磁通門漏電流檢測(cè)多階低通濾波電路設(shè)計(jì)

繆冬青，徐 亮，喻 晶，繆愛林，蔣志祥，趙玉立

（中天寬帶技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226400）

0 引 言

漏電流達(dá)到一定值時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸電傷亡事故，漏電流檢測(cè)電路（Ground Fault Circuit Interrupter，GFCI）可時(shí)刻監(jiān)測(cè)電源回路的漏電流，確保在漏電流達(dá)到危險(xiǎn)水平之前切斷電源[1,2]。

磁通門技術(shù)可檢測(cè)微弱磁場(chǎng)，利用磁通門輸出信號(hào)的幅值與漏電流大小成比例關(guān)系，測(cè)量磁通門輸出信號(hào)即可測(cè)得漏電流值。磁通門漏電流檢測(cè)具有計(jì)值方式簡(jiǎn)單、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)[3]。但磁通門技術(shù)對(duì)磁通門輸出幅值的穩(wěn)定性要求很高，在實(shí)際的應(yīng)用中，由于磁芯受巴克豪森效應(yīng)以及制作過程帶來(lái)的應(yīng)變力等影響，磁通門輸出的信號(hào)中含有脈沖尖峰[4-6]。

傳統(tǒng)的RC濾波方式雖然簡(jiǎn)單，但對(duì)磁通門輸出脈沖信號(hào)的尖峰的濾除效果有限，這使得GFCI電路很難檢測(cè)出正確的漏電流值，經(jīng)常出現(xiàn)誤判[7]。因此本文設(shè)計(jì)了多階低通濾波電路。

1 系統(tǒng)原理及脈沖尖峰產(chǎn)生原因分析

漏電流檢測(cè)電路GFCI系統(tǒng)框架可分為4個(gè)部分，即方波振蕩電路、可飽和電感電路、濾波比例放大電路、保護(hù)電路[8]。各部分之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 采用RC濾波的磁通門漏電流檢測(cè)電路原理框圖

方波振蕩電路通過繞制在磁通門上的激勵(lì)線圈產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)，該激磁磁場(chǎng)使磁芯周期性地處于過飽和狀態(tài)，當(dāng)可飽和磁芯飽和時(shí)，兩端的電壓方向突變，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，回路各部分電壓和為零，因此漏電流采樣電阻兩端會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。由圖2無(wú)漏電流時(shí)漏電流采樣電阻兩端的電壓波形可以看出，正向和反向充電期間，采樣電阻兩端的電壓恒定，可飽和磁芯正向和反向充電切換瞬間，產(chǎn)生電壓尖峰，該波形頻率6.6 kHz，尖峰幅值為2.07 V。

圖2 無(wú)漏電流時(shí)漏電流采樣電阻兩端電壓波形

當(dāng)火線和零線的電流差不為零，即電路中存在漏電流時(shí)，通過電磁感應(yīng)，73匝的線圈感應(yīng)到漏電流信號(hào)后，漏電流采樣電阻兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)與漏電流值之間存在比例關(guān)系，通過信號(hào)處理電路將該電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)并提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換成模擬直流信號(hào)，并傳輸給處理芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，即可判斷出漏電流的大小。但根據(jù)前面的分析可以知道，漏電流采樣電阻兩端還存在因可飽和電感充放電而產(chǎn)生的電壓尖峰，常用的漏電流值讀取方法為待信號(hào)經(jīng)過圖1中的RC濾波電路之后再通過平均值法讀取出漏電流值，但這樣很容易因?yàn)槊}沖尖峰引起的AD采樣電壓鉗位而產(chǎn)生誤判，且平均值法是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行平均處理，對(duì)于一些突發(fā)情況，系統(tǒng)無(wú)法快速做出反應(yīng)，因此為了提高檢測(cè)方案的測(cè)量精度以及系統(tǒng)的反應(yīng)速度，需要通過濾波電路對(duì)脈沖尖峰信號(hào)進(jìn)行衰減并對(duì)耦合的漏電流信號(hào)進(jìn)行比例放大。

2 二階濾波電路設(shè)計(jì)

多階低通濾波電路可以有效濾除磁通門輸出脈沖信號(hào)的尖峰，且通過調(diào)節(jié)硬件參數(shù)，可以調(diào)節(jié)濾波器的濾波特性[9]。

2.1 節(jié)點(diǎn)電壓法分析

本文設(shè)計(jì)的濾波電路為二階低通濾波器，由如圖3所示的兩個(gè)一階低通濾波器串聯(lián)組成。因?yàn)樾枰獙?duì)經(jīng)過二階低通濾波器的脈沖尖峰信號(hào)進(jìn)行衰減，當(dāng)信號(hào)頻率f≥f0時(shí)（f0為截止頻率）時(shí)，在運(yùn)放輸出到運(yùn)放同相輸入之間引入負(fù)反饋，使二階低通濾波器的幅頻特性曲線中的高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號(hào)通過。從相頻特性角度，需要使電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，從而要求二階濾波器的相移趨于-180°，則一階濾波器的相移趨于-90°。

圖3 一階低通濾波放大電路

采用節(jié)點(diǎn)電壓法對(duì)節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2列節(jié)點(diǎn)方程推導(dǎo)出信號(hào)輸入輸出的傳遞函數(shù)為

由節(jié)點(diǎn)2的方程得：

根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短”“虛斷”原理，可以得到運(yùn)放同相端的電壓為

最終可以得到電路的轉(zhuǎn)移函數(shù)為

式中：K＝1+(R3/R4）。

根據(jù)式（4），將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為

本文采用兩階濾波電路，由式（5）可以得到濾波器的增益K和轉(zhuǎn)折角頻率ω，通過兩階低通濾波器，脈沖尖峰被完全濾掉，留下的漏電流感應(yīng)電流值也被濾波電路本身的增益進(jìn)行了放大。增益系數(shù)K=K1K2，其中K1為第一階濾波器的增益，K2為第二階濾波器的增益。

2.2 幅頻和相頻特性曲線

由式（5）可以知道，二階低通濾波器的輸出與R1與R2的比值、C1與C2的比值以及增益K之間存在直接聯(lián)系，而R3和R4的比值與K成正比，K值越大輸出波形的選擇性越好，但通頻帶變窄。當(dāng)R3和R4的比值在0～2.5范圍內(nèi)變化，即K在1～3.5內(nèi)變化時(shí)，幅頻、相頻特性比較理想，當(dāng)K大于3.5時(shí)幅頻、相頻特性開始變差，振蕩加強(qiáng)，波形出現(xiàn)失真。當(dāng)C1、C2較大時(shí)轉(zhuǎn)折頻率小，輸出波形出現(xiàn)失真，同時(shí)為減少元件的分散性，綜合考慮選擇C1=C2=10 nF，R1=22.7 kΩ，R3=4.99 kΩ，R4=10 kΩ。當(dāng)R2阻值變化范圍1～15 kΩ，變化量3 kΩ時(shí)，通過電路仿真軟件得到信號(hào)通過一階濾波器之后的幅度和相位曲線如圖4所示。

圖4 不同電阻比值下的幅頻和相頻特性曲線

由圖4可以看出，此時(shí)輸出波形的通頻帶較寬，轉(zhuǎn)折頻率在1 kHz左右，當(dāng)R2=10 kΩ時(shí)，幅頻和相頻特性曲線變化均勻，波形經(jīng)過濾波器后的幅度和相位與波形頻率呈近似線性關(guān)系，此時(shí)濾波器的濾波特性最平滑，因此實(shí)際選取R2=10 kΩ。

根據(jù)前面的分析，選取第二階低通濾波器的相關(guān)參數(shù)，為增大漏電流信號(hào)的放大倍數(shù)，選取R3=4.99 kΩ，R4=10 kΩ，則K2=3.3，通過電路仿真軟件，得到漏電流采樣電阻兩端的電壓波形通過二階低通濾波器后的幅頻和相頻曲線如圖5和圖6所示。

圖5 幅頻特性曲線

圖6 相頻特性曲線

從圖5和圖6仿真的結(jié)果來(lái)看，電網(wǎng)頻率為50 Hz，因此漏電流采樣電阻兩端因漏電流而產(chǎn)生的低頻波形經(jīng)過濾波器時(shí)，波形幅度沒有衰減，低頻波形頻率小于500 Hz時(shí)相位幾乎沒有變化。而脈沖尖峰的頻率等于振蕩電路的頻率，因此由圖5可以看出，6.6 kHz的脈沖尖峰，經(jīng)過濾波器后衰減了60 dB，即幅值變?yōu)樵瓉?lái)的1/1 000。振蕩電路在漏電流采樣電阻兩端的電壓達(dá)到2.07 V時(shí)翻轉(zhuǎn)，脈沖尖峰的幅值則為2.07 V，經(jīng)過二階低通濾波器衰減后，其幅值變?yōu)?.07 mV，漏電流采樣電阻兩端的脈沖尖峰被有效濾除。

綜上所述，磁通門漏電流采樣電阻兩端的電壓波形通過二階低通濾波電路后，振蕩電路產(chǎn)生的脈沖尖峰被濾除，脈沖尖峰被濾除后無(wú)須再通過平均值法減小尖峰影響，可直接通過AD采樣讀取漏電流值，當(dāng)檢測(cè)到電路中的漏電流大于設(shè)定值時(shí)，GFCI電路可以迅速切斷電源。加入二階低通濾波電路后，GFCI電路判斷的正確性和穩(wěn)定性、可靠性顯著提高。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于漏電流方向的不確定性，因此GFCI電路通過加偏置電壓的方法，給采樣值做一個(gè)3 V抬升，最終得到漏電流AD采樣電壓值UAD與實(shí)際漏電流值之間的關(guān)系：

通過實(shí)際測(cè)試，無(wú)漏電流時(shí)采樣電路輸出波形如圖7所示，由圖7可以看出，磁通門最終輸出信號(hào)為恒定的電壓值，脈沖尖峰全部被濾除，二階低通濾波器濾波效果良好，此時(shí)輸出電壓為1.45 V，考慮到示波器微小讀數(shù)時(shí)的誤差，實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算結(jié)果相符。漏電流為120 mA時(shí)采樣電路輸出波形如圖8所示，實(shí)際測(cè)量結(jié)果為1.574 V與理論計(jì)算結(jié)果相符。

圖7 無(wú)漏電流時(shí)采樣電路輸出的波形

圖8 漏電流為120 mA左右時(shí)采樣電路輸出的波形

經(jīng)過1 000次測(cè)試，在漏電流采樣電阻側(cè)加入二階低通濾波電路后，GFCI電路的誤報(bào)率由原先的8.3%減小到0.2%，且有漏電流時(shí)，GFCI切斷回路的速度明顯加快。