Diseño del circuito del monitor de impedancia de tierra

Estoy tratando de diseñar un monitor de impedancia de tierra. La idea es que el equipo en cuestión no permita su funcionamiento si el cableado a tierra está desconectado o la conexión es de mala calidad.

Esto es lo que tengo ahora:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

El LED es en realidad el emisor de un optoaislador LTV-844S. Los diodos de bloqueo son en realidad S1M (pero pensé que 1N4004 eran lo suficientemente similares para el propósito).

En las pruebas en este momento, se necesita una impedancia de tierra de ~120 k-ohmios para disparar el sistema. Eso parece que es demasiado, demasiado alto. Mi primer instinto es aumentar la resistencia en serie, pero estoy en apuros para ver cómo voy a terminar con algo que sea lo suficientemente sensible Y preciso (la especificación requiere un nivel de disparo de alrededor de 12k - 100 ohmios por voltio ), porque el nivel de impedancia para disparar es una pequeña fracción de la resistencia en serie, lo que significa que las propias tolerancias de las resistencias en serie inundarán la medición deseada.

Agregar una gran cantidad de circuitos activos es algo que no me gustaría hacer. Por el momento, hay una fuente de alimentación aislada que alimenta los sistemas lógicos, pero esa energía está en el lado "seguro" de la línea divisoria, donde vive el detector del optoaislador. Realmente no es razonable llevar esa potencia a través de la línea, porque entonces los dos lados no estarán aislados galvánicamente.

EDITAR: He intentado trabajar un poco más en este circuito, pero todavía no estoy seguro de tener una buena respuesta. Hay objetivos competitivos en el trabajo que frustran una solución fácil. Por un lado, el voltaje de CA nominal puede variar entre 100 y 130 VCA (es posible que deba operar internacionalmente o con una alimentación mal regulada) y las resistencias tienen una tolerancia del 5%.

Mi último intento cambia la resistencia en serie a 240k y agrega un diodo zener de 10 voltios con polarización inversa en serie con el optoaislador. La esperanza es que la tolerancia zener del 3% siendo el 3% de 10 voltios le permita posiblemente "disciplinar" la tolerancia relativamente descuidada de las resistencias. La idea es que hasta que el voltaje a través del zener exceda los 10 voltios, no conducirá en absoluto, y cuanto mayor sea la impedancia a tierra, menor será el voltaje a través del zener.

En el banco, este diseño parece funcionar bien, pero me gustaría escuchar a la gente sobre esto. Mi preocupación es que este diseño funciona con un conjunto de componentes, pero no será lo suficientemente confiable cuando se copie.

Tenga en cuenta que en el tiempo transcurrido desde que publiqué esta pregunta, el voltaje de suministro real para este circuito de prueba se ha movido en el lado de carga de un contactor. Si la prueba falla, el contactor se abrirá, lo que significa que habrá una exposición mínima a voltajes peligrosos en el chasis cuando la conexión a tierra esté abierta.

¿Alguien tiene ideas?

¿Qué tan factible sería usar algún tipo de solución de energía aislada de punto de carga? (ADI fabrica los chips isoPower, y también hay módulos de punto de carga aislados o aisladores fotovoltaicos disponibles como soluciones más tradicionales, según las necesidades de voltaje/corriente del circuito).
Odio agregar otra fuente de alimentación a este circuito, ya que hay un suministro de 12 voltios para el circuito lógico. Por lo que puedo imaginar, el gran problema es establecer un "acantilado" preciso para el flujo de corriente. Como, "realizar al menos un mínimo de exactamente 2,5 mA o ninguno en absoluto".
Para obtener una descripción general a nivel de libro de texto de los circuitos de monitoreo de verificación de conexión a tierra, consulte, por ejemplo, este . También hay un artículo de Wikipedia sobre el tema, pero es una entrada de wiki de bastante baja calidad.
@RespawnedFluff El artículo al que hace referencia parece estar hablando de situaciones en las que el monitoreo y el circuito monitoreado están separados por cierta distancia con un cable que los conecta. Ese no es el caso aquí. La única forma de probar la tierra es "perder" una pequeña cantidad de corriente de una (o ambas, pero no al mismo tiempo) líneas vivas e indicar una falla si esa corriente no fluye. El problema es que la corriente debe ser bastante pequeña, 2,5 mA aquí, pero las tolerancias de medición son muy, muy estrechas.
Estoy confundido por su diagrama si sus "líneas vivas" son en realidad un circuito de red monofásico, es decir, una línea viva real y un neutral. ¿O realmente tienes dos fases entrando? Además, no entiendo por qué no puede usar un transformador/relé, etc. para detectar las líneas como sugieren esas soluciones estándar/de libro. Esto es lo que Ned también te dice en su respuesta, básicamente.
Las líneas de entrada al dispositivo son dos líneas activas monofásicas (208/240 V CA norteamericanas) y tierra. No hay neutro. La cantidad de corriente que estoy dispuesto a "filtrar" a tierra es demasiado pequeña para cerrar un relé, y creo que un relé tampoco sería lo suficientemente sensible: la especificación habla de umbrales de detección de 100 ohmios. Realmente no quiero tratar de encontrar espacio para un transformador de potencia en el chasis. Si esa es realmente la única forma, que así sea, pero por eso pregunto.
Existe un límite legal para la corriente de fuga, establecido por la norma aplicable en su país. Los límites típicos pueden ser 200 microamperios de fuga . Podría ser posible vender equipos que incluyan el circuito anterior, pero necesitaría una atención especial. Si es para que el consumidor promedio lo conecte, deberá cumplir con los límites de corriente de fuga.
Especifique resistencias al 1%. Ese diodo zener del 3% es solo el 3% en el punto de corriente especificado; el resto de la curva tiene una variación mucho más amplia. El punto "no conducirá en absoluto" no tiene una precisión del 3 %.
Incluso si especifico resistencias de 0.1%, existe el problema de que el voltaje de la línea de CA es de +/- 10% en el mejor de los casos.
¿Lo único que le preocupa es una conexión a tierra desconectada? ¿O está buscando más como protección GFCI (interrumpiendo corrientes extrañas a tierra?)
GFI es una cosa separada y ya forma parte del diseño en otros lugares. Este es solo un circuito de monitoreo de continuidad de tierra.

Respuestas (3)

El circuito de ejemplo no solo es insensible, sino que es levemente inseguro. Por ejemplo, si la conexión a tierra del lado del suministro se abriera, la otra conexión a tierra (posiblemente conectada al equipo) se coloca en un potencial "activo" de CA. En esta situación, incluso con las resistencias de 47k, alguien que toque la tierra del lado izquierdo podría recibir un cosquilleo "suave" (una descarga de CA leve).

Una mejor idea sería usar un transformador muy pequeño de bajo voltaje (clasificado por la agencia de seguridad) en los puntos Hot1 y HOT2, luego tomar el devanado secundario y usarlo para crear un suministro de CC de bajo voltaje para el LED del optoaislador. Ahora use los dos puntos de tierra de CA para cortocircuitar el LED. De esa manera, si alguno de los puntos de tierra alguna vez se abre, obtendrá un pulso de luz del LED. Seleccione la resistencia en serie que va al LED lo suficientemente baja para que 100 ohmios adicionales en el LED (en una conexión GND a GND defectuosa) permita un voltaje mayor que el voltaje de encendido del LED. Entonces, con esta configuración, cualquier señal proveniente del optoaislador indica una mala conexión a tierra.

(Idealmente, el lado de tierra debe ser una buena tierra separada conocida, como una tierra).

Es posible que el diagrama te esté engañando. Solo hay un terreno. Estoy un poco confundido en cuanto a cómo el suministro aislado se "cortaría" al estar conectado a tierra. Entiendo la idea que estás proponiendo: enciendes el LED de forma aislada pero conectas el ánodo a tierra. ¿Por qué a un suministro aislado le "importaría" que hicieras eso?
Necesitas una fuente de corriente constante.
¿Sería eso tan simple como, quizás, un LM134 entre los cátodos comunes 1N4004 y el ánodo del optoemisor? Eso ciertamente eliminaría la tolerancia de la resistencia en serie como fuente de error.
Agregar un LM334 y una resistencia establecida de 130 ohmios produce un flujo de corriente de ~500 µA. Con eso en el circuito, la sensibilidad ahora está entre 47 k y 91 k. Mejor, pero todavía demasiado alto. Sin embargo, puede ser necesario comenzar a afinar el lado secundario.

¿Su suministro de CA entrante consiste en un vivo, neutro, tierra o son dos conductores calientes y una tierra pero no neutro?

Tengo un probador Hi-Pot más antiguo que usa un circuito que monitorea el voltaje entre las terminales de tierra y neutral. Parece muy efectivo y obviamente CSA pensó que estaba bien porque el dispositivo tiene certificación CSA.

No hay una manera fácil de hacer esto de manera confiable sin que fluya una cantidad decente de corriente por el conductor de tierra o sin monitorear la diferencia de voltaje entre dos puntos que se conectan a tierra en alguna parte . Por supuesto, el Neutro está unido al conductor de puesta a tierra en el panel de distribución de energía (caja de interruptores) la mayor parte del tiempo.

Tengo otra sugerencia: podría descargar una cantidad significativa de corriente por la línea de tierra como un pulso corto. Estos pulsos serían de duración suficientemente corta y suficientemente separados para no causar electrocución si alguien se encontrara en el camino de una conexión a tierra abierta.

Sin embargo, no sé qué dirían las autoridades reguladoras/de seguridad al respecto.

En pocas palabras: esto es relativamente fácil si tiene una conexión neutra conectada a tierra en algún lugar de su sistema de distribución. Es significativamente más difícil si NO tiene un conductor neutro disponible.

Por desgracia, este es un dispositivo de tierra caliente. Sin neutro. Uno de los objetivos del diseño, si es posible, es que la corriente de fuga sea de 5 mA o menos para que pueda usar el dispositivo en un tomacorriente protegido GFI doméstico si es necesario. El cumplimiento de UL es la idea, por lo que claramente están de acuerdo con todo el asunto de las fugas a tierra. El hecho de que la fuente esté en el lado de carga del contactor mejora los problemas de seguridad, ya que si la prueba falla, el contactor se abrirá y el riesgo de seguridad desaparecerá.
Tengo un par de ideas que espero probar en el próximo rato. Pregunta: ¿son dos fases de un circuito trifásico (208 Vca) o es un suministro de fase dividida de 120/240 (240 Vca)? *** Y, ¿importa mucho el tamaño físico?
Puede ser tanto de 208 como de 240 VAC. Incluso puede ser de 120 VCA caliente-neutro. También puede ser europeo 220 VAC caliente-neutro, aunque me conformo con cambiar la resistencia en serie para ese caso. El tamaño físico no deja de ser importante. (La falta de) complejidad es primordial. Los PCB tienen un costo de pulgada cuadrada para ellos. Me estremezco al introducir un circuito activo aquí, ya que eso significa encontrar una forma de alimentarlo.

Si entiendo su pregunta correctamente, consulte GFCI - Interruptor de circuito de falla a tierra. Puede obtenerlos en ferreterías (al menos en Canadá).

Según el fabricante, vienen como un tomacorriente de pared o un disyuntor de panel (uno especial).

Básicamente, monitorea la cantidad de corriente que fluye dentro/fuera de sus conductores activos e identificados ("identificados" se conoce comúnmente como "neutros") y en el momento en que difieren en una cantidad muy pequeña (menos de unos pocos mA), se dispara el circuito. Creo que también monitorea el conductor de conexión ("conexión" se llama comúnmente "conexión a tierra") y se dispara si este último se desconecta.

Este puede ser un buen punto de partida para usted, intente encontrar cómo funcionan y replíquelos si la solución lista para usar no es para usted.

Buena suerte y cuídate.

El GFCI se dispara si la suma de la corriente en Caliente y Neutro no es la misma, lo que significa que hay una falla a tierra. No evalúa la calidad de la conexión a tierra.
Lo que dijo @ScottSeidman. El dispositivo tiene un GFI separado en otro lugar. Esta pregunta es sobre un circuito GCM.
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