Схема монитора импеданса заземления

Я пытаюсь разработать монитор импеданса земли. Идея заключается в том, что рассматриваемому оборудованию необходимо запретить работу, если провод заземления отключен или соединение некачественное.

Это то, что у меня есть сейчас:

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Светодиод фактически является излучателем оптоизолятора LTV-844S. Блокировочные диоды на самом деле S1M (но я полагал, что 1N4004 достаточно похожи для этой цели).

В настоящее время при тестировании требуется сопротивление земли ~ 120 кОм, чтобы отключить систему. Кажется, это слишком, слишком высоко. Моим первым побуждением было увеличить последовательное сопротивление, но мне трудно понять, как я получу что-то достаточно чувствительное и точное (в спецификации указан уровень срабатывания около 12 кОм — 100 Ом на вольт). ), потому что уровень импеданса для срабатывания составляет ничтожную долю последовательного сопротивления, а это означает, что собственные допуски последовательных резисторов заглушат желаемое измерение.

Добавление огромного количества активных схем — это то, чем я бы не был доволен. На данный момент имеется изолированный источник питания, питающий логические системы, но это питание находится на "безопасной" стороне разделительной линии - там, где живет детектор оптоизолятора. Не очень разумно передавать эту мощность через линию, потому что тогда две стороны не будут гальванически изолированы.

РЕДАКТИРОВАТЬ: я пытался еще немного поработать над этой схемой, но я все еще не уверен, что у меня есть хороший ответ. На работе есть конкурирующие цели, которые мешают легкому решению. С одной стороны, номинальное напряжение переменного тока может варьироваться от 100 до 130 В переменного тока (это может потребоваться для работы в других странах или при плохо регулируемой мощности), а резисторы имеют допуск 5%.

Моя последняя попытка изменить последовательное сопротивление на 240 кОм и добавить 10-вольтовый стабилитрон с обратным смещением последовательно с оптоизолятором. Есть надежда, что допуск стабилитрона в 3%, равный 3% от 10 вольт, позволит ему, возможно, «дисциплинировать» относительно небрежный допуск резисторов. Идея состоит в том, что пока напряжение на стабилитроне не превысит 10 вольт, он вообще не будет проводить ток, и чем выше импеданс относительно земли, тем ниже будет напряжение на стабилитроне.

На стенде этот дизайн работает хорошо, но я хотел бы услышать об этом от людей. Меня беспокоит то, что этот проект работает с одним набором компонентов, но не будет достаточно надежным при копировании.

Обратите внимание, что за время, прошедшее с тех пор, как я разместил этот вопрос, фактическое напряжение питания для этой тестовой схемы было перемещено на сторону нагрузки контактора. Если проверка не пройдена, контактор разомкнется, а это означает, что при размыкании заземления на шасси будет минимальное воздействие опасного напряжения.

У кого-нибудь есть идеи?

Насколько целесообразно было бы использовать какое-то изолированное решение для питания точки нагрузки? (ADI производит чипы isoPower, а также существуют модули с изолированной точкой нагрузки или фотоэлектрические изоляторы, доступные в качестве более традиционных решений, в зависимости от потребностей схемы в напряжении/токе.)
Мне не хочется добавлять в эту схему еще один источник питания, так как для логической схемы уже есть 12-вольтовый источник питания. Из того, что я могу понять, большая проблема заключается в том, чтобы установить точный «утес» для текущего потока. Типа, «проводить хоть минимум ровно 2,5 мА или вообще никак».
Обзор схем контроля заземления на уровне учебника см., например, здесь . На эту тему также есть статья в Википедии , но она довольно низкого качества.
@RespawnedFluff В статье, на которую вы ссылаетесь, похоже, говорится о ситуациях, когда мониторинг и контролируемая цепь разделены на некоторое расстояние кабелем, соединяющим их. Это не тот случай здесь. Единственный способ проверить заземление — это «утечка» небольшого количества тока из одной (или обеих, но не одновременно) горячих линий и индикация неисправности, если этот ток не течет. Проблема в том, что ток должен быть очень маленьким - 2,5 мА здесь - но допуски на измерения очень, очень жесткие.
Меня смущает ваша диаграмма, если ваши «горячие линии» на самом деле являются однофазной сетью, то есть фактической горячей линией и нейтралью? Или у вас действительно есть две фазы? Также я не понимаю, почему вы не можете использовать трансформатор/реле и т. д. для определения линий, как предлагают эти стандартные/книжные решения. В основном это то, что Нед говорит вам в своем ответе.
Входящие линии в устройство - две однофазные горячие линии (североамериканские 208/240 В переменного тока) и земля. Нейтрала нет. Величина тока, которую я готов «утечь» на землю, слишком мала, чтобы замкнуть реле, и я полагаю, что реле также не будет достаточно чувствительным - в спецификации говорится о порогах обнаружения 100 Ом. Я действительно не хочу пытаться найти место для силового трансформатора в шасси. Если это действительно единственный способ, то пусть будет так, но я поэтому и спрашиваю.
Существует юридический предел тока утечки, установленный стандартом, применимым в вашей стране. Типичные ограничения могут составлять 200 микроампер утечки . Продать оборудование, включающее описанную выше схему, возможно, но это потребует особого внимания. Если средний потребитель должен подключиться к сети, он должен соответствовать ограничениям по току утечки.
Укажите 1% резисторы. Этот 3% стабилитрон составляет всего 3% в указанной точке тока - остальная часть кривой имеет гораздо более широкий разброс. Точка «не будет проводить вообще» не соответствует 3% точности.
Даже если я укажу резисторы 0,1%, проблема в том, что напряжение сети переменного тока составляет в лучшем случае +/- 10%.
Единственное, что вас беспокоит, это отсутствие заземления? Или вы ищете что-то вроде защиты GFCI (отключение посторонних токов на землю?)
GFI — это отдельная вещь, и уже часть дизайна в другом месте. Это всего лишь схема контроля непрерывности заземления.

Ответы (3)

Примерная схема не только нечувствительна, но и слегка небезопасна. Например, если заземление со стороны питания должно было размыкаться, другое заземление (возможно, подключенное к оборудованию) помещается на «горячий» потенциал переменного тока. В этой ситуации, даже с резисторами 47k, кто-то, касающийся земли слева, может получить «легкое» покалывание (легкий удар переменным током).

Лучшей идеей было бы использовать очень маленький трансформатор низкого напряжения (по рейтингу агентства по безопасности) между точками Hot1 и HOT2, затем взять вторичную обмотку и использовать ее для создания источника постоянного тока низкого напряжения для светодиода оптоизолятора. Теперь используйте две точки заземления переменного тока, чтобы закоротить светодиод. Таким образом, если какая-либо из точек заземления когда-либо разомкнется, вы получите световой импульс от светодиода. Выберите последовательный резистор, идущий к светодиоду, достаточно низким, чтобы дополнительные 100 Ом на светодиоде (при неисправном соединении GND-GND) допускали напряжение, превышающее напряжение включения светодиода. Таким образом, с этой настройкой любой сигнал, поступающий от оптоизолятора, указывает на плохое заземление.

(В идеале одна сторона заземления должна быть отдельной заведомо исправной землей, например заземлением).

Возможно, схема вводит вас в заблуждение. Есть только одна земля. Я немного смущен тем, как изолированный источник питания будет «закорочен» при заземлении. Я понимаю, что вы предлагаете - вы питаете светодиод изолированно, но подключаете анод к земле. Почему изолированный источник «заботится» о том, чтобы вы это сделали?
Вам нужен источник постоянного тока.
Будет ли это так же просто, как, например, LM134 между общими катодами 1N4004 и анодом оптоэмиттера? Это, безусловно, устранило бы допуск последовательного резистора как источник ошибки.
Добавление LM334 и установочного резистора на 130 Ом дает ток ~ 500 мкА. При этом в схеме чувствительность теперь где-то между 47К и 91К. Лучше, но все равно слишком высоко. Однако может возникнуть необходимость начать настройку вторичной стороны.

Ваш входящий источник переменного тока состоит из горячего, нейтрального и заземленного проводов или это два горячих проводника и заземление, но без нейтрали?

У меня есть старый тестер Hi-Pot, в котором используется схема, отслеживающая напряжение между клеммами заземления и нейтрали. Это кажется очень эффективным, и, очевидно, CSA решил, что это нормально, потому что устройство имеет сертификацию CSA.

Нет простого способа сделать это надежно без какого-либо приличного тока, протекающего по заземляющему проводнику, или без контроля разницы напряжений между двумя точками, которые где-то соединены с землей . Конечно, нейтраль в большинстве случаев соединена с заземляющим проводником на распределительном щите (коробке выключателя) .

У меня есть еще одно предложение: вы можете сбрасывать значительный ток на линию заземления в виде короткого импульса. Эти импульсы должны быть достаточно короткой продолжительности и достаточно далеко друг от друга, чтобы не вызвать поражение электрическим током, если кто-то окажется на пути открытого заземления.

Однако я не знаю, что скажут по этому поводу органы безопасности / регулирующие органы.

Итог: это относительно легко, если у вас есть нейтральное соединение, которое связано с заземлением где-то в вашей системе распределения. Это значительно сложнее, если у вас нет доступного нейтрального проводника.

Увы, это горячо-горячее устройство. Нет нейтрали. Одна из целей проектирования — если это возможно — обеспечить ток утечки 5 мА или меньше, чтобы при необходимости можно было использовать устройство в бытовой розетке с защитой GFI. Соответствие требованиям UL — это идея, так что очевидно, что они согласны со всей этой утечкой материала на землю. Тот факт, что источник находится на стороне нагрузки контактора, снижает опасения по поводу безопасности, поскольку, если испытание не пройдено, контактор размыкается, и риск безопасности исчезает.
У меня есть пара идей, которые я надеюсь опробовать в ближайшее время. Вопрос: это две фазы трехфазной цепи (208 В переменного тока) или это двухфазное питание 120/240 (240 В переменного тока)? *** И - имеет ли большое значение физический размер?
Это может быть как 208, так и 240 В переменного тока. Это может быть даже горячая нейтраль 120 В переменного тока. Он также может быть европейским 220 В переменного тока с горячей нейтралью, хотя я доволен изменением последовательного сопротивления для этого случая. Физический размер не имеет значения. (Отсутствие) сложности имеет первостепенное значение. У печатных плат стоимость квадратного дюйма. Я съеживаюсь при введении здесь активной схемы, поскольку это означает придумать способ ее питания.

Если я правильно понял ваш вопрос, проверьте GFCI - прерыватель цепи замыкания на землю. Вы можете получить их в хозяйственных магазинах (по крайней мере, в Канаде).

В зависимости от производителя они поставляются либо в виде настенной розетки, либо в виде панельного выключателя (специального).

По сути, он отслеживает количество тока, втекающего и выходящего из ваших активных и идентифицированных проводников («идентифицированные» обычно называют «нейтральными»), и момент, когда они отличаются на очень небольшую величину (менее нескольких мА), отключения схема. Я полагаю, что он также контролирует соединительный проводник («соединение» обычно называют «заземлением») и отключается, если последний отключается.

Это может быть хорошей отправной точкой для вас, попробуйте найти, как они работают, и повторите, если готовое решение не для вас.

Удачи и берегите себя.

Отключение GFCI, если сумма токов на горячем и нейтральном проводах не одинакова, что означает замыкание на землю. Он не оценивает качество соединения с землей.
Что сказал @ScottSeidman. Устройство имеет отдельный GFI в другом месте. Этот вопрос касается схемы GCM.
Схема монитора импеданса заземления
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 2v