CN102082431B - 自动择n线电路 - Google Patents

Abstract

一种自动择N线电路，由降压电路、直流电源电路、正反接识别电路、第一比较电路、预备电路、第二比较电路、换线电路组成，特征是：负载的电源插头任意插入AC220V电源插座中，正反接识别电路就自动鉴别电源的接法，当电源正接时，其输出的控制信号为零，控制系统不动作，负载保持其外壳与零线N线连接的接零保护状态；当电源反接时，正反接识别电路输出控制信号控制换线电路执行“自动择N线”程序-自动将L线、N线对换，换至电源“正接”——负载外壳与零线N线连接的接零保护状态。本发明线路简单，体积小、造价低，在电器的AC220V电源输入端增设本发明，可使所有的电器包括原先无法实施接零或接地保护的电器等都实现“接零保护”。

Description

自动择N线电路

技术领域

本发明涉及低压电器领域，尤其涉及一种能够自动选择市电零线(中线)N线的电路。

背景技术

将电器(例如洗衣机、电热水器、饮水机、电冰箱、电动机等)的外壳接地，是保证电器用电安全的重要措施。洗衣机等电器外壳传统的接地方法是；用三芯插头(其中的一芯接电器的外壳)插入市电的三芯插座中，通过市电接地线接地。这种电器接地的方法较为简单，但是，在我国，市电的三芯插座的接地插孔可能存在以下的情况；一、未接地；二、接地电阻大。因此，这种接地方法，是不可靠不安全的接地方法，电器因此带来安全隐患而造成人员触电的事故屡有报导。

一些小型电器例如电吹风、电磁炉、充电器、豆浆机等，因为电源线是二芯插头线，所以根本无法实现“接地保护”！正是此原因，所以电吹风等在其使用说明书中就重点指明：“禁止在浴室等潮湿环境中使用”。

另外，电器的电源开关通常接在相线L线上，电器关机后，人们的思维模式往往是：关机后的电器“已没有电”！事实上，由于电源插座的L、N端的接法是随机的，电器关断的可能是零线N线而非相线L线，因此，关机后的电器仍是“有电的”，此时，若触及电器的线路，仍可能触电！

以上的事实，是造成以下结果的重要原因之一：“以相同用电量作比较，我国触电死亡的人数是发达国家的几十倍”。

采用“工作零线兼作接零保护线”、将电器外壳与零线N线连接的TN-C接零保护方法，是保护电器用电安全的方法之一。但这种方法只适用于不用电源插头线、可认准N线接线的固定不动的电器；对于使用电源插头线(尤其是使用二芯电源插头线)、无法认准N线的移动电器例如手电鉆、磨光机、切割机、家用电器等就不适合用所述的TN-C接零保护方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，发明一种无论电源输入端怎样接线，都可自动调整输出端的指定端D端恒接N线的“自动择N线电路”，使“移动电器”也可实现TN-C接零保护。

本发明实现上述目的技术方案是：一种自动择N线电路，其由降压电路、直流电源电路、正反接识别电路、第一比较电路、预备电路、第二比较电路、换线电路组成。其中的正反接识别电路、第一比较电路、预备电路、第二比较电路、换线电路组成本发明的控制系统。

A C220V(或A C110V)在本发明中有二种用途并根据用途设有二个输入端：第一为电源输入瑞，A C220V从由L---N线组成的端口输入，经降压、整流、滤波、稳压后为控制系统提供直流电源；第二为信号输入端，作为控制信号源的A C220V从由大地---L线组成的端口输入，经降压、整流、滤波后为控制系统提供控制信号。把强大的AC220V市政电当作控制信号源使用，信号电流从大地中获取，这是本发明显著的技术特征之一。

在本发明中，称电器为负载；并且，采用TN-C接零保护法，即负载的外壳与零线(中线)N线连接。A C220V与负载的接法有二种：零线N线与负载外壳连接的接法称正接；反之，相线L线(俗称火线)与外壳连接的接法称反接。

所述的正反接识别电路具有以下的功能：当A C220V正接时，其输出的控制信号为零，即不输出的控制信号；反之，A C220V反接时，其输出控制信号。

本发明的控制过程为：负载的电源插头任意插入A C220V电源插座中，正反接识别电路就自动鉴别电源的接法，当电源正接时，其输出的控制信号为零，控制系统不动作，负载保持其外壳与零线N线连接的接零保护状态；当电源反接时，正反接识别电路输出控制信号，在该控制信号的控制下，第一比较电路、第二比较电路均输出高电平，预备电路首先切断负载的A C220V电源、稍后(延迟一段时间后)换线电路就执行“自动择N线”的程序---自动将L线、N线对换，换至电源“正接”---负载外壳与零线N线连接的接零保护状态。上述“自动择N线”的程序完成后，预备电路又自动接通负载的A C220V电源。

本发明线路简单，体积小、造价低。在电器的A C220V电源输入端增设本发明，可以取得以下的有益效果：可使所有的电器包括原先无法实施接零或接地保护的移动电器例如电吹风、电磁炉、充电器等都实现“接零保护”(TN-C保护)。

附图说明

图1为市政电网的三相四线制的电力变压器和零线N线“重复接地”的示意图；图中T表示电力变压器，RL1、RL2、RL3表示负载。

图2为本发明的原理方框图；图中：101代表正反接识别电路；102代表第一比较电路；103代表预备电路；104代表第二比较电路；105代表换线电路；106代表直流电源电路；107代表降压电路。

图3为本发明优选的实施例的电路原理图；图中：端口C、端口D组成本发明的输出端；K表示电器的外壳。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明作进一步地说明。

结合图2，从端口A、端口B输入的AC220V电源，经降压电路107降压、直流电源电路106整流、滤波、稳压后，为控制系统提供了稳定的直流电压Uc；

当输入端的AC220V“正接”时，B点与零线N线连接，再结合图1可知，B点与图2中的信号接地端Es均与大地连接(图2中：Re为Es的接地电阻)，显尔易见，B点的电位与信号接地端Es点的电位近似相等，因此，信号输入端的信号电压Usi≈0、信号电流Is≈0，此时，正反接识别电路101输出的信号电压Us＝0，控制系统不动作，输出端D端继续保持与N线连接的状态(条件：按一次常开按鈕AN1、使继电器J3自锁、其动合触点DH31、DH32闭合)。

当输入端的AC220V“反接”时，B点与相线L线连接，信号电流I s按N线→大地E→Re→Es→正反接识别电路101→电路板(PCB)地→B→L线的路径流通，换言之：本发明以AC220V为信号源、控制信号采自大地。由于I s的流通，正反接识别电路101便输出信号电压Us并将Us分别施加到第一比较电路102和第二比较电路104上，使此两比较电路都输出高电平，控制系统就开始执行以下的换线程序：

1、第一比较电路102输出的高电平驱使预备电路103中的动断触点DD1断开、即关断了后续电路的AC220V电源；

2、第二比较电路104输出的高电平延迟Δt时间后，也驱使换线电路105的动断触点DD21和DD22断开、动合触点DH21和DH22闭合、即L线N线的“座位”得以调换；

3、换线结束后，预备电路103中的动断触点DD1复位重新闭合、后续电路的AC220V电源重新接通。

经此换线，输出端D端便转换为与N线连接的状态(条件：按一次常开按鈕AN1、使继电器J3自锁、其动合触点DH31、DH32闭合)。

至此，本发明就完成了自动择N线的过程。

图3为本发明优选的实施例的电路原理图，图3中：第一电阻R1、第一电容C1组成了降压电路107，并且，R1、C1并联后，一端与输入端口A及继电器J1的公共端C0M1连接，另一端与第一二极管D1的负极及第二二极管D2的正极连接。

第一、第二、第三二极管D1、D2、D3，第二、第三、第四电容C2、C3、C4，第二电阻R2，集成三端稳压器IC1(型号LM7812)共同组成了直流电源电路106。它们的连接关系为：第一二极管D1的负极与第二二极管D2的正极及第一电阻R1、第一电容C1各自的一端连接、正极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端接电路板地，第二、第三、第四电容C2、C3、C4各自的一端、集成三端稳压器IC1的2脚均接电路板地，第二、第三二极管D2、D3各自的负极、第二、第三电容C2、C3各自的一端、集成三端稳压器IC1的1脚均互相连接，第三二极管D3的正极、集成三端稳压器IC1的3脚、第四电容C4的另一端均接直流电压Uc的正极，电路板地与输入端口B连接。

降压电路107和直流电源电路106的技术特征为：

1、当输入端的AC220V“正接”(A端接L线)时，在AC220V的正半周，第一二极管D1截止、第二二极管D2导通，第一电容C1通过第二二极管D2充电；在AC220V的负半周，第一二极管D1导通、第二二极管D2截止，第一电容C1通过第一二极管D1放电。

当输入端的AC220V“反接”(A端接N线)时，在AC220V的正半周，第一二极管D1导通、第二二极管D2截止，第一电容C1通过第一二极管D1充电；在AC220V的负半周，第一二极管D1截止、第二二极管D2导通，第一电容C1通过第二二极管D2放电。

2、设有第一电容C1的充、放电平衡电阻R2，并且，其阻值与集成三端稳压器IC1的输入电阻近似相等。

第一电阻R1为AC220V停电后的第一电容C1的放电电阻。

第九、第十、第十一、第十二电阻R9、R10、R11、R12，第七、第八电容C7、C8，第六二极管D6，稳压二极管Dw组成了正反接识别电路101。它们的连接关系为：第十、第十一电阻R10、R11、第七、第八电容C7、C8各自的一端、第六二极管D6的负极均互相连接；第九电阻R9的一端、第七、第八电容C7、C8的另一端、稳压二极管Dw的正极均与电路板地相连接；稳压二极管Dw的负极接第十一电阻R11的另一端；第六二极管D6的正极接第十二电阻R12的一端；第十二电阻R12的另一端与信号接地端Es连接；第十电阻R10的另一端与第九电阻R9的另一端连接后再与第一比较电路102和第二比较电路104连接。

结合图1、图2：B端、大地E组成了信号输入端，其特征是：

1、当AC220V正接即B端与N线连接时，B端的电位与信号接地端Es点的电位近似相等、输入的信号电压Usi≈0、信号电流Is≈0；

2、当AC220V反接即B端与相线L线连接时，输入的信号电压为Usi≈220V-Is·Re

3、由于第一比较电路102和第二比较电路104是高输入阻抗、高分辨率的电压比较器，允许信号电流I s低达微安级，同时AC220V作为信号源呈现非常低的“信号源内阻”并显得非常“强大”，因此，Es的接地电阻Re允许高达MΩ级。这就给本发明寻找信号接地端Es带来了极大的自由度，墙壁、水泥地、泥土地、铁或铝合金窗、水管都可成为信号接地端Es，这与电器外壳直接接地的TT保护系统中的接地端接地电阻必须小于4Ω的要求形成了鲜明对照：前者接地条件宽松(Re≤1MΩ)不苛求，接地点随处可得；后者接地条件严格(接地电阻≯4Ω)，须选址并设专门接地桩。

所述的本条技术特征对本发明是很重要的，只有信号接地端Es随处可接，本发明才有实用意义，否则本发明就是无实用价值的“纸上谈兵”技术！

本实施例进一步的技术措施为：在正反接识别电路101中设有限流电阻R12和稳压二极管Dw，可防止信号接地端Es的接地电阻Re过小时，因信号电流I s和信号电压Us过强而对后级电路造成危害。

第七、第八电阻R7、R8，集成运放IC2-1(1/2LM393)组成了第一比较电路102。

第七、第八电阻R7、R8，集成运放IC2-2(1/2LM393)组成了第二比较电路104。

第三、第四电阻R3、R4，第五电容C5，第一三极管V1，第一继电器J1，第四二极管D4组成了预备电路103。并且，第五电容C5的负极接电路板地；第五电容C5的正极、第一三极管V1的发射极、第三电阻R3的一端均互相连接；第三电阻R3的另一端、第一三极管V1的基极、第四电阻R4的一端、集成运放IC2-1的1脚均互相连接；第一继电器J1与第四二极管D4并联后，一端(D4的正极端)与第一三极管V1的集电极连接，另一端接直流电压Uc的正极；第四电阻R4的另一端也接直流电压Uc的正极。

第五、第六电阻R5、R6，第六电容C6，第二三极管V2，第二继电器J2，第五二极管D5组成了换线电路105。并且，第二三极管V2的基极、集成运放IC2-2的7脚、第五、第六电阻R5、R6、第六电容C6各自的一端均互相连接；第六电阻R6、第六电容C6各自的另一端、第二三极管V2的射极均接电路板地；第二继电器J2的一端、第五二极管D5的负极、第五电阻R5的另一端均与直流电压Uc的正极连接；第二继电器J2的另一端、第五二极管D5的正极均接第二三极管V2的集电极。

本实施例的工作过程如下：

当AC220V正接即端口B接N线时，信号接地端Es的电位与B点的电位近似相等，输入的信号电压Usi≈0、信号电流Is≈0。此时，正反接识别电路101输出的信号电压Us＝0，集成运放IC2-1的输出端1脚、集成运放IC2-2的输出端7脚均与电路板地近似短路，即均输出低电平，第一三极管V1、第二三极管V2均为截止状态，第一继电器J1、第二继电器J2均不工作；若按常开按鈕AN1，第三继电器J3便自锁，其二个动合触点DH31、DH32闭合，负载RL(电器)便与AC220V连接，与其外壳K连接的D端连接在N线上，负载RL(电器)便获得了接零保护。

当AC220V反接即端口B接L线时，测试信号AC220V通过由B端、大地组成的信号输入端口输入到正反接识别电路101中，在AC220V的负半周，信号电流Is按下述路径流通：

N线→大地E→Re→Es→R12(限流)→D6(整流)→R10及C7、C8(滤波)→R9→电路板地→B→L线

由于信号电流I s的流通，在集成运放IC2-1的正相输入端3脚、集成运放IC2-2的正相输入端5脚上产生了信号电压Us，并且Us＝Is·R7；直流电压Uc经R8、R7分压，在在集成运放IC2-1的反相输入端2脚、集成运放IC2-2的反相输入端6脚上产生了参考电压U2；只要适当调整R12、R10、R9和R8、R7的值，就可使信号电压Us大于参考电压U2即Us＞U2，此时，集成运放IC2-1的输出端1脚、集成运放IC2-2的输出端7脚均与电路板地近似开路，即均输出高电平。

综上所述可知：当AC220V正接时，所述的正反接识别电路(101)的输入的信号电压Usi≈0、信号电流Is≈0、输出的信号电压Us＝0；当AC220V反接时，输入的信号电流为Is、输入的信号电压为Ust≈220V-Is·Re、输出的信号电压Us大于参考电压U2即Us＞U2。

鉴于直流电源电路106中的滤波电容C2、C3、C4的电容量远大于正反接识别电路101中的滤波电容C7、C8的电容量，AC220V接入后，信号电压Us建立的时间早于直流电压Uc的建立时间，因此，当Us＞U2、集成运放IC2-1的输出端1脚输出高电平时，第五电容C5两端的电压U5＝0，故集成运放IC2-1的输出端1脚输出高电平后，第一三极管V1便迅速导通，第一继电器J1便得电工作，其动断触点DD11断开，后续电路的AC220V被切断；

第二三极管V2由于其基极上并有延迟电容C6，因此，当Us＞U2、集成运放IC2-2的输出端7脚输出高电平时，其导通时间较第一三极管V1迟延Δt，延迟Δt时间后，第二三极管V2也开始导通，第二继电器J2得电工作，其二组动断触点DD21、DD22断开，二组动合触点DH21、DH22闭合，换线电路105的换线任务便得以完成。如前所述，换线电路105的换线动作是在预备电路103已将AC220V切断的情况下进行的。作这样设计的目的为：防止第二继电器J2的二组触点动作时间不一致而造成AC220V短路。

综上所述可总结为：当Us＞U2时，第二三极管V2较第一三极管V1迟延Δt时间导通；换线电路105的换线动作是在预备电路103已将AC220V切断的情况下进行的。

第一三极管V1导通后，第五电容C5便开始充电，其两端的电压U5将逐步上升，当第一三极管V1基极电压Ub1与U5的差值Ub1-U5＜0.7V时，第一三极管V1被截止、第一继电器J1失电、其动断触点DD11复位闭合、后续电路的AC220V重新接通、控制系统的换线程序结束。此时，若按一下常开按鈕AN1，输出端D和负载的外壳K就与零线N线连接，负载RL(电器)便获得了接零保护。

如前所述：预备电路103中的第五电容C5在Us＞U2的条件下，起到了控制第一三极管V1先导通、后截止的重要作用。

本实施例另一项重要技术为：B端与电路板地相连接，是AC220V电源、AC220V信号源、直流稳压电源Uc的公共端。正是因为作了如此的设计，才使本发明实现了把强大的AC220V当作信号源使用并从大地中获取信号电流Is的技术特征。

在本实施例中，还设置了常开按鈕AN1(相当于负载电源“开”)和常闭按鈕AN2(相当于负载电源“关”)，按一次AN1，第三继电器J3得电自锁，其二组动合触点DH31、DH32闭合，负载RL与AC220V电源接通；按一次AN2，第三继电器J3失电失锁，其二组动合触点DH31、DH32断开，负载RL的AC220V电源关断。若不作这样的设计，那么，在AC220V反接(B端接L线)后至第二继电器J2的动断触点DD22断开前约30ms的时间内，负载RL的外壳K便与相线L线连接着，即外壳K在此30ms的时间内是“带电的”。作了这样的设计后，则彻底排除了外壳K的带电之忧，而且，按鈕AN1、AN2还可兼作负载RL的电源开关，起到一举二得的作用。

综上所述可知，本发明具有为D端自动择N线的功能。应用本发明，允许电器的电源输入端任意连接，不论正接、反接，所连接的电器都可实现接零保护。

Claims (2)

1.一种自动择N线电路，其由降压电路(107)、直流电源电路(106)、正反接识别电路(101)、第一比较电路(102)、预备电路(103)、第二比较电路(104)、换线电路(105)组成，其特征在于：

降压电路(107)由并联连接的第一电阻R1、第一电容C1组成；

直流电源电路(106)由第一、第二、第三二极管(D1、D2、D3)，第二、第三、第四电容(C2、C3、C4)，第二电阻(R2)，型号为LM7812的集成三端稳压器(IC1)组成；其连接关系为：第一二极管(D1)的负极与第二二极管(D2)的正极及第一电阻(R1)、第一电容(C1)各自的一端连接；第一二极管(D1)的正极与第二电阻(R2)的一端连接；第二电阻(R2)的另一端接电路板地；第二、第三、第四电容(C2、C3、C4)各自的一端、集成三端稳压器(IC1)的2脚均接电路板地；第二、第三二极管(D2、D3)各自的负极、第二、第三电容(C2、C3)各自的一端、集成三端稳压器(IC1)的1脚均互相连接；第三二极管(D3)的正极、集成三端稳压器(IC1)的3脚、第四电容(C4)的另一端均接直流电压的正极；电路板地与输入端口B端连接；

预备电路(103)由第三、第四电阻(R3、R4)，第五电容(C5)，第一三极管(V1)，第一继电器(J1)，第四二极管(D4)组成；其连接关系为：第五电容(C5)的负极接电路板地；第五电容(C5)的正极、第一三极管(V1)的发射极、第三电阻(R3)的一端均互相连接；第三电阻(R3)的另一端、第一三极管(V1)的基极、第四电阻(R4)的一端、型号为1/2LM393的第一集成运放(IC2-1)的1脚均互相连接；第一继电器(J1)与第四二极管(D4)并联后，该第一继电器(J1)与第四二极管(D4)正极连接的那一端与第一三极管(V1)的集电极连接，另一端接第三二极管(D3)的正极；第四电阻(R4)的另一端也接第三二极管(D3)的正极；

换线电路(105)由第五、第六电阻(R5、R6)，第六电容(C6)，第二三极管(V2)，第二继电器(J2)，第五二极管(D5)组成；其连接关系为：第二三极管(V2)的基极、型号为1/2LM393的第二集成运放(IC2-2)的7脚、第五、第六电阻(R5、R6)、第六电容(C6)各自的一端均互相连接；第六电阻(R6)、第六电容(C6)各自的另一端、第二三极管(V2)的发射极均接电路板地；第二继电器(J2)的一端、第五二极管(D5)的负极、第五电阻(R5)的另一端均与第三二极管(D3)的正极连接；第二继电器(J2)的另一端、第五二极管(D5)的正极均接第二三极管(V2)的集电极；

第一比较电路(102)由第七、第八电阻(R7、R8)，第一集成运放(IC2-1)组成；第二比较电路(104)由第七、第八电阻(R7、R8)，第二集成运放(IC2-2)组成；第七电阻(R7)的一端接电路板地，第八电阻(R8)的一端接第三二极管(D3)的正极，第七、第八电阻(R7、R8)的各自另一端相连并分别接入第一集成运放(IC2-1)的2脚和第二集成运放(IC2-2)的6脚；

正反接识别电路(101)由第九、第十、第十一、第十二电阻(R9、R10、R11、R12)，第七、第八电容(C7、C8)，第六二极管(D6)，稳压二极管(Dw)组成；其连接关系为：第十、第十一电阻(R10、R11)、第七、第八电容(C7、C8)各自的一端、第六二极管(D6)的负极均互相连接；第九电阻(R9)的一端、第七、第八电容(C7、C8)的另一端、稳压二极管(Dw)的正极均与电路板地相连接；稳压二极管(Dw)的负极接第十一电阻(R11)的另一端；第六二极管(D6)的正极接第十二电阻(R12)的一端；第十二电阻(R12)的另一端与信号接地端(Es)连接；第十电阻(R10)的另一端与第九电阻(R9)的另一端连接后再分别连接第一集成运放(IC2-1)的3脚和第二集成运放(IC2-2)的5脚。

2.如权利要求1所述的一种自动择N线电路，其特征在于：

a、B端与电路板地相连接，是AC220V电源、AC220V信号源、直流稳压电源Uc的公共端；B端、大地E组成了AC220V信号输入端，所述的正反接识别电路(101)输入的信号电流(Is)从大地中获取，

b、当AC220V正接时，所述的正反接识别电路(101)的输入的信号电压Usi≈0、信号电流Is≈0、输出的信号电压Us＝0；当AC220V反接时，输入的信号电流为Is、信号电压为Usi≈220V-Is·Re、输出的信号电压Us大于参考电压U2即Us＞U2，其中Re为信号接地端(Es)的接地电阻；

c、当Us＞U2时，第二三极管(V2)较第一三极管(V1)迟延Δt时间导通；换线电路(105)的换线动作是在预备电路(103)已将AC220V切断的情况下进行的；

d、当Us＞U2时，所述的预备电路(103)中的第五电容(C5)控制第一三极管(V1)先导通后截止。

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