CN107340797A - 用于漏电断路器的控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于漏电断路器的控制电路，其能够防止由于输入放大器的偏移电压而导致的在确定漏电生成中的误差，包括：零相电流互感器，其被配置为检测电路上的零相电流作为泄漏检测信号；滤波电路部分，其被配置为去除被包括在泄漏检测信号中的高频噪声；输入放大器，其被配置为由泄漏检测信号的电流和滤波电路部分的阻抗形成的电压，并且包括晶体管对；基极电流发生器，其通常被连接到晶体管对的基极，并且被配置为向晶体管对供应相同量的基极电流；以及跳闸确定电路部分，其被配置为确定是否输出跳闸控制信号。

Description

用于漏电断路器的控制电路
技术领域
本发明涉及一种漏电断路器，更具体地涉及一种用于具有可以放大零相电流互感器的泄漏检测电压输入的放大电路的漏电断路器的控制电路。
背景技术
通常，断路器是以下电开关，其在电路上发生诸如过电流或短路的故障电流时通过自动断开(跳闸)电路来保护电路以及与该电路连接的负载免受故障电路。
漏电断路器是额外具有以下元件的电开关，该元件被配置为当生成了电流流向地面而不流向负载侧的漏电(尽管是部分地)时断开电路。
本发明涉及这种漏电断路器，并且特别地涉及一种控制电路，该控制电路通过在电路中生成漏电时检测漏电来确定是否启动跳闸操作。
图1是示出了常规漏电断路器的电路结构的示意图。
漏电断路器的控制电路(以下被称为控制电路)100包括零相电流互感器10、滤波电路部分20、输入放大器30以及跳闸确定电路部分40。
零相电流互感器10包括电路通过的环形磁芯以及围绕该磁芯缠绕的次级线圈，该次级线圈输出零相电流(IL)作为当从电路生成漏电时引起的漏电检测信号。
滤波电路部分20被连接到第二线圈并且被配置为从零相电流(IL)去除噪声。
输入放大器30被连接在滤波电路部分20和跳闸确定电路部分40之间。
输入放大器30可以配置有典型的运算放大器。
已经流过滤波电路部分20的零相电流(IL)作为晶体管Q1和Q2对的基极电流(Ib)被供应。
被供应给输入放大器30的基极电流(Ib)与基极电流(Ib)和集电极电流(Ic)之间的比率差不多大地被放大。
输入放大器30的输出作为通过被连接至晶体管Q1和Q2对的集电极的集电极电阻器的电压被供应给跳闸确定电路部分40。
跳闸确定放大器40将用于确定跳闸操作的预设参考电压值和输入放大器的输出电压值进行比较作为放大的泄漏检测信号，当输出电压值不小于参考电压值时确定执行跳闸操作，并输出跳闸控制信号。
跳闸控制信号被发送到跳闸机构50诸如众所周知的磁性跳闸机构(未示出)。
跳闸机构50可以配置有例如线圈(未示出)和诸如电枢或柱塞的输出单元。线圈被跳闸控制信号磁化，并且由线圈的磁力移动输出单元来触发开关机构(未示出)以自动断开电路，即执行跳闸操作。
结果，当生成漏电时，开关机构致动可动触点与固定触点分离，使得可以执行断路操作。
输入放大器30可以配置有运算放大器，如图1中示出的。
运算放大器30的电路可以配置有晶体管对、被连接到该晶体管对的集电极的两个恒流源、以及被共同连接到该晶体管对的发射极的单个恒流源。
同时，在常规漏电断路器中，已经流经滤波电路部分20的漏电流(IL)被输入到输入放大器30，并被用作输入放大器30的晶体管Q1和Q2对的基极电流(Ib)，并且剩余电流、即IL-(2xIb)被传送到零相互感器10。
由滤波电路部分20的剩余电流和阻抗(Z)而生成电压降，并且可以如以下等式生成电压降。
Vd＝(IL–2Ib)x Z (等式1)
即，通过将漏电流(IL)乘以滤波器的阻抗(Z)而获得的仅仅漏电流(IL)的电压转换值务必被输入放大器放大，但是生成了与输入放大器的放大程度乘以2Ib x Z的值差不多的漏电流(IL)的电压转换值的误差(以下被称为偏移电压)，如上述等式示出的。
这样的误差可能导致在下一阶段处的跳闸确定电路部分的确定中的错误操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于漏电断路器的控制电路，其能够通过在放大泄漏检测信号时防止误差(偏移电压)的发生来正确地确定泄漏生成。
为了实现这些和其它优点并且根据本说明书的目的，如本文体现和广泛描述的，提供了一种用于漏电断路器的控制电路，包括：零相电流互感器，其被配置为检测电路上的零相电流作为泄漏检测信号；滤波电路部分，其被配置为去除被包括在泄漏检测信号中的高频噪声；输入放大器，其被配置为放大由泄漏检测信号的电流和滤波电路部分的阻抗形成的电压，并且包括晶体管对，晶体管的基极分别被连接到滤波电路部分的两个输出端子；基极电流发生器，其共同连接到晶体管对的基极，并且被配置为向晶体管对供应相同量的基极电流；以及跳闸确定电路部分，其被配置为通过将从输入放大器输出的放大的泄漏检测信号的电压值与预设的参考电压值进行比较来确定是否输出跳闸控制信号。
根据本发明的优选方面，基极电流发生器包括电流镜电路。
根据本发明的另一优选方面，电流镜电路包括双极结晶体管(BJT)镜电路。
根据本发明的又一优选方面，电流镜电路可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)镜电路。
根据本发明的又一优选方面，电流镜电路可以包括：第一BJT，参考电流流经该第一BJT；第二BJT，其基极被连接到第一BJT的基极，被配置为供应具有与参考电流相同的电流值的输出电流，以及第三BJT，其基极被连接到第一BJT的基极，被配置为供应具有与参考电流相同的电流值的输出电流。
根据本发明的又一优选方面，第一BJT、第二BJT和第三BJT可以具有相同的电特性。
根据本发明的又一优选方面，根据本公开的用于漏电断路器的控制电路还包括增益调节器，其被连接到基极电流发生器，该增益调节器被配置为通过调节被供应给晶体管对的基极的基极电流来调节晶体管对的集电极电流相对于基极电流的增益。
根据本发明的又一优选方面，增益调节器包括恒压源和可变电阻器，该可变电阻器串联连接到对应的恒压源并且被配置为通过调节可变电阻器的电阻来调节基极电流。
附图说明
被包括以提供对本发明的进一步理解并被并入并构成本说明书的一部分的附图示出了示例性实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
在图中：
图1是示出了根据常规技术的用于漏电断路器的控制电路的框图；
图2是示出了根据本发明的优选实施例的用于漏电断路器的控制电路的框图；
图3A和图3B是图2的基极电流发生器的电路图，其中图3A示出了其中晶体管被用作有源元件的示例，并且图3B示出了其中MOSFET晶体管被用作有源元件的示例；
图4是示出了根据本发明的另一优选实施例的用于漏电断路器的控制电路的框图；并且
图5是示出了根据图4的增益控制器的优选实施例的结构的电路图。
具体实施方式
在下文中，现在将参考附图详细描述根据本发明的优选实施例的用于漏电断路器的控制电路的优选实施例。
如图2中示出的，根据本发明的优选实施例的用于漏电断路器的控制电路包括零相电流互感器(ZCT)10、滤波电路部分20、输入放大器30、基极电流发生器60和跳闸确定电路部分40。
在图2中，如众所周知的，跳闸机构是这样一种机构，其包括电磁线圈和机械输出单元，诸如被配置为当电磁线圈被磁化时通过磁力线性移动的柱塞或者被配置为旋转的电枢，并且由根据本发明的控制电路来操作。
对应的跳闸机构的机械输出被配置为触发包括了跳闸弹簧、闩锁和连杆等以进行跳闸的开关机构。
ZCT 10被配置为检测零相电流(IL)作为当在电路上发生漏电时生成的泄漏检测信号。
ZCT 10包括电路通过的环形磁芯以及围绕磁芯缠绕并被配置为输出感应零相电流(IL)的次级线圈。
滤波电路部分20可以配置有众所周知的低通滤波电路部分，以去除被包括在漏电检测信号中的高频噪声。
与其中从滤波电路部分20输出的电流被用作输入放大器30的基极电流(Ib)的常规控制电路不同，根据本发明，零相电流(IL)再次被传送到零相互感器10。
在本发明中，假定滤波电路部分20的阻抗为Z，则由滤波电路部分20的阻抗Z致使的电压降以及从其去除了高频分量的零相电流(IL)、即IL x Z被输入放大器30放大。
即，在本发明中，在没有偏移电压致使的任何误差的情况下，仅仅由滤波电路部分20的阻抗(Z)以及零相电流(IL)致使的漏电信号的电压转换值被输入放大器30放大，可以在诸如跳闸确定电路部分的下一阶段处进行正确的泄漏确定。
输入放大器30放大由漏电检测信号的电流(换句话说零相电流)和滤波电路部分20的阻抗(Z)形成的电压。
输入放大器30可以配置有典型的运算放大器。
输入放大器30包括晶体管Q1和Q2对，其每个的基极分别被连接到滤波电路部分的两个输出端子。
输入放大器30可以被配置为进一步包括向晶体管Q1和Q2对的集电极供应恒定电流的恒流源、以及向晶体管Q1和Q2对的发射极共同供应恒定电流的恒流源。
基极电流发生器60共同连接到晶体管Q1和Q2对的基极，并且向晶体管Q1和Q2对供应相同量的基极电流。
基极电流发生器60可以配置有电流镜电路，如图3A和图3B中示出的。
特别地，基极电流发生器60可以配置有双极结晶体管(Bipolar JunctionTransistor，以下被简称为BJT)电流镜电路，如图3A中示出的。
这里，BJT电流镜电路包括BJT3(Q3)、BJT4(Q4)和BJT5(Q5)，其每个的基极彼此连接，如图3A中示出的。
BJT镜电路还包括供应参考电流(Iref)的恒流源。
参考电流(Iref)被供应给BJT3(Q3)的集电极和基极，并且电流输出端子分别连接到BJT4(Q4)和BJT5(Q5)的集电极。
参考电流(Iref)流经BJT3(Q3)。更具体地，将参考电流(Iref)供应给BJT3(Q3)的集电极和基极。
BJT4(Q4)的基极连接到BJT3(Q3)的基极，并且被配置为供应具有与参考电流(Iref)相同的电流值的输出电流，即集电极电流(Ic)。
BJT5(Q5)的基极被连接到BJT4(Q4)的基极，并且被配置为供应具有与参考电流(Iref)相同的电流值的输出电流，即集电极电流(Ic)。
BJT3(Q3)、BJT4(Q4)和BJT4(Q5)的发射极接地。
BJT3(Q3)、BJT4(Q4)和BJT4(Q5)由具有相同电特性的BJT构成。
如图3A中示出的，BJT镜电路通过被连接到BJT4(Q4)和BJT5(Q5)的集电极的电流输出端子输出具有与参考电流(Iref)相同的电流值的输出电流(Iout)。
此外，根据本发明的另一实施例，如图3B中示出的，电流镜电路可以由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)镜电路构成。
如图3A中示出的，本发明的这个实施例与其中BJT被用作有源元件的前述实施例不同，在于MOSFET被用作有源元件。
因此，为了避免冗余描述，将省略本实施例的详细描述和操作，这是因为那些与参考图3A的先前描述相同。
同时，在图2中，跳闸确定电路部分40被配置为通过将从输入放大器30输出的放大的泄漏检测信号的电压值与预设的参考电压值进行比较来确定是否输出跳闸控制信号。
同时，参考图2，将简要描述根据本发明的漏电断路器的控制电路的操作。
ZCT 10被配置为检测零相电流(IL)作为当在电路上发生漏电时生成的漏电信号。
滤波电路部分20被配置为去除被包括在电流泄漏检测信号即零相电流(IL)中的高频噪声。此外，滤波电路部分20将根据滤波电路20的阻抗供应电压、即IL x Z作为输入电压，至输入放大器30。
在这种情况下，与其中从滤波电路部分20输出的零相电流被用作晶体管的基极电流的常规控制电路不同，根据本发明的基极电流发生器60向输入放大器30的晶体管(Q1和Q2)对的基极供应相同量的基极电流(Ib)。
此时，零相电流(IL)被反馈到ZCT 10。
根据本发明，作为泄漏检测信号的零相电流(IL)由滤波电路部分20的阻抗(Z)转换为输入电压，并且放大之前的泄漏检测信号成为在滤波电路部分20处形成的输入电压。
在滤波电路部分20处形成的作为泄漏检测信号的IL x Z的输入电压以集电极电流(Ic)相对于基极电流(Ib)的比率被输入放大器30放大。
集电极电流(Ic)可以在被集电极电阻器转换成电压后通过被连接到晶体管(Q1和Q2)的集电极的输出端子输出。
即，如图2中示出的，被连接到晶体管(Q1和Q2)的集电极的输出端子的电压作为从输入放大器30输出的泄漏检测信号的放大的电压信号被供应给跳闸确定电路部分40。
跳闸确定电路部分40被配置为通过将从输入放大器30输出的放大的泄漏检测信号的电压值与预设的参考电压值进行比较来确定是否输出跳闸控制信号。
例如，当放大的泄漏检测信号的电压值等于或大于预设的参考电压时，跳闸确定电路部分40在下一阶段处生成跳闸控制信号并将其输出到跳闸机构50。
跳闸机构50可以被配置为包括线圈(未示出)和诸如电枢或柱塞的输出单元。线圈被跳闸控制信号磁化，并且输出单元被线圈的磁力移动来触发，使得开关机构(未示出)可以执行自动断路操作，即跳闸操作。
结果，开关机构致动可动触点，以便与对应的固定触点(未示出)分离，使得当发生漏电时可以完成断路操作。
同时，将参照图4和图5描述根据另一优选实施例的用于漏电断路器的控制电路。
根据另一优选实施例的用于漏电断路器的控制电路与如图2中示出的本发明的用于漏电断路器的控制电路不同，在于其还包括增益调节器70。
因此，为了避免重复的描述，将仅对增益调节器70进行描述，参考图4和图5。
增益调节器70被连接到基极电流发生器60，并且被配置为通过调节被供应给基极电流发生器60的晶体管(Q1和Q2)对的基极的基极电流(Ib)来调节集电极电流(Ic)相对于基极电流(Ib)的增益。
如在图5中可以看出的，增益调节器70可以被配置为包括恒压源70a以及与恒压源70a串联连接的可变电阻器70b。
因此，可以通过相对于由恒压源70a供应的恒定电压手动调节可变电阻器70b的电阻来改变流经可变电阻器70b的输出电流。
这里，增益调节器70的输出电流作为参考电流(Iref)被供应给基极电流发生器60。
可以通过调节可变电阻器70b的电阻来调节为增益调节器70的输出电流的参考电流(Iref)，并且因此可以调节具有与配置有电流镜电路的基极电流发生器60的输出电流相同的电流值的两个基极电流(Ib)。
同时，输入放大器30的集电极电流(Ic)和基极电流(Ib)之间的关系可以被表示为下面的等式(2)。
Ic＝βx Ib-------------等式(2)，这里，β表示放大率。
当放大率β恒定时，如等式(2)中示出的，如果基极电流(Ib)增加，则集电极电流(Ic)增加，并且当基极电流(Ib)减小时，集电极电流(Ic)也减小。
因此，可以通过调节基极电流(Ib)的大小来调节增益，即集电极电流(Ic)变化的程度。
此外，集电极电流(Ic)由电阻器(参考被连接到图2和图4中的集电极的电阻器)转换为电压，并作为输入放大器30的输出信号被供应给跳闸确定电路部分40。
如上面详细描述的，不同于常规控制电路，根据本发明的控制电路包括以下基极电流发生器，其供应晶体管对的基极电流而不使用检测到的零相电流作为用于配置输入放大器的晶体管对的基极电流，使得偏移电压即由两个晶体管的基极电流和零相电流之差生成的电压降可以不发生。因此，由于偏移电压没有被包括在由输入放大器放大的泄漏检测信号中，因此可以提供能够精确地检测漏电的漏电断路器的控制电路。
此外，根据漏电断路器的控制电路，可以由增益调节器调节输入放大器的晶体管对的基极电流来调节晶体管对的集电极电流，即输出电流改变(增益)和输出电压改变(增益)，并且这样的特性可以提供容易地调节作为跳闸确定电路的输入信号的泄漏检测信号的电平(电压电平)的效果。
由于在不脱离其特征的情况下，本特征可以以几种形式来体现，所以还应当理解，除非另有规定，上面描述的实施例不受前面描述的任何细节的限制，而应当在如所附权利要求中限定的其范围内宽泛地被解释，并且因此落入权利要求的边界和范围内的所有改变和修改、或者这些边界和范围的等同物因此旨在被所附权利要求包含。

Claims (8)

1.一种用于漏电断路器的控制电路，特征在于，所述控制电路包括：
零相电流互感器，其被配置为检测电路上的零相电流作为泄漏检测信号；
滤波电路部分，其被配置为去除被包括在所述泄漏检测信号中的高频噪声；
输入放大器，其被配置为将由所述泄漏检测信号的电流和所述滤波电路部分的阻抗形成的电压进行放大，并且包括晶体管对，其中晶体管的基极分别被连接到所述滤波电路部分的两个输出端子；
基极电流发生器，其共同连接到所述晶体管对的基极，并且被配置为向所述晶体管对供应相同量的基极电流；以及
跳闸确定电路部分，其被配置为通过将从所述输入放大器输出的放大的泄漏检测信号的电压值与预设的参考电压值进行比较来确定是否输出跳闸控制信号。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述基极电流发生器包括电流镜电路。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其中所述电流镜电路包括双极结晶体管(BJT)镜电路。
4.根据权利要求2所述的控制电路，其中所述电流镜电路包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)镜电路。
5.根据权利要求2所述的控制电路，其中所述电流镜电路包括：
第一BJT，参考电流流经所述第一BJT；
第二BJT，其基极连接到所述第一BJT的基极，被配置为供应具有与所述参考电流相同的电流值的输出电流；以及
第三BJT，其基极连接到所述第一BJT的基极，被配置为供应具有与所述参考电流相同的电流值的输出电流。
6.根据权利要求5所述的控制电路，其中所述第一BJT、第二BJT和第三BJT具有相同的电特性。
7.根据权利要求1所述的控制电路，还包括增益调节器，其被连接到所述基极电流发生器，所述增益调节器被配置为通过调节被供应给所述晶体管对的基极的基极电流来调节所述晶体管对的集电极电流相对于所述基极电流的增益。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述增益调节器包括恒压源和可变电阻器，所述可变电阻器串联连接到对应的恒压源，并且被配置为通过调节所述可变电阻器的电阻来调节所述基极电流。
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