JP2007533289A - 地絡回路のための方法および安全装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、家電などの器具を使用する間に漏れ電流から人を保護するための方法および装置（１）に関する。装置（１）は、通常開である差動スイッチ（２０）、漏れ電流に比例した信号を生成する差動電流変圧器（３９）、および論理合成ユニット（５０）を備える。論理合成ユニット（５０）は差動電流変圧器（３９）に接続され、前記信号を取得するとともに、リミット値より大きな信号が取得される危険状態になるまでスイッチ（２０）の閉状態を維持する。

Description

本発明は、漏れ電流に対する保護方法およびその実施のための装置に関する。

電力回路網によって給電され人に直接触れやすい装置を使用する場合、常に電撃（ｆｕｌｇｕｒａｔｉｏｎ）の危険性が高いことが知られている。このため、安全基準は保護差動回路遮断器を規定している。

通常、単相システムでは、電気装置（すなわち一般には負荷）は、公共の電力回路網（幹線とも呼ばれる）によって２本の電線を介して給電される。２本の一方は「活き」線または「電力」線（ｐｈａｓｅ ｗｉｒｅ）と呼ばれ、他方は「中性」線と呼ばれる。通常、電力会社は配電キャビン近くで中性線を接地する。

家庭での傷害の一般的なものは、人が電力回路網から給電される装置を使用するとき、入浴中または水たまりの近くで起こる。水が経路になって、「活き」線からアースに、漏れ電流または地絡と呼ばれる電流が流れる。この漏れ電流が人体を通って流れると電撃になり得る。人がアースへの導電性表面に触れるかその上に立っているとき「活き」線に触れると、同じことが起こる。

接地事故回路遮断器すなわちＧＦＣＩと呼ばれるこのような危険事象向けの民生用保護回路は、差動電流変圧器を備える。その１次巻線は活き線および中性線によって形成され、２次巻線は増幅段に接続される。活き線の電流が負荷に達し、アースへの漏れなしに中性線を通って戻る場合、前記変圧器のコアには２次電流を誘起する起磁力は生じない。

一方、電流が漏れる場合、活き線電流と中性線電流の差に比例した電流が２次巻線に生成される。この信号は増幅され、次いで適切な安全上の閾値と比較され、それを上回ると継電器（または回路遮断器）がトリップして、活き線および中性線を負荷から切り離す。

これらの装置は家屋の電気系統を全体的に保護するので、システムに必然的に流れる小さな寄生漏れ電流を無視するように、感度が３０ｍＡに制限されている。

電気器具または手工具を、ある状況で、すなわち湿気がある状態で、または導管や衛生器具などの水設備と接触する可能性があるときに使用する場合は、安全上の理由から、電力回路網に接続するプラグ内に実装することができる、より高感度の保護回路に頼るのが望ましい。この場合、３ｍＡまたはさらに小さな電流にまで感応する装置さえ実現可能である。

電極が患者に接触する電気医療用途では、危険電流のレベルは様々な要素および基準に依存し、保護回路には最大３ｍＡの閾値が要求される。しかし、保護回路のトリップ時間では危険事象が起こり得る以前の電流遮断が保証されない場合、１ｍＡ未満の電流でも危険の可能性がある。

このような高感度の場合、保護回路は作業者の安全を保証することができるが、それはこの保護回路が適切に作動する場合に限られる。現在使用されている従来の器具には、回路の適切な動作のチェックを可能にするためにテスト押しボタンが設けられており、これを押すと回路感度よりわずかに大きな漏れ電流がシミュレートされて、保護回路をトリップさせる。しかし、ユーザにチェックの負担が残され、ユーザは、毎回器具を幹線に接続してテストボタンを押し、トリップ後に回路を再起動しなければならない。

最大の信頼性を保証するためには、保護システムはユーザによる手動操作に頼るべきではない。

現況技術では、いくつかの解決方法が開示されている。

地絡保護を組み込んだ回路遮断器が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このような保護は、保護回路自体の確実な作動をテストするための試験回路をさらに備える。しかし、このような試験回路はテストボタンで作動可能になるものである。

アーク障害保護をテストするための電流波形を生成するシステムが開示され（例えば、特許文献２参照。）、差動変圧器の２次電流を検出しそれをマイクロプロセッサ自体に格納された閾値と比較するマイクロプロセッサの使用が簡単に記載されている。検出された電流がこの閾値より大きい場合、マイクロプロセッサは、継電器をトリップさせるとともに幹線との接続を遮断する信号を送る。

しかし、マイクロプロセッサとその関連回路がどのようにこの機能を実施するかについて詳細が示されていない。また、マイクロプロセッサによって実施される他の機能についても記載がない。

幹線から負荷への電流の流れを制御するための回路遮断器が言及されている（例えば、特許文献３参照。）。マイクロプロセッサは、この電流の流れをマイクロプロセッサ内部に格納された、かつ／または格納され得る動作パラメータと比較し、回路遮断器用の制御信号を生成するために使用される。マイクロプロセッサが適切に動作するかテストするのは近隣の回路のみであり、保護システム全体ではない。さらに、システムのための較正段階が存在しない。

自動的にＧＦＣＩをテストするための電子回路が言及されている（例えば、特許文献４参照。）。この発明の重要な特徴は、それが既に実現されているＧＦＣＩと結合されるか、またはＧＦＣＩの基本要素を備えなければならないということである。

周期的に、人工の漏れ電流がマイクロコントローラによって生成され、ＧＦＣＩによって生成された信号が調べられる。これらの信号が正常な場合にはテストが終了し、そうでなければ、ＧＦＣＩによって制御された負荷が、このシステムに必然的に付加されるべき第２の回路遮断器をトリップさせることにより幹線から切り離される。

この解決方法の難点は、過度の回路冗長性である。というのは、ＧＦＣＩが既に有しているはずの機能、すなわち非効率の自動検出によって複雑になるからである。さらに、この発明が適用されるＧＦＣＩ回路構成は公知のアプリオリなものと考えられ、必ずしもアクセスがそれほど簡単とは限らない電圧サンプリング用の重要ノードを確定するために、一方では配線およびシステム費用が増加する。回路構成が異なる場合は、この発明によるシステムは完全に設計し直さなければならない。

米国特許第５９８２５９３号明細書 米国特許第６４２６６３２号明細書 米国特許第５８７５０８７号明細書 米国特許第６２６２８７１号明細書

したがって、現況技術では、以下の点を同時に満たすＧＦＣＩは存在しない。
− 完全に自動的で、手動操作を必要としない。
− 漏れ電流に対する感度が高い。
− サイズが小さく、どんなプラグ、ソケットまたは分流器要素中にも実装されるようにコンパクトである。
− 安全な動作のために、ＧＦＣＩの電源投入時の初期化段階中、または負荷に電力を供給した後、周期的に自己試験を行う機能を備える。
− ユーザにその故障のタイプを示す。
− 保護が適切で効率良く作動していることをチェックした後に初めて幹線による電力供給を可能にする。
− 漏れ電流検出回路の較正中、そのような検出回路の作動とは独立に動作し、そのドリフトおよびオフセットを補償することができる。
− 危険な漏れ電流を検出すると幹線から負荷を切り離し、電力供給を再確立するためにユーザの手動操作を要求する。

本発明の一般的な目的は、上述のすべての特徴を備えるＧＦＣＩを提供することである。

添付の特許請求の範囲に従ってＧＦＣＩが実現されると、上記の目的は達成される。

本発明によるＧＦＣＩのすべての利点は、好ましいものであるが唯一ではない実施形態の説明から、より容易かつ明らかに理解されよう。以下に添付図面を参照して、その実施形態を単に非限定的な例として示す

次に、本発明を、家庭用電気製品、すなわちヘアドライヤについて説明するが、本発明は、工具、工場の機械、または他の電気器具に信頼性のあるＧＦＣＩを装備するためなど、他の用途にも関するものであることが当業者には明白である。

ある特定の実施形態では、これが本発明に対する制限と見なしてはならないが、ＧＦＣＩはヘアドライヤの電力供給ケーブルの端のプラグに組み込まれる。ただし、本発明のＧＦＣＩを、ヘアドライヤまたは別の家庭電気装置のプラグをソケットに差し込む壁ソケット中に組み込んでも、同等に有利な解決方法を得ることができる。

図１を参照すると、本発明によるＧＦＣＩ１のブロック図が記載されており、単相の電力回路網すなわち幹線が１０で示されている。活き線１２および接地された中性線１４が、回路網１０を継電器２０の切り離し可能な接点２２ａ、２２ｂに接続する。他のタイプの制御されたスイッチ（または回路遮断器）、すなわち半導体装置を使用してもよい。継電器２０が通電すると前記接点２２ａ、２２ｂが２つの端子２４ａ、２４ｂに接触する。これらの端子からは、２本の導線１２ａ、１２ｂが引き回されてヘアドライヤ１６の端子に接続される。

導線１２、１４は、導線１２、１４自体の中の漏れ電流検出回路（この場合は公知の技術でトロイダルコア上に実現された差動電流変圧器３０）に包まれている。前記変圧器の１次巻線は導線１２、１４で得られ、一方、２次側は概略的に３２で示された同じトロイド上の別の巻線によって実現される。直流の漏れ電流を検出するには、例えば電流プローブ、またはＬＥＭ製品を使用してもよい。

テスト用発電回路４０は、２本の導線４２、４４によって、前記導線１２、１４を分流する。回路４０の機能は、以下により良く説明するように、導線４２、４４を流れ、したがって導線１２、１４を流れる正確に分かっている電流を意図的に誘起することである。この電流が変圧器３０の差動成分であるため、変圧器３０はこの記電流を検出して、それに比例する振幅を有する２次信号を生成することになる。

以下で明らかにするように、この信号は論理合成ユニット（ｌｏｇｉｃ ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）５０によって取得（またはサンプリング）され、２次側３２は増幅段を介してユニット５０とインターフェースされる。論理合成ユニット５０は、テスト用発電回路４０および継電器２０にもインターフェースされ、それぞれにコントロール信号および／または許可信号を、結線３６および３８を介して送る。また、この論理合成ユニット５０は、少なくとも２進演算を行う演算モジュール、ＲＡＭ、ＲＯＭ、およびＡ／Ｄ変換器（すべて図示せず）を備える。

図２を参照して、本発明によるＧＦＣＩ１の詳細な回路図を説明する。図１中の該当部分と同じ参照番号が使用されている。

具体的には、単相電力回路網１０は、２つのヒューズ１１を介して、継電器２０の分離可能な接点２２ａ、２２ｂに達する導線１２および１４に接続されている。継電器２０のコイル２１が通電すると前記接点２２ａ、２２ｂは２つの端子２４ａ、２４ｂに接触する。これらの端子からは、２本の導線１２ａ、１２ｂが引き回されてヘアドライヤ１６の端子に接続される。

本発明のこの実施形態の構成要素は、ヘアドライヤ１６の電源プラグ５５の内部に好都合に収容される。電源プラグ５５は、図２中の破線内に概略的に示されている。

この図から分かるように、テスト用発電回路４０（破線の内部に示される）に接続された導線４１、４２ならびに導線４５が電力回路網１０の導線１２、１４を分流する。

破線の内部に示された抵抗−コンデンサ引込み回路４６が導線４５に接続され、導線４４を介して電力回路網１０に直接接続されている整流ブリッジ４７に達する。前記ブリッジ４７の出力は、電解コンデンサ４８によってフィルタリングされ、ツェナーダイオード４９によってこの実施形態では３０Ｖに均される。この電圧はＧＦＣＩ１の第１の電源である。コンデンサ４８のプラス端子は、導線２００を介して２つのＰＮＰトランジスタ６０、７０のエミッタに接続され、マイナス端子は、ＧＦＣＩ回路１用のアースを構成する導線１００に接続される。このアースを以下アース１００という名前で呼ぶことにする。トランジスタ６０のエミッタとベースの間に抵抗６１が設けられ、このベースは制限抵抗６２を介してＮＰＮトランジスタ８０のコレクタに接続され、ＮＰＮトランジスタ８０のエミッタはアース１００に接続され、ベースはバイアス抵抗６３および導線３８を介して論理演算ユニット５０の出力ピンに接続されている。そのようなユニットとして、例えばモトローラのマイクロコントローラＭＣ９０８Ｑ２を使用することができる。トランジスタ６０のコレクタに、フリーホイーリングダイオード６４のカソード、トランジスタ７０のベースにバイアスをかける抵抗６５、および継電器２０のコイル２１の端子が接続されている。フリーホイーリングダイオード６４のアノードはアース１００に接続されている。コイル２１の別の端子は、電圧調整ツェナーダイオード９２とフィルタリングコンデンサ９１の並列接続部に引き回され、フィルタリングコンデンサ９１のマイナス端子はアース１００に接続され、プラス端子は導線１１０に接続されて第２の供給電圧（この場合５．１Ｖ）のプラス側を形成する。第２の供給電圧が論理演算ユニット５０および演算増幅器９０（例えばＬＰＶ３２１）に供給される。トランジスタ７０のコレクタ電流は、制限抵抗７１を介して前記導線１１０に達する。トランジスタ７０にはミラーコンデンサ７２が付与されている。

増幅器９０の出力９０ｕは、ユニット５０の入力ピンおよびスター接続されたフィードバック抵抗７４、７５、７６の両方に接続されている。フィードバック抵抗７４、７５、７６のうち直列接続された最初の２つの抵抗が増幅器９０の非反転のピンに接続され、３番目の抵抗によって、抵抗７４、７５の共通ノードが５．１Ｖの第２の供給電圧を分流する抵抗分割器に結合されている。

この分割器は、直列接続された２つの等しい抵抗７６、７７によって形成され、その共通ノードに抵抗７６の端子が接続されている。２つのバイパスコンデンサ７８、７９が、それぞれ抵抗７６、７７に並列に設けられている。

増幅器９０の反転入力端には直列接続された抵抗８２とデカップリングコンデンサ８３が、非反転入力端には抵抗８４が、それぞれ接続されている。これらの構成要素のグループは、変圧器３０の２次側３２から来る２本の導線３２ａ、３２ｂに直列に接続された負荷抵抗８５の両端の電圧を検出する。負荷抵抗８５の端子も、抵抗７６、７７によって形成された分割器の出力に接続されている。

テスト用発電回路４０の以下の構成要素が、破線で囲まれグループ化されている。トライアック８８のアノードは、精密テスト抵抗８６によって導線４２を介して導線１２に接続され、カソードは、導線４４を介して導線１４に接続されている。抵抗８６は、前記抵抗８６中を流れる電流が導線４４および１４を通って回路網１０に戻るが変圧器３０のトロイダルコアを通って流れることのないように、変圧器３０の下流のノードで導線１２を分流する。実際には、導線４４は変圧器３０の上流で導線１２と接触する。変圧器３０が抵抗８６中を流れる電流を検出するだけでよいので、導線が他の位置にあることも同様に可能である。前記抵抗８６と並列に別の補償抵抗８７が設けられ、これが代わりに導線１２を変圧器３０の上流で導線４１を介して分流する。前記トライアック８８のゲートとカソードの間に、抵抗８９が設けられている。前記ゲートに、直列接続された抵抗１０１とダイオード１０４、ならびに直列接続された抵抗１０３とダイオード１０２が接続され、ダイオード１０２のアノードは前記ゲートの方へ向いている。前記ダイオード１０４と１０３は逆並列接続されている。ＮＰＮトランジスタ１０５のコレクタは抵抗１０３に接続され、エミッタはアース１００に接続され、ベースはユニット５０の出力ピンから給電される抵抗１０６によってバイアスされる。この出力ピンには、抵抗１０１と直列接続されたダイオード１０４のアノードも接続されている。

論理演算ユニット５０の２本のピンが、２つの直列抵抗１１１、１１３を介して、それぞれ発光ダイオード１１２、１１４に給電する。論理演算ユニット５０は、前記発光ダイオードを駆動することによって、ＧＦＣＩ １のユーザに視覚的な警告または信号を提供することができる。これらの警告を強調するために、発光ダイオード１１２は緑色であり、発光ダイオード１１４は赤色である。ブザーまたは同様のものなど、音による警告の使用も考えられる。

直列接続された２つの抵抗２８、２９が分割器を形成している。分割器は一端がアース１００に、他端が引込み抵抗４６に直列に接続され、回路網１０の周波数の矩形波電圧をユニット５０のピンに供給する。このユニット５０は、この矩形波で電力線の周期（５０Ｈｚの幹線では２０ミリ秒。６０Ｈｚの幹線では１６．６６ミリ秒）をカウントすることにより、内部タイミングに使用する。内部タイミングの別の供給源は、ユニット５０のクロックから再生され除数によって適切にスケールダウンされた矩形波信号でもよい。

ここで、ユーザがソケットにプラグ５５を接続する初期設定から、安全にヘアドライヤ１６を使用する定常状態までの、ＧＦＣＩ１の動作の段階を説明する。これらの段階は以下の通りである。

Ｉ．ユーザはプラグ５５を関連するソケットに挿入する。継電器２０は常時開であり、通電しておらず、ヘアドライヤ１６は電力回路網１０に接続されていない。したがって、ヘアドライヤ１６は作動していない。ダイオードブリッジ４７によってコンデンサ４８が充電され、その端子間の電圧は、ツェナーダイオード４９の降伏電圧に達すると安定する。トランジスタ６０は、トランジスタ８０によるバイアスがかかっていないのでオフであり、トランジスタ８０もまた、ユニット５０による抵抗６３を介してベースにバイアスがかけられていないのでオフである。その代わりに、トランジスタ７０は、抵抗６５、継電器２０のコイル２１、およびツェナーダイオード９２を通るベース電流用の電流経路によって飽和状態にある。このベース電流は小さすぎるので、継電器２０は励磁されない。トランジスタ７０が飽和状態にあるので、抵抗７１を介してツェナーダイオード９２に給電され、ツェナーダイオード９２の電圧がコンデンサ９１によってフィルタリングされ、演算増幅器９０および論理演算ユニット５０に給電する。

ＩＩ．ヘアドライヤ１６に電流が流れておらず、したがって変圧器３０の１次巻線中にも電流が流れないので、変圧器３０の２次側にも電流が流れず、その結果抵抗８５の両端間には電圧がかかっていない。したがって、増幅器９０の出力電圧９０ｕは、抵抗７８、７９によって形成された分割器によって設定される増幅器９０の電源電圧の約半分の定常値を維持する。ユニット５０は、内蔵のＡ／Ｄ（この実施形態では８ビット）変換器によって増幅器９０の出力電圧９０ｕの連続した収集（サンプリング）を行い、内蔵の演算モジュールで６５５３６（２^１６）点のサンプルの平均をとる。この動作の実行には１秒未満の時間しか必要でない。前記平均値は、１２７、すなわちフルスケールの半分でなければならず、許容差を考慮して偏差は上下３ビットである。そのような値は、抵抗７６、７７によって形成された分割器が供給電圧の半分に等しい公称電圧を出力するときに得られる。得られた値がこの範囲から外れる場合、段階ＩＩを最初から繰り返し、そうでなければ次の段階ＩＩＩに進む。この段階では、発光ダイオード１１２、１１４は両方ともオンである。

ＩＩＩ．ユニット５０は、段階ＩＩで得た平均値を格納し、段階ＩＩと同様に、増幅器９０の出力電圧９０ｕをさらに６５５３６回サンプリングしてその平均値を計算する。得られた平均値は、先の平均値と最大でも１ビットの差で等しくなければならず、そうでなければ、システムは再び段階ＩＩへジャンプする。これにより、第２の供給電圧が安定しており、Ａ／Ｄ変換器が適切に作動していることが保証される。この段階で計算された平均値は、ユニット５０の内部に格納され、Ａ／Ｄ変換器用ゼロ基準値と見なされる。発光ダイオード１１２、１１４は引き続きオンである。

ＩＶ．ユニット５０は、増幅器９０の出力電圧９０ｕを取得する通常モードに入る。増幅器９０の出力電圧９０ｕのサンプル値と段階ＩＩＩで格納したゼロ基準値の差の絶対値が計算される。これらの処理されたすべての値のうちから最大値が格納され、回路網１０の数周期分の遅延の後、ユニット５０は、最大値が２未満、すなわちＡ／Ｄ変換において最小有効ビットしか変化しないということを確認する。これによって、システムのノイズがＧＦＣＩ１の動作を邪魔しない程十分に低いことが保証される。この条件が満たされない場合、ユニット５０は再び段階Ｉにジャンプする。この段階中、発光ダイオード１１２、１１４は両方とも点滅する。

Ｖ．ユニット５０は、導線３６に正電圧のバイアスをかけ、抵抗１０６でトランジスタ１０５にバイアスをかけて飽和状態にする。トライアック８８のゲートは、直列接続されたダイオード１０４と抵抗１０１によって、導線１２上の回路網１０の電圧が正の半波中は正のバイアスがかけられる。一方、負の半波中は、トライアック８８のバイアス電流の経路は、ダイオード１０２、抵抗１０３およびトランジスタ１０５から成る。どちらの場合でも、抵抗８９を通って電流が流れ、トライアック８８はオンである。

ＶＩ．このトライアック８８のオン状態は回路網１０の電圧の２周期の間維持される。トライアック８８がオンのとき、非常に精密な抵抗値のテスト抵抗８６が変圧器３０用の差動電流の流れを発生させ、変圧器３０がこれを検出して２次側３２に電流を誘起し、それによって抵抗８５の両端に電圧を生成する。この交流電圧は演算増幅器９０によって増幅され、その出力９０ｕに与えられる。前の段階と同様に、ユニット５０は内蔵Ａ／Ｄ変換器でこの電圧信号をサンプリングし、デジタル量に変換して、その最大値を格納する。次いで、ユニット５０は、前記最大値があらかじめユニット５０のＲＯＭに格納された上閾値と下閾値の間に含まれることを確認する。これは、差動電流を検出するための回路全体が適正に作動しており、許容できる感度を有することを保証するためである。前記最大のサンプル値が低すぎる場合、緑色発光ダイオード１１２が短時間点滅し、システムは段階ＩＩから再スタートする。前記最大のサンプル値が高すぎる場合、赤色発光ダイオード１１４が点滅し、やはりシステムは段階ＩＩから再スタートする。前記最大のサンプル値が許容できる場合、この値はＧＦＣＩ１によって与えられたテスト値として格納され、次の段階ＶＩＩに進む。

ＶＩＩ．ここでユニット５０は、導線３８に正電圧のバイアスをかけ、抵抗６３でトランジスタ８０にバイアスをかけて飽和状態にする。この時点で、第１の３０Ｖ電源から抵抗６１、６２を通って、アース１００まで電流が流れることができる。それによって、トランジスタ６０が飽和状態になり、継電器２０のコイル２１が第１の電源から給電される。継電器２０を励磁するのに十分な大きさの電流がコイル２１に流れることができる。それによって、ヘアドライヤ１６は回路網１０に接続され使用可能になる。同時に、ユニット５０は緑色発光ダイオード１１２をずっとオンにし、赤色発光ダイオード１１４をオフにする。

ＶＩＩＩ．ユニット５０は、継電器２０を励磁し、それによってヘアドライヤ１６を回路網１０から給電した後に、前の段階と同様に、演算増幅器９０の出力電圧９０ｕの監視を続ける。具体的には、前記ユニット５０は、前記出力電圧９０ｕをＡ／Ｄ変換器でデジタル値へ変換した後に、ゼロ値からその最大値を引き、次いでその係数（または絶対値）を計算して、実際の漏れ電流の最大値を得る。この最大値がリミット値（この場合は段階ＶＩの最後に格納された値、すなわちテスト値）より大きい場合、ユニット５０は、連続１０回すなわち１０回のデータ収集（約０．ｌｍｓで作成される）より長い時間、抵抗３８から電圧を除去し、それによって継電器２０をトリップさせて、ヘアドライヤ１６を回路網１０から切り離す。論理演算ユニット５０は赤色発光ダイオード１１４を点滅させて危険状態を知らせる。この危険状態では、ＧＦＣＩ１はロックされたままであり、それによって継電器２０のさらなる励磁を防ぎ、再度オフ、オンと切り替えることによってのみ再び作動させることができる。このことは、この場合、ユーザが壁ソケットからプラグ５５を抜いて切り離し、ＧＦＣＩ １をトリップさせる障害を解除し、再びプラグ５５を接続しなければならないことを意味する。その時点で、ＧＦＣＩ１は前述の段階Ｉから作動を開始することになる。

段階ＶＩＩＩの間、すなわちヘアドライヤ１６が給電されているとき、ＧＦＣＩ１の良好な作動を確認するために、段階ＶおよびＶＩにおけるようなテスト処置を周期的に行うことができる。この場合、テストの間、すなわち段階ＶおよびＶＩで説明された動作が行われるとき、ユーザの安全性を何とかして保証するために、継電器２０をトリップさせないために必要な演算増幅器９０の出力９０ｕの許容できる最大値、すなわちリミット値を２倍にする。

以上の説明により、本発明の別の利点が、すなわちテスト抵抗８６の値を変更することによってＧＦＣＩ１の動作閾値を容易に設定できることにあることは明白である。比較のための閾値が、ユニット５０の内部にアプリオリに格納された固定値ではなく、初期化段階中にＧＦＣＩ１によって実際に検出されなければならないプリセット電流の結果であるので、ＧＦＣＩ１は、実際には動作閾値がＧＦＣＩ１用には低すぎるかどうかチェックされることさえ保証する。その場合、実際には、給電されるはずの負荷は分離されたままということになる。

本発明の別の利点は、上述の保護に、短絡回路またはアーク障害の保護のような他のタイプの有効な保護を容易に付加できることにある。

短絡回路状態は、図２において導線１２ａと導線１２ｂがたとえ一時的であっても接触するか、または、例えば人が導線１２ａおよび１２ｂに触れて負荷が極めて低いインピーダンス値に達するときに起こる。この時点で、大電流が導線１２ａおよび１２ｂを通って流れることになり、これも致命的である。ヒューズ１１（図２参照）では急速なトリップ動作は保証されない。

この不具合は、図３に示す本発明の変形形態を実現することにより克服することができる。図３には追加構成要素に関する数字が示されており、回路の残りの部分は以前に説明されたものと同じである。

この変形形態では、導線１４に変流器３００を挿入することにより、短絡電流に対する保護が付加されている。

変流器３００は、同様に導線１２に挿入してもよく、または継電器２０の下流でもよい。そのような変流器３００の１次巻線は導線１４それ自体であり、センタータップのある２次側は２次巻線３３０によって実現される。センタータップは、非常に低い値の抵抗１１１ａ（数オーム）の端子に接続され、抵抗１１１ａの別の端子には２つのダイオード３１０、３１１のアノードが接続され、２つのダイオードのカソードは変流器３００の２次巻線の両端子に接続されている。

図２では発光ダイオード１１２に直接接続されていた抵抗１１１は、この場合はダイオード３１０とダイオード３１２のカソードが結合するノードに接続されている。導線３２０が、変流器３００の２次側３３０のセンタータップと発光ダイオード１１２を接続し、発光ダイオード１１２には相対的に高い値（約１０ｋΩ）の抵抗１１１ｂが並列に付加されている。

したがって、変流器３００の２次巻線３３０の電圧が発光ダイオード３１０および発光ダイオード３１１によって整流されるので、抵抗１１１ａの両端に、導線１４に流れ込む電流に比例した脈動信号（ｐｕｌｓｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ）が供給されることになることが理解されよう。

回路の動作は以下の通りである。抵抗１１１が接続されるユニット５０のピン（Ａ０と定義される）は、初期化中に出力ピンとして使用され、既に説明したように抵抗１１１および抵抗１１１ａを介して赤色発光ダイオード１１２を駆動する。一方、抵抗１１１ｂは発光ダイオード１１２の動作に影響を及ぼさない。初期化段階の最後に、赤色発光ダイオード１１２はオフになり、ユニット５０のＡ０ピンは、ユニット５０内蔵プログラムの適切な命令により、アナログの入力端になる。

そのとき、前記Ａ０ピンは、印加される電圧をＡ／Ｄ変換器にサンプリングさせることができ、したがって変流器３００によって負荷に供給される電流を間接的に測定することができる。ユニット５０は、導線１４を流れる電流が既定の閾値を越える場合には、既に説明したのと同様にして、スイッチ（継電器）２０を確実に切り離し、それによって短絡回路保護を保証する。

本発明による装置の第２の変形形態を図４に示す。これは第１の変形形態とほとんど同じであり、簡単にするために新しい数字だけが示してある。回路の残りの部分は、以前に説明したものと同じである。

負荷に接続された導線１２ｂに変流器３００１が挿入されている。変流器３００１の挿入は、導線１４ｂ、またはスイッチ（継電器）２０の上流でもよい。変流器３００１の１次巻線は導線１２ｂによって実現され、２次側は２次巻線３３０１で実現される。

非常に低い値（数オーム）の抵抗１１１１ａが、２次巻線３３０１の両端子を接続する。図２では発光ダイオード１１２に接続されていた抵抗１１１は、この場合は発光ダイオード１１２のアノードに給電する抵抗１１１１ａに接続されている。発光ダイオード１１２のカソードは、トランジスタ３７０のコレクタに接続されており、トランジスタ３７０のエミッタはアース１００に接続され、ベースは、２つの抵抗３４６、３４４によって形成されトランジスタ７０のコレクタによって給電される分割器によってバイアスされる。前記トランジスタ３７０と並列にコンデンサ３４０が付与されており、トランジスタ３７０のコレクタは、抵抗３４２を介して演算増幅器９０の出力９０ｕに接続されている。

抵抗３４２とコンデンサ３４０から成る組立体は、増幅器９０の出力９０ｕにおける電圧用のローパスフィルタを形成し、それによって、トランジスタ３７０のコレクタにおいて第２の供給電圧の半分に等しい直流電圧を維持する。

回路の動作は以下の通りである。

初期化段階の間、既に説明したように、ユニット５０のピンＡ０は出力ピンとして使用され、抵抗１１１および抵抗１１１１ａを介して赤色発光ダイオード１１２を駆動する。一方、トランジスタ７０も同様に飽和状態にあるのでトランジスタ３７０は飽和状態であり、継電器２０が励磁されず、発光ダイオード１１２がオンになることができる。初期化段階の最後に、赤色発光ダイオード１１２がオフになり、ユニット５０のピンＡ０がプログラムの適切な命令によってアナログの入力端になる。

トランジスタ７０がオフになるため、トランジスタ３７０がオフになり、同時に継電器２０が励磁される。次いで、トランジスタ３７０のコレクタに、増幅器９０の出力９０ｕの電圧のＤＣ成分がかかることになる。この直流電圧が、変流器３００１によって生成されて抵抗１１１１ａの両端にかかる信号に加えられ、Ａ／Ｄ変換器によってサンプリングされる。したがって、ユニット５０は、負荷に吸収された電流を間接的に測定することができる。

ピンＡ０の電圧の読取りは、増幅器９０の出力電圧９０ｕの読取りと同じように実行される。ピンＡ０の電圧とゼロ電圧（上述の段階ＩＶの間にゼロ値として格納されたもの）の差の絶対値がユニット５０のＲＯＭに格納されたリミット値と比較され、リミット値より大きい場合は、継電器２０がトリップすることにより負荷１６を切り離す。

ただし、これまでの説明および添付の図面によって表されるような保護方法および関連する電子回路からの重要でない逸脱は、添付の特許請求の範囲に含まれることを理解されたい。

本発明によるＧＦＣＩのブロック図である。 図１のＧＦＣＩの詳細な回路図である。 図２の回路の一変形形態の回路図である。 図２の回路の別の一変形形態の回路図である。

Claims (35)

1. 電気回路網（１０）に接続された負荷（１６）の給電中に生成された漏れ電流に対して保護する方法であって、
   既定のテスト用漏れ電流を生成し、検出することによって、効率および／または漏れ電流検出の較正を確認する段階と、
   実際の漏れ電流を検出し、それに比例する信号を生成する段階と、
   前記比例信号を取得し、リミット値より大きな信号が取得される危険状態に至ったとき、前記電気回路網（１０）から前記負荷（１６）を切り離す段階と、
   を組み合わせて含むことを特徴とする方法。
2. 効率および／または較正を確認する前記段階は、前記回路網（１０）に前記負荷（１６）を接続する前に実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 効率および／または較正を確認する前記段階は、テスト用漏れ電流を生成し、それに対応する比例信号を生成し、その信号が既定の範囲に含まれることを確認することにより実施されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記負荷（１６）を前記回路網（１０）に接続する前に、テスト用漏れ電流を生成せずに１回または複数回前記比例信号を取得することにより前記比例信号のゼロ基準値を得ることを特徴とする請求項１から３に記載の方法。
5. より信頼性の高いゼロ基準推定値を得るために平均化操作を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記回路網（１０）から前記負荷（１６）を切り離しておいて、テスト用漏れ電流を生成した後に、前記ゼロ基準値と取得信号（９０ｕ）の大きさの差の絶対値をとることにより前記リミット値を得ることを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 前記負荷（１６）を前記回路網（１０）に接続した後に、少なくともテスト用電流を生成することにより、漏れ電流の定期的検出を周期的に確認する段階をさらに含むことを特徴とする前記請求項に記載の方法。
8. 漏れ電流の定期的検出を周期的に確認する前記段階の間、取得信号（９０ｕ）の大きさの係数中最大のものが、前記リミット値と前記負荷（１６）を前記回路網（１０）から切り離しておいてテスト用漏れ電流を生成した後に取得した取得信号（９０ｕ）の大きさとの和より大きいときはいつも、負荷（１６）を回路網（１０）から切り離す段階をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 漏れ電流の前記検出は、導線（１２、１４）によって形成され前記負荷（１６）に給電する１次巻線および漏れ電流に比例した前記信号を生成するための２次巻線（３２）を備える差動変圧器（３０）を使用して行われることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
10. 負荷（１６）を切り離す前記段階は、開のとき前記負荷（１６）を前記回路網（１０）から切り離し、閉のとき前記負荷（１６）を前記回路網（１０）に接続する、電気的に制御されるスイッチ（２０）を使用して行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 危険状態の間、前記電気的に制御されるスイッチ（２０）は、同スイッチ（２０）が回路網（１０）から切り離されるまで、強制的に開かれることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記負荷（１６）に接続された少なくとも１本の導線中の電流を検出し、前記電流が既定の閾値より大きいときはいつも同負荷（１６）を切り離す段階をさらに含むことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
13. 前記負荷（１６）に接続された少なくとも１本の導線中の電流を検出する前記段階は、前記回路網（１０）への前記負荷（１６）の接続の前および／または後に行われることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記負荷（１６）に接続された少なくとも１本の導線中の電流の前記検出は、変流器を使用して行われることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記負荷（１６）の前記切離しは、前記電気的に制御されるスイッチ（２０）によって行われることを特徴とする請求項１２から１４に記載の方法。
16. 前記請求項に記載の方法を実施するための装置（１）において、
    前記回路網（１０）と前記負荷（１６）の間に設けられ、開いているときは前記負荷（１６）を前記回路網（１０）から切り離し、閉じているときは接続する、電気的に制御されるスイッチ（２０）と、
    漏れ電流に比例する信号を生成する、漏れ電流のための検出手段（３０）と、
    漏れ電流のための前記比例信号を得るために検出手段（３０）に接続され、あるいは危険状態のときはいつも、制御信号（３８）でスイッチ（２０）を駆動して開くためにスイッチ（２０）に接続される、論理合成ユニット（５０）と、
    を備える装置（１）であって、
    テスト用漏れ電流を生成し、それによって効率ならびに／あるいは検出手段（３０）およびスイッチ（２０）の較正を確認する発電回路（４０）を備えることを特徴とする装置。
17. 前記発電回路（４０）は、前記論理合成ユニット（５０）により、少なくとも１つの制御信号（３６）で制御されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記スイッチ（２０）は、前記論理合成ユニット（５０）からの制御信号（３８）によって制御される励磁コイル（２１）を備える継電器であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の装置。
19. 前記論理合成ユニット（５０）はマイクロコントローラであることを特徴とする前記請求項に記載の装置。
20. 前記論理合成ユニット（５０）用の安定した電源を生成する回路をさらに備え、前記回路は前記電気回路網（１０）から給電されることを特徴とする前記請求項に記載の装置。
21. 単相交流電圧によって給電されることを特徴とする前記請求項に記載の装置。
22. 漏れ電流のための前記検出手段（３０）は、導線（１２、１４）によって形成され前記負荷（１６）に給電する１次巻線が上に施されたコアと前記１次巻線に流れ込む電流に比例した信号を生成する２次巻線（３２）とを有する差動変圧器（３０）を含むことを特徴とする前記請求項に記載の装置。
23. 前記発電回路（４０）は、前記論理合成ユニット（５０）が生成する信号（３６）によってその導通が制御されるトライアック（８８）に直列接続された抵抗（８６）を備え、前記直列接続されたものが、前記負荷（１６）に給電する導線（１２、１４）を、前記検出手段（３０）の下流の端子および上流の端子において分流することを特徴とする前記請求項に記載の装置。
24. 漏れ電流のための前記検出手段（３０）の下流に、前記電流に比例する前記信号用の増幅器（９０）が設けられることを特徴とする前記請求項に記載の装置。
25. 前記増幅器（９０）用の安定した電源（９１、９２）を生成する回路をさらに備え、前記回路は電気回路網（１０）から給電されることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
26. 前記論理合成ユニット（５０）は、視覚的警告（１１２、１１４）および／または音による警告を駆動することを特徴とする前記請求項に記載の装置。
27. 前記論理合成ユニット（５０）は、スイッチ（２０）が閉となる前および／または後に、漏れ電流の大きさの周期的な制御を走査するように適合されたタイミング手段（２８、２９）を備えることを特徴とする前記請求項に記載の装置。
28. 前記論理合成ユニット（５０）は、漏れ電流用の前記検出手段（３０）によって取得した値を既定値またはリアルタイムで得られた値と比較するように適合された演算モジュールを含むことを特徴とする前記請求項に記載の装置。
29. 前記既定値は、論理合成ユニット（５０）の内蔵ＲＯＭに格納されることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
30. 前記負荷（１６）に接続された少なくとも１本の導線中の電流のための検出手段（３００、３００１）をさらに備え、前記手段（３００、３００１）が前記電流に比例する信号を生成し、危険状態のときスイッチ（２０）のトリップ動作を制御するために前記論理合成ユニット（５０）に接続されていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の装置。
31. 前記負荷（１６）に接続された少なくとも１本の導線中の電流のための前記検出手段（３００、３００１）は、変流器を含むことを特徴とする請求項３０に記載の装置。
32. 前記論理合成ユニット（５０）は、危険状態のときに制御信号（３８）で前記スイッチ（２０）のトリップ動作を制御するために、前記負荷（１６）に接続された少なくとも１本の導線中の電流のための前記検出手段（３００、３００１）または前記スイッチ（２０）のいずれかに接続されることを特徴とする請求項３０または３１に記載の装置。
33. 電気器具を電気回路網（１０）に接続するためのプラグ（５５）を備え、請求項１６乃至３２のいずれかに記載の保護装置（１）を備えることを特徴とする電気器具。
34. ヘアドライヤまたは他の任意の家庭電気装置であることを特徴とする請求項３３に記載の器具。
35. 請求項１６乃至３２のいずれかに記載の保護装置（１）を備えることを特徴とする電気器具に給電するためのソケット。
    

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