AC高壓漏電流測試儀的設計與實現(xiàn)

王 寧,張志堅

（1.廣州海格通信集團股份有限公司,廣東廣州,510663;2.東莞理工學院,廣東東莞,523808）

AC高壓漏電流測試儀的設計與實現(xiàn)

王 寧1,張志堅2

（1.廣州海格通信集團股份有限公司,廣東廣州,510663;2.東莞理工學院,廣東東莞,523808）

為了測量連接線、連接器等連接類產品的電氣安全性能，通常需要在兩個相互絕緣的導體間施加一定的AC高壓，然后測量兩導體間的漏電流的大小。文中介紹以Cortex-M4為主控系統(tǒng)，配置AC高壓產生電路，漏電流采樣測量電路和LCD顯示電路的AC漏電流測試儀的設計與實現(xiàn)。實際應用和測試結果表明,本測試儀具有測量速度快，精度高，操作方便的優(yōu)點，能有效地區(qū)分不良產品，可廣泛地應用于連接器產品生產企業(yè)。

漏電流; 連接器; 電氣安全

0 引言

在生產數據線、連接器時，需要使用AC高壓漏電流測試儀來測量該類產品的電氣安全性能,只有達到安全性能范圍的產品才能合格出廠。目前市場上現(xiàn)有的測試設備具有功率容量不夠，精度不高，測試速度慢，人機界面不豐富，操作不方便等缺點。本文設計并實現(xiàn)了一款操作方便，測試速度快、功率容量大、精度高，能滿足現(xiàn)有數據線、連接器產品的AC檢測需求的AC漏電流測試儀。

圖1 測試原理

1 測試原理

1.1 測試原理分析

根據GB4706標準測試漏電流的方法，得出如圖1所示的測試原理。將高壓施加到兩個相互絕緣的導體AB上，如導體A接高壓，導體B接采樣電阻到地，那么AB之間的漏電流則為:

其中HV為施加的電壓，Rt為AB兩導體間的絕緣阻抗，R為采樣電阻。

2 設備方案設計

本設備以Cortex-M4為內核的ARM控制器－－STM32F407為控制核心，芯片內置DAC產生50/60Hz的正弦波，同時利用14位乘法DAC芯片結合運放電路設計出程控放大電路，由程序控制正弦波信號的放大倍數，經過功率驅動器后由變壓器的升壓電路變成可控的AC交流高壓。同時，通過內置的ADC來采集此高壓的分壓值，來判斷此高壓是否滿足所設置的電壓值，若不符合，控制器將自動增減程控放大電路的放大倍數。然后將AC交流高壓施加到電器絕緣材料上（負載），通過采樣電阻到地。采樣電阻的信號經過信號處理電路最后由ADC來采集，并計算出漏電流，最后顯示在液晶屏上。設計指標為高壓0～1000AC，漏電流測量范圍為10uA～10mA, 分辨率為10uA。

3 硬件電路設計

3.1 電源電路設計

在電源供電方面，本系統(tǒng)使用開關電源，提供了+12V、-12V和+3.3V。其中+12V、-12V主要用于高壓產生與測量電路等模擬電路部分，+5V用于控制電路，主要為STM32F407供電。

3.2 主控電路

主控器在整個系統(tǒng)設計中起控制作用和協(xié)調其它功能模塊間正常工作，是本設計的核心之一，要滿足高速率、高穩(wěn)定性、大內存、低功耗等要求，系統(tǒng)中采用STM32F407的主控芯片，該芯片是 ST公司推出的基于Cortex-M4F 內核ARM處理器。該芯片內置16MHz振蕩器, 倍頻到160 MHz能滿足系統(tǒng)控制和LCD顯示的處理需求。

3.3 AC高壓產生電路

如圖3所示，由STM32內部DAC，配合外部運放OP27生產峰值為5VPP的50Hz的交流信號，此信號送到乘法器AD5453電路中，通過控制AD5453的數字輸入控制輸出信號的幅度，能產生0～5VPP，步進為0.3mVPP。通過音頻功放管和大功率三極管對管進行功率驅動后，再通過變壓比為1：300的變壓器升壓后，就能生產有效值為0～1000V的高壓。

音頻功放管為TDA2030，具有20W的輸出能力，而MJE3055T和MJE2955T都是大功率三極管，它們的集電極電流IC最大能有10A，能完全滿足本級升壓電路對功率的需求，保證在低電壓情況下下也能驅動變壓器。最終實現(xiàn)80W的高壓輸出。

圖2 設備原理框圖

圖3 高壓生產電路

從圖中電路的構造可以知道，運放U3在整體上到放大作用。放大倍數主要靠電阻R32、R31和電容C13決定。相對于普通的功率放大電路，本設計的電路增加了電阻R26組成的深度負反饋電路。將變壓器輸出的高壓反饋到運放U3的反相輸入端，這樣做主要能起到保護作用。若被測線材間的絕緣性非常差，阻值不足10K歐，漏電流將非常大，同時會拉低變壓器輸出端即HV處的電壓，通過該反饋電路就能及時通知U3組成的放大電路，從而降低其放大電壓，防止了因電流多大燒掉變壓器，同時也保護了后面漏電采集電路的器件安全。圖中的電容C14阻隔直流，只為交流信號提供反饋通路，對于直流信號不能形成反饋通路。為了保證升壓電路的精確性和穩(wěn)定性，本電路對所有的供電都進行了不同程度的濾波，部分電阻使用了精密電阻。

3.4 采集測量電路的設計

如圖4所示，經過被測負載的AC高壓測量信號通過采樣電阻R58到地，漏電流通過采樣電阻R58轉換成電壓信號，經過 R53的耦合和D28、D29的保護后輸送到采集放大電路。采用OP37設計了這個采集放大電路，電路分3級，第一級是電壓跟隨，后面的兩級分別放大10倍。按照設備技術指標要求，待測漏電流為10uA到10mA，而采樣電阻R58是300Ω，即R58的電壓最小為3mV，最大為3V，另外，這里之所以使用OP37是因為它具有極低噪聲、極低失調電壓和漂移、低輸入偏置電流。它的低輸入偏置電流最大只有10nA，對于本級電路造成的誤差相當小,所以不需要額外調零電路。

4 軟件設計

系統(tǒng)上電開機啟動后，將進行系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)自檢，包括內存寄存器復位，變量初始化，看門狗配置和清除中斷等。進入主程序后，首先判斷是否有按鍵輸入，如果有輸入就判斷輸入類型，是電壓設置還是測試操作，如果是電壓設置，就設置高壓大小，讀出判斷是大了還是小了，并顯示出來；如果是測量操作，就輸入設置好的高壓，然后是ADC采集電壓數據，并對數據進行處理轉換為漏電流的值并顯示大小，

本系統(tǒng)電壓的采集主要利用定時器TIM2定時78us中斷一次，在每次中斷里就讀取一次ADC的轉換值，因為STM32F407的內部ADC的轉換的采樣速率高達2.4MHz,即完成一次數據采樣轉換的時間為0.42us，遠遠少于78us定時中斷，不會對下次電壓轉換造成影響，那么對于50Hz的交流電剛好在一個周期內能采集256次。每次AD采集完成后，分別使用四個16位數組AD_ V1[256]、AD_V2[256]和AD_V3[256]來保存同時采樣的三個通道組合。在分析和運算采集到的電壓時，可以根據情況調用任意一個或多個通道采集的電壓數據，無需分多次對不同通道采樣，大大節(jié)省了采樣時間。

5 測試結果與分析

為了檢測本文實現(xiàn)的AC高壓漏電流測試儀的測試性能，主要采用美國KIDDE FENWA的149-10A高壓表，安捷倫34401a電流表和ZX68C型高阻箱來進行測試。測量的數據表明，AC高壓的輸出值跟目標值基本一致，誤差小于0.5V；漏電流的測量值也在設計范圍之內，特別是在0.1mA--8mA范圍時誤差小于0.6%。系統(tǒng)滿足了電壓0～1000AC，測量漏電流范圍為10uA～10mA,分辨率為10uA的指標要求。

6 結束語

該文系統(tǒng)地介紹了一種AC高壓漏電流測試儀軟硬件設計方法，并詳細論述了其部分關鍵模塊的具體實現(xiàn)原理。通過高壓表和高阻箱的計量校驗，該漏電流測試儀實現(xiàn)了0～1000V的高壓產生和10uA～2mA漏電流測量，實驗測試表明該儀器工作穩(wěn)定可靠，測量準確度高，滿足設計要求。

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Design and Implementation of AC Leakage Current Tester

Wang Ning1,Zhang Zhijian2
(1.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou,510663,china; 2.Dongguan University of Technology,Dongguan,523808,China)

In order to measure connect cables, connectors and other products of the electrical safety performance,usually need to put between two insulated conductors must be AC voltage,then measure the size of the leakage current between the two conductors.This paper introduces the design and implementation of AC leakage current tester,the Cortex-M4 as the main control system with AC high voltage generating circuit,leakage current sampling circuit and LCD display circuit.Practical application and the test results show that the tester has the measuring speed,high accuracy,the advantages of convenient operation, can effectively distinguish the bad product,can be widely used in connecting products manufacturing enterprises.

Leakage Current;Couplings;Electrical Safety

圖4 測量電路