关于电器设备中泄漏电流检测装置的探讨

摘 要：家用电器产品在外电源电压的作用下，产生的并流经家用电器绝缘部分（不是导电导磁部分）到达金属外壳（地）的电流，称为家用电器的泄漏电流，根据交流泄漏电流的测试要求，本文重点介绍了一种泄漏电流检测装置硬件结构和工作程序，该装置是对传统单片机泄漏检测装置的改进，它具有结构简单、体积小、不需要扩展存储器，编程更加灵活等显著特点；在稳定性和抗干扰性方面也都有很大的提高，值得推广。

关键词：电气设备；检测装置；泄漏电流；硬件结构；工作程序

一、泄漏电流的定义及常有检测装置

根据GB／T998与GB4776的规定，泄漏电流的定义为：在没有故障和不另行施加电压的情况下，电器中相互绝缘的金属部件之间，或带电部件与接地部件之间，通过周围介质或绝缘表面所形成的电流，也包括当人体触及电器设备时，由设备经人体到达大地的电流或由设备经人体又回到设备的电流。泄漏电流与电器的结构、材料、使用环境条件及使用者本身的人体状况等因素有关。流经人体的泄漏电流如到达一定的限制，将直接威胁人体的安全，为此电器产品均限制泄漏电流必须小于规定的某个限值，一般在感知电流限度内。因此在产品安全测试过程中，泄漏电流作为评定产品绝缘特性的关键指标，对其测量的准确程度尤为重要。对泄漏电流进行研究，主要是为了更好地提高电器产品的安全质量，降低产品的危险。是为了更好地利用泄漏电流为人类的健康服务。

目前国内的交流泄漏电流检测装置通常采用MCS．5 1系列单片机和普通的A／D转换器，这种检测装置在系统结构上和软件编程等方面显得不足。因此，作者对普通的单片机泄漏电流检测装置进行改进，在硬件方面采用了ATmega8单片机、AD7705转换器和AD536真有效值转换器。设计了一种新型的交流泄漏电流检测装置，与普通的交流泄漏电流检测装置相比，该装置具有以下特点：

(1)不需要扩展存储器。

(2)不需要放大电路部分。

(3)编程更加灵活多样。

(4)无须额外的分档切换电路。

(5)精确度高。

(6)在省电性，稳定性。抗干扰性及灵活性方面都比51系列单片机完善。

二、泄漏电流检测装置的硬件结构

1、检测系统的工作原理

泄漏电流的测试原理：当转换开关与零线接通时，该检测装置所采样到的是零线与外壳间的泄漏电流；当转换开关与火线接通时，测试的是火线与外壳间的泄漏电流。注意转换开关与零线接通和与火线接通，所得到的泄漏电流不一定相同，这是因为被测量装置绝缘弱点的位置是随机的。所以，泄漏电流测试应该通过转换开关来转换极性，取其中最大值当作被测装置的泄漏电流值。

该检测装置的工作过程如图1所示：当KC1和KC2闭合，此时测量的是零线与外壳间的泄漏电流。该被测量装置的泄漏电流经过真有效值转换(AD536)、模数转换(AD7705)、最后进入ATmega8单片机，与存放在内存中的设定值进行比较，以确定被测装置的泄漏电流是否符合设定值，如果符合，则通过，并显示实际检测出的泄漏电流值，否则显示实际检测出的泄漏电流值并报警。该过程结束以后，KC3和KC2闭合，开始测量火线与外壳间的泄漏电流值，测试过程与上述过程一样。

2、主要器件的选择考虑

（1）选择有效值测量

常用的测试交流泄漏电流的方法有很多种，最简单的电路是采用把交流变换为直流，再通过整流的方法。这种采用取平均电流的方法要求波形是正弦波，否则误差会很大。另外一种方法是采取有效值的测量方法。采用该方法，需要采用软件结合高速AD高速采样计算的方法，该方法比较灵活，但价格比较高，而且，采集的最高信号频率受到了采集速度的影响。还有一种方法是采用电子电路实现有效值的测量，该方法价格便宜，工作可靠，受波形的

影响不大，电路简单。所以在这里采用这种方法。

泄漏测试是交流信号，必须对它的有效值进行测量，这里使用Analog Device公司的芯片AD536进行有效值的测量。AD536是美国AD公司推出的真有效值转为直流值的单块集成电路。其性能优良，可以直接计算输入的任何复杂波形(包括交、直流成分)的真有效值。AD536A的频带很宽， 可以测量到频率300kHz， 电压100mY以上，带有3dB误差的信号电压，其最大误羞不超过5％。，在450K带宽时，其输入电压只需大于100mV，在信号带宽为2M时，其输入电压需要大于1V，以及1．2mA的静态电流，可以双电源也可以单电源供电。利用外部提供的参考电压，用户能方便地设置0dB电平，使其可以对应于0．1～2V之间的任何有效值。它的重要特点是：芯片采用激光修正，准确度高，宽量程，适用的波峰因数范围宽，转换速度快，宽频带，频率响应好，频率响应能达到450kHz以上，能够计算出纯交流信号或叠加有直流分量和交流信号的有效值，适用于测量各种电压的有效值。

(2) A／D转换芯片

AD7705是AD公司出品的适用于低频测量仪器的AD转换器，它能将从传感器接收到的输入信号直接转换成串行数字信号输出，而无需外部仪表放大器。AD7705是采用串行输出的AD转换器，便于与单片机通过串行的方式联系。由于单片机与AD转换器之间的采集数据连线较少，那么印制电路板的布线就比较方便，工作可靠。

AD7705采用 ∑-的ADC，实现l6位无误码的良好性能，片内可编程放大器可设置输入信号增益。通过片内控制寄存器调整内部数字滤波器的关闭时间和更新速率，可设置数字滤波器的第一个凹口。在+3V电源和1MHz主时钟时，AD7705功耗仅是lmW。

工程上常采用通过改变放大器增益的方法来实现不同幅度信号的放大。在计算机测控系统中，通常采用软件控制的办法来实现增益的自动变换。具有这种功能的放大器件就叫程控增益放大器(PGA)。而AD7705内部已经含有PGA，它能直接将微小信号转化成数字信号，因此不再需要另外的器件完成该功能，不仅提高了测量精度，也使装置结构简单。

3、系统控制处理单片机

ATmega8是Atmel公司在最近几年推出的一款新型的AVR高档单片机，它的芯片内部有较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具有AVR高档单片机Mega系列的全部性能和特点。但采用了／brJl脚封装，所以价格和低档单片机相当，再加上AYR单片机的在系统可编程性，使得无需购买昂贵的编程器而只需一条具有编程器功能的串行下载线就可以进行单片机嵌入式系统的设计和开发，因此显得异常灵活。

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8bit单片机。AVR的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集联系在一起，所有的工作寄存器都与ALU(算术逻辑单元)相连，同时它的内部结构放弃了传统的冯诺伊曼结构而使用哈佛总线结构，这就实现了在一个时钟周期内执行一条指令同时访问2个独立的寄存器的操作，这种结构提高了代码的效率，使得大部分指令的执行时间为一个机器周期，因此ATmega8可以达到将近1MIPS的性能，运行速度比普通的单片机高出10倍。在它的片内集成了非易失性程序和数据寄存器：8K的Flash1程序存储器，可擦写次数大于10000次，512B E PROM，可擦写次数至少100000次，支持

可在线编程ISP和可应用编程。

所以，这样大的存储区不需要扩展存储器，而且很适合C语言编程，编写的程序很方便下载，软件调试亦非常方便。1K的SRAM、5l2字节的EEPROM，可方便存放系统参数。

三、泄漏电流检测装置的工作程序

按下测试键后，程序先进行初始化，即给程序中所用到的寄存器，内存地址赋予初值；然后进行采样及量程转换，将量程转换后的采样信号与设定值比较，如果测试时间没有到，则继续进行测试，如果测试时间已到，则显示结果；若测试值大于设定值，则报警显示，若测试值小于设定值则显示结束。在该过程中还可以中断测试并显示结果。

（软件流程--左图示）

四、结束语

综上所述，通过对交流泄漏电流测量的特点，介绍了采用有效值测量的方法，使用ATmega8单片机和可编程的AD7705，使该检测装置有了很大的变化。在结构上，不需要额外扩展存储器，不需要放大电路，使整个系统结构简化；在软件设计方面，很适合C语言编程，编写的程序很方便下载，软件调试也方便；在测试精度上也有提高；在省电性，稳定性，抗干扰性及灵活性方面都比51系列单片机完善。实验证明该方案是可行的，具有实用价值。

参考文献：

【1】黄额玲，吴立安．泄漏电流的概念与测量．安全与电磁兼容，1998(3)

【2】Datasheet of AD7705_6．Analog Devices Inc．，1998

【3】Datasheet of AtMega8．Atmel Corporation，2002

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文