AC高压漏电流测试仪的设计与实现

王 宁,张志坚

（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）

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）

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。

漏电流; 连接器; 电气安全

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。

图1 测试原理

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。

图2 设备原理框图

图3 高压生产电路

从图中电路的构造可以知道，运放U3在整体上到放大作用。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300Ω，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_ V1[256]、AD_V2[256]和AD_V3[256]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。

[1] 范学,李高林.电气安规测试研究[J].汽车零部件,2012,05:84-87.

[2] 于钦先,王昱.安规测试系统的设计分析[J].电子质量,2012,09:1-3+11.

[3] 王实,刘颖.耐压测试仪的原理和使用[J].电子质量,2004,12:13-15.

[4] 王琳,陈周旺,傅润润.在线检测SPD漏电流电路系统的设计[J].电子制作,2014,21:63-64.

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)

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.

Leakage Current;Couplings;Electrical Safety

图4 测量电路