CN101949987A - 磁通门漏电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁通门漏电传感器，该磁通门漏电传感器包括：用于插入测定对象第一电线和第二电线的环状芯；缠绕在上述芯上的线圈；驱动电路，其将正负对称的矩形波电压施加到上述线圈上，以便一边使上述线圈的磁通密度的方向反向，一边使上述线圈的磁通密度饱和；比较器电路，其将与流经上述线圈的线圈电流对应地进行变化的测定电压与正负对称的正侧基准电压和负侧基准电压相比较，并输出正侧电信号和负侧电信号，其中，正侧电信号相当于上述测定电压比上述正侧基准电压高的期间，而负侧电信号对应于上述测定电压比上述负侧基准电压低的期间；以及判断电路，其用于比较从上述比较器电路输出的上述正侧电信号和上述负侧电信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测漏电的磁通门漏电传感器。
背景技术
作为用于检测从电源供给负载的电流的泄漏的装置，日本特开第2000-2738号公报公开了一种直流漏电检测装置。该装置具有环状芯，第一被检测导线和第二被检测导线插入到该芯中，同时在该芯上缠绕有线圈。
高频电流从高频输出电路流向线圈，通过整流电路，线圈两端的交流电压被转换为直流电压。然后，在比较电路中将直流电压与基准电压进行比较，在直流电压小于基准电压时，就将其判断为发生了漏电。
即，在发生漏电时，芯的磁通密度饱和而线圈的阻抗下降，该装置就是利用这一点来检测漏电。
在日本特开第2000-2738号公报所公开的直流漏电检测装置中，随着芯的温度变化，芯的磁导率也变化，因此，线圈的阻抗变化而使直流电压也发生了变化。另外，由于芯的磁通密度呈现滞后现象，因此，即使漏电电流量相等，所得到的直流电压值也不同，根据情况的不同，可能有时无法检测出漏电。
因此，对于日本特开2000-2738号公报所公开的直流漏电检测装置，很难说其在温度稳定性方面优良，而在温度变化剧烈的环境下，漏电的检测精度有可能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温度稳定性优良的磁通门漏电传感器。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种磁通门漏电传感器，具有用于插入测定对象第一电线和第二电线的环状的芯以及缠绕在上述芯上的线圈，其特征在于，该磁通门漏电传感器包括：驱动电路，其将正负对称的矩形波电压施加到上述线圈上，以便一边使所述线圈的磁通密度的方向反向，一边使上述线圈的磁通密度饱和；比较器电路，其将与流经上述线圈的线圈电流对应地进行变化的测定电压与正负对称的正侧基准电压和负侧基准电压相比较，并输出正侧电信号和负侧电信号，其中，正侧电信号相当于上述测定电压比上述正侧基准电压高的期间，而负侧电信号对应于上述测定电压比上述负侧基准电压低的期间；以及判断电路，其用于比较从上述比较器电路输出的上述正侧电信号和上述负侧电信号。
根据本发明的一个实施方式的磁通门漏电传感器基于测定电压比正侧基准电压高的期间和测定电压比负侧基准电压低的期间，判断流经第一电线的电流和流经第二电线的电流之间的大小关系。即，其根据测定电压比正侧基准电压高的期间和测定电压比负侧基准电压低的期间来检测漏电。
根据该磁通门漏电传感器，由于施加的是正负对称的电压，使得芯的磁通密度边反向边饱和，因此，流经线圈的线圈电流不受芯的磁通密度滞后现象的影响。
另外，由于施加的是正负对称的电压，使得芯的磁通密度边反向边饱和，因此，即使芯的磁导率随温度的变化而变化，也可以维持测定电压比正侧基准电压高的期间和测定电压比负侧基准电压低的期间之间的相对关系。
这些结果使得该磁通门漏电传感器在广泛的温度范围内高精度地检测出漏电。
优选地，上述比较器电路包括：正侧比较器，其具有被施加上述测定电压的非倒相输入端子和用于输入上述正侧基准电压的倒相输入端子；负侧比较器，其具有被施加上述测定电压的倒相输入端子和用于输入上述负侧基准电压的非倒相输入端子；正侧电场效应晶体管，其具有用于输入上述正侧比较器的输出电压的栅极电极；以及负侧电场效应晶体管，其具有用于输入上述负侧比较器的输出电压的栅极电极，上述判断电路包含有积分电路，该积分电路对上述正侧电场效应晶体管和上述负侧电场效应晶体管的漏极电流相加，并输出与相加后的上述漏极电流的积分量对应的电压。
根据优选方式的磁通门漏电传感器，与测定电压比正侧基准电压高的期间相对应地波形整形后的栅极电压被施加到正侧电场效应晶体管上。另外，与测定电压比负侧基准电压低的期间相对应地波形整形后的栅极电压被施加到负侧电场效应晶体管上。
通过施加波形被如此整形过的栅极电压，根据该磁通门漏电传感器，漏电的检测精度提高。
附图说明
图1是示出一个实施方式的磁通门漏电传感器的构成例的框图；
图2是图1的磁通门漏电传感器的电路图；
图3是在未发生漏电时图2电路的时序图，其中，图3(a)示出了由电流检测电路检测出的线圈电流Ic随时间的变化，图3(b)示出了正侧比较器的输出电压Vcp+随时间的变化，图3(c)示出了负侧比较器的输出电压Vcp-随时间的变化，图3(d)示出了运算放大器的输出电压Vout随时间的变化；
图4是在发生了漏电时(一根电线的电流变大时)图2电路的时序图，其中，图4(a)示出了由电流检测电路检测出的线圈电流Ic随时间的变化，图4(b)示出了正侧比较器的输出电压Vcp+随时间的变化，图4(c)示出了负侧比较器的输出电压Vcp-随时间的变化，图4(d)示出了运算放大器的输出电压Vout随时间的变化；以及
图5是在发生了漏电时(另一根电线的电流变大时)图2电路的时序图，其中，图5(a)示出了由电流检测电路检测出的线圈电流Ic随时间的变化，图5(b)示出了正侧比较器的输出电压Vcp+随时间的变化，图5(c)示出了负侧比较器的输出电压Vcp-的时间变化，图5(d)示出了运算放大器的输出电压Vout随时间的变化。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
图1是示出一个实施方式的磁通门漏电传感器的简要构成的框图。磁通门漏电传感器适用于连接电源10和负载12的一组电线14a、14b(下文统称它们为电线14)，用于检测在电源10和负载12之间是否发生了漏电。
另外，电源10也可以包括太阳能发电装置之类的发电机，负载12也可以包括储存所发的电的蓄电池。
磁通门漏电传感器具有由坡莫合金或者铁硅铝磁性合金形成的芯16。芯16具有例如扁平的圆环形状，并分别具有数cm左右的内径和外径以及数mm左右的厚度。在芯16的中间孔中插入电线14。
线圈18以沿着芯16的周向延伸的方式螺旋状地缠绕在该芯16上，线圈18的匝数为例如500匝左右。当向线圈18供给电流时，磁力线以绕芯16的内部一周的方式延伸。
线圈18与驱动电路22连接，驱动电路22与振荡电路24共同作用而将正负对称的矩形波电压施加在线圈18上。也就是说，矩形波的正侧峰值和负侧峰值相等，矩形波的占空比实际上为50％。
另外，线圈18与电流检测电路26连接，电流检测电路26检测流经线圈18的电流(线圈电流)。电流检测电路26与比较器电路30连接，将对应于线圈电流的电压(测定电压)输出到比较器电路30。
然后，比较器电路30将测定电压与正负对称的正侧基准电压和负侧基准电压相比较，并输出正侧电信号和负侧电信号，其中，正侧电信号相当于测定电压比上述正侧基准电压高的期间，而负侧电信号相当于测定电压比上述负侧基准电压低的期间。
正侧基准电压和负侧基准电压的绝对值实际上相等，而正侧基准电压和负侧基准电压的极性互相相反。
比较器电路30与判断电路32连接，判断电路32根据正侧电信号和负侧电信号来判断流经线圈14a的电流和流经线圈14b的电流之间的大小关系。如果流经线圈14a的电流和流经线圈14b的电流大小不等，则其判断为发生了漏电。
具体来说，例如，在60A的电流流经电线14时，如果有30mA的漏电，则利用该磁通门漏电传感器就可以检测出漏电。
图2是磁通门漏电传感器的简要电路图。
驱动电路22和振荡电路24例如由运算放大器40、电阻42、44、46以及电容器48构成，其中，运算放大器40的输出端子与线圈18的一端连接。这种情况下，在电容器48的充放电过程中，运算放大器40的输出电压在正侧饱和输出电压Es和负侧饱和输出电压-Es之间间断性地往复，将矩形波电压供给线圈18。
电流检测电路26例如由电阻50、52和电容器54构成，线圈18的另一端经由电容器54和电阻50而接地，电阻52相对于电容器54与电阻50并联。流经线圈18的线圈电流通过电阻52而被供给到比较器电路30。
比较器电路30例如由正侧比较器70、负侧比较器80、电阻71、72、73、74、75、81、82、83、84、85、n沟道型正侧电场效应晶体管(正侧FET)76以及p沟道型负侧电场效应晶体管(负侧FET)86构成。
比较器电路30与作为正负对称电源的、例如+9V的三端子稳压器77和-9V的三端子稳压器87连接，三端子稳压器77、87的输入端和输出端经由电容器78、79、88、89分别接地。
另外，三端子稳压器77的输出端子经由电阻72和71接地的同时，还与正侧比较器70的+电源端子连接。并且，三端子稳压器77的输出端子与正侧FET 76的漏极电极连接的同时，还经由电阻74与正侧FET 76的栅极电极连接。
正侧比较器70的非倒相输入端子(+输入端子)与电流检测电路26的电阻52连接，而正侧比较器70的倒相输入端子(-输入端子)相对于电阻72与电阻71并联。并且，正侧比较器70的输出端子经由电阻73与正侧FET 76的栅极电极连接。
与上述对称，三端子稳压器87的输出端子经由电阻82和81接地的同时，还与负侧比较器80的-电源端子连接。并且，三端子稳压器87的输出端子与负侧FET 86的漏极电极连接的同时，还经由电阻84与负侧FET 86的栅极电极连接。
负侧比较器80的倒相输入端子(-输入端子)与正侧比较器70的非倒相输入端子(+输入端子)以并联的方式连接到电流检测电路26的电阻52上，而负侧比较器80的非倒相输入端子(+输入端子)相对于电阻82与电阻81并联。另外，负侧比较器80的输出端子经由电阻83与负侧FET 86的栅极电极连接。
上述的正侧比较器70、电阻71、72、73、74、75以及正侧电场效应晶体管(正侧FET)76构成了比较器电路30的正侧部分，而负侧比较器80、电阻81、82、83、84、85以及负侧电场效应晶体管86构成了与正侧部分正负对称的比较器电路30的负侧部分。
判断电路32例如由相加·积分·放大电路32A和比较电路32B构成。
相加·积分·放大电路32A由运算放大器90、电阻91、92、93、94和电容器95、96构成，正侧FET 76的源极和负侧FET 86的源极经由电阻91、92连接到运算放大器90的倒相输入端子，同时还经由电阻91和电容器95而接地。
另外，运算放大器90的非倒相输入端子经由电阻93而接地，并且，运算放大器90的倒相输入端子和输出端子通过相互并联的电阻94和电容器96互相连接。并且，运算放大器90的输出端子与比较电路32B连接，进而比较电路32B根据运算放大器90的输出电压来检测有无发生漏电。
下面，说明上述磁通门漏电传感器的动作。
图3是示出未发生漏电时的动作的时序图，其中，图3(a)示出了由电流检测电路26检测出的线圈电流Ic随时间的变化，图3(b)示出了正侧比较器70的输出电压Vcp+随时间的变化，图3(c)示出了负侧比较器80的输出电压Vcp-随时间的变化，图3(d)示出了运算放大器90的输出电压Vout随时间的变化。
如图3(a)所示，在未发生漏电时，由流经电线14a、14b的电流所产生的磁场相互抵消，因此，线圈电流Ic呈正负对称。正侧比较器70将对应于线圈电流Ic的测定电压与正侧基准电压相比较，如图3(b)所示，在测定电压高于正侧基准电压期间，输出一定电压。
同样，负侧比较器80将对应于线圈电流Ic的测定电压与负侧基准电压相比较，如图3(c)所示，在测定电压低于负侧基准电压期间，输出一定电压。
正侧比较器70和负侧比较器80所分别输出的一定电压的绝对值实质上相等，因此，在未发生漏电时，正侧比较器70的输出电压Vcp+和负侧比较器80的输出电压Vcp-也呈正负对称。
并且，正侧FET 76的漏极电压(9V)和负侧FET的漏极电压(-9V)是正负对称的，因此，正侧FET 76的漏极电流(正侧电信号)和负侧FET 86的漏极电流也呈正负对称。运算放大器90的输出电压Vout由于是将这些漏极电流相加并将对应于相加后的漏极电流之和的电压放大而得到的，因此，如图3(d)所示那样，其大致为零。
与上述情况相反，图4示出了发生了漏电、在流经电线14a、14b的电流之中的一个变得相对较大情况下的时序图。
具体而言，在图4(a)中，由于发生了漏电，因而由流经电线14a、14b的电流所产生的磁场未相互抵消，线圈电流Ic的正侧相对于负侧增大了。
因此，如图4(b)、4(c)所示，正侧比较器70输出一定电压的期间比负侧比较器80输出一定电压的期间要长。于是，如图4(d)所示，就其结果而言，运算放大器90的输出电压Vout实际上变为比零大的有限值。
同样，图5也示出了在发生了漏电情况下的时序图。但是，图5与图4相反，其示出了在流经电线14a、14b的电流中的另一电流变得相对较大情况下的时序图。在这种情况下，如图5(d)所示，运算放大器90的输出电压Vout实际上变为比零小的有限值。
因此，判断电路32的比较电路32B可以根据输出电压Vout值来检测所发生的漏电。
根据上述的一个实施方式的磁通门漏电传感器，其根据测定电压比正侧基准电压高的期间和测定电压比负侧基准电压低的期间，判断流经电线14a、14b的电流之间的大小关系。即，其根据测定电压比正侧基准电压高的期间和测定电压比负侧基准电压低的期间来检测漏电。
根据该磁通门漏电传感器，由于施加的是正负对称的电压，使得芯16的磁通密度边反向边饱和，因此，流经线圈18的线圈电流Ic不受芯16的磁通密度滞后现象的影响。
另外，由于施加的是正负对称的电压，使得芯16的磁通密度边反向边饱和，因此，即使芯16的磁导率随温度的变化而变化，也可以维持测定电压比正侧基准电压高的期间和测定电压比负侧基准电压低的期间之间的相对关系。
这些结果使得该磁通门漏电传感器在广泛的温度范围内高精度地检测漏电。
另外，根据该磁通门漏电传感器，与测定电压比正侧基准电压高的期间相对应地波形整形后的栅极电压被施加到正侧电场效应晶体管76上。并且，与测定电压比负侧基准电压低的期间相对应地波形整形后的栅极电压被施加到负侧电场效应晶体管86上。
通过施加波形被如此整形过的栅极电压，根据该磁通门漏电传感器，漏电的检测精度提高。
本发明并不限于上述的一个实施方式，还可以进行各种变形。在一个实施方式中，与图示一起列举的电路构成只不过是一个优选的例子，当然，即使向基本的电路构成中添加各种元件，或者替换其一部分，也可以适当地实施本发明。
Claims (2)
1.一种磁通门漏电传感器，具有用于插入作为测定对象的第一电线和第二电线的环状的芯以及缠绕在所述芯上的线圈，所述磁通门漏电传感器的特征在于，包括：
驱动电路，将正负对称的矩形波电压施加到所述线圈上，以便一边使所述线圈的磁通密度的方向反向，一边使所述线圈的磁通密度饱和；
比较器电路，将与流经所述线圈的线圈电流对应地进行变化的测定电压与正负对称的正侧基准电压和负侧基准电压相比较，并输出正侧电信号和负侧电信号，其中，正侧电信号相当于所述测定电压高于所述正侧基准电压的期间，负侧电信号对应于所述测定电压低于所述负侧基准电压的期间；以及
判断电路，比较从所述比较器电路输出的所述正侧电信号和所述负侧电信号。
2.根据权利要求1所述的磁通门漏电传感器，其特征在于，所述比较器电路包括：
正侧比较器，具有被施加所述测定电压的非倒相输入端子和用于输入所述正侧基准电压的倒相输入端子；
负侧比较器，具有被施加所述测定电压的倒相输入端子和用于输入所述负侧基准电压的非倒相输入端子；
正侧电场效应晶体管，具有用于输入所述正侧比较器的输出电压的栅极电极；以及
负侧电场效应晶体管，具有用于输入所述负侧比较器的输出电压的栅极电极，
所述判断电路包括积分电路，该积分电路对所述正侧电场效应晶体管和所述负侧电场效应晶体管的漏极电流相加，并输出与相加后的所述漏极电流的积分量对应的电压。
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