CN206712459U - 电气安全装置和用于电气安全装置的控制电路 - Google Patents

电气安全装置和用于电气安全装置的控制电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及电气安全装置和用于电气安全装置的控制电路。提出了提供线路和负载连接对的接线错误的检测的电气安全装置的各方面。控制电路包括用于激活测试控制输出以使得在通电电流路径和中性电流路径中的一个上通过差动电流检测器的电流的至少一部分规避所述差动电流检测器、将感测信号与阈值数值相比较、以及响应于感测信号未超过阈值数值而激活断续器输出以使得通电电流路径和中性电流路径中的至少一个被中断的电路，还包括：电源输入，用于接收用于所述控制电路的电力；差动电流检测器输入，与差动电流检测器耦接，以接收指示在通电电流路径和中性电流路径上通过所述差动电流检测器的电流的量的感测信号，测试控制输出；以及断续器输出。

Description

电气安全装置和用于电气安全装置的控制电路
技术领域
本公开的各方面一般地涉及电路，并且更具体地涉及用于电气安全装置的接线错误检测。
背景技术
多年来，接地故障电路断续器(GFCI)已经在私人住宅、企业及其它结构的配电系统中在防止用户在许多情况下经历电击方面起到重要作用。通常，GFCI在电力插座内实现并通过响应于在插座处检测的可指示“接地故障”的在通电或“热”电流路径和中性电流路径上载送的电流方面的小的差异而在插座的插座连接对处将电力断开连接来执行其功能，其中，至少某些电流被无意中从通电或中性电流路径引导至地线。通常，此类检测是使用电流变压器执行的，通过该电流变压器在GFCI内敷设通电和中性路径。另外，GFCI还可向同一电路上的一个或多个附加插座提供电力。
为了适当地执行其功能，GFCI插座通常提供用于从配电板的断路器接收到的通电和中性线的线路连接对，并且除插座连接对之外，还为用于同一电路的一个或多个附加插座的通电和中性线提供负载连接对，使得GFCI可将插座连接对和负载连接对两者从线路连接对断开连接。
一般而言，其中来自断路器面板的通电和中性导线被错误地耦接到负载连接对的通电和中性线、并且被连接到其它电力插座的通电和中性导线被连接到线路连接对的GFCI的接线错误是再常见不过的事件。在此类接线错误的情况下，大多数GFCI不能检测到GFCI插座连接对处的接地故障，因为电流变压器并未位于负载连接对与插座连接对之间，并且因此不能在该点处检测到通电和中性电流路径中的结果产生的电流差异。
另外，诸如电弧故障电路断续器(AFCI)之类的其它电气安全装置也可能易发生类似的接线错误问题。
实用新型内容
根据本实用新型的一个方面，提供一种用于电气安全装置的控制电路，所述控制电路包括用于激活测试控制输出以使得在通电电流路径和中性电流路径中的一个上通过差动电流检测器的电流的至少一部分规避所述差动电流检测器、在所述测试控制输出是活动的时将感测信号与阈值数值相比较、以及响应于所述感测信号未超过所述阈值数值而激活断续器输出以使得通电电流路径和中性电流路径中的至少一个被中断的电路，其特征在于，所述用于电气安全装置的控制电路还包括：电源输入，用于接收用于所述控制电路的电力；差动电流检测器输入，与差动电流检测器耦接，以接收感测信号，该感测信号指示在通电电流路径和中性电流路径上通过所述差动电流检测器的电流的量；测试控制输出；以及断续器输出。
在一个实施例中，所述电路进一步用于：响应于所述感测信号超过阈值数值而确定所述感测信号的极性；以及基于用于指示电力在所述电气安全装置的负载通电连接处被供应的感测信号的极性，来激活所述断续器输出。
在一个实施例中，所述控制电路还包括：过零检测器，用于检测跨沿着通电电流路径的点和沿着通电中性路径的点的交流AC电压的零电压交叉；其中，所述电路用于：响应于由所述过零检测器检测到的与所述AC电压的第一极性相对应的第一零电压交叉而激活所述测试控制输出；以及响应于所述感测信号超过阈值数值或由所述过零检测器检测到的紧接着在所述第一零电压交叉之后的第二零电压交叉而将所述测试控制输出去激活。
根据本实用新型的一个方面，提供一种电气安全装置，包括：用于将线路通电连接和负载通电连接耦接的通电电流路径；用于将线路中性连接和负载中性连接耦接的中性电流路径；所述通电电流路径和所述中性电流路径路由通过的差动电流检测器；可选择导电路径，当被选择时，用于当将线路通电连接中的一个到负载通电连接短路或将线路中性连接到负载中性连接短路时规避所述差动电流检测器；以及控制电路，用于：选择所述可选择导电路径；经由所述差动电流检测器当所述可选择导电路径被选择时确定由通电电流路径上的第一电流和中性电流路径上的第二电流之间的差定义的差动电流；以及响应于所述差动电流不超过阈值数值而中断所述通电电流路径和所述中性电流路径中的至少一个。
在一个实施例中，所述控制电路进一步用于：响应于所述差动电流超过阈值数值而确定所述差动电流的极性；以及基于用于指示电力在负载通电连接处被供应的差动电流的极性而中断通电电流路径和中性电流路径中的所述至少一个。
在一个实施例中，所述可选择导电路径包括处于导通状态的具有电阻的场效应晶体管(FET)，所述电阻近似等于通电电流路径和中性电流路径中的至少一个的电阻。
在一个实施例中，所述控制电路进一步用以提供跨通电电流路径和中性电流路径的电负载。
在一个实施例中，所述电气安全装置还包括：负载电路，被耦接在通电电流路径和中性电流路径之间，以响应于第一控制信号而提供电负载；其中，所述控制电路用以当所述可选择导电路径将线路通电连接耦接到负载通电连接或将线路中性连接耦接到负载中性连接时向所述负载电路提供第一控制信号。
在一个实施例中，所述控制电路包括用以检测跨沿着通电电流路径的点和沿着中性电流路径的点的AC电压的过零的过零检测器，并且其中，所述控制电路进一步用以：响应于与AC电压的第一极性相对应的所述AC电压的第一检测零交叉而选择所述可选择导电路径；以及响应于差动电流超过阈值数值或紧接着在所述第一检测零交叉之后的所述AC电压的第二检测零交叉而取消选择所述导电路径。
在一个实施例中，所述控制电路包括：差动电流检测器输入，要与所述差动电流检测器耦接，以接收用于指示差动电流的感测信号；测试控制输出，用于选择所述可选择导电路径；比较电路，用于当所述测试控制输出是活动的时将感测信号和阈值相比较；以及断续器输出，响应于感测信号不超过阈值而使得通电电流路径和中性电流路径中的至少一个被中断。
附图说明
在附图的被参考的各图中图示出示例性实施例。意图在于在本文中公开的实施例和各图被视为说明性而非限制性的。不同图中的相同附图标记的使用指示类似或相同的项目。
图1是采用接线错误检测的示例性电气安全装置的框图；
图2A是被正确地接线且未与负载耦接的示例性GFCI的框图；
图2B是被错误接线且未与负载耦接的图2A的示例性GFCI的框图；
图2C是被正确地接线且与负载耦接的图2A的示例性GFCI的框图；
图2D是被错误接线并与负载耦接的图2A的示例性GFCI的框图；
图3是可用作图2A至2D的GFCI中的可选择低欧姆路径的示例性开关电路；
图4是可用作图2A至2D中的GFCI中的可选择负载的示例性可选择负载；以及
图5是检测电气安全装置的接线错误的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本申请要求2014年10月26日提交且题为“Systems，Circuits，and Methods forDetection of Miswiring”的美国临时申请号62/068,743的优先权，其内容被整体地通过引用结合到本文中。
图1是采用接线错误检测的示例性电气安全装置100的框图。电气安装装置100可以是被配置成在电气安装装置100被连接或耦接到的电路或装置中有某些检测到的问题或异常的情况下保护人或财产的任何装置。在下面更详细地描述了其中的至少某些的某些实施例中，电气安全装置100可以是接地故障电路断续器(GFCI)。然而，多个其它类型的电气安全装置可充当图1的电气安全装置100，包括但不限于电弧故障电路断续器(AFCI)、浪涌保护装置(SPD)、暂态电压浪涌抑制器(TVSS)等以及组合装置，诸如组合GFCI/AFCI装置。在每个示例中，电气安全装置100被配置成检测电气安全装置100到其被安装到的电路的接线错误。例如，在本文所述的许多实施例中，电气安全装置100被配置成确定电气安全装置100的线路和负载连接是否被错误接线或交叉接线，这可防止电气安全装置100意图检测和/或缓解的一个或多个电路问题的检测。从在本文中阐述的讨论将认识到下面公开的各种实施例的这些及其它潜在优点。
如在图1中描绘的，电气安全装置100可提供线路连接对120、122，其包括线路“热”(或“通电”)连接120和线路中性连接122，并且还提供负载连接对130、132，其包括负载热(或通电)连接130和负载中性连接132。一般地，线路连接对120、122可被直接地连接到断路器嵌板或类似配电点，而负载连接对130、132可被耦接到一个或多个电力插座，装置可被用插头插入该电力插座中以接入电力。此外，通电或热连接120、130中的每一个可载送交流电(AC)源电压，其向消耗电力的装置提供电力，而中性连接122、132中的每一个可从装置向电力的供应者(诸如断路器嵌板)载送返回电流。另外，电气安全装置100可提供插座热或通电连接140和插座中性连接142的插座连接对140、142，使得一个或多个装置可直接地从充当电力插座的电气安全装置100接入电力。在其它示例中，电气安全装置100可被安装在作为电力插座不容易接入的位置上，诸如在断路器嵌板中，并且因此可不提供插座连接对140、142。
在至少某些示例中，电气安全装置100还可与线路连接对120、122、负载连接对130、132以及插座连接对140、142中的每一个相结合地提供接地，其可经由电气安全装置100或其被连接到的其它电力插座而被耦接到接入电力的装置的导电机架和/或其它部分。下面并未进一步讨论接地以简化和集中以下讨论。
如图1中所示，电气安全装置100可包括差动电流检测器102、控制电路104、可选择低欧姆或低电阻导电路径106以及可能的可选择负载108。电气安全装置100可包括其它部件，诸如一个或多个电阻器、电容器、电感器、可控硅整流器(SCR)、晶体管、输入按钮、输出部件(例如，一个或多个发光二极管(LED)、声音发生装置等)等以执行除接线错误检测之外的各种功能，但是在图1中并未明确地描绘。
可将差动电流检测器102配置成检测由活性或热电流路径(诸如线路通电连接120与负载通电连接130之间的路径)和中性电流路径(诸如线路中性连接122与负载中性连接132之间的路径)载送的电流差异。在GFCI的示例中，可将由通电电流路径和中性电流路径载送的电流之间的显著差异解释为在配电系统和被供应电力的电气装置外面的电流的不期望或危险的改向。结果，差动电流检测器102可被用来除接线错误检测之外还执行与电气安全装置100相关联的标准操作，诸如接地故障检测，同时差动电流检测器102在其它示例中可被具体地用于接线错误检测。如下面相对于图2A至2D所解释的，差动电流检测器102可包括电流变压器。
可选择低欧姆路径106可被配置成在被选择或激活时在规避差动电流检测器102载送否则将会在中性电流路径上载送的电流的至少一部分的同时，提供将线路中性连接122和负载中性连接132耦接的附加电流路径。在一个示例中，可选择低欧姆路径106可包括可经由由控制电路104发出的控制信号来选择的低欧姆开关部件。在其它示例中，可替代地将可选择低欧姆路径106配置成提供将线路通电连接120和负载通电连接130耦接的附加电流路径，如图1中所指示的。
除控制可选择低欧姆路径106的状态之外，控制电路104可被配置成经由差动电流检测器102来检测通电电流路径和中性电流路径上的电流差异(如果有的话)。在接线错误检测的一个示例中，虽然电气安全装置100被耦接到AC源电压，但没有负载被施加于电气安全装置100，控制电路104可选择或激活低欧姆路径106，并且在低欧姆路径106被选择或激活的时间期间，可检测在通电电流路径和中性电流路径上载送的电流差异是否存在或超过某个阈值数值。如下面相对于图2A至2D更详细地描述的，电流差异的不存在可指示接线错误状况，其中AC源电压跨负载通电连接130和负载中性连接132被施加，而不是跨线路通电连接120和线路中性连接122被施加。此外，如果诸如消耗电力的电气装置之类的负载被线路连接对120、122、负载连接对130、132或插座连接对140、142中的至少一个耦接到电气安全装置100，则控制电路104可检测到在通电电流路径和中性电流路径上载送的电流的差异的极性，并基于该极性来确定电气安全装置100是否已被错误接线。
另外，如果控制电路104确定电气安全装置100确实已被错误接线，则控制电路104可将AC电源的电力从可被耦接到电气安全装置100的一个或多个负载中断或断开连接，诸如以当检测到诸如接地故障或电弧故障之类的其它类型的电路问题时正常地所做的方式。例如，控制电路104可激活可控硅整流器(SCR)，其激励螺线管以打开通电电流路径和/或中性电流路径中的一个或多个开关(在图1中未明确地示出)，因此促进断开连接。在许多示例中，此类连接只能经由补救该问题(在这种情况下，修正电气安全装置100的接线错误)并重置开关(诸如经由在电气安全装置100上提供的用户可操作重置按钮)来恢复。另外，控制电路104响应于检测到接线错误状况而可采用音频发生装置(例如，扬声器)来提供状况的音频指示、采用光发生装置(例如，发光二极管(LED))来提供状况的视觉指示和/或采用通信接口来提供状况的通信网络上的消息通知。
为了检测经由差动电流检测器102的电流的差异，可在内部向电气安全装置100施加负载以补偿在外部施加于电气安全装置100的负载的缺失，通常是经由负载连接对130、132或插座连接对140、142。在某些示例中，控制电路104可从施加于电气安全装置100的AC电源电压吸取足够的电流，诸如经由位于差动电流检测器102的负载侧以充当此类负载的交流至直流(AC至DC)转换器(在图1中未明确地示出)。在其它示例中，电气安全装置100可包括位于差动电流检测器102的负载侧并被控制电路104控制的可选择负载108，如图1中所示，使得控制电路104可施加跨通电电流路径上的点和中性电流路径上的点的可选择负载108。在一个实施方式中，控制电路104可采用同一控制信号来选择或激活可选择低欧姆路径106和可选择负载108两者以执行接线错误检测。
在某些示例中，控制电路104可包括一个或多个模拟部件(例如，电阻器、电容器、电感器等)或与之耦接以检测和/或控制上述各种部件。并且，控制电路104可包括一个或多个数字部件(例如，逻辑门、计数器集成电路(IC)、数据锁存器和/或缓冲器等)或与之耦接以执行控制电路104所承担的任务中的一个或多个。在某些实施例中，控制电路104可包括微控制器或其它算法处理器，其可执行存储在数据存储器中的指令以执行本文所述的控制电路104的一个或多个任务或操作。
图2A至2D是处于与AC电源250和负载260的正确和不正确连接的各种状态的示例性GFCI 200的框图。在本示例中，AC电源250可以是110伏AC(VAC)，但在其它实施例中可由AC电源250来提供其它AC电压。如这些图中所示，GFCI 200可包括充当图1的差动电流检测器102的电流变压器(CT)202、充当图1的低欧姆路径106的开关206、以与图1的控制电路104类似的方式操作的控制电路204以及可能以与图1的可选择负载108类似的方式耦接在电流变压器202的负载侧的可选择负载208。此外，虽然开关206将线路中性连接122耦接到负载中性连接132，但在其它实施例中，开关206可替代地在规避电流变压器202的同时将线路通电连接120耦接到负载通电连接130，如上文结合图1的可选择低欧姆路径106所述。
一般地，电流变压器202包括磁芯，将线路通电连接120耦接到负载通电连接130的线路电流路径和将线路中性连接122和负载中性连接132耦接的中性电流路径经由通过该磁芯，以共同地充当用于电流变压器202的初级电路。电流变压器202的次级电路可采取绕着芯缠绕许多匝并被耦接到控制电路204的导体的形式。在通电电流路径和中性电流路径上载送的电流的差异在芯中产生磁通量，其又在次级电路中感生电流，缠绕导体的匝数确定在次级电路中载送的电流的量，因此将在线路电流路径和负载电流路径上载送的电流的差异的指示作为感测信号提供给控制电路204。
另外，GFCI 200可包括用户可操作重置按钮210，其被耦接到一组开关212以将负载连接对130、132和插座连接对140、142重新连接到线路连接对120、122，以在检测到接地故障或接线错误配置之后允许电流流过GFCI 200。在某些示例中，GFCI 200还可包括如同已经检测到电路问题一样迫使开关212进入打开状态的测试按钮(在图2A至2D中未描绘)。
图2A是被正确地接线到AC源250且并未与负载耦接的GFCI 200的框图。更具体地，AC源250被耦接到线路连接对120、122，并且没有元件被耦接到负载连接对130、132或插座连接对140、142。在本示例中，当控制电路204已经选择或激活开关206(以及可能可选择负载208)时，在返回电流路径上正常地载送的某些电流被通过开关206载送，导致通电电流路径上的电流Ih、通过开关206的电流Ig以及在返回电流路径上的电流Ih-Ig。假定通电电流路径和中性电流路径上的电流是相反方向的，通过电流变压器202的磁芯的总电流是两个电流之间的差或Ig。差电流在次级电路中感生感测电流或信号Is＝Ig/N，其中，N是围绕电流变压器202的芯的次级导体的匝数。因此，已检测到差电流或已经由比较电路检测到在某个阈值数值以上的差电流的控制电路204可推断出GFCI 200被正确地接线，并且因此可允许GFCI将AC源250耦接到负载连接对130、132和插座连接对140、142。此外，在正常操作条件下(例如，在开关206处于打开状态时)，控制电路204可监视差电流并在负载被耦接到负载连接对130、132和/或插座连接对140、142时响应于超过某个阈值的检测到的差电流(因此指示接地故障条件)而打开开关212中的一个或多个。
图2B是GFCI 200被错误接线至AC源250且未与负载耦接的GFCI 200的框图。更具体地，AC源250被错误地耦接到负载连接对130、132。在这种情况下，如果负载随后被耦接到线路连接对120、122，则在GFCI 200的正常接地故障检测操作下(例如，当开关206打开时)，控制电路204将仍能够检测线路连接对120、122处的接地故障，因为在AC源250与线路连接对120、122处的负载之间流动的任何电流仍将通过电流变压器202，使得在通电电流路径和中性电流路径上载送的电流的任何差异将在控制电路204处可检测到。
然而，如果在正常接地故障检测操作期间负载仅在插座连接对140、142处被耦接且没有负载被耦接到线路连接对120、122，电流将在负载连接对130、132处的AC源250与插座连接对140、142处的负载之间流动，因此不通过电流变压器202，因为在电流变压器202的线路侧不存在经由线路连接对120、122的电流路径。因此，如果在插座连接对140、142处的负载处发生接地故障，则控制电路204将不能检测到该故障。
为了解决此情形，控制电路204可在线路连接对120、122保持未连接的同时经由开关206来检测此类接线错误配置。更具体地，当控制电路204激活或闭合开关206(并可能激活可选择负载208，如果存在的话)时，将没有电流可用于被指引通过开关206并因此在电流变压器202周围规避，导致基本上为零的通过开关206的电流Ig，导致通过电流变压器202的基本上为零的差动电流，无论负载是否被跨插座连接对140、142耦接。控制电路204可被配置成将此差动电流缺失解释为GFCI 200的接线错误，并且打开开关212中的至少一个以防止在接线错误条件持续时使用GFCI 200。
假定当如上所述没有外部负载被连接到GFCI 200或仅被连接到插座连接对140、142时执行GFCI 200的接线错误检测操作，基本上为零的差动电流的检测可足以检测接线错误配置，诸如在经由AC源250的GFCI 200的上电期间。在其中可能不正确地向线路连接对120、122施加负载的其它示例中，在控制电路204中考虑到检测到的任何差动电流的极性可允许上电之后的接线错误配置的重复或周期性测试。在某些实施例中，可每15分钟执行周期性接线错误测试一次，但是在其它实施方式中可采用其它更长或更短的时间周期。在其它实施例中，可响应于用户激活上述测试按钮而发起接线错误检测操作。
例如，图2C是其中在一个或多个负载被经由负载连接对130、132和/或插座连接对140、142正确地接线至GFCI 200时AC源250被正确地接线至线路连接对120、122的环境中的示例性GFCI 200的框图。当闭合开关206、因此促使非零电流Ig流过开关206、因此规避电流变压器202时，控制电路204将检测到非零电流Is＝Ig/N，并且因此可推断AC源250被正确地接线至线路连接对120、122并允许开关212保持闭合。
然而，如上文所指示的，接线错误检测操作期间的负载的可能存在可涉及到在控制电路204处检测到的差动电流的极性的考虑。例如，图2D是被错误接线(例如，AC源250被连接到负载连接对130、132)的GFCI 200的框图且负载260被连接到线路连接对120、122。另外，附加负载可被连接到插座连接对140、142或者可不这样。在此类条件下，控制电路104在激活或闭合开关206的同时可检测到由于从在负载中性连接132与线路中性连接122之间的中性电流路径上载送的电流导出的流过开关206的非零电流Ig而引起的超过某个阈值数值或水平的差动电流Is＝-Ig/N，因此错误地指示被正确接线的GFCI 220。为了解决这种可能性，控制电路204可不仅检测差动电流Is是否存在或超过某个阈值，而且还可确定差动电流Is的极性以确定AC源250是被耦接到线路连接对120、122还是负载连接对130、132。
例如，控制电路204可包括过零检测(ZCD)电路(在图2D中并未明确地描绘)，其指示AC源250电压的每个周期的正或负电压部分何时发生。基于来自ZCD电路信息和检测到的差动电流，包括其极性(例如，负或正电流)，控制电路204可确定AC源250是否被正确地连接到GFCI 200(例如，到线路连接对120、122)。更具体地，如果控制电路204在开关206被闭合的同时并未在电力循环的已知部分期间(例如，在AC源250的电压为正或负时)检测到具有超过特定阈值数值的量值的差动电流Is，则控制电路204可确定AC源250被错误接线(例如，连接到负载连接对130、132)。如果替代地控制电路204检测到超过阈值数值的差动电流Is的量值，但是检测到差动电流Is的极性(例如，负差动电流Is)与针对当AC源250被正确地连接到线路连接对120、122时生成差动电流Is的AC源250电压的特定部分(例如，电压的正半周期)预期的极性(例如，正差动电流Is)相反，则控制电路204可确定已经检测到接线错误条件，并且然后因此打开开关212中的一个或多个。
在某些示例中，控制电路204可在AC源250的电压循环的特定部分期间、诸如当电压仅为正或仅为负时激活或闭合开关206以及可选择负载208。另外，在某些实施例中，控制电路204可基于检测到的差动电流Is而动态地改变开关206被闭合和可选择负载208被选择的时间量。例如，控制电路204可允许开关206被闭合(且可能可选择负载208仍被施加或选择)直至检测到的差动电流Is达到在该处控制电路204确定已检测到接线错误配置的阈值或某个更高阈值水平为止。在高负载电流的情况下(例如，低电阻负载)，例如，检测到的差动电流Is可比在低负载电流的情况下(例如，高电阻负载)更快速地达到该阈值水平，并且因此开关206可被闭合达相对较短的时间段。此外，在检测到的差动电流Is并未达到阈值的情况下，控制电路204可等待直至ZCD电路确定AC源250的电压的当前(正或负)半周期在打开开关206以及取消选择可选择负载208之前结束为止。以这种方式操作开关206以及可能的可选择负载208可帮助形成过大电流，由于否则在开关206在AC源250电压的整个半周期期间始终被闭合的情况下可能发生的电流变压器202的电感。此过大电流在并未遭遇实际接地故障状况时可导致GFCI 200的麻烦跳闸，或者在实际接地故障事件存在的情况下可导致GFCI 200的延迟响应。
图3是可用作GFCI 200中的可选择低欧姆路径的开关206的示例性电路。在本特定示例中，可采用低欧姆金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为晶体管Q1来促进开关功能。此类MOSFET的示例是由ON 实现的NTMFS4935NT1G n沟道功率MOSFET，其具有3.2毫欧(mΩ)的“接通”漏极至源极电阻和30伏(V)的漏极至源极击穿电压。然而，在其它示例中可采用与GFCI 200的电流通电和中性路径的电阻类似或近似相等的其它类型的低欧姆晶体管(例如，具有10mΩ或更小的“接通”电阻的FET和/或其它晶体管)。如图3中所示，开关206还可包括适当值的电阻器R1以施加至少一个栅极至源极阈值电压以开启晶体管Q1。在一个示例中，电阻器R1可具有50Ω的值，但在其它实施方式中可采用其它值。开关206还可包括整流器D1，在一个示例中诸如由ON 实现的MRA4007，经由来自控制电路204的信号来驱动晶体管Q1的栅极，其可用于针对来自开关206的潜在破坏性电流而保护控制电路204。然而，在其它实施例中可将除图3中所示的之外的许多其它配置和部件用于开关206。
图4是在GFCI 200中可采用的示例性可选择负载208。如所示，来自控制电路204的控制信号(诸如，被用来激活开关206的相同控制信号)可用来使用电阻器R2来接通晶体管Q2以跨晶体管Q2的基极至发射极结产生正偏压以接通晶体管Q2。在一个示例中，晶体管Q2可以是由ON 实现的MMBT6517LT1-D高压NPN双极结晶体管(BJT)，但在其它实施例中可采用其它晶体管作为晶体管Q2。电阻器R3可提供期望量的电阻以用作将跨通电和中性电流路径施加的负载。此外，可利用二极管D2和/或D3来允许电流仅从晶体管Q1的集电极流到发射极，而另一二极管D4可帮助针对晶体管Q1的输出端处的大的负电压来保护晶体管Q2。在本特定配置中，可选择负载208意图在AC源250的电压的正半周期期间被用作负载。然而，在其它实施例中除图4中所示的之外的许多其它配置和部件可被用于可选择负载208，诸如意图在AC源250电压的负半周期期间操作的那些。
图5是诸如经由图1的电气安全装置100或图2A至2D的GFCI 200来检测电气安全装置的接线错误的示例性方法500的流程图。然而，在其它实施例中，在本文中并未具体地描述的其它系统或装置可执行方法500。
在方法500中，响应于由于AC源250的施加而引起的GFCI 200的上电(操作502)，控制电路(例如，图1的控制电路104)可激活或闭合低欧姆路径(例如，在差动电流检测器102周围的低欧姆路径106)(操作504)。为了确保提供足够的负载电流，控制电路还可选择将跨电气安全装置的通电和中性电流路径的各自点施加的可选择负载(例如，图1的可选择负载108)。在低欧姆路径被激活的同时，控制电路可确定通过差动电流检测器(例如，图1的差动电流检测器102)的差动电流是否超过某个特定阈值(操作506)，诸如40毫安(mA)。如果并未超过阈值，则控制电路可确定已经检测到接线错误状况，并且打开到电气安全装置的负载和/或插座连接(例如，图1的负载连接对130、132和/或插座连接对140、142)的通电和中性电流路径中的一个或多个(操作510)并停止操作(操作512)直至接线错误条件已被补救为止。如果替代地检测到的差动电流超过阈值(操作506)，则控制电路可确定检测到的差动电流是否具有对应于正确接线AC源的极性(操作508)。如果是这样的话，则控制电路可将低欧姆路径(以及可选择负载)去激活(操作514)并在执行另一接线错误检测操作之前等待某个预定时间段(操作516)。如果替代地检测到的差动电流具有对应于不正确接线AC源的极性(操作508)，则控制电路可打开到负载和/或插座连接的电流路径中的一个或多个(操作510)并停止进一步接线错误检测操作(操作512)直至电气安全装置被正确地接线为止。
虽然操作502-516被描绘为按照特定序列执行的操作，但图5的操作502-516中的至少某些可按照其它执行顺序来执行，包括以并行、重叠或同时的方式。例如，阈值检测操作(操作506)和极性确定操作(操作508)可被同时地或按照与图5中所指示的不同的顺序执行。
在其中电气安全装置100是GFCI的示例中，诸如图2A至2D的GFCI 200，本文所述的实施例的各种方面的采用可遵循且可能超过用于GFCI的安全检测实验室标准UL943的2015年修订版的需求，其要求其接地故障检测能力的自动监视或自检测功能以及诸如上文所述的线路负载接线错误检测。
虽然本文所述的特定实施例涉及到AC电流和电压，但用于基于DC的电力系统的电气安全装置可受益于这些实施例的各种方面中的一个或多个的应用。
可在包括或排他意义上理解如本文所使用的术语“或”。此外，可针对在本文中被描述为单个实例的资源、操作或结构提供多个实例。另外，各种资源与操作之间的边界可以是任意的，并且在特定说明性配置的背景下举例说明特定操作。一般地，可将作为采取示例性配置的单独资源提供的结构和功能实现为组合结构或资源。同样地，可将作为单个资源提出的结构和功能实现为单独资源。
虽然已经参考各种实施例描述了本公开，但这些实施例是说明性的，并且本公开的范围不限于此类实施例。在不脱离本公开的范围的情况下可以对在本文中所讨论的示例性实施例进行各种修改和添加。例如，虽然上述实施例提及特定特征，在本公开的范围还包括具有特征的不同组合的实施例以及并非包括所有上述特征的实施例。因此，本公开的范围意图涵盖所有此类替换、修改和变更以及其所有等价物。
在至少一个实施例中，一种用于电气安全装置的控制电路包括电源输入以用于接收用于控制电路的电力；与差动电流检测器耦接的差动电流检测器输入，以接收感测信号，该感测信号指示在通电电流路径和中性电流路径上通过所述差动电流检测器的电流的量；测试控制输出；断续器输出；以及电路，用于：激活测试控制输出以使得在通电电流路径和中性电流路径中的一个上通过差动电流检测器的电流的至少一部分规避差动电流检测器；在测试控制输出是活动的时，将感测信号与阈值数值相比较；以及响应于所述感测信号未超过阈值数值而激活断续器输出，以使得通电电流路径和中性电流路径中的至少一个被中断。
在控制电路的至少一个实施例中，所述电路进一步用以：响应于感测信号超过阈值数值而确定所述感测信号的极性；以及基于用于指示电力在所述电气安全装置的负载通电连接处被供应的感测信号的极性，来激活所述断续器输出。
在控制电路的至少一个实施例中，所述控制电路还包括过零检测器，用于检测跨沿着通电电流路径的点和沿着通电中性路径的点的交流AC电压的零电压交叉；其中，所述电路用于：响应于由所述过零检测器检测到的与所述AC电压的第一极性相对应的第一零电压交叉而激活所述测试控制输出；以及响应于所述感测信号超过阈值数值或由所述过零检测器检测到的紧接着在所述第一零电压交叉之后的第二零电压交叉而将所述测试控制输出去激活。
在控制电路的至少一个实施例中，所述电路将响应于向控制电路供应电源电压而激活测试控制输出并将感测信号与阈值数值相比较。
在控制电路的至少一个实施例中，所述电路在向控制电路供应电源电压时周期性地激活测试控制输出并将感测信号与阈值数值相比较。
在至少一个实施例中，一种电气安全装置包括用于将线路通电连接和负载通电连接耦接的通电电流路径；用于将线路中性连接和负载中性连接耦接的中性电流路径；通电电流路径和中性电流路径路由通过的差动电流检测器；可选择导电路径，当被选择时，用于当将线路通电连接中的一个到负载通电连接短路或将线路中性连接到负载中性连接短路时规避差动电流检测器；以及控制电路，用于：选择可选择导电路径；经由差动电流检测器当可选择导电路径被选择时确定由通电电流路径上的第一电流和中性电流路径上的第二电流之间的差定义的差动电流；以及响应于差动电流不超过阈值数值而中断通电电流路径和中性电流路径中的至少一个。
在电气安全装置的至少一个实施例中，所述控制电路将指示差动电流不超过阈值数值。
在电气安全装置的至少一个实施例中，所述电气安全装置还包括将被控制电路用来生成指示差动电流不超过阈值数值的视觉指示的光发生装置、将被控制电路用来生成指示差动电流不超过阈值数值的音频指示的音频发生装置以及将被控制电路用来经由通信网络生成指示差动电流不超过阈值数值的消息通知的通信接口中的至少一个。
在电气安全装置的至少一个实施例中，所述控制电路进一步用以响应于所述差动电流超过阈值数值而确定差动电流的极性，并且基于用于指示电力在负载通电连接处被供应的差动电流的极性而中断通电电流路径和中性电流路径中的所述至少一个。
在电气安全装置的至少一个实施例中，可选择传导路径包括场效应晶体管(FET)，其在导通状态下具有近似等于通电电流路径和中性电流路径中的至少一个的电阻的电阻。
在电气安装装置的至少一个实施例中，控制电路进一步用以提供跨通电电流路径和中性电流路径的电负载。
在电气安全装置的至少一个实施例中，该电气安全装置还包括被耦接在通电电流路径与中性电流路径之间以响应于第一控制信号而提供电负载的负载电路，其中，所述控制电路用以当所述可选择导电路径将线路通电连接耦接到负载通电连接或将线路中性连接耦接到负载中性连接时向负载电路提供第一控制信号。
在电气安全装置的至少一个实施例中，电气安全装置还包括插座通电连接，其经由并未通过差动电流检测器的第一电流路径而被连接到负载通电连接；以及插座中性连接，其经由并未通过差动电流检测器的第二电流路径而被连接到负载中性连接。
在电气安全装置的至少一个实施例中，控制电路包括过零检测器，其用以跨沿着通电电流路径的点和沿着中性电流路径的点检测AC电压的零交叉，其中，所述控制电路进一步用以：响应于与AC电压的第一极性相对应的AC电压的第一检测零交叉而选择可选择导电路径，并且响应于差动电流超过阈值数值或紧接着在第一检测零交叉之后的AC电压的第二检测零交叉而取消选择所述导电路径。
在电气安全装置的至少一个实施例中，控制电路进一步用以响应于向控制电路施加电源电压而选择可选择导电路径并确定差动电流。
在电气安全装置的至少一个实施例中，控制电路进一步用以在向控制电路施加电源电压的同时周期性地选择可选择导电路径并确定差动电流。
在电气安全装置的至少一个实施例中，电气安全装置包括接地故障电路断续器、电弧故障电路断续器、浪涌保护装置或暂态电压浪涌抑制器中的至少一个。
在电气安全装置的至少一个实施例中，所述控制电路包括差动电流检测器输入，其将与所述差动电流检测器耦接以接收指示差动电流的感测信号；测试控制输出，用以选择可选择导电路径；比较电路，用以在所述控制输出为活动的时将感测信号与阈值相比较；以及断续器输出，其用以响应于感测信号不超过阈值而促使通电电流路径和中性电流路径中的至少一个被中断。
在至少一个实施例中，一种用于检测电气安全装置的线路连接对和负载连接对的接线错误的方法包括：
规避通过电气安全装置在通电电流路径和中性电流路径中的一个上载送的电流的至少一部分，该通电电流路径将线路连接对的线路通电连接与负载连接对的负载通电连接相连，并且中性电流路径将线路连接对的线路中性连接与负载连接对的负载中性连接相连；在规避电流的所述至少一部分的同时确定由在通电电流路径上载送的电流与在中性电流路径上载送的电流之间的差定义的差动电流；以及响应于所述差动电流不超过阈值数值而中断所述通电电流路径和所述中性电流路径中的至少一个。
在该方法的至少一个实施例中，所述方法还包括响应于所述差动电流超过阈值数值而确定所述差动电流的极性，并且响应于用于指示电力在负载通电连接处被供应的差动电流的极性而中断通电电流路径和中性电流路径中的所述至少一个。

Claims (18)

1.一种用于电气安全装置的控制电路，所述控制电路包括用于激活测试控制输出以使得在通电电流路径和中性电流路径中的一个上通过差动电流检测器的电流的至少一部分规避所述差动电流检测器、在所述测试控制输出是活动的时将感测信号与阈值数值相比较、以及响应于所述感测信号未超过所述阈值数值而激活断续器输出以使得通电电流路径和中性电流路径中的至少一个被中断的电路，
其特征在于，所述用于电气安全装置的控制电路还包括：
电源输入，用于接收用于所述控制电路的电力；
差动电流检测器输入，与差动电流检测器耦接，以提供感测信号，该感测信号指示在通电电流路径和中性电流路径上通过所述差动电流检测器的电流的量；
测试控制输出；以及
断续器输出。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述电路进一步用于：
响应于所述差动电流超过阈值数值而确定由所述控制电路检测的差动电流的极性；以及
基于用于指示电力在所述电气安全装置的负载通电连接处被供应的感测信号的极性，来激活所述断续器输出。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括：
过零检测器，用于检测跨沿着通电电流路径的点和沿着通电中性路径的点的交流AC电压的零电压交叉；
其中，所述电路用于：
响应于由所述过零检测器检测到的与所述AC电压的第一极性相对应的第一零电压交叉而激活所述测试控制输出；以及
响应于所述感测信号超过阈值数值或由所述过零检测器检测到的紧接着在所述第一零电压交叉之后的第二零电压交叉而将所述测试控制输出去激活。
4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，电流变压器充当所述差动电流检测器，并且所述电流变压器具有磁芯，将线路通电连接耦接到负载通电连接的线路电流路径和将线路中性连接和负载中性连接耦接的中性电流路径经由通过该磁芯以共同地充当用于电流变压器的初级电路。
5.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于，还包括关于所述磁芯缠绕多匝并耦接到所述电路的导体，其中在通电电流路径和中性电流路径上载送的电流的差异在磁芯中产生磁通量，其又在电路中感生电流，缠绕导体的匝数确定在电路中载送的电流的量，将在通电电流路径和中性电流路径上载送的电流的差异的指示作为感测信号提供给所述电路。
6.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括晶体管和耦接以施加至少一个栅极-源极阈值电压以便导通所述晶体管的电阻器，响应于控制信号，用于在规避差动电流检测器以载送否则将会在通电电流路径或中性电流路径中的一个上载送的电流的至少一部分的同时，提供将线路中性连接和负载中性连接中的一个或线路通电连接与负载通电连接相耦接的附加电流路径。
7.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括负载电路，所述负载电路包括晶体管、和耦接为产生跨所述晶体管的基极-发射极结的正偏电压以便导通所述晶体管的第一电阻器，以响应于来自所述电路的控制信号而提供用作跨所述通电电流路径和所述中性电流路径的负载的具有期望电阻量的第二电阻。
8.一种电气安全装置，其特征在于包括：
用于将线路通电连接和负载通电连接耦接的通电电流路径；
用于将线路中性连接和负载中性连接耦接的中性电流路径；
所述通电电流路径和所述中性电流路径路由通过的差动电流检测器；
可选择导电路径，当被选择时，用于当将线路通电连接中的一个到负载通电连接短路或将线路中性连接到负载中性连接短路时规避所述差动电流检测器；以及
控制电路，用于：
选择所述可选择导电路径；
经由所述差动电流检测器当所述可选择导电路径被选择时确定由通电电流路径上的第一电流和中性电流路径上的第二电流之间的差定义的差动电流；以及
响应于所述差动电流不超过阈值数值而中断所述通电电流路径和所述中性电流路径中的至少一个。
9.如权利要求8所述的电气安全装置，其特征在于，所述控制电路进一步用于：
响应于所述差动电流超过阈值数值而确定所述差动电流的极性；以及
基于用于指示电力在负载通电连接处被供应的差动电流的极性而中断通电电流路径和中性电流路径中的所述至少一个。
10.如权利要求8所述的电气安全装置，其特征在于，所述可选择导电路径包括处于导通状态的具有电阻的场效应晶体管(FET)，所述电阻近似等于通电电流路径和中性电流路径中的至少一个的电阻。
11.如权利要求8所述的电气安全装置，其特征在于，所述控制电路进一步用以提供跨通电电流路径和中性电流路径的电负载。
12.如权利要求8所述的电气安全装置，其特征在于还包括：
负载电路，被耦接在通电电流路径和中性电流路径之间，以响应于第一控制信号而提供电负载；
其中，所述控制电路用以当所述可选择导电路径将线路通电连接耦接到负载通电连接或将线路中性连接耦接到负载中性连接时向所述负载电路提供第一控制信号。
13.如权利要求8所述的电气安全装置，其特征在于，所述控制电路包括用以检测跨沿着通电电流路径的点和沿着中性电流路径的点的AC电压的过零的过零检测器，并且其中，所述控制电路进一步用以：
响应于与AC电压的第一极性相对应的所述AC电压的第一检测零交叉而选择所述可选择导电路径；以及
响应于差动电流超过阈值数值或紧接着在所述第一检测零交叉之后的所述AC电压的第二检测零交叉而取消选择所述导电路径。
14.如权利要求8所述的电气安全装置，其特征在于，所述控制电路包括：
差动电流检测器输入，要与所述差动电流检测器耦接，以接收用于指示差动电流的感测信号；
测试控制输出，用于选择所述可选择导电路径；
比较电路，用于当所述测试控制输出是活动的时将感测信号和阈值相比较；以及
断续器输出，响应于感测信号不超过阈值而使得通电电流路径和中性电流路径中的至少一个被中断。
15.如权利要求8所述的电气安全装置，其特征在于，电流变压器充当所述差动电流检测器，并且所述电流变压器具有磁芯，将线路通电连接耦接到负载通电连接的线路电流路径和将线路中性连接和负载中性连接耦接的中性电流路径经由通过该磁芯以共同地充当用于电流变压器的初级电路。
16.如权利要求15所述的电气安全装置，其特征在于，在通电电流路径和中性电流路径上载送的电流的差异在磁芯中产生磁通量，其又在次级电路中感生电流，缠绕导体的匝数确定在次级电路中载送的电流的量，因此将在线路电流路径和负载电流路径上载送的电流的差异的指示作为感测信号提供给控制电路。
17.如权利要求8所述的电气安全装置，其特征在于，可选择导电路径具有晶体管和耦接以施加至少一个栅极-源极阈值电压以便导通所述晶体管的电阻器，响应于控制信号，用于在规避差动电流检测器以载送否则将会在通电电流路径或中性电流路径中的一个上载送的电流的至少一部分的同时，将线路中性连接和负载中性连接中的一个或线路通电连接与负载通电连接相耦接。
18.如权利要求12所述的电气安全装置，其特征在于，所述负载电路具有晶体管、和耦接以产生跨所述晶体管的基极-发射极结的正偏电压以便导通所述晶体管的电阻器，以提供用作所述电负载的具有期望电阻量的第二电阻。
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