CN108459227A - 地线检测电路 - Google Patents

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王葆华
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Abstract

本发明公开一种地线检测电路，用于实时监测用电设备接地与否，所述地线检测电路包括：接地检测回路和采样控制回路，其中，接地检测回路与单相三线制的火线、零线和地线电性连接，所述火线、零线与用电设备的主电路电性连接；采样控制回路用于将接地检测回路检测到的电流隔离并转换为采样电压。通过采样电压能实现对设备接地与否进行实时监测，并据此进行报警、切断用电设备运行，从而可以提高电气设备的使用安全性。

Description

地线检测电路
技术领域
本发明涉及电气安全领域，具体涉及一种地线检测电路。
背景技术
随着用电设备在人类社会中的广泛使用，由用电设备带来的安全隐患日益增多，为了防止人身电击事故，就需要将有可能产生危险电压的设备的外露可导电部分进行接地，通过人与设备的等电位，从而防止人身电击事故。因而大多中小功率电气设备的输入为单相三线制，即火线L、零线N、地线PE。
接地可以给静电等瞬时能量提供泄放回路从而保证设备的运行安全，在某些运用场合，没有连接地线甚至会带来危险，比如医疗用的氢气发生器，如果没有接地，静电产生的能量由于没有回路泄放有可能产生电火花导致氢气的爆炸，需要电气设备在不接地时能发出报警信号或直接切断运行。
用电设备的可靠接地可以避免人体触电，提高用电设备的安全性和设备使用者的人身安全，现有的用电设备都有接地标志，但是对于用电设备工作时是否接地，没有相应的装置判别设备是否接地。现有的地线检测线路中有电池地线缺失检测，是检测电池单元外壳和电池负极之间的接地，不适用于普通市电供电的设备的地线检测，因此对于市电供电的用电设备的地线检测尤为重要。
因此，需要一种新的地线检测电路，能实现对设备接地与否进行实时监测，提高电气设备的使用安全性。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种地线检测电路，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一实施方式，公开一种地线检测电路，用于实时监测用电设备接地与否，所述地线检测电路包括：
接地检测回路和采样控制回路，其中，
接地检测回路与单相三线制的火线、零线和地线电性连接，所述火线、零线与用电设备的主电路电性连接；
采样控制回路用于将接地检测回路检测到的电流隔离并转换为采样电压。
根据本发明的一实施方式，所述地线检测电路包括：第一至第二二极管、限流单元和光电耦合器原边，其中
第一二极管阳极与火线电性连接，第二二极管阳极与零线电性连接，第一至第二二极管的阴极与光电耦合器原边阳极电性连接，光电耦合器原边阴极与限流单元的第一端电性连接，限流单元的第二端与地线电性连接。
根据本发明的一实施方式，所述接地检测回路包括：第一二极管、限流单元和光电耦合器原边，其中
第一二极管阳极与火线电性连接，第一二极管阴极与光电耦合器原边阳极电性连接，光电耦合器原边阴极与限流单元的第一端电性连接，限流单元的第二端与地线电性连接。
根据本发明的一实施方式，所述采样控制回路包括：供电电源、光电耦合器副边、采样电阻，其中
供电电源与光电耦合器副边集电极电性连接，光电耦合器副边发射电极与采样电阻第一端电性连接。
根据本发明的一实施方式，所述限流单元为电阻或瞬态抑制二极管。
根据本发明的一实施方式，所述接地检测回路检测到的电流为微安级。
根据本发明的一实施方式，所述采样控制回路还包括与采样电阻并联的电容。
根据本发明的一实施方式，所述采样控制回路还包括接收所述采样电压的后级监测控制回路，所述后级监测控制回路用于实现保护功能，所述保护功能包括：报警、切断用电设备运行。
根据本发明的一实施方式，所述后级监测控制回路为微控制单元。
根据本发明的一实施方式，所述用电设备为氢气发生器。
根据本发明的一些实施方式，利用接地检测回路检测回路电流，利用采样控制回路将接地检测回路检测到的电流隔离并转换为采样电压，通过采样电压能实现对设备接地与否进行实时监测，并据此进行报警、切断用电设备运行，从而可以提高电气设备的使用安全性。
根据本发明的另一些实施方式，接地检测回路还包括电性连接于光电耦合器原边阴极与地线之间的限流单元，使得接地检测回路检测到的电流为uA级，从而可以在提高电气设备的使用安全性的同时，也保证了地线检测电路的安全性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路框图。
图2A示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的接地检测回路图。
图2B示出根据本发明另一示例实施方式的地线检测电路的接地检测回路图。
图3示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的接地检测回路的一限流单元实例图。
图4示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的接地检测回路的另一限流单元实例图。
图5示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的采样控制回路图。
图6示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的采样控制回路实例图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本发明提出一种地线检测电路，利用电路中采样的电压值不同判断用电设备是否连接地线。本发明的地线检测电路包括接地检测回路和采样控制回路，其中，接地检测回路与单相三线制的火线、零线和地线电性连接，所述火线、零线与用电设备的主电路电性连接；采样控制回路用于将接地检测回路检测到的电流隔离并转换为采样电压。通过采样电压能实现对设备接地与否进行实时监测，并据此进行报警、切断用电设备运行，从而可以提高电气设备的使用安全性。本发明所指的用电设备可以是各种家用电器、工业用电设备和医用用电设备等，但不限于此。
图1示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路框图。由于大多数中小功率电气设备的输入为单相三线制，即火线L、零线N和地线PE，因此本发明的地线检测电路主要基于单相三线制进行设计。
如图1所示，用于实时监测用电设备接地与否的地线检测电路包括接地检测回路和采样控制回路，其中，接地检测回路与单相三线制的火线L、零线N和地线PE电性连接，所述火线L、零线N与用电设备的主电路电性连接；采样控制回路用于将接地检测回路检测到的电流隔离并转换为采样电压以便进行实时监测。
通过采样电压的高低能实现对用电设备接地与否进行实时监测，并据此进行报警、切断用电设备运行，从而可以提高电气设备的使用安全性。在一般情况下，当监测到用电设备没有接地时发出警报即可，但在某些特殊或极端情况或场合下，比如医疗用的氢气发生器，如果没有接地，静电产生的能量由于没有回路泄放有可能产生电火花导致氢气的爆炸，需要地线检测电路在电气设备在不接地时能直接切断运行以避免因人工反应的不及时而发生的危险。
下面结合附图对本发明示例实施方式的地线检测电路的各个部分的具体实例进行详细说明。
图2A示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的接地检测回路图。
如图2A所示，地线检测电路中的接地检测回路包括第一二极管D1、第二二极管D2和光电耦合器的原边IC1：A(也就是通常所说的发光二极管)，其中第一二极管D1的阳极与用于连接市电电网的连接器CN1的火线L(从连接器CN1的接口3引出)电性连接，第二二极管D2的阳极与连接器CN1的零线N(从连接器CN1的接口2引出)电性连接，第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阴极同时与光电耦合器的原边IC1：A的阳极1电性连接，光电耦合器的原边IC1：A的阴极2与限流单元的第一端电性连接，限流单元的第二端与地线(与连接器CN1的接口1连接)电性连接。而连接器CN1通常为最常用的连接市电电网的单相三线制的插座即可，但不限于此，只要是能提供单相三线制电源的装置都可以。通常输入的交流电压为90-264伏。
当然如前所述，此时连接器CN1的火线L、零线N也与用电设备的主电路电性连接。
下面对图2A所示的地线检测电路的中的接地检测回路工作原理进行具体说明。
当用电设备接地线PE时，输入交流电压火线L经第一二极管D1、光电耦合器原边IC1：A、限流单元及地线PE，或输入交流电压零线N经第二二极管D2、光电耦合器原边IC1：A、限流单元及地线PE构成闭合回路，光电耦合器原边IC1：A有电流流通，此时光电耦合器原边IC1：A即发光二极管因为有电流流通而发光。而当用电设备不接地线PE时，二极管及光电耦合器原边IC1：A没有闭合回路，光电耦合器原边IC1：A无电流流通，此时光电耦合器原边IC1：A即发光二极管因为没有电流流通而不会发光。。
图2B示出根据本发明另一示例实施方式的地线检测电路的接地检测回路图。
图2B的实施方式较图2A的实施方式少了第二二极管D2。由于电网始端即零线N与地线PE是短接在一起的，所以在接线正确的情况下图2A的实施方式的第二二极管D2实际上已被短路。所以，只有L与PE存在压差，能够构成闭合回路。
所以图2B的实施方式在实际使用时必须确保L、N没有接反；而图2A的实施方式使用灵活些，不必在意L、N是否接反。
下面结合图3-4对本发明一示例实施方式的地线检测电路的接地检测回路的限流单元的实例进行具体说明。
图3示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的接地检测回路的一限流单元实例图。
如图3所示，限流单元为电阻R1，R1并不限于单个电阻可表示几颗电阻串联，采用MΩ级电阻以限制回路电流为uA级，但不限于此，可以根据需要选择电阻(电流)大小。在一实施例中，根据医疗器材电性安规IEC 60601，回路电流不超过5000uA。
当用电设备接地线PE时，输入交流电压火线L经第一二极管D1、光电耦合器原边IC1：A、及地线PE，或输入交流电压零线N经第二二极管D2、光电耦合器原边IC1：A、电阻R1及地线P构成闭合回路，光电耦合器原边IC1：A有uA级电流流通，此时光电耦合器原边IC1：A即发光二极管因为有电流流通而发光。而当用电设备不接地线PE时，二极管、光电耦合器原边IC1：A及电阻R1没有闭合回路，光电耦合器原边IC1：A无电流流通，此时光电耦合器原边IC1：A即发光二极管因为没有电流流通而不会发光。
图4示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的接地检测回路的另一限流单元实例图。
如图4所示，限流单元为瞬态抑制二极管(TVS管)TVS1，可以是一个或几个串联。
当用电设备接地线PE时，输入交流电压火线L经第一二极管D1、光电耦合器原边IC1：A、瞬态抑制二极管TVS1及地线PE，或输入交流电压零线N经第二二极管D2、光电耦合器原边IC1：A、瞬态抑制二极管TVS1及地线P构成闭合回路，光电耦合器原边IC1：A有uA级电流流通，此时光电耦合器原边IC1：A即发光二极管因为有电流流通而发光。而当用电设备不接地线PE时，二极管、光电耦合器原边IC1：A及瞬态抑制二极管TVS1没有闭合回路，光电耦合器原边IC1：A无电流流通，此时光电耦合器原边IC1：A即发光二极管因为没有电流流通而不会发光。
图5示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的采样控制回路图。
如图5所示，地线检测电路中的采样控制回路由供电电源VCC、光电耦合器的副边IC1：B(也就是通常所说的光敏三极管)、采样电阻R2组成。
其中供电电源VCC与光电耦合器副边IC1：B的集电极4电性连接，光电耦合器副边IC1：B的发射极3与采样电阻R2的第一端电性连接。
采样控制回路的工作原理如下：利用光电耦合器的隔离作用，对接地检测回路的电流进行隔离，也就是说光电耦合器的副边IC1：B(也就是通常所说的光敏三极管)接收光电耦合器原边IC1：A即发光二极管发出的光而产生电流，并经采样电阻R2转换成易于读取的电压信号。将此电压信号送入后级监测或控制回路，可实现报警、切断运行等保护功能。
采样电阻R2上采样的电压信号VR2可由下面公式得到：
VR2＝IuA*CTR*R2
其中，IuA为流经光电耦合器原边IC1：A的电流，CTR为电流传输比。采样电阻R2通常选为MΩ级，因此采样到的电压信号VR2通常为几伏，一般不超过5伏。
据本发明的一实施方式，所述采样控制回路还包括与采样电阻R2并联的电容C1。
根据本发明的一实施方式，所述采样控制回路还包括接收所述采样电压的后级监测控制回路，所述后级监测控制回路用于实现保护功能，所述保护功能包括：报警、切断用电设备运行等。
下面结合图6对本发明一示例实施方式的地线检测电路的采样控制回路的实例进行具体说明。
图6示出根据本发明一示例实施方式的地线检测电路的采样控制回路实例图。
如图6所示，地线检测电路的采样控制回路中的后级监测控制回路采用微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)MCU。
将采样电阻R2上采样的电压送入微控制单元MCU的模数转换口A/D口，进行模数转换，并与内部预设基准进行比较。若低于预设基准，则微控制单元MCU发出报警信号或直接切断运行。若高于预设基准，则表示地线连接正常。
根据本发明的一实施方式，所述用电设备为氢气发生器。比如医疗用的氢气发生器，如果没有接地，静电产生的能量由于没有回路泄放有可能产生电火花导致氢气的爆炸，因此更需要本发明提出的地线检测电路在氢气发生器不接地时能发出警报甚至直接切断运行以避免因人工反应的不及时而发生的危险。
通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本发明实施例的系统和方法具有以下优点中的一个或多个。
根据本发明的一些实施方式，利用接地检测回路检测回路电流，利用采样控制回路将接地检测回路检测到的电流隔离并转换为采样电压，通过采样电压能实现对设备接地与否进行实时监测，并据此进行报警、切断用电设备运行，从而可以提高电气设备的使用安全性。
根据本发明的另一些实施方式，接地检测回路还包括电性连接于光电耦合器原边阴极与地线之间的限流单元，使得接地检测回路检测到的电流为uA级，从而可以在提高电气设备的使用安全性的同时，也保证了地线检测电路的安全性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (11)

1.一种地线检测电路，用于实时监测用电设备接地与否，所述地线检测电路包括：接地检测回路和采样控制回路，其中，
接地检测回路与单相三线制的火线、零线和地线电性连接，所述火线、零线与用电设备的主电路电性连接；
采样控制回路用于将接地检测回路检测到的电流隔离并转换为采样电压。
2.如权利要求1所述的地线检测电路，所述接地检测回路包括：第一至第二二极管、限流单元和光电耦合器原边，其中
第一二极管阳极与火线电性连接，第二二极管阳极与零线电性连接，第一至第二二极管的阴极与光电耦合器原边阳极电性连接，光电耦合器原边阴极与限流单元的第一端电性连接，限流单元的第二端与地线电性连接。
3.如权利要求1所述的地线检测电路，所述接地检测回路包括：第一二极管、限流单元和光电耦合器原边，其中
第一二极管阳极与火线电性连接，第一二极管阴极与光电耦合器原边阳极电性连接，光电耦合器原边阴极与限流单元的第一端电性连接，限流单元的第二端与地线电性连接。
4.如权利要求2或3所述的地线检测电路，所述采样控制回路包括：供电电源、光电耦合器副边、采样电阻，其中
供电电源与光电耦合器副边集电极电性连接，光电耦合器副边发射电极与采样电阻第一端电性连接。
5.如权利要求2或3所述的地线检测电路，其特征在于，所述限流单元为电阻或瞬态抑制二极管。
6.如权利要求2或3所述的地线检测电路，其特征在于，所述接地检测回路检测到的电流为微安级。
7.如权利要求6所述的地线检测电路，其特征在于，所述接地检测回路检测到的电流不超过5000微安。
8.如权利要求4所述的地线检测电路，其特征在于，所述采样控制回路还包括与采样电阻并联的电容。
9.如权利要求8所述的地线检测电路，其特征在于，所述采样控制回路还包括接收所述采样电压的后级监测控制回路，所述后级监测控制回路用于实现保护功能，所述保护功能包括：报警、切断用电设备运行。
10.如权利要求9所述的地线检测电路，其特征在于，所述后级监测控制回路为微控制单元。
11.如权利要求1所述的地线检测电路，其特征在于，所述用电设备为氢气发生器。
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