基于微電流技術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備損壞和引發電力火災的主要原因，此問題是由于環境潮濕、設備老化、意外破壞等不可控因素引發的，這會造成巨大的經濟損失與人員傷亡。在目前國內電流檢測裝置中，只能在設備通過大電流時才能檢測出電路是否漏電或短路，判斷空氣開關是否關閉，但是無法預防故障。這樣可能會因故障不能及時發現，對設備造成巨大的損害，嚴重時會導致設備報廢或引發火災。同時隨著漏電保護技術的發展，傳統的事后漏電保護器已經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缺陷，我們設計了基于微電流技術的提前檢測與保護裝置。

1 基于微電流技術的漏電保護裝置設計及原理分析

1.1 基于微電流技術的漏電保護裝置設計

漏電保護設備主要有四個核心環節構成，即微電流檢測電路、邏輯判斷電路、開關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，其內部的微電流檢測系統為設備提供一個可控的恒定電流。當恒定電流通過待檢測設備后會產生一個電壓值，若待檢測設備正常，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，控制開關處于閉合狀態，功率電源為待檢測裝置正常供電，設備正常工作；若待檢測設備出現短路或接地，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，控制開關電路一直處于斷開狀態，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：漏電保護裝置設計

圖2：漏電保護裝置工作流程

1.2 基于微電流技術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 會產生不同電勢差，利用R3兩端不同電勢差和A2 運算放大器構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計

圖3：微電流檢測系統原理圖

圖4：開關控制電路原理圖

圖5：邏輯判斷子電路原理圖

2.1 微電流檢測系統設計

微電流檢測系統電路結構如圖3所示，R1 和R2 串聯分壓結構給運算放大器同相端，由Q1 場效應管與待檢測設備構成串聯結構，考慮設備內阻，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，根據場效應管飽和狀態的漏源極電流公式,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，可以根據被檢測設備具體參數要求，選擇合適的微電流輸出。

2.2 開關控制子電路設計

開關控制子電路結構如圖4所示，控制電路由電壓比較器與N 溝道場效應管構成，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，并傳輸到場效應管柵極，則柵極電壓UGS大于閾值電壓UTH，驅動場效應管處于導通狀態。

2.3 邏輯判斷子電路設計

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成。在原理上采用芯片內部的運算放大器構成比較器電路，比較檢測子電路傳輸到運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，驅動報警電路。

2.4 電力切換電路設計

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，驅動K1 繼電器開關由常閉端調整到常開端，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，則開關控制電路運算驅動K4 電磁繼電器，K2、K3、K4 電磁繼電器開關由常閉端調整到常開端，被檢測電路正常供電工作。

圖6：電力切換電路原理圖

3 結論

本文設計了一種基于微電流技術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，同時可以根據不同阻抗調整相適應的檢測電流，達到通用可調的目的,同時本裝置采用了故障前檢測的技術，若有故障即不進行供電，可以更好的保護設備。

在設計上，采用了邏輯判斷電路、開關控制電路、微電流檢測電路、電力切換電路等相互隔離的設計，彼此間不會相互影響；在電路中引入可控恒定開關，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，直至清零后的再次判斷。