(cè)設(shè)備短路時(shí)，A3 運(yùn)算放大器同相端為低電勢(shì)，輸出為低電勢(shì)；當(dāng)被檢測(cè)設(shè)備正常工作時(shí)，A3 運(yùn)算放大器同相端為高電勢(shì)，A3 運(yùn)算放大器輸出高電平。

2 漏電保護(hù)裝置核心模塊設(shè)計(jì)

圖3：微電流檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

圖4：開(kāi)關(guān)控制電路原理圖

圖5：邏輯判斷子電路原理圖

2.1 微電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微電流檢測(cè)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，R1 和R2 串聯(lián)分壓結(jié)構(gòu)給運(yùn)算放大器同相端，由Q1 場(chǎng)效應(yīng)管與待檢測(cè)設(shè)備構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮設(shè)備內(nèi)阻，則運(yùn)算放大器反相端有一定電壓，同相端與反相端進(jìn)行比較，構(gòu)成電壓比較器，從而控制運(yùn)算放大器輸出電壓。

Q1場(chǎng)效應(yīng)管漏極電壓UDS=VCC，當(dāng)UDS>UGS-UTH可保證N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管能夠工作在飽和區(qū)，根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管飽和狀態(tài)的漏源極電流公式,可得其輸出電流ID隨著柵極電壓UGS（運(yùn)算放大器輸出電壓）增加而增加，從而達(dá)到恒流輸出的目的。同時(shí)，可以根據(jù)被檢測(cè)設(shè)備具體參數(shù)要求，選擇合適的微電流輸出。

2.2 開(kāi)關(guān)控制子電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)控制子電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，控制電路由電壓比較器與N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，同相端接入邏輯判斷電路，反相端接GND。當(dāng)邏輯判斷電路高電平信號(hào)輸入運(yùn)算放大器同相端時(shí)，同相端電壓高于反相端電壓，此時(shí)運(yùn)算放大器模塊輸出高電平，并傳輸?shù)綀?chǎng)效應(yīng)管柵極，則柵極電壓UGS大于閾值電壓UTH，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

2.3 邏輯判斷子電路設(shè)計(jì)

邏輯判斷電路如圖5所示，邏輯判斷電路是由運(yùn)算放大器芯片和外圍輔助電路構(gòu)成。在原理上采用芯片內(nèi)部的運(yùn)算放大器構(gòu)成比較器電路，比較檢測(cè)子電路傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器同相端和反相端電壓的大小。當(dāng)同相端電壓高于反相端電壓時(shí)輸出高電平，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路。

2.4 電力切換電路設(shè)計(jì)

電力切換電路原理圖如圖6所示，電路由四個(gè)電磁繼電器及外圍輔助電路構(gòu)成。P1 接線端子連接被檢測(cè)電路，P2 接線端子連接功率電源，當(dāng)負(fù)載短路或接地時(shí)，在微電流檢測(cè)電路R3 電阻上形成較大電勢(shì)差，電勢(shì)差輸出到邏輯判斷電路運(yùn)算放大器，邏輯判斷電路輸出高電平，驅(qū)動(dòng)K1 繼電器開(kāi)關(guān)由常閉端調(diào)整到常開(kāi)端，使報(bào)警電路導(dǎo)通；同時(shí)當(dāng)邏輯判斷電路輸出高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)控制電路運(yùn)算放大器同相端輸入低電平，N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管截止，負(fù)載斷路。若被檢測(cè)電路正常，則開(kāi)關(guān)控制電路運(yùn)算驅(qū)動(dòng)K4 電磁繼電器，K2、K3、K4 電磁繼電器開(kāi)關(guān)由常閉端調(diào)整到常開(kāi)端，被檢測(cè)電路正常供電工作。

圖6：電力切換電路原理圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于微電流技術(shù)的提前檢測(cè)與保護(hù)裝置，采用微電流檢測(cè)的方法不會(huì)對(duì)電流承受能力較小的高精密儀器造成損害，同時(shí)可以根據(jù)不同阻抗調(diào)整相適應(yīng)的檢測(cè)電流，達(dá)到通用可調(diào)的目的,同時(shí)本裝置采用了故障前檢測(cè)的技術(shù)，若有故障即不進(jìn)行供電，可以更好的保護(hù)設(shè)備。

在設(shè)計(jì)上，采用了邏輯判斷電路、開(kāi)關(guān)控制電路、微電流檢測(cè)電路、電力切換電路等相互隔離的設(shè)計(jì)，彼此間不會(huì)相互影響；在電路中引入可控恒定開(kāi)關(guān)，可以在判斷信號(hào)輸入時(shí)進(jìn)行動(dòng)作，并且在進(jìn)行電力切換時(shí)仍然保持判斷后的動(dòng)作狀態(tài)，直至清零后的再次判斷。