基于微電流技術(shù)的提前檢測與保護裝置

文/田昌軍 馬穎婷 王海時

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

漏電和短路是當前造成用電設(shè)備損壞和引發(fā)電力火災的主要原因，此問題是由于環(huán)境潮濕、設(shè)備老化、意外破壞等不可控因素引發(fā)的，這會造成巨大的經(jīng)濟損失與人員傷亡。在目前國內(nèi)電流檢測裝置中，只能在設(shè)備通過大電流時才能檢測出電路是否漏電或短路，判斷空氣開關(guān)是否關(guān)閉，但是無法預防故障。這樣可能會因故障不能及時發(fā)現(xiàn)，對設(shè)備造成巨大的損害，嚴重時會導致設(shè)備報廢或引發(fā)火災。同時隨著漏電保護技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的事后漏電保護器已經(jīng)難以滿足人們的需求。針對這些不安全因素及彌補事后保護的技術(shù)缺陷，我們設(shè)計了基于微電流技術(shù)的提前檢測與保護裝置。

1 基于微電流技術(shù)的漏電保護裝置設(shè)計及原理分析

1.1 基于微電流技術(shù)的漏電保護裝置設(shè)計

漏電保護設(shè)備主要有四個核心環(huán)節(jié)構(gòu)成，即微電流檢測電路、邏輯判斷電路、開關(guān)控制子電路和電力切換電路，另外還有輔助電源電路、報警電路和被檢測電路。漏電保護裝置電路如圖1所示。

設(shè)備通電前，輔助電源為檢測裝置提供一個合適的電壓使檢測裝置工作，其內(nèi)部的微電流檢測系統(tǒng)為設(shè)備提供一個可控的恒定電流。當恒定電流通過待檢測設(shè)備后會產(chǎn)生一個電壓值，若待檢測設(shè)備正常，則微小的電勢差在邏輯判斷電路中不會導致運算放大器輸出高電平，同時運算放大器反相端高電平信號傳入控制電路，控制開關(guān)處于閉合狀態(tài)，功率電源為待檢測裝置正常供電，設(shè)備正常工作；若待檢測設(shè)備出現(xiàn)短路或接地，則電勢差在邏輯判斷電路的會導致運算放大器輸出高電平，同時運算放大器反相端低電平信號將傳入控制電路，控制開關(guān)電路一直處于斷開狀態(tài)，待檢測裝置無法工作。漏電保護裝置工作流程如圖2所示。

圖1：漏電保護裝置設(shè)計

圖2：漏電保護裝置工作流程

1.2 基于微電流技術(shù)的漏電保護裝置原理分析

被檢測電路正常工作或短路、接地，恒定微小電流通過R3 會產(chǎn)生不同電勢差，利用R3兩端不同電勢差和A2 運算放大器構(gòu)成的電壓比較器控制A2 運算放大器輸出，從而控制報警電路通斷。當被檢測電路短路時，R3 電勢差較大，A2 運算放大器同相端高于反相端，輸出高電平；當被檢測電路正常工作時，R3電勢差較小，不用引起A2 運算放大器輸出高電平。

R3 低電勢一端接入A3 運算放大器正相端，利用A3 運算放大器構(gòu)成的電壓比較器，控制A3 運算放大器輸出，從而控制電力切換電路的通斷。當被檢測設(shè)備短路時，A3 運算放大器同相端為低電勢，輸出為低電勢；當被檢測設(shè)備正常工作時，A3 運算放大器同相端為高電勢，A3 運算放大器輸出高電平。

2 漏電保護裝置核心模塊設(shè)計

圖3：微電流檢測系統(tǒng)原理圖

圖4：開關(guān)控制電路原理圖

圖5：邏輯判斷子電路原理圖

2.1 微電流檢測系統(tǒng)設(shè)計

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

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

2.2 開關(guān)控制子電路設(shè)計

開關(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 溝道場效應管構(gòu)成，同相端接入邏輯判斷電路，反相端接GND。當邏輯判斷電路高電平信號輸入運算放大器同相端時，同相端電壓高于反相端電壓，此時運算放大器模塊輸出高電平，并傳輸?shù)綀鲂軚艠O，則柵極電壓UGS大于閾值電壓UTH，驅(qū)動場效應管處于導通狀態(tài)。

2.3 邏輯判斷子電路設(shè)計

邏輯判斷電路如圖5所示，邏輯判斷電路是由運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)部的運算放大器構(gòu)成比較器電路，比較檢測子電路傳輸?shù)竭\算放大器同相端和反相端電壓的大小。當同相端電壓高于反相端電壓時輸出高電平，驅(qū)動報警電路。

2.4 電力切換電路設(shè)計

電力切換電路原理圖如圖6所示，電路由四個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電路，P2 接線端子連接功率電源，當負載短路或接地時，在微電流檢測電路R3 電阻上形成較大電勢差，電勢差輸出到邏輯判斷電路運算放大器，邏輯判斷電路輸出高電平，驅(qū)動K1 繼電器開關(guān)由常閉端調(diào)整到常開端，使報警電路導通；同時當邏輯判斷電路輸出高電平時，開關(guān)控制電路運算放大器同相端輸入低電平，N 溝道場效應管截止，負載斷路。若被檢測電路正常，則開關(guān)控制電路運算驅(qū)動K4 電磁繼電器，K2、K3、K4 電磁繼電器開關(guān)由常閉端調(diào)整到常開端，被檢測電路正常供電工作。

圖6：電力切換電路原理圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于微電流技術(shù)的提前檢測與保護裝置，采用微電流檢測的方法不會對電流承受能力較小的高精密儀器造成損害，同時可以根據(jù)不同阻抗調(diào)整相適應的檢測電流，達到通用可調(diào)的目的,同時本裝置采用了故障前檢測的技術(shù)，若有故障即不進行供電，可以更好的保護設(shè)備。

在設(shè)計上，采用了邏輯判斷電路、開關(guān)控制電路、微電流檢測電路、電力切換電路等相互隔離的設(shè)計，彼此間不會相互影響；在電路中引入可控恒定開關(guān)，可以在判斷信號輸入時進行動作，并且在進行電力切換時仍然保持判斷后的動作狀態(tài)，直至清零后的再次判斷。