AC高压漏电流测试仪的设计与实现.pdf

24 2015.17设计与研发 AC 高压漏电流测试仪的设计与实现 王 宁1,张志坚2 （1. 广州海格通信集团股份有限公司 , 广东广州 ,510663;2. 东莞理工学院 , 广东东莞 ,523808） 摘要 ： 为了测量连接线、 连接器等连接类产品的电气安全性能， 通常需要在两个相互绝缘的导体间施加一定的 AC 高压， 然后 测量两导体间的漏电流的大小。 文中介绍以 Cortex-M4 为主控系统， 配置 AC 高压产生电路， 漏电流采样测量电路和 LCD 显示 电路的 AC 漏电流测试仪的设计与实现。 实际应用和测试结果表明 , 本测试仪具有测量速度快， 精度高， 操作方便的优点， 能有 效地区分不良产品， 可广泛地应用于连接器产品生产企业。 关键词 ： 漏电流 ; 连接器 ; 电气安全 中图分类号 ： TM93 文献标识码 ： Design and Implementation of AC Leakage Current Tester Wang Ning1,Zhang Zhijian2 (1.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou,510663,china; 2.Dongguan University of Technology,Dongguan,523808,China) Abstract ： In order to measure connect cables, connectors and other products of the electrical safety performance,usually need to put between two insulated conductors must be AC voltage,then measure the size of the leakage current between the two conductors.This paper introduces the design and implementation of AC leakage current tester,the Cortex-M4 as the main control system with AC high voltage generating circuit,leakage current sampling circuit and LCD display circuit.Practical application and the test results show that the tester has the measuring speed,high accuracy,the advantages of convenient operation, can effectively distinguish the bad product,can be widely used in connecting products manufacturing enterprises. Keywords ： Leakage Current;Couplings;Electrical Safety 0 引言 在生产数据线、 连接器时， 需要使用 AC 高压漏电流测试仪来 测量该类产品的电气安全性能 , 只有达到安全性能范围的产品 才能合格出厂。 目前市场上现有的测试设备具有功率容量不够， 精度不高， 测试速度慢， 人机界面不丰富， 操作不方便等缺点。 本 文设计并实现了一款操作方便， 测试速度快、 功率容量大、 精度 高， 能满足现有数据线、 连接器产品的 AC 检测需求的 AC 漏电流 测试仪。 1 测试原理 1.1 测试原理分析 根据 GB4706 标准测试漏电流的方法， 得出如图 1 所示的测 试原理。 将高压施加到两个相互绝缘的导体 AB 上， 如导体 A 接高 压， 导体 B 接采样电阻到地， 那么 AB 之间的漏电流则为 : . 其中 HV 为施加的电压，Rt 为 AB 两导体间的绝缘阻抗，R 为采样电阻。 2 设备方案设计 本设备以 Cortex-M4 为内核的 ARM 控制器 STM32F407 为控制核心， 芯片内置 DAC 产生 50/60Hz 的正弦波， 同时利用 14 位乘法 DAC 芯片结合运放电路设计出程控放大电路， 由程序控制 正弦波信号的放大倍数， 经过功率驱动器后由变压器的升压电路 图 1 测试原理 25 2015.17设计与研发 变成可控的 AC 交流高压。 同时， 通过内置的 ADC 来采集此高压的 分压值， 来判断此高压是否满足所设置的电压值， 若不符合， 控制 器将自动增减程控放大电路的放大倍数。 然后将 AC 交流高压施 加到电器绝缘材料上 （负载） ， 通过采样电阻到地。 采样电阻的信 号经过信号处理电路最后由 ADC 来采集， 并计算出漏电流， 最后 显示在液晶屏上。 设计指标为高压 0 1000AC， 漏电流测量范围 为 10uA 10mA, 分辨率为 10uA。 3 硬件电路设计 3.1 电源电路设计 在电源供电方面， 本系统使用开关电源， 提供了 +12V、-12V 和 +3.3V。 其中 +12V、-12V 主要用于高压产生与测量电路等模 拟电路部分，+5V 用于控制电路， 主要为 STM32F407 供电。 3.2 主控电路 主控器在整个系统设计中起控制作用和协调其它功能模块 间正常工作， 是本设计的核心之一， 要满足高速率、 高稳定性、 大 内存、 低功耗等要求， 系统中采用 STM32F407 的主控芯片， 该芯片 是 ST 公司推出的基于 Cortex-M4F 内核 ARM 处理器。 该芯片内 置 16MHz 振荡器 , 倍频到 160 MHz 能满足系统控制和 LCD 显示 的处理需求。 3.3 AC 高压产生电路 如图 3 所示， 由 STM32 内部 DAC， 配合外部运放 OP27 生产峰 值为 5VPP的 50Hz 的交流信号， 此信号送到乘法器 AD5453 电路 中， 通过控制 AD5453 的数字输入控制输出信号的幅度， 能产生 0 5VPP， 步进为 0.3mVPP。 通过音频功放管和大功率三极管对管 进行功率驱动后， 再通过变压比为 1 ： 300 的变压器升压后， 就能 生产有效值为 0 1000V 的高压。 音频功放管为 TDA2030， 具有 20W 的输出能力， 而 MJE3055T 和 MJE2955T 都是大功率三极管， 它们的集电极电流 IC 最大能有 10A， 能完全满足本级升压电路对功率的需求， 保证在低电压情况 下下也能驱动变压器。 最终实现 80W 的高压输出。 从图中电路的构造可以知道， 运放 U3 在整体上到放大作用。 图 3 高压生产电路 图 2 设备原理框图 26 2015.17设计与研发 放大倍数主要靠电阻 R32、R31 和电容 C13 决定。 相对于普通的 功率放大电路， 本设计的电路增加了电阻 R26 组成的深度负反馈 电路。 将变压器输出的高压反馈到运放 U3 的反相输入端， 这样做 主要能起到保护作用。 若被测线材间的绝缘性非常差， 阻值不足 10K 欧， 漏电流将非常大， 同时会拉低变压器输出端即 HV 处的电 压， 通过该反馈电路就能及时通知 U3 组成的放大电路， 从而降低 其放大电压， 防止了因电流多大烧掉变压器， 同时也保护了后面 漏电采集电路的器件安全。 图中的电容 C14 阻隔直流， 只为交流 信号提供反馈通路， 对于直流信号不能形成反馈通路。 为了保证 升压电路的精确性和稳定性， 本电路对所有的供电都进行了不同 程度的滤波， 部分电阻使用了精密电阻。 3.4 采集测量电路的设计 如图 4 所示， 经过被测负载的 AC 高压测量信号通过采样 电阻 R58 到地， 漏电流通过采样电阻 R58 转换成电压信号， 经 过 R53 的耦合和 D28、D29 的保护后输送到采集放大电路。 采用 OP37设计了这个采集放大电路， 电路分3级， 第一级是电压跟随， 后面的两级分别放大 10 倍。 按照设备技术指标要求， 待测漏电流 为 10uA 到 10mA， 而采样电阻 R58 是 300， 即 R58 的电压最小为 3mV， 最大为 3V， 另外， 这里之所以使用 OP37 是因为它具有极低 噪声、 极低失调电压和漂移、 低输入偏置电流。 它的低输入偏置电 流最大只有 10nA， 对于本级电路造成的误差相当小 , 所以不需 要额外调零电路。 4 软件设计 系统上电开机启动后， 将进行系统初始化和系统自检， 包括 内存寄存器复位， 变量初始化， 看门狗配置和清除中断等。 进入主 程序后， 首先判断是否有按键输入， 如果有输入就判断输入类型， 是电压设置还是测试操作， 如果是电压设置， 就设置高压大小， 读 出判断是大了还是小了， 并显示出来 ； 如果是测量操作， 就输入 设置好的高压， 然后是 ADC 采集电压数据， 并对数据进行处理转 换为漏电流的值并显示大小， 本系统电压的采集主要利用定时器 TIM2 定时 78us 中断一 次， 在每次中断里就读取一次 ADC 的转换值， 因为 STM32F407 的 内部 ADC 的转换的采样速率高达 2.4MHz, 即完成一次数据采样 转换的时间为 0.42us， 远远少于 78us 定时中断， 不会对下次电 压转换造成影响， 那么对于 50Hz 的交流电刚好在一个周期内能 采集 256 次。 每次 AD 采集完成后， 分别使用四个 16 位数组 AD_ V1256、AD_V2256 和 AD_V3256 来保存同时采样的三个通 道组合。 在分析和运算采集到的电压时， 可以根据情况调用任意 一个或多个通道采集的电压数据， 无需分多次对不同通道采样， 大大节省了采样时间。 5 测试结果与分析 为了检测本文实现的 AC 高压漏电流测试仪的测试性能， 主 要采用美国 KIDDE FENWA 的 149-10A 高压表， 安捷伦 34401a 电 流表和 ZX68C 型高阻箱来进行测试。 测量的数据表明，AC 高压 的输出值跟目标值基本一致， 误差小于 0.5V ； 漏电流的测量值也 在设计范围之内， 特别是在 0.1mA-8mA 范围时误差小于 0.6%。 系统满足了电压 0 1000AC， 测量漏电流范围为 10uA 10mA, 分辨率为 10uA 的指标要求。 6 结束语 该文系统地介绍了一种 AC 高压漏电流测试仪软硬件设计方 法， 并详细论述了其部分关键模块的具体实现原理。 通过高压表 和高阻箱的计量校验， 该漏电流测试仪实现了 0 1000V 的高压 产生和 10uA 2mA 漏电流测量， 实验测试表明该仪器工作稳定 可靠， 测量准确度高， 满足设计要求