CN214374996U

CN214374996U - 一种漏电流测量装置

Info

Publication number: CN214374996U
Application number: CN202120095064.XU
Authority: CN
Inventors: 于建东; 杨晓松
Original assignee: Nanjing Yuji Electric Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Yuji Electric Technology Co ltd
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2031-01-14

Abstract

本实用新型涉及一种漏电流测量装置，包括漏电电流表和电流互感器，漏电电流表包括壳体和PCB板，PCB板上集成有防大电流冲击电路、电压基准源、差分放大电路、二阶滤波放大电路、换挡电路、电能芯片电流采集电路和中央处理器，电压基准源输出分别与二阶滤波放大电路、换挡电路、电能芯片电流采集电路相连，防大电流冲击电路输出与差分放大电路相连，差分放大电路输出与二阶滤波放大电路相连，二阶滤波放大电路的输出与电能芯片电流采集电路输入相连，换挡电路的选择端、电能芯片电流采集电路的通讯端分别与中央处理器连接。本实用新型的优点是不需要提供负电源供电，可以采集漏电电流，并具自动换挡功能，精度高，电路简单实用，量程范围大。

Description

一种漏电流测量装置

技术领域

本实用新型属于电力仪器仪表技术领域，具体涉及一种漏电流测量装置。

背景技术

据了解，目前的电流表多采用具有正负电源的供电电路测量。现有技术是将交流电压转为直流电压来测量，或是采用傅里叶积分运算的方式进行测量。前者电路复杂，精度低，且耗电高；后者运算速度过慢，且MCU负担重，程序不便于集合其他的功能。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种设计简单、节省功耗的漏电流测量装置。

一种漏电流测量装置，包括漏电电流表和电流互感器，所述电流互感器套装于电线外侧，所述漏电电流表包括壳体和设置于壳体内的PCB板，所述PCB板上集成有防大电流冲击电路、电压基准源、带偏置的差分放大电路、相对于偏置电压的二阶滤波放大电路、换挡电路、以电能芯片为中心的电流采集电路和中央处理器，所述电压基准源的输出分别与相对于偏置电压的二阶滤波放大电路、换挡电路、以电能芯片为中心的电流采集电路相连，所述防大电流冲击电路的输出与带偏置的差分放大电路相连接，所述带偏置的差分放大电路的输出与相对于偏置电压的二阶滤波放大电路相连接，所述相对于偏置电压的二阶滤波放大电路的输出与以电能芯片为中心的电流采集电路的输入相连接，所述换挡电路的选择端、以电能芯片为中心的电流采集电路的通讯端分别与中央处理器连接。

本实用新型所采用的偏置电路可以不用负电源而达到正负全波测量，节省了功耗，电路构成简单。

优选地，所述以电能芯片为中心的电流采集电路包括电能芯片 U5，所述相对于偏置电压的二阶滤波放大电路的输出、电压基准源的输出分别与电能芯片U5的电流输入口相连接，所述电能芯片U5 的通讯接口与中央处理器相连接。

优选地，所述电压基准源包括基准源芯片D5以及围绕基准源芯片D5分布的若干个外围电阻和电容，所述基准源芯片D5的输出分别与运算放大器U4B的外围电阻R14、电容C30、电容C31、换挡开关芯片U3的外围电阻R8、外围电阻R9,以及电能芯片U5的外围电阻R36相连接。

优选地，所述防大电流冲击电路包括瞬变电压抑制二极管D3、瞬变电压抑制二极管D4、采样电阻R24和积分电路，所述积分电路由电阻R16和电容C22构成。

上述的瞬变电压抑制二极管D4起到第二次防止互感器输入采样信号的幅值过大的限幅作用。

优选地，所述带偏置的差分放大电路包括电阻R17、电阻R26、运算放大器U4A、模拟开关以及绕模拟开关分布的两组外围比例电阻，所述电阻R26、电阻R17分别接运算放大器U4A的输入正负极，所述运算放大器U4A的输入正极接模拟开关的74VHC4052芯片的3 脚(Y端)，并通过模拟开关外围的比例电阻R8、R9接电压基准源 ACOM；所述运算放大器U4A的输入负极接模拟开关的74VHC4052芯片的13脚(X端)，并通过模拟开关外围的比例电阻R10、R11接运算放大器U4A的输出端。上述的模拟开关为换挡开关芯片U3。

在漏电的情况下，线中的漏电流是不确定的，所以必须采用电阻R16、C22的积分电路，使得高幅值信号在流向放大器之前，瞬变管D3有充裕的时间首先导通。瞬变管D4第二次防止电流过大，避免造成前级芯片(放大器)损坏。

优选地，所述相对于偏置电压的二阶滤波放大电路包括电阻 R21、电阻R22、电阻R14、电阻R15、电容C30和电容C31；所述电阻R21的输出脚与电容C30、电阻R22的一端相连，所述电阻R22 的另一端与电容C31的一端、运算放大器U4B的正极相连接，所述电容C30、电容C31的另一端分别与基准源的输出ACOM相连；所述电阻R14的一端与基准源芯片D5的输出ACOM相连接，另一端与运算放大器U4B的负极和电阻R15的一端相连接，所述电阻R15的一端与运算放大器U4B的负极相连接，另一端与运算放大器U4B的输出端相连接。

优选地，所述运算放大器U4B的输出端通过电阻R32与电能芯片U5的电流采样输入端V1P相连接；所述基准源芯片D5的输出端通过电阻R36与电能芯片U5的电流采样输入端V1N相连接。

优选地，所述换挡电路包括换挡开关芯片U3及其外围电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11；所述电阻R8的一端与换挡开关芯片 U3的第5脚相连接，另一端与电阻R9相连后接基准源芯片D5的输出端ACOM，所述电阻R9与换挡开关芯片U3的第1脚相连接；所述电阻R11的一端与换挡开关芯片U3的第12脚相连接，另一端与电阻R10相连后接运算放大器U4A的输出脚，所述电阻R10与换挡开关芯片U3的第14脚相连接。

优选地，所述换挡开关芯片U3的第9脚、第10脚分别与中央处理器MCU相连接，所述的换挡开关芯片U3的第3脚与运算放大器 U4A的输入正端相连，所述换挡开关芯片U3的第13脚与运算放大器U4A的输入负极相连接。

本实用新型利用电能芯片和自动换挡电路使得整个装置的精度得到提高，可以保证装置的测量误差在1％范围内，测量速度更快，量程范围可达0～1000mA。另外，还可以根据需要轻松扩大量程范围。

优选地，所述PCB板上还集成有整流稳压电路、防锂电过放电电路、锂电池充电电路、液晶显示电路，所述整流稳压电路、防锂电过放电电路、锂电池充电电路、液晶显示电路以及电能芯片U5的数据输出电路分别与中央处理器相连。

本实用新型的优点是不需要提供负电源供电，可以采集漏电电流，并具自动换挡功能，精度高，电路简单并实用，量程范围大。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型中防大电流冲击电路、带偏置的差分放大电路的示意图。

图2为本实用新型中换挡开关电路的示意图。

图3为本实用新型中相对于偏置电压的二阶低通滤波放大电路的示意图。

图4为本实用新型中电压基准源的示意图。

图5为本实用新型中以电能芯片为中心的电流采集电路的示意图。

图6为本实用新型的原理框图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种漏电流测量装置，包括漏电电流表和电流互感器，电流互感器为钳形，电流互感器套装于电线外侧，漏电电流表包括壳体和设置于壳体内的PCB板，PCB板上集成有防大电流冲击电路、电压基准源、带偏置的差分放大电路、相对于偏置电压的二阶滤波放大电路、换挡电路、以电能芯片为中心的电流采集电路、中央处理器、整流稳压电路、防锂电过放电电路、锂电池充电电路和液晶显示电路，其中整流稳压电路、防锂电过放电电路、锂电池充电电路、液晶显示电路以及电能芯片U5的数据输出电路分别与中央处理器相连(见图6)。另外，电压基准源的输出分别与相对于偏置电压的二阶滤波放大电路、换挡电路、以电能芯片为中心的电流采集电路相连，防大电流冲击电路的输出与带偏置的差分放大电路相连接，带偏置的差分放大电路的输出与相对于偏置电压的二阶滤波放大电路相连接，相对于偏置电压的二阶滤波放大电路的输出与以电能芯片为中心的电流采集电路的输入相连接，换挡电路的选择端、以电能芯片为中心的电流采集电路的电能芯片数字通讯端分别与中央处理器连接。

如图1所示，防大电流冲击电路包括瞬变电压抑制二极管D3、瞬变电压抑制二极管D4、采样电阻R24和积分电路，积分电路由电阻R16和电容C22构成；带偏置的差分放大电路包括电阻R17、电阻 R26、运算放大器U4A、模拟开关以及绕模拟开关分布的两组外围比例电阻。电阻R26、电阻R17分别接运算放大器U4A的输入正负极，运算放大器U4A的输入正极通过模拟开关的74VHC4052芯片及一组外围比例电阻经中央处理器选通后，接电压基准源的输出ACOM,运算放大器U4A的输入负极通过模拟开关的74VHC4052芯片及另一组外围比例电阻接运算放大器U4A的输出端，同时运算放大器U4A的输入正极接模拟开关的74VHC4052芯片的3脚(Y端)，运算放大器U4A 的输入负极接模拟开关的74VHC4052芯片的13脚(X端)。

如图2所示，换挡电路包括换挡开关芯片U3及其外围电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11。电阻R8的一端与换挡开关芯片U3 的第5脚相连接，另一端与电阻R9相连后接基准源芯片D5的输出端ACOM；电阻R9的一端与换挡开关芯片U3的第1脚相连接，另一端与电阻R8相连后接基准源芯片D5的输出端ACOM。电阻R11的一端与换挡开关芯片U3的第12脚相连接，另一端与电阻R10相连后接运算放大器U4A的1脚；电阻R10的一端与换挡开关芯片U3的第 14脚相连接，另一端与电阻R11相连后接运算放大器U4A的1脚。换挡开关芯片U3的第9脚、第10脚分别与中央处理器MCU相连接，换挡开关芯片U3的第3脚与运算放大器U4A的输入正端相连，换挡开关芯片U3的第13脚与运算放大器U4A的输入负极相连接。

如图3所示，相对于偏置电压的二阶滤波放大电路包括电阻 R21、电阻R22、电阻R14、电阻R15、电容C30和电容C31。电阻R21 的输出脚与电容C30、电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端与电容C31的一端、运算放大器U4B的正极相连接，电容C30、电容C31 的另一端分别与电压基准源的输出ACOM相连。电阻R14的一端与基准源芯片D5的输出ACOM相连接，另一端与运算放大器U4B的负极和电阻R15的一端相连接，电阻R15的一端与运算放大器U4B的负极相连接，另一端与运算放大器U4B的输出端相连接。运算放大器 U4B的输出端通过电阻R32与电能芯片U5的电流采样输入端V1P相连接；所述基准源芯片D5的输出端通过电阻R36与电能芯片U5的电流采样输入端V1N相连接。

如图4所示，电压基准源包括基准源芯片D5以及围绕基准源芯片D5分布的若干个外围电阻和电容(即电压基准源包括基准源芯片 D5、电阻R30、电阻R31和电容C36、C37)。基准源芯片D5的输出分别与运算放大器U4B的外围电阻R14、外围电容C30、C31，换挡开关芯片U3的外围电阻R8、外围电阻R9,以及电能芯片U5的外围电阻R36相连接。

如图5所示，以电能芯片为中心的电流采集电路包括电能芯片 U5，相对于偏置电压的二阶滤波放大电路的输出、电压基准源的输出分别与电能芯片U5的电流输入口相连接，电能芯片U5的 SPI_CLK(第21脚)、SPI_MISO(第20脚)、SPI_MOSI(第19脚)、 NSS(第18脚)均与中央处理器相连，用来读取内部数据用。这是一个标准SPI通讯协议)。

工作时，钳形电流互感器采样的电流信号，由取样电阻R24取样，并由保护电路的D3、R16、C22限幅后，送往前端差分放大器U4A。差分放大器U4A的正端通过模拟开关外围比例电阻接基准源，为的是使输出信号以基准电压为中心，在正电压范围内波动，以省去为放大器提供负电源的电路，并增强抗共模干扰能力。模拟开关的作用是将放大器U4A的放大倍数分为2档，目的是提高小信号的精度。由中央处理器MCU根据采样电流大小自动切换挡位。放大器U4B的作用是：以基准电压为中心，滤除高于1KHz的高频干扰信号，并提供一个固定的放大倍数。基准源电路提供1.25V基准电压，为放大器U4A、U4B、电能采集芯片提供信号偏置电压。判断电能芯片的前端应该是一个差分放大器，所以将U4B输出的信号接在芯片电流输入的V1P上，同时将基准偏置电压接在芯片的电流输入V1N上，为的是使芯片在正电压范围内，能够得到信号全波的检测。而整机勿须为此提供负电源，且保证对信号快速和完整测量。

实际搭电路测试时，在整个0～1000mA的量程范围内，完全可以保证1％以内的精度。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims

1.一种漏电流测量装置，包括漏电电流表和电流互感器，所述电流互感器套装于电线外侧，所述漏电电流表包括壳体和设置于壳体内的PCB板，其特征在于：所述PCB板上集成有防大电流冲击电路、电压基准源、带偏置的差分放大电路、相对于偏置电压的二阶滤波放大电路、换挡电路、以电能芯片为中心的电流采集电路和中央处理器，所述电压基准源的输出分别与相对于偏置电压的二阶滤波放大电路、换挡电路、以电能芯片为中心的电流采集电路相连，所述防大电流冲击电路的输出与带偏置的差分放大电路相连接，所述带偏置的差分放大电路的输出与相对于偏置电压的二阶滤波放大电路相连接，所述相对于偏置电压的二阶滤波放大电路的输出与以电能芯片为中心的电流采集电路的输入相连接，所述换挡电路的选择端、以电能芯片为中心的电流采集电路的通讯端分别与中央处理器连接。

2.根据权利要求1所述一种漏电流测量装置，其特征在于：所述以电能芯片为中心的电流采集电路包括电能芯片U5，所述相对于偏置电压的二阶滤波放大电路的输出、电压基准源的输出分别与电能芯片U5的电流输入口相连接，所述电能芯片U5的通讯接口与中央处理器相连接。

3.根据权利要求1所述一种漏电流测量装置，其特征在于：所述电压基准源包括基准源芯片D5以及围绕基准源芯片D5分布的若干个外围电阻和电容，所述基准源芯片D5的输出分别与运算放大器U4B的外围电阻R14、电容C30、电容C31、换挡开关芯片U3的外围电阻R8、R9,以及电能芯片U5的外围电阻R36相连接。

4.根据权利要求1所述一种漏电流测量装置，其特征在于：所述防大电流冲击电路包括瞬变电压抑制二极管D3、瞬变电压抑制二极管D4、采样电阻R24和积分电路，所述积分电路由电阻R16和电容C22构成。

5.根据权利要求1所述一种漏电流测量装置，其特征在于：所述带偏置的差分放大电路包括电阻R17、电阻R26、运算放大器U4A、模拟开关以及绕模拟开关分布的两组外围比例电阻，所述电阻R26、电阻R17分别接运算放大器U4A的输入正负极，所述运算放大器U4A的输入正极接模拟开关的74VHC4052芯片的3脚，并通过模拟开关外围的比例电阻R8、R9接电压基准源输出ACOM；所述运算放大器U4A的输入负极接模拟开关的74VHC4052芯片的13脚，并通过模拟开关外围的比例电阻R10、R11接运算放大器U4A的输出端。

6.根据权利要求1所述一种漏电流测量装置，其特征在于：所述相对于偏置电压的二阶滤波放大电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R14、电阻R15、电容C30和电容C31；所述电阻R21的输出脚与电容C30、电阻R22的一端相连，所述电阻R22的另一端与电容C31的一端、运算放大器U4B的正极相连接，所述电容C30、电容C31的另一端分别与电压基准源的输出ACOM相连；所述电阻R14的一端与基准源芯片D5的输出相连接，另一端与运算放大器U4B的负极相连接，所述电阻R15的一端与运算放大器U4B的负极相连接，另一端与运算放大器U4B的输出端相连接。

7.根据权利要求6所述一种漏电流测量装置，其特征在于：所述运算放大器U4B的输出端通过电阻R32与电能芯片U5的电流采样输入端V1P相连接；所述基准源芯片D5的输出端通过电阻R36与电能芯片U5的电流采样输入端V1N相连接。

8.根据权利要求1所述一种漏电流测量装置，其特征在于：所述换挡电路包括换挡开关芯片U3及其外围电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11；所述电阻R8的一端与换挡开关芯片U3的第5脚相连接，另一端与电阻R9相连后接基准源芯片D5的输出端ACOM，所述电阻R9与换挡开关芯片U3的第1脚相连接；所述电阻R11的一端与换挡开关芯片U3的第12脚相连接，另一端与电阻R10相连后接运算放大器U4A的输出脚，所述电阻R10与换挡开关芯片U3的第14脚相连接。

9.根据权利要求8所述一种漏电流测量装置，其特征在于：所述换挡开关芯片U3的第9脚、第10脚分别与中央处理器相连接，所述换挡开关芯片U3的第3脚与运算放大器U4A的输入正端相连接，所述换挡开关芯片U3的第13脚与运算放大器U4A的输入负极相连接。

10.根据权利要求1所述一种漏电流测量装置，其特征在于：所述PCB板上还集成有整流稳压电路、防锂电过放电电路、锂电池充电电路、液晶显示电路，所述整流稳压电路、防锂电过放电电路、锂电池充电电路、液晶显示电路以及电能芯片U5的数据输出电路分别与中央处理器相连。