CN1143334C - 具有有源的接地故障断开的电测仪器 - Google Patents

Abstract

一种低成本的可替换的产品，用于检测和自动响应接地故障。一个无源的保护PTC电阻器与一个有源的保护开关串联耦合，有源的保护开关是由一个控制电路控制的，以便在检测到在通道之一中有过大电流流动时打开这个开关。描述了浮动和接地的产品变型。

Description

具有有源的接地故障断开的电测仪器

技术领域

本发明涉及一种电路，所说电路对于电子仪器中可能损坏测试电路或者伤害操作人员的接地故障电流提供保护。更具体地说涉及提供多级保护的此类电路。

背景技术

使用正温度系数(PTC)电路元件和机械式继电器及开关，已经完成了在存在潜在的危险性的或伤害性的故障接地电流的情况下用于操作人员和测试电路保护的现有的设计。虽然这种保护通过限制极大的电流可以防止火灾和爆炸，但它们不能足够快地响应能量的临界量或瞬变量，不能在所有情况下完全保护操作人员的安全和测试电路。

现在参照图1A，虽然“浮动“(不接地)操作相当简单并且便宜，但在故障条件下，从一个相当小的电压就可以产生极大的电流流动，这是因为从一个公共(接地)探针到另一个探针的阻抗极低的缘故。一旦仪器“浮动“，偶然连接一个公共端到高压的错误就可能使所有的其它的露在外边的公共端都意外地“发热“，不管是操作人员还是测试电路都有潜在的危险。

即使用户通过接触意外“发热“的引线或仪器的露在外边的浮动区没有受到震动，连接第二个公共端到大地的接地点，可能引起爆炸似的吓人的闪光和电弧。用户可能被烧伤，或者引起二次伤害，即由未曾预料到的突然的爆炸性的大电流流动产生的惊吓的反应。

向一般情况下接近零伏的用户电路部分引入一个未曾料到的高压也可能伤害测试电路。即使这种接触是偶然发生的，对于测试电路的未加保护的元件来说，效果也可能是灾难性的。即使跌落或拖拉这个浮动“发热“的公共线使其与另一个电路元件接触，也可能产生未曾料到的结果：用户电路产生了永久性的损坏。非浮动的大地接地的操作，仍旧可能导致不幸的令人惊奇的结果，影响操作人员的安全和测试电路的整个元件。

下面参照图1B，通过接入一个与接地路径串联连接的PTC电阻器来保护公共引线，使其不得超过瞬时限制电压。现在，未曾预料的电流浪涌提高了PTC电阻器的电阻，并且极大的限制了可能流过的最大电流，至少对于任何明显的时间长度是这样的。这个电路仍旧是十分简单的，但它还是能够防止先前讨论过的现有技术电路产生电弧和爆炸。若给这个电路提供二级保护，则要求：采取其它步骤限制所有的仪器公共端暴露到突然的和未曾预料的电流。探针必须是特殊绝缘的。这实现真正的双隔离，还必须保护所有的其它的输入/输出功能部件和外露的导线不要受到未曾预料的高压的作用。

这里参照引用的授予Howell的美国专利第4583146号“故障电流断路器“公开了一种故障电流断路器，它是通过并联连接一个PTC电阻器和一个电压相关电阻器实现的，电压相关电阻器跨接在一对机械式触点的两端，从而允许在触点分开期间流动的电流中断而不产生电弧。对于PTC电阻器进行选择，使其在室温时有一个相当低的电阻值，并且在较高的温度有一个明显较高的电阻值。这就允许电流从触点经PTC电阻器流走，直到电压相关电阻器两端的电压使这个电压相关电阻器变为导通，并因此从PTC电阻器流走电流。

这里参照引用的授予Horsma等人的美国专利第4967176号“PTC电路保护器件的组件“公开了一种器件组件，其中串联连接多个PTC电路保护器件。这种类型的组件在提供单个器件不够用的情况下的保护方面是有用的。在一个优选的系统中，器械组件与一个电路断路器串联连接。

这里参照引用了授予Miller等人的美国专利第5644461号“高压直流电流限幅器“。这个专利描述了一个电流限幅器，用于保护一个电路，它的预定驱动电压不得超过50伏。多个PTC电阻器串联连接，一个齐纳二极管与每个PTC电阻器并联连接。所有的PTC电阻器加在一起，并且所有的齐纳二极管加在一起，有一个电压范围，这个电压范围大于这个预定的驱动电压。

这里参照引用的授予Duffy等人的美国专利第5864458号“包括PTC器件和开关的组合的过流保护电路“公开了一种电流保护安排，在正常电路操作中PTC器件转接电压和电流，其中，机械开关和PTC器件的电压和/或电流额定值比这个电路的正常操作电压和电流小得多。和在这种电路要求的机械开关和PTC器件相比，这一特征允许使用较小的和较便宜的机械开关和PTC器件。开关和PTC器件的这种安排还允许PTC器件限制通过电路的故障电流的幅度。

这里参照引用的授予Harnden的美国专利第4068281号“热响应金属氧化物可变电阻器瞬时抑制电路“公开了一种温度响应电阻器，这个电阻器热连接到金属氧化物可变电阻器材料的主体上，用于瞬时抑制和其它应用。一旦变电阻器的能量消耗过大，热响应电阻器的温度升高，向可控硅开关或其它可以用来提供报警的类似电子开关提供一个触发信号，使可变电阻器主体更加冷却，改变或限制自可变电阻器的电流流动。可以从金属氧化物可变电阻器的第三端提供穿过温度响应电阻器的电流流动。在这种情况下，电路响应于可变电阻器中的总能量消耗和峰值能量消耗水平。

这里参照引用了授予Bacon等人的美国专利第5379176号“仪器的输入保护电路“。这个专利描述了一种用于多功能测量仪的输入端的保护电路，它设有串联连接的热敏电阻，热敏电阻部分地由一个可变电阻器分流，借此使过载的电压在热敏电阻之间分配，可以对较高的电压电平进行保护。并联连接的可变电阻器主要对瞬时过载电压进行保护，并且热耦合到上述的热敏电阻上，使热敏电阻能更加迅速地到达它的高阻值条件，从而避免了对于可变电阻器的损坏，并且可提供连续的保护。

这里参照引用的授予Gambill等人的美国专利第5250893号“数字电压表“描述了一种电压测量仪器，它一般来说包括耦合到输入探针的信号调节电路，用于对过压进行保护并且处理输入电压信号。一个VAC/VDC控制电路确定是存在交流电压还是存在直流电压，并且还能可靠地表示在测试电路中什么时候不存在电压。这个发明的测量电路借此可以自动地确定对于测试电路中存在的电压的类型是正确的操作方式，从而可以不再需要用户选择操作参数，并且可以消除可能的误差。此外，这个测量电路适于针对测量的电压自动地产生一个正确的基准电压，仍旧是不需要用户选择电压范围。一个电源监测电路适于在以预定的时间长度过后自动地关闭测量仪器，并且一旦可利用的电池功率下降到低于一个指定的水平时将自动地关闭电源。

这里参照引用的授予Gross的美国专利第4031431号“接地故障电路断路器“公开了一种仪器，它包括极性检测装置和一个开关，例如可控硅开关，用于为一个电负荷(如一个手持式设备)提供接地故障电路断路器系统。可控硅开关在一个完整的电路中与电负荷相连，并且与一个交流电压源的电网火线串联地可靠定位。

这里参照引用的授予Shimp的美国专利第3959695号“具有接地故障的断路控制的电路断路器“描述了一种电路断路器，它具有一个相关的控制系统，这个控制系统检测过载电流，或接地故障电流，并且引起电路断路器的适当断路。从故障电流本身导出使电路断路器在标称故障条件下开路所需的断路能量。此外，从接地故障电流导出由于接地故障条件使电路断路器开路的断路能量。

这里参照引用了授予Bowling等人的美国专利第4109226号“具有复位机构的断路开关“。这个专利描述了一种断路开关或者热线继电器，它在一个至负荷(例如一个电灶，)的电源电路中和一个接地故障电路断路器一起使用，对于这个电灶的任何电路提供接地故障保护。这个开关具有常闭的开关触点，一个偏置的致动器短路插棒，和一个可调节的热线，用于在电路过载时释放闩锁并因此释放这个短路插棒。这个开关的短路插棒可以手动地从远端位置复位。这个复位机构具有一个抗松脱特性，防止操作人员在电路存在故障时夹紧已经断开的触点。

这里参照引用了授予Kato等人的美国专利第5637990号“高速大电流电源控制设备“。它公开了一种电源控制设备，用于保护电流不受过大电流的作用，特别是保护电路不受由电流的极性变化引起的大的快速瞬时脉冲的作用。在电源和负载之间至少串联连接或并联连接两个开关器件。响应于过大电流的检测，产生一个选通信号，从而将开关器件从导通状态改变到非导通状态。将选通信号延迟一个预定的时间周期，以便在所有的开关器件都饱和后把开关器件改变成非导通状态，从而消除了电流极性的快速转变。

这里参照引用的授予Tate等人的美国专利第4375660号“具有保护电路的接地隔离监测设备“描述了一种具有保护电路的接地隔离监测设备，用有交流电源和一个应用设备(如电子仪器)之间。保护电路允许应用设备在大地的接地断开的情况下进行操作，如果在设备的外壳或外露金属部分上出现有伤害性的电压或电流，可以自动地断开大地的接地。如果大地的接地开路，或者，如果它的阻抗增大，这个保护电路还要监测中性点-大地接地的连续性，并且将交流电源分流到应用设备。还可以提供各种其它功能以保证设备的安全操作。

这里参照引用了授予Hughes等人的美国专利第4087846号“保护电路设备“。这个专利描述了一个保护电路，当检测到一个预定的条件时，例如，在接地线中的电流超过了预定的水平时，或者在电源中或在热线上的电流超过预定的水平时，断开流向电设备的电源电流。在一个优选实施例中，检测接地线中过大电流的电路或检查数字热线中过大电流的电路与一个2线变3线的变换器电路串联连接，这个变换器电路可以保证和一个电能源的正确连接。

工业安全要求规定：一个“浮动“仪器应该有“双重隔离“，或者至少有一个装置可以限制可能使操作人员受到冲击伤害的故障电流。这就意味着，从内部的金属部件到外部表面或者到“标准手指“能够接触到的任何地方的分开的所有距离都要大于一个额定值。不同的额定值确定了哪一个分开的距离是合适的。一般来说，具有单个沟道和双层绝缘就不再需要多余的(内部)保护了，因为和任何允许的电压进行单个连接将简单地浮动整个仪器的内部到这个电位。这是足够安全的，这是因为，即使探针公共端错误地连接到高压，也没有任何电流可以流到用户的外露金属。

一个竞争对手的产品采用了图1B所示的处理方法。它使用了一个与公共引线串联连接的PTC电阻器。这种处理方法可以解决火灾问题，因为PTC电阻器加热足够快，并且在存在严重的公共电流的情况下可以剧烈地改变阻值。增加电阻值，将限制引起故障期间测试电路损坏或仪器损坏的可以得到的电流和能量。不幸的是，由这种技术提供的能量限值不是足够地低，不能在所有的条件下保证人员和设备的安全。通过使用特殊的探针可以寻找出现这种条件的位置，所说的探针具有额外的绝缘塑料，屏蔽用户不和接地夹的金属接触，并且规定使用单个接地线系统。如果用户恢复使用没有额外绝缘的探针，并且如果这个探针错误地连接到升高的电压上，则伤害是可能存在的。

全隔离技术可提供优秀的安全特性，但实施起来一般来说是很昂贵的。对于全隔离，每个通道都有某种形式的电隔离，这就是说，没有任何一个导体会直接捆绑输入级到仪器的“核心部件“。相反，信号从一个部分传送到另一部分都是经过磁耦合或光耦合，或者经过它们的组合。

全隔离技术有两个优点。一是完全没有直流泄漏，只有极小的交流泄漏。就没有直流泄漏路径而论，不管用户对于输入探针做了什么，都根本不存在电流流动的任何路径。交流泄漏是极小的，其原因只是耦合隔离的输入级到仪器的核心部件以及再回到其它的单个隔离通道的寄生电容。还有，对于全隔离，每个通道仍旧可以进行正常的和准确的测量，和探针接地夹之间的任何差别无关(至少在隔离设备击穿限值之前是这样的)。

当然，这些优点是有价值的。许多特别的部件一般都需要实现全隔离。并且，需要电隔离的光学的和磁的部件也有变得相当昂贵的趋势。然而，为了覆盖需要隔离的振荡器的频率范围，一般采取光和磁耦合的组合以覆盖频谱。(从直流到到几个兆赫兹光耦合是有效的，而磁耦合可以覆盖的频率从几百千赫兹到几百兆赫兹。)

在现有技术THS7X0系列的隔离的观测设备的情况下，有一个专利保护的电路，这个电路可以一齐进行光和磁的耦合，从而产生从直流到200兆赫兹的平直的不间断的频谱。这里参照引用了授予Barker等人的美国专利第5517154号“分裂路径线性隔离电路的设备和方法“。这个专利描述了一个分裂路径隔离放大器，这个放大器在高频路径中使用一个变压器，在低频路径中使用一个单输入、双输出的闭合回路光耦合器。这就实现了平直的宽频率响应，不需要频率补偿调节。

在低频路径中，光耦合器提供所有的或者绝大多数的到输出端的信号。隔离放大器利用了明显重叠的交叉频率区，其中的高路径信号加到变压器的初级绕组，低路径信号按差分方式加到变压器的次级绕组。在低于交叉频率范围的频率，来自光耦合器的信号占优势，因为从初级绕组耦合的信号发生了衰落。在高于交叉频率范围，从初级绕组耦合的信号占优势，因为从初级绕组耦合的信号发生了滚降。在交叉频率范围内的那些频率，由变压器的初级绕组和次级绕组产生的磁通分量共同发生作用，提供具有平直频率响应的一个组合的输出信号。唯一需要调节的是匹配低通道的增益和高通道的增益并且补偿低通道的任何偏差。

除了这些相当昂贵的磁和光部件以外，此外还需要电源隔离。简单地隔离信号路径是不够的，因为如果这些通道共享相同的电源，这些通道相互之间实际上是不能隔离的。因此，必须有这样的电路，它可以把电源通到各个通道。需要一个转接调节器电路以产生通到每个通道的电源变压器的交流，并且将这个交流转换回去，到每个通道上的一个精细调节的电源。全隔离的部件的总成本是相当高的。

当前所需要的是一个公共端(接地)系统，这个系统对于有损伤的和有危险的故障有双重保护，并且它是由相当便宜的部件构成的。

发明内容

本发明提供冗余的电安全性和相对于全隔离技术的低得多的部件成本。这个电路检测在任何公共路径上的过多电流，即超过预定安全水平的电流，并且当检测的这些公共路径的任何一个的电流太大时自动地打开固体开关，以断开所有的公共路径。一个正温度系数(PTC)电阻元件与每个固体开关串联连接，可提供自动的冗余保护。

本发明提供了一种具有至少一个通道的电测仪器，这个通道具有一个信号路径和一个公共路径，这个公共路径包括：

无源的保护装置；

有源的保护装置，有源的保护装置与无源的保护装置串联设置；和

控制装置，该控制装置具有电压检测装置和控制电路，用于监视通过接地路径的电流流动，并且在检测到在公共路径中有过大电流时激励有源的保护装置，电压检测装置包括一个电阻器，控制电路有一个检测输入节点和一个控制输出节点，对检测输入节点进行耦合以响应于电压检测装置的输出节点，并且对控制输出节点进行耦合以便按照在检测输入节点存在的电压控制有源的保护装置。

附图说明

图1A和1B是现有技术的两个电路的示意图。图1A表示在通道地和仪器地之间直接连接的一个电路。图1B表示通道的公共端通过PTC器件耦合到一个被保护的仪器地的电路。

图2是按照本发明的一个电路的示意图，通过与PTC器件串联连接的固体开关提供特别的保护，这些开关是由电流检测和控制电路控制的。

图3是按照本发明的另一个电路的详细示意图。这个图以它特有的详细说明了电流检测和开关控制是如何实施的。

图4A和4B表示具有大量通道的本发明的电路型式，所有的通道都由在任何一个通道中检测的过大电流断开。

图5按照本发明的一个电路的示意图，其中的控制反馈是经过非电隔离装置传递的。

具体实施方式

图2是按照本发明的一个电路的示意图，通过与器件PTC1和PTC2串联连接的固体开关Q1和Q2提供特别的保护，电流检测和控制电路10具有来自于每个通道的公共端的检测输入端。当检测到一个接地电流故障时，电路10操作开关控制信号打开Q1和Q2。相同的BNC通用连接器通过一对低阻抗路径还耦合到仪器的内部地，其中一个低阻抗路径包括串联连接的元件PTC1和Q1，另一个低阻抗路径包括串联连接的元件PTC2和Q2。通过Q1和Q2的连通是由电流检测和开关控制电路10的开关控制输出控制的。在正常操作中，两个晶体管是导通的，以提供低阻抗直流接地路径。

图3是按照本发明的另一个电路的详细示意图。这个图说明了电流检测和开关控制是如何实施的。BNC通用连接分别通过高频旁路电容器C1和C2耦合到仪器的内部地。相同的BNC接地连接还通过一对低阻抗路径还耦合到仪器的内部地，其中一个低阻抗路径包括串联连接的元件PTC1和Q1，另一个低阻抗路径包括串联连接的元件PTC2和Q2。通过Q1和Q2的连通是由U2的/Q输出控制的，并且在正常操作中，两个晶体管是导通的，以提供低阻抗直流路径。

虽然U2的/Q输出控制晶体管Q1和Q2，但U2的Q输出却用于交换控制电路状态。高电平输出表示安全电路已经断路，即公共端引线断开。低电平输出表示：允许安全电路操作，即在正常方式操作。向U2的CLR输入通过重新连接通道和仪器的地响应于一个有效低电平信号。U2通过U1的输出计时，当它从低到高过渡时，已经检测到一个接地故障。U2的Q输出然后变高，同时U2的/Q输出变低。

由于在BNC连接器外露公共端的两端电压电位升高，所以在PTC1两端产生电压，并且在PTC2两端产生相反的电压。这个电压分别通过限流电阻器R1和R2耦合到D1和D2，然后通过D1和D2将这些电阻器的输出节点耦合到检测电路输入端。取决于外露的BNC通用连接器两端的电压的极性，二极管D1和D2中的一个或另一个变为正向偏置，并且向C3的上端施加一个电压。这个电压和Tt进行比较，当二极管耦合的电压大于Tt时，U1的输出进行从低到高的过渡变化。

当C3上的电压大于Tt时，Tt即由分压器R5和R6设定的电压，U1的输出从低到高的过渡变化，给U2计时。由于U2的D输出连接到一个正电压，定时信号输入端使U2置位，产生一个高Q输出和一个低/Q输出。U2的低/Q输出使Q1和Q2断开，有效地断开了外露连接器和仪器内部地之间的路径。

一旦断开U2将要通过外露的接地连接器的唯一的直流是由R1或R3限制的电流。交流仍旧有一个通过C1和C2的路径，但对于大多数有潜在危险的电压的应用来说，它的频率是足够低的，因而穿过C1和C2的电流不会引起伤害。对于电容器C1和C2进行选择，使其电容值最小，这个电容最小值是在加入设备的信号输入路径的快速上升阶跃电压期间维持信号整体性所要求的。这样，就可以维持瞬变响应，使的不会因在接地节点中插入了电阻而使信号路径(一个或多个)的效果变差。旁路电容器C1和C2还为静电放电产生一个路径，用于保护开关Q1和Q2以及系统的整体。

电容器C3过滤电噪声和尖峰信号，它的数值在防止有效接地断路电路的虚假(有害)断开当中是很重要的。企图应用的场合以及限流电阻R1和R2确定了适宜的电容数值。

进一步参照附图3，部件C1、C2、R1、R3、Q1、Q2、PTC1、和PTC2的值必须全都适合于最大的期望峰值故障电压。U1和U2以及它们的相关电路只是实施检测和控制电路10的一种形式，但不是唯一的形式。用分立的晶体管可以实现相同的功能，并且通过几乎是任何类型的微处理器或简单的逻辑都可以提供这种控制。Q1和Q2在这个例子中是具有逻辑值选通阈值的加强型MOS场效应晶体管。PTC电阻器在它们的(正常)冷状态一般是从500欧姆到1千欧姆。R1和R3的阻值是根据在断路条件下期望的最大直流泄漏电流确定的。

PTC电阻器的功能主要是用作在控制电路或开关失效的情况下的一个冗余保护阻抗。由于UL和CSA是国际上公认的安全测试组织，它们已经同意将只使用PTC电阻器的测量设备用作保护，为了信号的整体性可以具有旁路电容器，所以任何控制电路或开关设备的故障在最坏的情况下将恢复到已认同的保护水平。

如果经过足够长的公共引线施加一个接地故障电位使其穿过短干扰脉冲滤波器R1或R3/C3并且引发一个断路条件，则需要用于复位这个系统的装置。安全证书要求：由用户明确确认这个故障，随后进行手动复位，而后用户才能着手进行下一步测量。这一部分可由设备的用户接口通过使用显示屏上的信息去完成，所说的显示屏上的信息指示用户为完成AGD系统或具有相关的复位按钮(很像可复原的熔断器)的某些断路指示器设备的复位操作需要作什么。在图3所示的实施方案中，微处理器监视U2的状态输出，并且，当已经采取了正确的用户行动时，程序可以使CLR线脉动变低，从而使接地路径重新连接。当加到测量仪器上的电源断开时，在Q1和Q2上的选通电压下降到0，从根本上断开公共(接地)路径，使其在所有的条件下都是安全的。

现在参照附图4，可以将本发明的相同的一般原理应用到多个通道环境。如在这个图的底部看见的，通过R3...Rn可以监视附加的晶体管开关组如Q3...Qn以及PTC电阻器组如PTC3...PTCn的在Q3/PTC3...Qn/PTCn两端的电压降。对于其它外露的浮动导电节点，也可以使用和这里对于外露的通用连接器使用的相同的基本原理，借此改进了设备的安全性和可靠性。

现在参照附图5，这个电路的操作很像图3所示的电路，只是光隔离器PV1将控制信号反向耦合到固体开关Q1、Q2、Q3、Q4，这些开关现在是成对出现的。二极管D1和D2现在每一个都是一对二极管。在这个例中，每个光隔离器支持两个通道的控制。

虽然已经表示和描述了本发明的优选实施例，但对于本领域的普通技术人员显而易见的是，在广义方面不偏离本申请的情况下，还可以进行许多变化和改进。因此后附的权利要求书旨在涵盖本申请被授予专利的国家的专利法能够允许的所有此类变化和改进。

Claims (8)

1、一种具有至少一个通道的电测仪器，这个通道具有一个信号路径和一个公共路径，这个公共路径包括：

无源的保护装置；

有源的保护装置，有源的保护装置与无源的保护装置串联设置；和

控制装置，该控制装置具有电压检测装置和控制电路，用于监视通过接地路径的电流流动，并且在检测到在公共路径中有过大电流时激励有源的保护装置，电压检测装置包括一个电阻器，控制电路有一个检测输入节点和一个控制输出节点，对检测输入节点进行耦合以响应于电压检测装置的输出节点，并且对控制输出节点进行耦合以便按照在检测输入节点存在的电压控制有源的保护装置。

2、权利要求1的电测仪器，其特征在于；无源的保护装置包括一个PTC电阻器。

3、权利要求1的电测仪器，其特征在于；无源的保护装置包括一个PTC热敏电阻器。

4、权利要求1的电测仪器，其特征在于：有源的保护装置包括一个电子开关，在检测到在公共路径中有过大的电流时这个电子开关打开。

5、权利要求1的电测仪器，其特征在于：这个仪器是电隔离的和“浮动“的。

6、权利要求1的电测仪器，其特征在于：无源的保护装置包括一个PTC电阻器。

7、权利要求1的电测仪器，其特征在于：有源的保护装置包括一个电子开关，在检测到在公共路径中有过大的电流时这个电子开关打开。

8、权利要求1的电测仪器，其特征在于控制装置包括：

电压检测装置，包括一个电阻器，用作限流阻抗；和

控制电路，所说控制电路有一个检测输入节点和一个控制输出节点，对检测输入节点进行耦合以响应于电压检测装置的输出节点，并且对控制输出节点进行耦合以便按照在检测输入节点存在的电压控制有源的保护装置。

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