MX2012010359A - Metodo y aparato para circuito de supervision para dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra. - Google Patents

Abstract

Se divulga un aparato y método para circuito de supervisión para un dispositivo de detección de falla a tierra o un dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra (GFCI) en el que se utiliza un suministro de energía de DC de bajo voltaje para generar una señal de estímulo de prueba para una auto prueba del dispositivo de GFCI. El dispositivo de GFCI incluye conductores de línea y neutro configurados para conectar una fuente de energía de AC y una carga. Un transformador de corriente diferencial incluye un toroide, a través del cual pasan los conductores de línea y neutro, y un devanado secundario sobre el toroide. Un detector de falla de diferencial a tierra está conectado eléctricamente al devanado secundario del transformador de corriente diferencial para comparar la corriente generada en el devanado secundario desde un desequilibrio de flujo magnético en el toroide hasta un umbral de disparo. Un conductor de alambre se enruta a través del toroide del transformador de corriente diferencial Un controlador está configurado para controlar una señal de estímulo de prueba de DC de bajo voltaje que se genere en el conductor de alambre.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA CIRCUITO DE SUPERVISIÓN PARA DISPOSITIVO INTERRUPTOR DE CIRCUITO DE FALLA A TIERRA CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere a circuitos de detección de falla a tierra y más particularmente, a probar circuitos de detección de falla a tierra utilizando una señal de estimulo generada utilizando un suministro de energía de DC de bajo voltaj e .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los dispositivos interruptores del circuito de falla a tierra (GFCI, Ground Fault Circuit Interrupt) detectan la presencia de fallas de corriente a tierra y fallas neutrales a tierra, e interrumpen la energía en sistemas de energía de AC si dichas fallas se detectan. En consecuencia, los dispositivos GFCI proporcionan protección contra la electrocución y típicamente se utilizan en receptáculos en cocinas, baños, y receptáculos al aire libre donde puede haber agua o humedad que puede plantear un riesgo de electrocución. Los dispositivos GFCI también se utilizan en interruptores que protegen estas mismas áreas de edificios residenciales. Los dispositivos GFCI y otros dispositivos que detectan las fallas a tierra y los sistemas interruptores de energía de AC también se pueden denominar generalmente como "detectores de falla a tierra". Los detectores de falla a tierra típicamente tienen circuitos supervisores o circuitos de prueba que verifican la funcionalidad de circuito de detección de falla a tierra.

Los detectores de falla a tierra desconectan un circuito cuando se detecta fuga de corriente. La fuga de corriente ocurre cuando la corriente fluye a través de una línea, o conductor "caliente", desde una carga de la fuente que se desvía a tierra sin regresar a la fuente. Esta fuga puede resultar de un cortocircuito accidental, tal como de una carga defectuosa unida a la línea. Si una persona toca la carga, la corriente de fuga puede pasar a través del cuerpo de la persona a la tierra, llevando a una descarga eléctrica. Consecuentemente, los detectores de falla a tierra, o GFCIs, actúan como dispositivos de seguridad y están diseñados para detectar cortos de línea-a-tierra y desconectar el circuito de distribución.

Los detectores de falla a tierra también necesitan actuar rápidamente. Mientras que un interruptor típico interrumpe un circuito en 20 amperios, solamente se necesitan aproximadamente 100 miliamperios para electrocutar a una persona. Por lo tanto, para agregar seguridad, los detectores de falla a tierra deben ser capaces de detectar flujo de corriente entre una linea y tierra en niveles de corriente tan bajos como 6 miliamperios y disparar un interruptor en el receptáculo o en el panel del interruptor para remover el riesgo de descarga. Los detectores de falla a tierra se requieren típicamente para receptáculos en baños y otras áreas expuestas al agua con el fin de prevenir que ocurran situaciones mortales de falla a tierra.

En sistemas de dos líneas, los GFCIs detectan típicamente la fuga de corriente al comparar la corriente que fluye en la línea y regresa en el conductor neutro. Una diferencia en los niveles de corriente implica que algo de corriente se ha fugado del circuito y existe una falla a tierra. Los GFCIs típicamente utilizan un transformador diferencial para detectar una diferencia en los niveles de corriente en la línea y el conductor neutro. El transformador diferencial es a menudo un núcleo toroidal que tiene como sus devanados primarios los conductores de línea y neutro de circuitos de distribución que se está protegiendo, los cuales se rodean por el núcleo. Los devanados secundarios del transformador se enrollan alrededor del núcleo. Durante condiciones normales, la corriente que fluye en una dirección a través del conductor de línea regresará en la dirección opuesta a través de conductor neutro. Este balance produce un flujo de corriente neto de cero a través del transformador diferencial, y el devanado de múltiples vueltas no proporciona ninguna salida. Si existe una falla, las corrientes de fuga del conductor de linea a tierra y la corriente que fluye de regreso a través de los conductores de línea y neutro en el transformador diferencial no será igual. Este desequilibrio de corriente producirá flujo sin cancelar en el núcleo del transformador diferencial, lo que resulta en una salida del devanado secundario de múltiples vueltas. El circuito de detección identifica la salida del transformador diferencial y abre los contactos del interruptor.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un aparato y método para un circuito supervisor en un dispositivo interruptor del circuito de falla a tierra (GFCI) . Las modalidades de la presente invención utilizan un suministro de energía de DC de bajo voltaje para generar una señal de estímulo, la cual se utiliza para una auto prueba de un dispositivo de GFCI.

En una modalidad de la presente invención, un dispositivo GFCI incluye conductores de línea y neutro configurados para conectar una fuente de energía de AC y una carga. Un transformador de corriente diferencial incluye un toroide, a través del cual pasan los conductores de línea y neutro, y un devanado secundario sobre el toroide. Un detector de falla de diferencial a tierra esta conectado eléctricamente al devanado secundario del transformador de corriente diferencial para comparar la corriente generada en el devanado secundario desde un desequilibrio de flujo magnético en el toroide hasta un umbral de disparo. Un conductor de alambre se enruta a través del toroide del transformador de corriente diferencial. Un controlador está configurado para controlar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje que se genere en el conductor de alambre.

De acuerdo con otra modalidad de la presente invención, en un método para llevar a cabo una auto prueba por un dispositivo GFCI, se genera una señal de estímulo de prueba en un conductor de alambre enrutado a través de un toroide de un transformador de corriente diferencial desde un suministro de energía de DC de bajo voltaje.

Estas y otras ventajas de la invención serán aparentes para aquellos experimentados en la materia con referencia a la siguiente descripción detallada y los dibujos de acompañamiento .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 ilustra un dispositivo GFCI convencional con un circuito de prueba de supervisión.

La Figura 2 ilustra un diagrama de tiempo de señal de la auto prueba por medio de botón (push-to-test ) para el dispositivo GFCI de la Figura 1.

La Figura 3 ilustra un diagrama de tiempo' de señal de una auto prueba automática para el dispositivo GFCI de la Figura 1.

La Figura 4 ilustra un dispositivo GFCI de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La Figura 5 ilustra un diagrama de tiempo de señal de la auto prueba por medio de botón (push-to-test) para el dispositivo GFCI de la modalidad de la Figura 4.

La Figura 6 ilustra un diagrama de tiempo de señal de una auto prueba automática para el dispositivo GFCI de acuerdo con la modalidad de la Figura 4.

La Figura 7 ilustra un dispositivo GFCI de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.

La Figura 8 ilustra un diagrama de tiempo de señal de la auto prueba por medio de botón (push-to-test) para el dispositivo GFCI de la modalidad de la Figura 7.

La Figura 9 ilustra un diagrama de tiempo de señal de una auto prueba automática para el dispositivo de GFCI de acuerdo con la modalidad de la Figura 7.

La Figura 10 ilustra un dispositivo GFCI de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.

La Figura 11 ilustra un dispositivo GFCI de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.

La Figura 12 ilustra un dispositivo GFCI de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.

La Figura 13 ilustra un dispositivo GFCI de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.

La Figura 14 ilustra un método para llevar a cabo una auto prueba mediante un dispositivo GFCI de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un circuito de supervisión para dispositivos interruptores de circuito de falla a tierra (GFCI, Ground Fault Circuit Interrupt) . Muchos dispositivos GFCI tienen un botón de "prueba" para verificar la integridad de un dispositivo. Los métodos de prueba pueden crear un pequeño desequilibrio al hacer pasar una corriente de señal de estimulo a través del núcleo del transformador diferencial. Por ejemplo, presionar el botón de prueba puede provocar que el suministro de energía de AC de 120 voltios se mueva a través de un resistor de 15 K a lo largo de un alambre de prueba que pasa a través del transformador diferencial. En este ejemplo, una corriente de 8 mA (miliamperios rms) , que es mayor que el requerimiento de detección de corriente de fuga de 6 mA para circuitos GFCI, pasa a través del transformador diferencial. El transformador diferencial y el circuito de detección en un dispositivo funcionando apropiadamente detectarían la corriente de prueba como un desequilibrio y provocaría que el circuito se dispare. El que hace la prueba interpreta este resultado como significando que el dispositivo interruptor está trabajando de manera segura y correctamente. Si el interruptor no se dispara, el que hace la prueba puede asumir que el circuito tiene un problema que puede ser peligroso y requiere la atención de un especialista y posiblemente el reemplazo del dispositivo. Algunos dispositivos GFCI también incluyen un botón de reinicio para reiniciar el interruptor después de que ha sido disparado.

En el futuro cercano, muchos dispositivos GFCI pueden también incluir funciones de auto prueba que se inician internamente en intervalos periódicos para verificar la integridad del dispositivo. Tales dispositivos consisten de un temporizador y un interruptor electromecánico o electrónico que se conecta eléctricamente al suministro de AC de 120 voltios a través de un resistor a lo largo de un alambre de prueba que pasa a través del transformador diferencial .

Los presentes inventores han reconocido los siguientes problemas con los circuitos de prueba de supervisión convencionales, ya sea que el circuito de prueba esté cerrado utilizando un interruptor mecánico o un interruptor electrónico. En primer lugar, los circuitos de prueba convencionales están directamente expuestos al ruido que existe en el conductor de linea de suministro de AC, lo que puede interferir posiblemente con la prueba. En segundo lugar, el suministro de AC puede fluctuar en voltaje resultando en una varianza bastante grande de corriente de señal de estímulo creando condiciones de escape de prueba. En tercer lugar, el circuito de prueba disipa aproximadamente 1 vatio de energía cuando se ejercita de un suministro de AC de 120 voltios.

Con auto pruebas automáticas y el uso de un interruptor electrónico, la disipación de energía del circuito la prueba se vuelve más que un problema. Otro problema utilizando interruptores electrónicos es la exposición directa a los altos voltajes en el conductor de línea de suministro de AC . Los componentes clasificados con mayor energía nominal y mayor voltaje nominal son más grandes en tamaño y cuestan más que los componentes con menor energía nominal y menores voltajes nominales.

Las modalidades de la presente invención proporcionan un circuito de supervisión para probar circuitos de detección de falla a tierra al implementar un suministro de energía de DC de bajo voltaje el cual se genera directamente una señal de estímulo de prueba, típicamente una corriente, en lugar de directamente desde el conductor de línea de suministro de 120 voltios. Un suministro de energía de DC de bajo voltaje proporciona filtración de cualquier ruido presente en el conductor de línea de suministro de 120 voltios, previniendo de esta manera la interferencia con la prueba desde la misma señal de estímulo de prueba.

Un suministro de energía de DC de bajo voltaje típicamente se regula para que esté aproximadamente dentro de 100 milivoltios para proporcionar un voltaje constante de salida de DC, eliminando así cualquier problema provocado por las grandes fluctuaciones en voltaje del suministro de AC. Como resultado, la amplitud de corriente de la señal de estímulo de prueba no necesita establecerse del 15 al 20 por ciento mayor que el umbral de disparo nominal de circuito de detección de falla a tierra para asegurar la amplitud suficiente, tal como cuando el suministro de AC de 120 voltios está 85 por ciento por debajo del voltaje nominal. Este es un requerimiento de prueba en Under riters Laboratories (UL) 943 que rige los dispositivos GFCI en las casas residenciales. Utilizando un suministro de energía de DC de bajo voltaje, la amplitud de la señal de estímulo de prueba se puede establecer cerca del umbral de disparo nominal de 6 mA, resultando así en pruebas más consistentes repetibles que eliminan cualquier escape posible de prueba de un umbral de disparo degradante.

La disipación de energía se reduce en las modalidades de la presente invención al utilizar un suministro de energía de DC de interrupción altamente eficiente. La energía disipada en el circuito de prueba utilizando un suministro de energía de AC de 120 voltios es de aproximadamente 1 vatios (120 voltios x 8 mA = 0.96 vatios) cada vez que se ejercita el circuito de prueba. Si se implementa un suministro de energía de DC de interrupción del 80 por ciento de eficiente suministrando DC de 5 voltios y 8.5 miliamperios de corriente de DC (amplitud máxima de 6 mA rms sinusoidal) , entonces la energía disipada en el circuito de prueba es de aproximadamente 53 milivatios (5 voltios x 8.5 mA/0.80) cada vez que se ejercita el circuito de prueba. En consecuencia, en diferentes modalidades de la presente invención, los componentes con menor energía nominal se pueden utilizar en el circuito de prueba de supervisión con conflabilidad aumentado debido menor tensión eléctrica. Esto puede no ser una preocupación para los dispositivos con botón de prueba solamente ya que el circuito de prueba se puede ejercitar solamente aproximadamente 240 veces a través de la vida del dispositivo si el circuito de prueba se ejercita una vez por mes como se recomienda. Sin embargo, para dispositivos con auto prueba, el circuito de prueba se puede ejercitar unas 50,000 veces a lo largo de la vida del dispositivo.

Los interruptores electrónicos en circuitos de prueba que generan el estimulo de señal de prueba directamente desde el conductor de linea de un suministro de AC de 120 voltios están sujetos a voltajes transitorios tan altos como 400 a 500 voltios en el conductor de linea de un suministro de AC de 120 voltios incluso con circuitos de protección transitoria diseñados apropiadamente que incluyen componentes tales como un transorb o varistor de óxido de metal. Estos voltajes transitorios se pueden reducir a tan sólo unos voltios utilizando un suministro de energía de DC para generar la señal de estímulo de prueba. Por lo tanto, se pueden utilizar un interruptor electrónico y cualquier otro componente con un voltaje nominal mucho menor en el circuito de prueba de supervisión con conflabilidad aumentada.

Muchos dispositivos de detección de falla a tierra ya utilizan un suministro de energía de DC de bajo voltaje para proporcionar energía para los circuitos electrónicos de detección de falla a tierra. De acuerdo con diferentes modalidades de la presente invención, puede ser conveniente utilizar el mismo suministro de energía de DC de bajo voltaje para proporcionar directamente la señal de estímulo para el circuito de prueba en lugar del conductor de línea del suministro de AC de 120 voltios. En consecuencia, ya que una adición de un suministro de energía de DC de bajo voltaje no se requiere para muchos dispositivos, las modalidades de la presente invención pueden implementar con poco o ningún costo extra o tamaño para el dispositivo. Diferentes modalidades de la presente invención probablemente reducirían el tamaño y costo ya que las modalidades de la presente invención utilizan componentes con menor energía nominal y menores voltajes nominales que los componentes que se utilizan en dispositivos convencionales. Los componentes con menor energía nominal y menor voltaje nominal son generalmente más pequeños en tamaño y cuestan menos que los componentes con mayor energía nominal y mayor voltaje nominal. Además, un interruptor electrónico con menor voltaje nominal, y un resistor que establece la amplitud de corriente de la señal de estímulo de prueba con una menor energía nominal se podría integrar en un circuito integrado de aplicación específica (ASIC, Application Specific Integrated Circuit) de detección del semiconductor complementario del óxido de metal (CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor) , ahorrando tanto tamaño como costo. Esto se puede implementar sin agregar un pin extra al ASIC al reutilizar el pin para la señal de control al interruptor electrónico.

Los dispositivos de detección de falla a tierra con circuitos de prueba de supervisión no solamente se encuentran en salidas de GFCI o interruptores GFCI en edificios residenciales. Estos dispositivos también tienen aplicaciones en la protección de circuitos eléctricos comerciales e industriales. Estos dispositivos se pueden combinar con otros dispositivos tales como dispositivos de detección de interruptor de circuito de falla de arco (AFCI, Are Fault Circuit Interrupter) . Los dispositivos de detección de falla a tierra se pueden utilizar en cualquier sistema de entrega de energía eléctrica o en cualquier equipo eléctrico. En consecuencia, las modalidades de la presente invención se pueden implementar en cualquier tipo de dispositivo de detección de falla a tierra.

La Figura 1 ilustra un dispositivo GFCI 100 convencional con un circuito de prueba de supervisión que utiliza el suministro de energía de AC de 120 voltios 101 para generar directamente el voltaje de estímulo de corriente de prueba. Como se ilustra en la Figura 1, el dispositivo GFCI 100 convencional incluye un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) 102, que incluye un circuito de detección de falla a tierra diferencial 104 y circuitos para una auto prueba, tal como un controlador de auto prueba 106 y un temporizador 108. El dispositivo GFCI 100 convencional además incluye un suministro de energía de DC 110 para energizar el ASIC 102. Un transformador de corriente diferencial 112 se construye en un toroide 114, con el conductor de línea 116 y el conductor neutro 118 pasando a través del toroide 114 y un devanado secundario 120 devanado sobre el toroide 114. Se proporciona un interruptor de contacto mecánico 122 principal en el conductor de línea 116, y un solenoide de disparo 124 e interruptor eléctrico de acompañamiento 126 se utilizan para disparar el interruptor de contacto mecánico 122 principal. Un componente supresor de voltaje transitorio de corriente alta 128 está conectado eléctricamente desde el conductor de línea 116 al conductor neutro 118, que en este caso es también una tierra electrónica. Un botón de prueba (PTT, Push-To-Test ) 130 se puede presionar por un operador para iniciar una auto prueba. Una alarma 132 alerta al operador de una falla de auto prueba automática. El circuito de prueba de supervisión del dispositivo GFCI 100 comprende un resistor 134, un tercer alambre 136 que pasa a través del toroide 114 del transformador 112, y un interruptor electrónico 138.

La función básica del dispositivo GFCI 100 de la Figura 1 es como sigue. La corriente que se fuga del conductor de línea 116 en el lado de la carga del interruptor de contacto mecánico principal 122 del dispositivo de vuelta a la tierra, o al conductor neutro en el lado de la fuente del dispositivo a través de alguna trayectoria diferente a la del conductor neutro 118, crea un desequilibrio de flujo magnético en el toroide 114 del transformador de corriente diferencial 112, provocando que una corriente fluya en los devanados secundarios 120. Las terminales del devanado secundario 120 están conectadas eléctricamente a pines de entrada de circuito de detección de falla a tierra diferencial 104 contenido en un ASIC 102. Un circuito de detección típico amplificar la señal de corriente de entrada y compara la amplitud con un umbral de disparo predeterminado. En dispositivos que tienen auto prueba automática, el controlador de auto prueba 106 permite o inhibe que la señal de salida del detector 104 pase a través de un pin de salida del ASIC 102. En particular, sino se está llevando a cabo una auto prueba, el controlador de auto prueba 106 permite que la señal de salida pasa a través del pin de salida del ASIC 102. El pin de salida del ASIC 102 está conectado eléctricamente a un pin de control del interruptor electrónico 126, y la señal de salida (DISPARO) se transmite al interruptor electrónico 126. Una terminal del interruptor electrónico 126 está conectada eléctricamente a una terminal del solenoide de disparo 124. La otra terminal del solenoide de disparo 124 está conectada eléctricamente al conductor de linea 116 del suministro de energía de AC de 120 voltios 101 en el lado de carga del interruptor de contacto principal 122. El solenoide de disparo 124 está ubicado mecánicamente para activar una armadura de disparo que abre el interruptor de contacto principal 122 en el conductor de línea 116 cuando se energiza .

Durante el modo de detección de falla a tierra normal, el circuito de control permite que la señal de salida del detector 104 pase a través de un pin de salida del ASIC 102. En el caso en que la corriente diferencial detectada exceda el umbral de disparo predeterminado, la señal de salida (DISPARO) enciende o cierra el circuito electrónico 126 que energiza el solenoide de disparo 124. El solenoide de disparo 124 activa la armadura de disparo que abre el contacto principal 122 que interrumpe la entrega del suministro de energía de AC de 120 voltios 101 en el conductor de línea 116 hacia la carga.

El circuito de prueba de supervisión sirve para probar la integridad del dispositivo de detección de falla a tierra 100. Una prueba se puede iniciar por el operador al presionar el botón de prueba 130 o se puede iniciar automáticamente en intervalos de tiempo periódicos activada por el temporizador 108. El controlador de auto prueba 106 monitorea el pin del botón de prueba del ASIC 102 y el temporizador 108. Una terminal del botón PTT 130 está conectada eléctricamente al pin del botón de prueba del ASIC 102. La otra terminal del botón PTT 130 está conectada eléctricamente al suministro de energía de DC 110. El circuito PTT puede estar configurado alternativamente de tal forma que la otra terminal esté conectada a la tierra electrónica para un PTT activo. El circuito de control da salida a una señal (PRUEBA_GF) en un pin del ASIC 102 que está conectado eléctricamente al pin de control del interruptor electrónico 138. Una terminal del interruptor electrónico 138 está conectada eléctricamente a una tierra electrónica. La otra terminal del interruptor electrónico 138 está conectada eléctricamente a una terminal del resistor 134 utilizando un conductor de alambre 136 que está enrutado a través del toroide 114 del transformador de corriente diferencial 112. La otra terminal del resistor 134 está conectada eléctricamente al conductor de línea del suministro de energía de AC de 120 voltios 101 en el lado de carga del interruptor de contacto principal 122. Aun con el componente supresor de voltaje transitorio de corriente alta 128 conectado eléctricamente desde el conductor de línea 116 hasta el conductor neutro 118, el circuito de supervisión puede estar expuesto a voltajes transitorios con amplitudes de 500 a 600 voltios. El circuito de supervisión puede también estar expuesto a otro ruido de bajo voltaje en el conductor de linea que potencialmente podría interferir con la auto prueba.

En el caso en que la prueba se inicie por un operador presionando el botón de prueba 130, el controlador de auto prueba 106 transmite una señal (PRUEBA_GF) para encender o cerrar el interruptor electrónico 138. Por ejemplo, el interruptor electrónico particular 138 en la Figura 1 puede ser un rectificador controlado por silicio (SCR, Silicon Controlled Rectifier) . Este interruptor se seleccionó con base en un alto voltaje nominal de 600 voltios para soportar los voltajes en el conductor de línea del suministro de AC de 120 voltios 101, y en un tipo de paquete de SOT-89, que es uno de los paquetes de montaje de superficie de tamaño más pequeño ofrecido para dicho componente de alto voltaje nominal. El conmutador electrónico 138 se comporta como un diodo controlado por puerta, excepto que el interruptor 138 permanecerá encendido una vez que se enciende durante el tiempo en que haya una caída potencial de voltaje desde el ánodo al cátodo, aun si el voltaje de puerta se remueve. Encender o cerrar el interruptor electrónico 138 provoca que una señal de corriente fluya directamente desde el conductor de línea del suministro de AC de 120 voltios 101 a través del resistor 134 y el alambre 136 que está enrutado a través del toroide 114 del transformador 112, y a través del interruptor electrónico 138 hacia la tierra electrónica durante el medio ciclo positivo del suministro de AC de 120 voltios. La amplitud de la señal de estimulo de corriente de prueba se establece por el resistor 134 a un valor de al menos 30% por encima del umbral de disparo de circuito de detección de falla a tierra diferencial 104 en el ASIC 102. Para un dispositivo GFCI que tiene una corriente de disparo nominal de 6 miliamperios rms, u 8.5 miliamperios máximo, la amplitud de la corriente de prueba se establece justo por encima de 8 miliamperios rms, u 11.3 miliamperios máximo. Esto es para garantizar la detección con un margen cuando el conductor de linea del suministro de AC de 120 voltios 101 cae al 85%. Al pasar intencionalmente la corriente de estimulo a través del toroide 114 del transformador 112 se crea un desequilibrio de flujo magnético en el toroide 114 del transformador de corriente diferencial 112, provocando que una corriente fluya en los devanados secundarios 120. La corriente en los devanados secundarios 120 se detecta por el circuito detector de falla a tierra entre cuatro en el ASIC 102.

Durante una prueba por medio de botón, el controlador de auto prueba 106 puede permitir que la señal de salida del detector 104 pase a través de un pin de salida del ASIC 102.

La señal de estímulo de corriente de prueba generada por el circuito de prueba de supervisión resulta en una corriente diferencial detectada que excede el umbral de disparo predeterminado. La señal de salida del detector (DISPARO) enciende o cierra el interruptor electrónico 126 que energiza el solenoide de disparo 124. El solenoide de disparo 124 activa una armadura de disparo que abre el interruptor de contacto principal 122, que interrumpe la entrega del suministro de energía de AC de 120 voltios 101 en el conductor de línea 116 a la carga. Típicamente, un brazo de interruptor mecánico se mueve desde la posición de ENCENDIDO a una posición de DISPARO, indicando al operador que la prueba por medio de botón ha pasado. De otra manera, no hay acción de disparo, indicando al operador que la prueba por medio de botón ha fallado.

Durante una auto prueba automática, el controlador de auto prueba 106 inhibe que la señal de salida del detector 104 pase a través de un pin de salida del ASIC 102. La señal de estímulo de corriente de prueba generada por el circuito de prueba de supervisión resulta en una corriente diferencial detectada que excede el umbral de disparo predeterminado. La señal de salida del detector se inhibe por el controlador de auto prueba 106, previniendo que el interruptor electrónico 126 se cierre y energice el solenoide de disparo 124. En su lugar, se reanuda la operación normal. De otra manera, si no se detecta en una corriente diferencial que exceda el umbral de disparo predeterminado después de un periodo predeterminado de tiempo transcurrido, el circuito de control envía una señal al circuito de alarma 132 para alertar al operador que el dispositivo de falla a tierra está defectuoso y necesita ser reemplazado.

La Figura 2 ilustra un diagrama de tiempo de señal de la auto prueba por medio de botón para el dispositivo GFCI 100 de la Figura 1. En particular, la Figura 2 muestra la señal del conductor de línea 210 del suministro de energía de AC de 120 voltios 101, la señal de botón de prueba 220, la señal del temporizador de auto prueba 230, la señal de PRUEBA_GF 240, la corriente de prueba 250 desde el suministro de energía de AC 101, la señal de DISPARO 260, y la señal de ALARMA 270 para el caso en que el dispositivo GFCI 100 lleva a cabo una auto prueba por medio de botón. Con referencia a las Figuras 1 y 2, la señal de prueba por medio de botón 220 se inicia por un operador presionando el botón PTT 130 en una fase aleatoria del conductor de línea 210. Se genera entonces la señal de PRUEBA_GF 240 por el controlador de auto prueba 106 que cierra el interruptor electrónico 138 resultando en una señal de estímulo de corriente de prueba 250 durante el medio ciclo positivo de la señal del conductor de línea 210.

Por lo tanto, la señal de PRUEBA_GF 240 debe estar presente por al menos un ciclo completo (p.ej., 16.33 milisegundos) de la señal del conductor de linea 210 para garantizar que una señal de estimulo de corriente de prueba 250 será generada durante el medio ciclo positivo de la señal del conductor de linea para probar el circuito de detección de falla a tierra. Una vez que la señal de corriente de prueba 250 excede el umbral de detección del detector de falla a tierra 104, el detector 104 da salida a la señal de DISPARO 260 para disparar el interruptor de circuito (p.ej., interruptor 126).

La Figura 3 ilustra un diagrama de tiempo de señal de una auto prueba automática para el dispositivo GFCI 100 de la Figura 1. En particular, la Figura 3 muestra la señal del conductor de linea 310 del suministro de energía de AC de 120 voltios 101, la señal de botón de prueba 320, la señal del temporizador de auto prueba 330, la señal de PRUEBA_GF 340, la corriente de prueba 350 desde el suministro de energía de AC 101, la señal de DISPARO 360, y la señal de ALARMA 370 para el caso en que el dispositivo GFCI 100 lleve a cabo una auto prueba automática. Con referencia a las Figuras 1 y 3, el temporizador de auto prueba 108 transmite una señal de temporizador de auto prueba 330 iniciando una auto prueba en una fase aleatoria del conductor de línea 310. Se genera entonces la señal de PRUEBA_GF 340 por el controlador de auto prueba 106 y cierra el interruptor electrónico 138 resultando en una señal de estimulo de corriente de prueba 350 durante el medio ciclo positivo de la señal del conductor de linea 310. Por lo tanto, la señal de PRUEBA_GF 340 debe estar presente por al menos un ciclo completo (p.ej., 16. 33 milisegundos) de la señal del conductor de linea 310 para garantizar que la señal de estimulo de corriente de prueba 350 será generada durante el medio ciclo positivo de la señal del conductor de linea 310 para probar el circuito de detección de falla a tierra. Una vez que la señal de corriente de prueba 350 excede el umbral de detección del detector de falla a tierra 104, el detector 104 da salida a una señal 362 que se inhibe por el controlador de auto prueba 106 de que alcance la salida de señal de DISPARO. Sin embargo, el controlador de auto prueba 106 utiliza esta señal 362 como un indicador de que la auto prueba pasa. Al final del periodo de auto prueba de ciclo completo, si la auto prueba pasó, el controlador de auto prueba 106 reinicia el temporizador de auto prueba 108 y habilita nuevamente la salida del detector de falla a tierra 104 hacia el pin de salida del ASIC. De otra manera, si la auto prueba falla, el controlador de auto prueba da salida a una señal de ALARMA 370 al circuito de alarma 132 para alertar al operador de una falla de auto prueba.

La Figura 4 ilustra un dispositivo GFCI 400, de acuerdo con una modalidad de la presente invención, que utiliza un suministro de energía de DC de bajo voltaje 410 para generar directamente una señal de estímulo de corriente de prueba. Como se ilustra en la Figura 4, el dispositivo GFCI 400 incluye un ASIC 402, que incluye un circuito de detección de falla a tierra diferencial 404 y circuitos para una auto prueba, tal como un controlador de auto prueba 406 y un temporizador 408. El dispositivo GFCI 400 además incluye un suministro de energía de DC 410 para energizar el ASIC 402 y para generar directamente la señal de estimulo de corriente de prueba. Un transformador de corriente diferencial 412 se construye en un toroide 414, con el conductor de linea 416 y el conductor neutro 418 pasando a través del toroide 414 y un devanado secundario 420 devanado sobre el toroide 414. Se proporciona un interruptor de contacto mecánico principal 422 en el conductor de línea 416, y un solenoide de disparo 424 e interruptor eléctrico de acompañamiento 426 se utilizan para disparar el interruptor de contacto mecánico principal 422. Un componente supresor de voltaje transitorio de corriente alta 428 está conectado eléctricamente desde el conductor de línea 416 al conductor neutro 418, que en el caso es también la tierra electrónica. Un botón de prueba (PTT, Push-To-Test ) 430 se puede presionar por un operador para iniciar una auto prueba. Una alarma 432 alerta al operador de una falla de auto prueba automática. El circuito de prueba de supervisión del dispositivo GFCI 400 comprende un resistor 434, un tercer alambre 436 que pasa a través del toroide 414 del transformador 412, y un interruptor electrónico 438.

De acuerdo con una modalidad de la presente invención, la función básica del dispositivo GFCI 400 de la Figura 4 es como sigue. La corriente que se fuga del conductor de linea 416 en el lado de la carga del interruptor de contacto mecánico principal 422 del dispositivo de vuelta a la tierra, o al conductor neutro en el lado de la fuente del dispositivo a través de alguna trayectoria diferente a la del conductor neutro 418, crea un desequilibrio de flujo magnético en el toroide 414 del transformador de corriente diferencial 412, provocando que una corriente fluya en los devanados secundarios 420. Las terminales del devanado secundario 420 están conectadas eléctricamente a pines de entrada de circuito de detección de falla a tierra diferencial 404 contenido en un ASIC 402. De acuerdo con una implementación conveniente, el circuito de detección 404 puede amplificar la señal de corriente entrada y comparar la amplitud con un umbral de disparo predeterminado. En dispositivos que tienen auto prueba automática, el controlador de auto prueba 406 permite o inhibe que la señal de salida del detector 404 pase a través de un pin de salida del ASIC 402. En particular, sino se está llevando a cabo una auto prueba automática, el controlador de auto prueba 406 permite que la señal de salida pase a través del pin de salida del ASIC 402. El pin de salida del ASIC 402 está conectado eléctricamente a un pin de control del interruptor electrónico 426, y la señal de salida (DISPARO) se transmite al interruptor electrónico 426. Una terminal del interruptor electrónico 426 está conectada eléctricamente la tierra electrónica. La otra terminal del interruptor electrónico 426 está conectada eléctricamente a la una terminal del solenoide de disparo 424. La otra terminal del solenoide de disparo 424 está conectada eléctricamente al conductor de linea 416 de un suministro de energía de AC 401 en el lado de carga del interruptor de contacto principal 422. El solenoide de disparo 424 está ubicado mecánicamente para activar una armadura de disparo que abre el interruptor de contacto principal 422 en el conductor de línea 416 cuando se energiza.

Durante el modo de detección de falla a tierra normal, el controlador de auto prueba 406 permite que la señal de salida del detector 404 pase a través de un pin de salida del ASIC 402. En el caso en que la corriente diferencial detectada exceda el umbral de disparo predeterminado, la señal de salida (DISPARO) enciende o cierra el circuito electrónico 426 que energiza el solenoide de disparo 424. El solenoide de disparo 424 activa la armadura de disparo que abre el contacto principal 422 que interrumpe la entrega del suministro de energía de AC 401 en el conductor de línea 416 hacia la carga.

El circuito de prueba de supervisión sirve para probar la integridad del dispositivo de detección de falla a tierra 400. Una prueba se puede iniciar por el operador al presionar el botón de prueba 430 o se puede iniciar automáticamente en intervalos de tiempo periódicos activada por el temporizador 408. El controlador de auto prueba 406 monitorea el pin del botón de prueba del ASIC 402 y el temporizador 401. Una terminal del botón PTT 430 está conectada eléctricamente al pin del botón de prueba del ASIC 402. La otra terminal del botón PTT 430 está conectada eléctricamente al suministro de energía de DC 410 (+5VDC) . El circuito de control da salida a una señal (PRUEBA_GF) en un pin del ASIC 402 que está conectado eléctricamente al pin de control del interruptor electrónico 438. Una terminal del interruptor electrónico 438 está conectada eléctricamente a una tierra electrónica. La otra terminal del interruptor electrónico 438 está conectada eléctricamente a una terminal del resistor 434 utilizando un conductor de alambre 436 que está enrutado a través del toroide 414 del transformador de corriente diferencial 412.

La otra terminal del resistor 434 está conectada eléctricamente al suministro de energía de DC de bajo voltaje 410. En la modalidad de la Figura 4, el suministro de energía de DC de bajo voltaje 410 suministra +5VDC, pero la presente invención no está limitada al mismo. El suministro de energía de DC de bajo voltaje 410 puede ser un rectificador de puente que convierte energía de AC del suministro de energía de AC 401 a energía de DC 402. El suministro de energía de DC de bajo voltaje 410 se puede implementar como un rectificador de media onda, como se muestra en la Figura 4, pero la presente invención no está limitada a lo anterior. El suministro de energía de DC de bajo voltaje 410 filtra el alto voltaje transitorio así como otro ruido de bajo voltaje en el conductor de línea 416 que potencialmente podría interferir con la auto prueba.

En el caso en que la prueba se inicie por un operador presionando el botón de prueba 430, el controlador de auto prueba 406 transmite una señal (PRUEBA_GF) para encender o cerrar el interruptor electrónico 438. De acuerdo con una implementación conveniente, el interruptor electrónico 438 en la Figura 4 se puede implementar como SI1902, un MOSFET dual de N-canales fabricado por Vishay Siliconix. La parte se seleccionó por los presentes inventores con base en un requerimiento de voltaje nominal mucho menor de 10 a 20 voltios para soportar cualquier voltaje transitorio que se fugue a través del suministro de energía de DC de bajo voltaje 410 del conductor de linea del suministro de AC de 120 voltios 401, y viene en un paquete muy pequeño tipo SOT-363, que es de 2.1 milímetros por 2 milímetros. Este es un paquete mucho más pequeño que el SOT-89 para el SCR que se utiliza en el dispositivo GFCI convencional de la Figura 1, que es de 4.6 milímetros por 4.25 milímetros. Además, el SI1902 cuesta menos que el SCR, lo que puede llevar a grandes ahorros de costos a través de grandes cantidades de producción. El interruptor electrónico SI1902 se comporta como un interruptor normal en que está encendido o cerrado cuando hay un voltaje de puerta, y está apagado o abierto cuando se remueve el voltaje de puerta. Se debe entender que la presente invención no está limitada al uso del interruptor electrónico SI1902, y la descripción anterior del interruptor electrónico SI1902 ilustra que en las modalidades de la presente invención en las que se genera la señal de estímulo desde un suministro de energía de DC de bajo voltaje, se puede utilizar un interruptor electrónico que tiene un voltaje nominal inferior, más barato, y de paquete más pequeño, en comparación con el dispositivo GFCI convencional.

Encender o cerrar el interruptor electrónico 438 provoca que una señal de corriente fluya directamente desde el suministro de energía de DC de bajo voltaje 410 a través del resistor 434 y el alambre 436 que está enrutado a través del toroide 414 del transformador 412, y a través del interruptor electrónico 438 hacia la tierra electrónica. La amplitud de la señal de estímulo de corriente de prueba se establece por el resistor 434 a un valor que está ligeramente por encima del umbral de disparo de circuito de detección de falla a tierra diferencial 404 en el ASIC 402. Para un dispositivo GFCI que tiene una corriente de disparo nominal de 6 miliamperios rms, u 8.5 miliamperios máximo, la amplitud de la corriente de prueba se establece justo por encima de 8.5 miliamperios DC. Se puede observar que cualquier componente que proporciona una resistencia se puede utilizar como el resistor 434 para establecer la amplitud de la señal de estímulo de corriente de prueba. Por ejemplo, en lugar de un resistor tradicional, se podría utilizar un transistor de efecto de campo (FET, Field-Effect Transistor) desviado en la región lineal para formar una resistencia como el resistor 434 para establecer la amplitud de la señal de estímulo de corriente de prueba. Ya que la corriente de prueba se genera directamente del suministro de energía de DC de bajo voltaje 410, la amplitud de la señal de estímulo de corriente de prueba permanece constante cuando el conductor de línea 416 del suministro de energía de AC de 120 voltios 401 cae al 85%. En consecuencia, no hay necesidad de establecer la amplitud de la señal de estimulo de corriente de prueba al menos 30% por encima del umbral de disparo de circuito de detección de falla a tierra diferencial 404 en el ASIC 402, como en el dispositivo GFCI convencional, para garantizar la detección con margen cuando el conductor de linea del suministro de AC de 120 voltios cae al 85%. Esto elimina la posibilidad de un escape de prueba en que el umbral de disparo de circuito de detección de falla a tierra diferencial 404 en el ASIC 402 se degrada en 20%, la auto prueba falla la, como debería. En el dispositivo GFCI convencional de la Figura 1, la auto prueba podría todavía pasar aun cuando el dispositivo de detección de falla a tierra se degrada al punto de que no cumple con los requerimientos de UL (Underwriters Laboratories) . La cantidad de energía momentánea disipada en el circuito de supervisión se reduce de 960 milivatios en el dispositivo GFCI convencional de la Figura 1 a 43 milivatios en el dispositivo GFCI 400 de la Figura 4. Esto permite que uno utilice componentes de menor energía nominal para el resistor 434 y el interruptor electrónico 438 y todavía mejorar la conflabilidad del componente. Esto es importante para dispositivos que incluyen auto prueba automática ya que el circuito de prueba de supervisión se ejercitará periódicamente a través de 50,000 veces a lo largo de un tiempo de vida de 20 años. Pasar intencionalmente la corriente de estimulo a través del toroide 414 del transformador 412 crea un desequilibrio de flujo magnético en el toroide 414 del transformador de corriente diferencial 412, provocando que una corriente fluya en los devanados secundarios 420. La corriente en los devanados secundarios 420 se detecta por el circuito detector de falla a tierra 404 en el ASIC 402.

Durante una prueba por medio de botón, el controlador de auto prueba 406 puede permitir que la señal de salida del detector 404 pase a través de un pin de salida del ASIC 402. La señal de estimulo de corriente de prueba generada por el circuito de prueba de supervisión resulta en una corriente diferencial detectada que excede el umbral de disparo predeterminado. La señal de salida del detector (DISPARO) enciende o cierra el interruptor electrónico 426 que energiza el solenoide de disparo 424. El solenoide de disparo 424 activa una armadura de disparo que abre el interruptor de contacto principal 422, que interrumpe la entrega del suministro de energía de AC de 120 voltios 401 en el conductor de línea 416 a la carga. Típicamente, un brazo de interruptor mecánico se mueve desde la posición de ENCENDIDO a una posición de DISPARO, indicando al operador que la prueba por medio de botón ha pasado. De otra manera, no hay acción de disparo, indicando al operador que la prueba por medio de botón ha fallado.

Durante una auto prueba automática, el controlador de auto prueba 406 inhibe que la señal de salida del detector 404 pase a través de un pin de salida del ASIC 402. La señal de estimulo de corriente de prueba generada por el circuito de prueba de supervisión resulta en una corriente diferencial detectada que excede el umbral de disparo predeterminado. La señal de salida del detector se inhibe por el controlador de auto prueba 406, previniendo que el interruptor electrónico 426 se cierre y energice el solenoide de disparo 424. En su lugar, se reanuda la operación normal. De otra manera, si no se detecta en una corriente diferencial que exceda el umbral de disparo predeterminado después de un periodo predeterminado de tiempo transcurrido, el circuito de control envia una señal al circuito de alarma 432 para alertar al operador que el dispositivo de falla a tierra está defectuoso y necesita ser reemplazado.

La Figura 5 ilustra un diagrama de tiempo de señal de la auto prueba por medio de botón para el dispositivo GFCI 400 de la modalidad de la Figura 4. En particular, la Figura 5 muestra la señal del conductor de linea 510 del suministro de energía de AC de 120 voltios 501, la señal de botón de prueba 520, la señal del temporizador de auto prueba 530, la señal de PRUEBA_GF 540, la corriente de prueba 550 desde el suministro de energía de DC de bajo voltaje 410, la señal de DISPARO 560, y la señal de ALARMA 570 para el caso en que el dispositivo GFCI 400 lleva a cabo una auto prueba por medio de botón. Con referencia a las Figuras 4 y 5, la señal de prueba por medio de botón 520 se inicia por un operador presionando el botón PTT 430 en una fase aleatoria de la señal del conductor de línea 510. Se genera entonces la señal de PRUEBA_GF 540 por el controlador de auto prueba 406 que cierra el interruptor electrónico 438 del circuito de prueba de supervisión resultando en una señal de estímulo de corriente de prueba 550 (p.ej., 8.5 miliamperios ) en el alambre 436 desde la fuente de energía de DC de bajo voltaje 410. La señal de PRUEBA_GF 540 debe estar presente por al menos un ciclo completo (p.ej., 16.33 milisegundos ) de la señal del conductor de línea 510 para garantizar que una señal de estímulo de corriente de prueba 550 será generada que exceda el umbral de disparo para probar el circuito de detección de falla a tierra en caso de que haya cualquier fuga mínima de corriente de falla a tierra (menos de 6 miliamperios rms, 8.5 miliamperios máximo) durante el medio ciclo negativo. Una vez que la señal de corriente de prueba 550 excede el umbral de detección del detector de falla a tierra 404, el detector 404 da salida a la señal de DISPARO 560 para disparar el interruptor de circuito (p.ej., interruptor 426) .

La Figura 6 ilustra un diagrama de tiempo de señal de una auto prueba automática para el dispositivo GFCI 400 de acuerdo con la modalidad de la Figura 4. En particular, la Figura 6 muestra la señal del conductor de linea 610 del suministro de energía de AC de 120 voltios 401, la señal de botón de prueba 620, la señal del temporizador de auto prueba 630, la señal de PRUEBA_GF 640, la corriente de prueba 650 desde el suministro de energía de DC de bajo voltaje 410, la señal de DISPARO 660, y la señal de ALARMA 670 para el caso en que el dispositivo GFCI 400 lleva a cabo una auto prueba automática. Con referencia a las Figuras 4 y 6, el temporizador de auto prueba 408 transmite una señal de temporizador de auto prueba 630 iniciando una auto prueba en una fase aleatoria de la señal del conductor de línea 610. Se genera entonces la señal de PRUEBA_GF 640 por el controlador de auto prueba 406 y cierra el interruptor electrónico 438 resultando en una señal de estímulo de corriente de prueba 650 (p.ej., 8.5 miliamperios ) en el alambre 436 desde la fuente de energía de DC de bajo voltaje 410. La señal de PRUEBA_GF 640 debe estar presente por al menos un ciclo completo (p.ej., 16.33 milisegundos ) de la señal del conductor de línea 610 para garantizar que una señal de estímulo de corriente de prueba 650 será generada que exceda el umbral de disparo en caso de que haya cualquier fuga mínima de corriente de falla a tierra (menos de 6 miliamperios rms, 8.5 miliamperios máximo) durante el medio ciclo negativo. Una vez que la señal de corriente de prueba 650 excede el umbral de detección del detector de falla a tierra 404, el detector 404 da salida a una señal 662 que se inhibe por el controlador de auto prueba 406 de que alcance la salida de señal de DISPARO. Sin embargo, el controlador de auto prueba 406 utiliza esta señal 662 como un indicador de que la auto prueba pasa. Al final del período de auto prueba de ciclo completo, si la auto prueba pasó, el controlador de auto prueba 406 reinicia el temporizador de auto prueba 408 y habilita nuevamente la salida del detector de falla a tierra 404 hacia el pin de salida del ASIC. De otra manera, si la auto prueba falla, el controlador de auto prueba da salida a una señal de ALARMA 670 al circuito de alarma 432 para alertar al operador de una falla de auto prueba.

La Figura 7 ilustra un dispositivo GFCI 700, de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. La duración requerida de la señal de estímulo de corriente de prueba se puede reducir de un ciclo completo (p.ej., 16.33 milisegundos) del conductor de línea 716 del suministro de energía de AC 701 a pocos milisegundos al sincronizar la señal de estímulo de corriente de prueba con el conductor de línea 716 del suministro de energía de AC 701. Los componentes 701-738 del dispositivo GFCI 700 de la Figura 7 operan de manera similar a los componentes respectivos 401-438 del dispositivo GFCI 400 de la Figura 4 descrita anteriormente, que no son las siguientes diferencias descritas en lo sucesivo.

El dispositivo GFCI 700 de la Figura 7 es similar al dispositivo GFCI 400 de la Figura 4, pero incluye un resistor 742 que acopla eléctricamente el voltaje del conductor de línea el suministro de energía de AC 701 al ASIC 702. El ASIC 702 incluye un circuito sincronizador de línea 740 para sincronizar la señal de estímulo de corriente de prueba el conductor de línea del suministro de energía de AC 701. Una terminal del resistor 742 está conectada eléctricamente al conductor de LÍNEA del suministro de AC de 120 voltios 701. La otra terminal está conectada eléctricamente a un pin del ASIC 702 que es entrada en el circuito sincronizador de línea 740. El circuito sincronizador de línea 740 da salida a una señal para el controlador de auto prueba 706 cuando la amplitud excede un umbral predeterminado durante el medio ciclo positivo del conductor de línea del suministro de energía de AC de 120 voltios 701. Se debe entender, que el circuito sincronizador de linea 740 puede dar salida a la señal para el controlador de auto prueba 706 cuando la amplitud excede un umbral predeterminado durante el medio ciclo negativo del conductor de linea del suministro de energía de AC de 120 voltios 701, en un caso en que el conductor de alambre 736 esté enrutado en la dirección opuesta a través del toroide 714 del transformador 712. El controlador de auto prueba de 706 utiliza esta señal para determinar cuándo generar la señal de PRUEBA_GF durante una auto prueba. En la modalidad de la Figura 7, la auto prueba por medio de botón y la auto prueba automática operan en una manera similar como se describió anteriormente con respecto a la Figura 4. Sin embargo, el diagrama de tiempo es diferente cuando el controlador de auto prueba 706 utiliza la señal de salida del circuito sincronizador de línea 740, como en la modalidad de la Figura 7.

La Figura 8 ilustra un diagrama de tiempo de señal de la auto prueba por medio de botón para el dispositivo GFCI 700 de la modalidad de la Figura 7. En particular, la Figura 8 muestra la señal del conductor de línea 810 del suministro de energía de AC de 120 voltios 701, la señal de botón de prueba 820, la señal del temporizador de auto prueba 830, la señal de PRUEBA_GF 840, la corriente de prueba 850 desde el suministro de energía de DC de bajo voltaje 710, la señal de DISPARO 860, y la señal de ALARMA 870 para el caso en que el dispositivo GFCI 700 lleva a cabo una auto prueba por medio de botón. Con referencia a las Figuras 7 y 8, la señal de botón de prueba 820 se inicia cuando un operador presiona el botón PTT 730 en una fase aleatoria de la señal del conductor de línea 810. Se genera entonces la señal de PRUEBA_GF 840 por el controlador de auto prueba 706 que cierra el interruptor electrónico 738 de circuito de prueba de supervisión resultando en una señal de estímulo de corriente de prueba 850 (p.ej., 8.5 miliamperios) en el alambre 736 desde la fuente de energía de DC de bajo voltaje 710. El controlador de auto prueba 706 obtiene la señal de salida desde el circuito sincronizador de línea 740 de tal manera que la señal de PRUEBA_GF está presente por solamente pocos milisegundos durante el medio ciclo positivo de la señal del conductor de línea 810 del suministro de energía de AC 701. Este es el tiempo óptimo para generar la señal de estímulo de corriente de prueba 850. Se debe entender que en una modalidad alternativa, la señal de PRUEBA_GF podría estar presente durante el medio ciclo negativo de la señal del conductor de línea, en un caso en que el conductor de alambre 736 está enrutado en la dirección opuesta a través del toroide 714. Una vez que la señal de corriente de prueba 850 excede el umbral de detección del detector de falla a tierra 704, el detector 704 da salida a la señal de DISPARO 860 para disparar el circuito interruptor (p.ej., interruptor 726).

La Figura 9 ilustra un diagrama de tiempo de señal de una auto prueba automática para el dispositivo GFCI 700 de acuerdo con la modalidad de la Figura 7. En particular, la Figura 9 muestra la señal del conductor de línea 910 del suministro de energía de AC de 120 voltios 701, la señal de botón de prueba 920, la señal del temporizador de auto prueba 930, la señal de PRUEBA_GF 940, la corriente de prueba 950 desde el suministro de energía de DC de bajo voltaje 710, la señal de DISPARO 960, y la señal de ALARMA 970 para el caso en que el dispositivo GFCI 700 lleva a cabo una auto prueba automática. Con referencia a las Figuras 7 y 9, el temporizador de auto prueba 708 transmite una señal de temporizador de auto prueba 930 iniciando una auto prueba en una fase aleatoria de la señal del conductor de línea 910. Se genera entonces la señal de PRUEBA_GF 940 por el controlador de auto prueba 706 y cierra el interruptor electrónico 738 resultando en una señal de estímulo de corriente de prueba 950 (p.ej., 8.5 miliamperios ) en el alambre 736 desde la fuente de energía de DC de bajo voltaje 710. El controlador de auto prueba 706 obtiene la señal de salida desde el circuito sincronizador de línea 740 de tal manera que la señal de PRUEBA_GF está presente por solamente pocos milisegundos durante el medio ciclo positivo de la señal del conductor de linea 910 del suministro de energía de AC 701. Este es el tiempo óptimo para generar la señal de estímulo de corriente de prueba 950. Se debe entender que en una modalidad alternativa, la señal de PRUEBA_GF podría estar presente durante el medio ciclo negativo de la señal del conductor de línea, en un caso en que el conductor de alambre 736 está enrutado en la dirección opuesta a través del toroide 714. Una vez que la señal de corriente de prueba 950 excede el umbral de detección del detector de falla a tierra 704, el detector 704 da salida a una señal 962 que se inhibe por el controlador de auto prueba 706 de que alcance la salida de señal de DISPARO. Sin embargo, el controlador de auto prueba 706 utiliza esta señal 962 como un indicador de que la auto prueba pasa. Al final del período de auto prueba, si la auto prueba pasó, el controlador de auto prueba 705 reinicia el temporizador de auto prueba 708 y habilita nuevamente la salida del detector de falla a tierra 704 hacia el pin de salida del ASIC 702. De otra manera, si la auto prueba falla, el controlador de auto prueba 706 da salida a una señal de ALARMA 970 al circuito de alarma 732 para alertar al operador de una falla de auto prueba.

La Figura 10 ilustra un dispositivo GFCI 1000, de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. Se debe entender que los componentes 1001-1042 del dispositivo GFCI 1000 de la Figura 10 operan de manera similar a los componentes respectivos 701-742 del dispositivo GFCI 700 de la Figura 7 descrita anteriormente. Los elementos de circuito de supervisión incluyendo el interruptor electrónico 1038, el conductor de alambre 1036 que está enrutado a través del toroide 1014 del transformador de corriente diferencial 1012, y el resistor 1034 que establece la amplitud de la señal de estimulo de corriente de prueba están conectados eléctricamente en serie. Estos elementos, que están conectados eléctricamente en serie, se pueden conectar eléctricamente en cualquier orden. Por ejemplo, la modalidad de la Figura 10 cambia el orden del interruptor electrónico 1038 y el conductor de alambre 1036 que está enrutado a través del toroide 1014 del transformador de corriente diferencial 1012, en comparación con el interruptor electrónico (438, 738) y el conductor de alambre (436, 736) en modalidades previas.

La Figura 11 ilustra un dispositivo GFCI 1100, de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. Se debe entender que los componentes 1101-1142 del dispositivo GFCI 1100 de la Figura 11 operan de manera similar a los componentes respectivos 701-742 del dispositivo GFCI 700 de la Figura 7 descrita anteriormente. La modalidad de la Figura 11 cambia el orden del interruptor electrónico 1138 y el resistor 1134, en comparación con el interruptor electrónico 1038 y el resistor 1034 en la modalidad de la Figura 10.

La Figura 12 ilustra un dispositivo GFCI 1200, de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. Se debe entender que los componentes 1201-1242 del dispositivo GFCI 1200 de la Figura 12 operan de manera similar a los componentes respectivos 701-742 del dispositivo GFCI 700 de la Figura 7 descrita anteriormente. En la modalidad de la Figura 12, el interruptor electrónico 1238 está integrado en el ASIC 1202. Como se describió anteriormente, diferentes modalidades de la presente invención habilitan que se utilice un interruptor electrónico de bajo voltaje nominal para el interruptor electrónico 1238. Esto permite que el interruptor electrónico 1238 esté integrado en un ASIC de CMOS 1202 de baja energía, bajo voltaje, que puede reducir costo y espacio de tablero de circuito. Además, la integración del interruptor electrónico 1238 en el ASIC 1202 se puede hacer sin agregar ningún pin adicional al ASIC 102 al reutilizar el pin para la señal de PRUEBA_GF.

La Figura 13 ilustra un dispositivo GFCI 1300, de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. Se debe entender que los componentes 1301-1342 del dispositivo GFCI 1300 de la Figura 13 operan de manera similar a los componentes respectivos 701-742 del dispositivo GFCI 700 de la Figura 7 descrita anteriormente. En la modalidad de la Figura 13, el interruptor electrónico 1338 y el resistor 1334 están integrados en el ASIC 1302. La integración del resistor 1334 en el ASIC 1302 junto con el interruptor electrónico 1338 puede resultar en una reducción adicional de costo y espacio del tablero de circuito. Como se muestra en la Figura 13, en esta modalidad, la señal de estimulo de prueba de DC se genera dentro del ASIC 1302 desde la energía de DC suministrada al ASIC 1302. Además, aunque la Figura 13 muestra el suministro de energía de DC 1310 estando separado del ASIC 1302, la presente invención no está limitada a ello. En otra posible modalidad, el circuito de suministro de energía de DC se puede incluir dentro del ASIC en lugar de estar separado del ASIC.

La Figura 14 ilustra un método para llevar a cabo una auto prueba mediante un dispositivo GFCI de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El método de la Figura 14 se puede llevar a cabo por los dispositivos GFCI que se ilustran en las Figuras 4, 7, 10, 11, 12, y 13. La auto prueba puede ser una auto prueba automática o una auto prueba por medio de botón. Como se ilustra en la Figura 14, en el paso 1402 se inicia la auto prueba. En el caso de la auto prueba por medio de botón, la auto prueba se inicia por un usuario que presiona el botón de prueba, lo que provoca que se envíe la señal del botón de prueba al controlador de auto prueba. En el caso de una auto prueba automática, el temporizador de auto prueba envía una señal al controlador de auto prueba para iniciar la auto prueba. En el paso 1404, se genera una señal de estímulo de prueba en el conductor de alambre que está enrutado a través del toroide del transformador de corriente diferencial desde la fuente de energía de DC de bajo voltaje. En particular, el controlador de auto prueba puede controlar que el interruptor electrónico conectado eléctricamente al conductor de alambre y el suministro de energía de bajo voltaje se cierre provocando que la señal de estímulo de prueba fluya desde el suministro de energía de bajo voltaje a través del conductor de alambre, y un resistor puede controlar la amplitud de la señal de estímulo de prueba del suministro de energía de bajo voltaje. En el paso 1406, se determina si se detecta una corriente diferencial que excede el umbral de disparo por el detector de falla a tierra diferencial. En el paso 1408, si se detecta una corriente diferencial que excede el umbral de disparo en el paso 1406, la auto prueba pasa. En el caso de la auto prueba por medio de botón, cuando se detecta la corriente diferencial que excede el umbral de disparo, la señal de DISPARO se envía a un interruptor electrónico que energiza solenoide de disparo que activa la armadura de disparo para abrir el contacto principal que interrumpe la entrega de la energía de AC en el conductor de línea. En el caso de una auto prueba automática, cuando se detecta la corriente diferencial que excede el umbral de disparo, la señal de DISPARO se suprime por el controlador de auto prueba, y el temporizador de auto prueba se reinicia. En el paso 1410, si no se detecta una corriente diferencial que exceda el umbral de disparo en el paso 1406, la auto prueba falla. En la auto prueba por medio de botón, cuando la auto prueba falla, no se genera ninguna señal de DISPARO y el contacto principal no se abre, lo que alerta al usuario que la prueba ha fallado. En la auto prueba automática, una señal de alarma se envía al circuito de alarma para alertar a un usuario que la prueba ha fallado.

La Descripción Detallada anterior se debe entender como siendo ilustrativa y ejemplar en todos los aspectos, pero no restrictiva, y el alcance de la invención que se divulga en este documento no se debe determinar a partir de la Descripción Detallada, sino más bien de las reivindicaciones como interpretadas de acuerdo con la amplitud completa permitida por las leyes de patente. Se debe entender que las modalidades que se muestran y se describen en este documento son solamente ilustrativas de los principios de la presente invención y que diferentes modificaciones se pueden implementar por aquellos experimentados en la materia sin apartarse del alcance y espíritu de la invención. Aquellos experimentados en la materia pueden implementar otras diferentes combinaciones de características sin apartarse del alcance y espíritu de la invención.

Claims (30)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención como antecede, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de detección de falla a tierra que comprende : conductores de linea y neutro configurados para conectar una fuente de energía de AC y una carga; un transformador de corriente diferencial que comprende un toroide, a través del cual pasan los conductores de linea y neutro, y un devanado secundario sobre el toroide; un detector de falla a tierra diferencial conectado eléctricamente al devanado secundario del transformador de corriente diferencial, el detector de falla a tierra diferencial configurado para comparar la corriente generada en el devanado secundario a partir de un desequilibrio de flujo magnético en el toroide con un umbral predeterminado; un conductor de alambre enrutado a través del toroide del transformador de corriente diferencial; y un controlador configurado para controlar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje que será generada en el conductor de alambre.

2. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende: un suministro de energía de DC de bajo voltaje conectado eléctricamente al conductor de alambre, en donde el controlador está configurado para controlar el suministro de energía de DC de bajo voltaje para generar la señal de estímulo de prueba en el conductor de alambre.

3. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende: un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) , en donde el detector de falla de circuito a tierra diferencial y el controlador están incluidos en el ASIC.

4. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 3, además comprende: un suministro de energía de DC de bajo voltaje conectado eléctricamente al conductor de alambre para generar la señal de estímulo de prueba en el conductor de alambre, y conectado eléctricamente al ASIC para suministrar energía al ASIC.

5. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende: un interruptor electrónico conectado eléctricamente al conductor de alambre y el controlador, en donde el controlador está configurado para controlar la señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje que será generada en el conductor de alambre al transmitir una señal al interruptor electrónico para cerrar el interruptor electrónico .

6. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el controlador está configurado para transmitir la señal al interruptor electrónico para cerrar el interruptor electrónico por al menos un ciclo completo de la energía que AC en el conductor de línea.

7. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 5, además comprende: un sincronizador de línea conectado eléctricamente al conductor de línea y al controlador y configurado para sincronizar el controlador con el conductor de línea, en donde el controlador está configurado para transmitir la señal al interruptor electrónico para cerrar el interruptor electrónico durante un medio ciclo positivo de la energía de AC en el conductor de línea.

8. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 5, además comprende: un sincronizador de línea conectado eléctricamente al conductor de línea y al controlador y configurado para sincronizar el controlador con el conductor de línea, en donde el controlador está configurado para transmitir la señal al interruptor electrónico para cerrar el interruptor electrónico durante un medio ciclo negativo de la energía de AC en el conductor de línea.

9. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 5, además comprende: un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) , en donde el detector de falla de circuito a tierra diferencial, el controlador, y el interruptor electrónico están incluidos en el ASIC.

10. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 5, además comprende: un resistor conectado eléctricamente al conductor de alambre, en donde el resistor está configurado para establecer una amplitud de la señal de estímulo de prueba de DC de bajo voltaje.

11. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 10, además comprende: un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) , en donde el detector de falla de circuito a tierra diferencial, el controlador, el interruptor electrónico, y el resistor están incluidos en el ASIC.

12. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 11, el ASIC además incluye una fuente de energía de DC de bajo voltaje conectada eléctricamente a por lo menos uno del interruptor electrónico y el resistor y configurada para generar la señal de estímulo de prueba de DC de bajo voltaje en el conductor de alambre.

13. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende: un botón de prueba, conectado eléctricamente al controlador y configurado para transmitir una señal al controlador en respuesta a un usuario presionando el botón de prueba, en donde el controlador está configurado para controlar la señal de estímulo de prueba de DC de bajo voltaje que será generada en el conductor de alambre en respuesta a la recepción de la señal del botón de prueba.

14. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende: un temporizador de auto prueba conectado eléctricamente al controlador y configurado para transmitir automáticamente una señal al controlador, en donde el controlador está configurado para controlar la señal de estímulo de prueba de DC de bajo voltaje que será generada en el conductor de alambre en respuesta a la recepción de la señal del temporizador de auto prueba.

15. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el detector de falla a tierra diferencial está configurado para transmitir una señal de disparo al controlador en respuesta a la detección de que la corriente en los devanados secundarios es mayor que el umbral predeterminado.

16. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 15, además comprende: un circuito de alarma configurado para generar una alerta de que el dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra está defectuoso, en donde el controlador está configurado para transmitir una señal de alarma al circuito de alarma cuando la señal de estimulo de corriente de prueba se genera en el conductor de alambre y la señal de disparo no se recibe del detector de falla a tierra diferencial.

17. Un método para llevar a cabo la auto prueba mediante un dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra, que comprende: generar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje en un conductor de alambre enrutado a través de un toroide de un transformador de corriente diferencial; y determinar si se detecta una corriente diferencial mayor que un umbral predeterminado en el toroide.

18. El método de acuerdo con la reivindicación 17, además comprende: recibir la señal de prueba por medio de botón de un botón de prueba, en donde el paso de generar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje se lleva a cabo en respuesta a la recepción de la señal del botón de prueba.

19. El método de acuerdo con la reivindicación 18, además comprende: si la corriente diferencial mayor que el umbral predeterminado se detecta en el toroide, disparar un interruptor de contacto principal del dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra.

20. El método de acuerdo con la reivindicación 17, además comprende: recibir una señal de temporizador de alto prueba de un temporizador de auto prueba, en donde el paso de generar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje se lleva a cabo en respuesta a la recepción de la señal del temporizador de auto prueba.

21. El método de acuerdo con la reivindicación 20, además comprende: si la corriente diferencial mayor que el umbral predeterminado se detecta en el toroide, suprimir una señal de disparo que dispara un interruptor de contacto principal del dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra y reiniciar el temporizador de auto prueba; y si la corriente diferencial mayor que el umbral predeterminado no se detecta en el toroide, qenerar una alarma para alertar al usuario que el dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra está defectuoso.

22. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque el paso de generar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje en un conductor de alambre enrutado a través de un toroide de un transformador de corriente diferencial comprende: generar la señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje en el conductor de alambre durante una porción de un medio ciclo positivo de una señal de energía de AC en un conductor de línea del dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra.

23. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque el paso de generar una señal de estímulo de prueba de DC de bajo voltaje en un conductor de alambre enrutado a través de un toroide de un transformador de corriente diferencial comprende: generar la señal de estímulo de prueba de DC de bajo voltaje en el conductor de alambre durante una porción de un medio ciclo negativo de una señal de energía de AC en un conductor de línea del dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra.

24. Un dispositivo de detección de falla a tierra que comprende : medios para generar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje en un conductor de alambre enrutado a través de un toroide de un transformador de corriente diferencial; y medios para determinar si una corriente diferencial mayor que un umbral predeterminado se detecta en el toroide.

25. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque los medios para generar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje comprende: medios para generar la señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje en respuesta a la recepción de una señal de prueba por medio de botón de un botón de prueba.

26. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 25, además comprende: medios para disparar un interruptor de contacto principal cuando la corriente diferencial mayor que el umbral predeterminado se detecta en el toroide.

27. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque los medios para generar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje comprende: medios para generar la señal de estímulo de prueba de DC de bajo voltaje en respuesta a la recepción de una señal de temporizador de auto prueba de un temporizador de auto prueba .

28. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 27, además comprende: medios para suprimir una señal de disparo que dispara un interruptor de contacto principal cuando la corriente diferencial mayor que el umbral predeterminado se detecta en el toroide; y medios para generar una alarma para alertar a un usuario que el dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra está defectuoso cuando la corriente diferencial mayor que el umbral predeterminado no se detecta en el toroide.

29. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque los medios para generar una señal de estímulo de prueba de DC de bajo voltaje en un conductor de alambre enrutado a través de un toroide de un transformador de corriente diferencial comprende: medios para generar la señal de estímulo de prueba en el conductor de alambre desde el suministro de energía de DC de bajo voltaje durante una porción de un medio ciclo positivo de una señal de energía de AC en un conductor de línea del dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra.

30. El dispositivo de detección de falla a tierra de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque los medios para generar una señal de estimulo de prueba de DC de bajo voltaje en un conductor de alambre enrutado a través de un toroide de un transformador de corriente diferencial comprende : medios para generar la señal de estimulo de prueba en el conductor de alambre desde el suministro de energía de DC de bajo voltaje durante una porción de un medio ciclo negativo de una señal de energía de AC en un conductor de línea del dispositivo interruptor de circuito de falla a tierra.