用于频率相关的接地故障中断接线装置的测试仪

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年2月27日提交的第62/982,394号美国临时专利申请的优先权和权益，该临时申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本申请大体上涉及用于接地故障中断接线装置的测试装置，更具体地说，涉及用于频率相关的接地故障中断接线装置的测试装置。

背景技术

现代电器采用开关模式的电源，经常会将高频电流泄漏到大地。接地故障电路中断(GFCI)接线装置是为了保护用户免受电流泄漏造成的电击，它可以将这种高频电流泄漏解释为危险的电流泄漏而跳闸，阻止接线装置插座的电力流动。但高频电流，正如Dalziel曲线所证明的那样，并不像低频电流泄漏那样危险，因此GFCI接线装置针对开关模式电源泄漏的高频电流而跳闸并不总是危险的。这意味着该跳闸通常可以归类为滋扰性跳闸--即不必要的跳闸，只对用户造成滋扰，用户现在必须重新设置GFCI接线装置，才能继续使用引起跳闸的电器。

通常情况下，为了在60Hz的基频下产生故障，需要放置一个无源阻抗(如电阻/电感/电容网络)，以形成从负载热到中性线路的路径。在这种情况下，故障电流采用基频的形式，但不包含任何其他频率内容。因此，在本领域中需要一种有源电路，该有源电路被设计成允许除基频60Hz以外的泄漏电流。

发明内容

本公开中描述的示例可以以任何技术上可能的方式进行组合。

根据一个方面，公开一种用于频率相关的接地故障中断接线装置的测试仪，包括：测试仪电路，包括：设置在第一端子和第二端子之间的开关，其中当在所述第一端子和所述第二端子之间施加电压时，泄漏电流流过所述第一端子和所述第二端子之间的泄漏路径，所述漏电电流的大小至少部分由所述开关的电导率确定；波形发生器，其被配置为生成波形发生器输出信号；和比较器，其被配置为基于所述波形发生器输出信号与电流感测信号的比较来生成比较器输出信号，所述电流感测信号代表所述泄漏电流，其中根据所述比较器输出信号来调节所述开关的电导率，使得泄漏电流跟随所述波形发生器输出信号。

在实例中，所述波形发生器输出信号是具有频率的周期性波形，其中所述波形发生器输出信号的频率大于施加在所述第一端子和所述第二端子之间的电压的频率。

在实例中，施加在所述第一端子和所述第二端子之间的电压是电源电压。

在实例中，所述测试仪还包括布置在所述第一端子和所述第二端子之间的第二开关，其中在施加在所述第一端子和所述第二端子之间的电压的负半周期内，第二泄漏电流流过第二泄漏路径，所述第二泄漏电流的大小至少部分地由所述第二开关的电导率确定，其中在施加在所述第一端子和所述第二端子之间的电压的正半周期内，所述泄漏电流流过所述泄漏路径。

在实例中，所述测试仪还包括第二比较器，所述第二比较器被配置为基于反相的周期性输出信号与第二电流信号的比较来生成第二比较器输出信号，所述反相的周期性输出信号是所述周期性输出信号的反相，所述第二电流感测信号代表所述第二泄漏电流，其中根据所述第二比较器输出信号来调节所述第二开关的电导率，使得所述第二泄漏电流的频率基本上等于所述波形发生器的频率。

在实例中，所述波形发生器包括压控振荡器。

在实例中，所述波形发生器输出信号是具有频率的周期性波形，其中所述波形发生器被配置为改变所述周期性输出信号的频率。

在实例中，所述波形发生器被配置为改变所述波形发生器输出信号的大小。

在实例中，所述波形发生器输出信号是非正弦输出信号。

在实例中，所述波形发生器输出是非周期性。

在实例中，施加在所述第一端子和第二端子之间的电压是全波整流的电源电压。

在实例中，所述第一端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的负载热端子电通信，所述第二端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的接地端子电通信。

在实例中，所述测试仪电路被布置在壳体内，其中所述壳体包括多个插片，所述多个插片被尺寸化并布置成与所述频率相关的接地故障中断接线装置的插座接合，其中所述第一端子通过与所述频率相关的接地故障中断接线装置的负载热插座接合的多个插片中的一个插片与所述负载热端子电通信，所述第二端子通过与所述频率相关的接地故障中断接线装置的接地插座接合的多个插片中的一个插片与接地端子电通信。

在实例中，所述第一端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的负载热端子电通信，其中所述第二端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的线路中性端子电通信。

在实例中，所述第一端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的线路热端子电通信，其中所述第二端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的负载中性端子电通信。

根据另一方面，公开一种用于频率相关的接地故障中断接线装置的测试仪，包括：测试仪电路，包括：设置在第一端子和第二端子之间的开关，其中当在所述第一端子和所述第二端子之间施加电压时，泄漏电流流过所述第一端子和所述第二端子之间的泄漏路径，所述漏电电流的大小至少部分地由所述开关的电导率确定；以及波形发生器，其被配置为生成波形发生器输出信号，其中所述开关被驱动以调制所述泄漏电流的大小，使得所述泄漏电流跟随所述波形发生器输出信号。

在实例中，所述波形发生器输出信号是具有频率的周期性波形，其中所述波形发生器输出信号的频率大于施加在所述第一端子和所述第二端子之间的电压的频率。

在实例中，施加在所述第一端子和所述第二端子之间的电压是电源电压。

在实例中，所述测试仪还包括布置在所述第一端子和所述第二端子之间的第二开关，其中在施加在所述第一端子和所述第二端子之间的电压的负半周期内，第二泄漏电流流过第二泄漏路径，所述第二泄漏电流的大小至少部分地由所述第二开关的电导率确定，其中在施加在所述第一端子和所述第二端子之间的电压的正半周期内，所述泄漏电流流过所述泄漏路径。

在实例中，所述波形发生器包括压控振荡器。

在实例中，所述波形发生器输出信号是具有频率的周期性波形，其中所述波形发生器被配置为改变所述周期性输出信号的频率。

在实例中，所述波形发生器被配置为改变所述周期性输出信号的大小。

在实例中，所述波形发生器输出信号是非正弦输出信号。

在实例中，所述波形发生器输出是非周期性。

在实例中，施加在所述第一端子和第二端子之间的电压是全波整流的电源电压。

在实例中，所述第一端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的负载热端子电通信，所述第二端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的接地端子电通信。

在实例中，所述测试仪电路被布置在壳体内，其中所述测试仪包括多个插片，所述多个插片被尺寸化并布置成与所述频率相关的接地故障中断接线装置的插座接合，其中所述第一端子通过与频率相关的接地故障中断节点装置的负载热插座接合的多个插片中的一个插片与所述负载热端子电通信，其中所述第二端子通过与所述频率相关的接地故障中断接线装置的接地插座接合的多个插片中的一个插片与所述接地端子电通信。

在实例中，所述第一端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的负载热端子电通信，所述第二端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的线路中性端子电通信。

在实例中，所述第一端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的线路热端子电通信，所述第二端子与所述频率相关的接地故障中断接线装置的负载中性端子电通信。

附图说明

通过阅读下面的详细说明并结合附图，将会更全面地理解和理解本发明：附图仅示出了所公开的主题的典型实施例，并且因此不应被认为是对其范围的限制，因为所公开的主题可以允许其他等效的实施例。现在简要地参考附图，其中：

图1示出了根据示例的用于测试与频率相关的接地故障中断接线装置的测试仪。

图2示出了根据示例的用于测试与频率相关的接地故障中断接线装置的测试仪电路的示意图。

图3示出了根据示例的用于与频率相关的接地故障中断接线装置的测试仪电路的时序图。

具体实施方式

本文所描述的各个实例涉及一种测试电路和装置，该测试电路和装置调制泄漏电流，以在除了电源电压的基频之外的频率下测试GFCI接线装置的跳闸阈值。替代地或额外地，所述测试电路和装置能够使用包括非周期性波形的任意非正弦波形调制泄漏电流。这种非正弦波形能够用来测试接线装置对于例如有害负载或电弧故障的响应。

图1描绘了用于测试频率相关的接地故障中断(GFCI)接线装置的接地故障电路中断器插座测试仪100。如图所示，测试仪100包括容纳测试仪电路的壳体102(在图2中详细描述了测试仪电路200的示例)。一组插片104从壳体102延伸，并且被尺寸化并布置成插入频率相关GFCI接线装置的插座中。在高电平下，当测试仪100插入GFCI接线装置时，会将电流从负载热泄漏到接地。换言之，通过热导体流向负载热端子的电流通过接地返回，而不是通过中性导体返回。GFCI接线装置监测热导体和中性导体之间的电流差，检测到热导体中的电流与中性导体中的电流不同。如果差值大于跳闸阈值超过预定时间(例如5ms)，且GFCI接线装置工作，则GFCI接线将跳闸。应该理解，测试仪100的壳体102和插片104的确切形式可以不同，只要测试仪100容纳与GFCI接线装置接合并通过以大于电源电压的基频的频率调制泄漏电流来测试GFCI接线装置的跳闸阈值的电路即可。

就本发明而言，泄漏电流是指流过GFCI热导体至负载且不通过GFCI中性导体返回的任何电流，或流过GFCI中性导体至负载且不通过GFCI热导体返回的任何电流，使得GFCI接线装置的环形线圈检测到热导体和中性导体之间的电流差。这里，负载不一定是连接的设备，而是应该理解为电流的最终目的地。

图2描绘了要包括在测试仪100中的示例测试仪电路200的电路示意图，该示例测试仪电路200根据波形发生器V1调制泄漏电流，在一些实例中该波形发生器V1能够生成大于电源电压的基频的频率。如图所示，在该示例中，测试仪电路200包括波形发生器V1和至少一个开关Q1、Q2，其根据波形发生器V1的输出来调制流过至少一个泄漏路径的电流。更具体地说，在该示例中，主要的有源漏电路径以两条路径提供：(1)从负载热开始，经过R3、D5、Q1和R10，在接地结束的正路径，(2)从接地开始，经过R11、Q2、D6和R3，在负载热结束的负路径。一般来说，由于二极管D5和D6的极性，当线路电压为正时，调制电流将流经负载热端子和接地端子之间的正路径，当线路电压为负时，将流经接地端子和负载热端子之间的负路径。

通常，在操作过程中，测试仪电路200的负载热端子、负载中性端子和接地端子分别通过插入GFCI插座面板的插片104连接到GFCI接线装置插座的负载热端子、负载中性端子和接地端子。然而，在替代示例中，通过将测试仪电路200的负载热端子连接到GFCI负载热端子，并将测试仪电路200的接地端子连接到GFCI线路中性端子，可以测试GFCI接线装置对正向极性故障的响应。同样，通过将测试仪电路200的负载热端子连接到GFCI线路热端子，并将测试仪电路200的接地端子连接到GFCI负载中性端子，可以测试对反向极性故障的响应。

应当理解，在测试仪电路200的端子与GFCI线路热端子或GFCI线路中性端子连接的范围内，不能通过将插片插入GFCI接线装置的插座面来创建这种连接。相反，该连接可以通过连接到通常暴露在GFCI接线装置的侧部并且通常在安装后布置在壁盒内的端子来创建。因此，在此示例中，正向极性接地故障测试或反向极性接地故障测试通常在安装前完成。例如，正向或反向极性接地故障测试可包括制造商或第三方在销售GFCI接线装置之前(例如，在制造过程中)或由技术人员或其他用户在装置出售后但在安装完成之前(因为在安装完成之前可以访问位于装置侧面的端子)进行的测试。

首先转到正路径的操作，在正半周期内，二极管D5正向偏置，允许泄漏电流从负载热端子流向接地端子。泄漏电流的大小由开关Q1允许的电流量调整。也就是说，如果Q1处于激活状态，则允许最大量的泄漏电流通过正路径流向接地；而如果Q1处于截止状态，则允许最小量的泄漏电流流过。因此，通过改变Q1的基极(或栅极，其中Q1为FET)处的电压，可以调制泄漏电流的量。

当Q1处于激活状态时，R3是主要的最大泄漏电流限制分量，R10是次要的。R10的主要用途是用作电流感测电阻器，其输出由运算放大器U1A及其相关组件、电阻R6和R8构成的比较器202与波形发生器V1的输出进行比较。(V1可以实现为压控振荡器(VCO)，或者在替代示例中，可以实现为台式波形发生器，或者可以实现为用于生成所需波形的任何合适电路。)如下面将更详细地描述的，比较器202的输出(其被输入到开关Q1)改变以保持电阻器R10上的电压等于波形发生器V1的输出。因此，Q1的输入以调制泄漏电流的方式改变，使得其跟随波形发生器V1的波形，即，泄漏电流的频率基本上等于(即，在±10hz范围内)波形发生器V1的输出信号的频率。因此，可以根据波形发生器V1的频率来设置或调整泄漏电流的频率。

更具体地说，当正漏电流通过电阻器R10时，产生的电压由U1A在反相输入端测量。将该泄漏电流感测电压与波形发生器V1生成的信号进行比较。如果电阻R10处的泄漏电流检测电压小于V1的输出电压，则U1A输出的电压将增加。这在图3的时间t1可以看出：V1输出电压增加，因此R10泄漏电流流感测电压在时间t1小于V1输出电压，并且U1A的输出增加。这种增加将一直持续到泄露电流感测电压等于波形发生器V1的输出电压，这时波形发生器输出达到峰值并开始下降。在时间t2，波形发生器V1输出信号减小，因此R10处的泄漏电流感测电压大于V1输出信号，导致U1A的输出减小。这种下降将一直持续到泄漏电流感测电压等于V1的输出电压，这时V1的输出电压达到最低点，开始增加。因此，U1A的操作用于在饱和模式和截止模式之间调节BJT Q1的电导率，即通常根据V1和线路电压的相应值在线性模式下调节，以便在正半周期内调制在HOT和NEU之间流动的泄漏电流。这样，比较器202的输出改变开关Q1的输入，使得通过R10的电流跟随波形发生器V1的电压波形，从而以跟随波形发生器V1的电压波形的方式调制泄漏电流。为了这里公开的目的，“跟随着”或“跟随”表示泄漏电流将波形发生器输出信号的形状重新生成为比例波形。

负路径(其再次包括R11、Q2、D6和R3)在负半周期内以与正半周期内正路径相同的方式操作。即，比较器204调整开关Q2以调制从接地端子流向负载热端子的泄漏电流，使得通过R11的电流跟随波形发生器V1的反向电压。在该示例中采用了二次路径，因为即使比较器202的输出将在负半周期内为负，但开关Q1(这里是NPN BJT)将进入截止状态，从而阻断从接地端子流向负载热端子的漏电流。因此，负路径采用PNP BJT，其响应于来自比较器204的负输入电压而进入有源模式。注意，除了极性差异之外，还包括逆变器206，其包括运算放大器U1C及其相关组件、电阻器R4和R5，以反转V1输出信号以使其与比较器204兼容。

因此，在线路电压的正半周期内，使用正路径调制泄漏电流；而在负半周期内，使用负路径调制泄漏电流。如图3所示，通过R3的净电流在正半周期内被调制以形成具有正偏移的正弦波(即，根据波形发生器V1，波形将从0振荡到某个正值)，并且被调制以形成具有负偏移的正弦波(即，根据波形发生器V1，波形将从0振荡到一些负值)。

泄漏电流(IF)的振幅可以通过选择V1的振幅来选择，使得

波形发生器V1可配置为自动从最小频率扫描到最大频率，以便在各种频率下测试GFCI接线装置，包括高于电源电压的基频的频率。或者，用户可以根据用户界面(例如设置在壳体102外部的按钮或触摸屏)来选择波形发生器V1的频率或其他特性。

如本公开中使用的波形发生器能够生成任意期望的任意波形，包括，例如非正弦和非周期性波形。例如，波形发生器V1可配置为生成非正弦波形，以模拟有害负载(例如真空清洁器)或电弧故障。例如，电弧故障能够通过创建将电流峰部和/或“肩部”与正弦波相加的波形来模拟。结合本公开，本领域技术人员容易理解的是，能够生成各种波形来模拟各种有害负载或电弧故障。

在某些示例中，在测试过程中，泄漏电流的大小可设置为略低于电源频率以上的一个或多个频率的跳闸阈值，以确保GFCI接线装置不会因泄漏电流值低于标准要求的最小值而跳闸。这些相同的频率或不同的频率可用于测试高于跳闸阈值的泄漏电流值，以确保GFCI接线装置跳闸的值正确。由于泄漏电流的大小和频率可根据波形发生器V1的大小和频率来选择，因此用户可选择用于特定测试的期望频率和泄漏电流。这可以通过诸如连接的计算机或移动设备的用户界面，或者通过位于测试仪本身上的按钮或触摸屏来实现。在某些示例中，用户可以将特定测试例程预加载到存储器中，该存储器以所需的频率和泄漏电流值来测试GFCI接线装置。测试例程可以通过按下按钮来选择，也可以在第一次开启测试仪时开始自动和重复运行。

如在本发明中所使用的，比较器是适于基于波形发生器V1输出和代表泄漏电流的值之间的比较来产生输出的任何电路。因为比较器的输出被输入到改变流过泄漏路径的电流的大小的开关(例如，开关Q1、Q2)，所以代表泄漏电流的值用作对比较器的反馈信号。换言之，比较器与开关Q1、Q2一起起作用，以调整通过泄漏路径的电流的大小，该电流的大小随后作为要与波形发生器V1输出进行比较的值输入到比较器202。该功能通常将开关Q1、Q2保持在线性区域中，以根据V1的输出适当地调制泄漏电流。因此，在本发明中使用的比较器不应局限于那一类不具有反馈信号，或根据输入信号的比较只在运算放大器的正轨或负轨输出信号的运算放大器拓扑结构。实际上，在各种替代示例中，比较器可以采取反相或非反相放大器或差分放大器的运算放大器拓扑的形式。

比较器202和204由电源电路208和210供电，电源电路208和210在功能上是低通滤波器，其产生正DC电压V+和负DC电压V-。电源电路208和210的操作将是一般理解的那样，因此将不在这里描述。此外，电源电路208和210仅作为可用于生成比较器202和204的DC电压输入的电源电路的示例而提供，并且可以使用任何合适的电源电路。

如图2所示，经调制的泄露电流并不遵循真正弦波，而是根据每个半周期进行偏移。这是由于泄漏电流调制线路电压的方式，导致当线路电压为正时产生完全正波形，当线路电压为负时产生完全负波形。这可以通过完全整流施加在测试仪的负载热端子和接地端子之间的电源电压来解决。在该示例中，根据电源电压的半周期，电流不是在正负电流之间交替，而是保持正或负(取决于整流的方式)，而不考虑半周期。这样的示例消除了对泄漏路径之一的需要，因为在图2中提供了两个泄漏路径来处理两个半周期。因此，如果全波整流器在负载热端子和接地端子之间施加完全正电压，则只需要包括正泄漏路径(例如，包括组件R3、Q1和R10的泄漏路径)和一个比较器(例如，比较器202)，因为没有负电流可作用于负泄漏路径。或者，如果全波整流器在负载热端子和接地端子之间施加完全负电压，则只需要包括负泄漏路径(例如，包括组件R3、Q2和R11的泄漏路径)和一个比较器(例如，比较器204)，因为没有负电流可作用于正泄漏路径。

虽然已经参照某些示例性实施例在此描述和说明了几个发明性实施例，但本领域技术人员将很容易设想出用于执行功能和/或获得结果和/或本文所述的一个或多个优点的各种其它手段和/或结构，并且每一个这样的变化和/或修改都被认为是在本文描述的发明性实施例的范围内(并且本领域技术人员将理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种详细的改变，这些权利要求可以由书面描述和附图来支持)。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和构造均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于使用本发明的教导的一个或多个特定应用。仅通过常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文所述的具体发明实施方式的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施方式仅以示例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内。可以以不同于具体描述和要求保护的方式实践本发明的实施方式。此外，在参照一定数量的元件描述示例性实施例时，将理解示例性实施例可以利用少于或多于一定数量的元件来实施。

在此引用的所有参考文件，包括出版物，专利申请以及专利以相同的程度通过引用被结合到本申请中，就像每个参考文件都单独并特别地表明将通过引用全部结合到本申请中一样。

如本文所定义和使用的所有定义应被理解为控制字典定义，通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。

在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)术语“一”，“一个”和“所述”以及类似指代的使用应解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。术语“包括”，“具有”，“包含”和“含有”将被解释为开放式术语(即，意思是包括但不限于摂)，除非另有说明。术语“连接”应理解为部分或全部包含、附着或连接在一起，即使在有东西介入的情况下没有直接附着。

如本说明书和权利要求中所使用的，提及一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应理解为从元素列表中的任何一个或多个元素中选择的至少一个元素，但不一定包括元素列表中具体列出的每个元素中的至少一个，也不排除元素列表中的任何元素组合。该定义还允许元素可以选择性地存在，而不是短语“至少一个”所指的元素列表中明确标识的元素，无论这些元素是否与明确标识的元素相关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施方式中指代至少一个(可选地包括多个)A，而不存在B(可选地包括B以外的元素)；在另一个实施方式中，至少一个，任选地包括多于一个B，且不存在A(并且任选地包括A以外的元素)；在又一实施方式中，至少一个，任选地包括多于一个A，并且至少一个，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其它元素)；等等。

还应理解的是，除非有明显的相反指示，否则在本文要求保护的任何方法中，包括多个步骤或动作，步骤或动作的顺序不必限于步骤或动作的顺序。

说明书和权利要求中可以使用近似语言修饰任何不会造成相关功能改变的允许的变化的量化展示。因此，由诸如“大约”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制可以被组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则将标识此类范围并包括其中包含的所有子范围。

对数字范围的引用应该理解为对落入该范围内的各个单独数值进行单独引用的速记方法，除非另有说明，并且每个单独数值都包含在说明书中，就像它被单独地引用了一样。

在此描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非另有说明或明显有矛盾。除非另有说明，在此提供的任何或所有实施方式，或示例性语言(例如，“例如”)只应该理解为更好地阐释本发明的实施方式，不对本发明的范围构成限制。

说明书中的任何语言都不应该理解为表明任何未要求保护的元素对于本方面的实施是必须的。

在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语例如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“由……组成”等应理解为开放式的，即意指包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，仅过渡短语“由……组成”和“基本上由……构成”应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。无意将本发明限制为所公开的一种或多种特定形式，而是相反，其意图是涵盖落入如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、替代构造和等同物。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的本发明的修改和变化。