CN102097718A

CN102097718A - 人体安全插座

Info

Publication number: CN102097718A
Application number: CN 201110054739
Authority: CN
Inventors: 陈俊; 苏凯雄; 李祥; 余之喜
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: CN102097718B

Abstract

本发明涉及一种人体安全插座，包括插座本体，其特征在于：还包括用于监测插座是否有负载或漏电的交流电流支路检测电路、用于检测插座电流的电流检测互感器和漏电检测线圈以及采用多谐振荡器的阻抗预检测电路分别经放大整流整形电路与一中央功能控制器连接，所述的中央功能控制器连接有负责所述交流电流支路检测电路和电流检测互感器和漏电检测线圈测试端通断的第一继电器和负责市电接入至所述插座的转换工作的第二继电器。本发明能实现“裸露”的插座不会让人触电，让用户尽早的发现所在场合对电器的功率容限或存在故障的电器，而且发生意外后不需用户做合闸动作，只要撤离用电器，电路可回到空闲插座不带强电状态，具有较好的实用价值。

Description

人体安全插座

技术领域

本发明涉及用电安全技术领域，特别是一种人体安全插座。

背景技术

如今，断路器和漏电开关十分广泛地应用在起居室，公司，学校等多种室内场合，以及商品排插和一些电器自带的保护装置上，用来对供电线路的负载进行过流或漏电保护，有效减少人身伤害和经济财产损失。断路器和漏电开关保护性能以快速关断著称，当线路中某处电流超过标称电流值时立即跳闸切断火线。当线路中用电器缺相运行或有人触电时，漏电开关动作，切断火线和零线，当用户撤离故障电器或电器故障排除后手动开闸即可继续供电。

对于这套民用产品目前还有一个安全隐患，就是空闲插座依旧带强电，如果一些顽皮的小孩手指、金属物插入或者破损的插座让用户使用难免难逃触电的过程，虽然国家强制认证的漏电开关识别后会在很短时间内跳闸，会人身生理机构不会造成伤害，但触电电流相对较大，人们依旧会感觉自己触电了，对心理造成阴影。如果有人相零双端都接触肢体，漏电开关也许反应更慢，而最致命的是左右手分别接触相零的时候！

与此同时，在现今社会中自动重合闸装置广泛应用在工业上，如输电设备，发射站等无人控制的场合。减少手动合闸的麻烦。若用具有一套重合闸功能的电源保护装置设计一款智能安全插座，同样能应用在家庭，公司，实验室等场合，最大限度地保护民用安全用电的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种人体安全插座，能实现“裸露”的插座不会让人触电，让用户尽早的发现所在场合对电器的功率容限或存在故障的电器。

本发明的人体安全插座，包括插座本体，其特征在于：还包括用于监测插座是否有负载或漏电的交流电流支路检测电路、用于检测插座电流的电流检测互感器和漏电检测线圈以及采用多谐振荡器的阻抗预检测电路分别经放大整流整形电路与一中央功能控制器连接，所述的中央功能控制器连接有负责所述交流电流支路检测电路和电流检测互感器和漏电检测线圈测试端通断的第一继电器和负责市电接入至所述插座的转换工作的第二继电器。

本发明一实施例中所述的交流电流支路检测电路采用两个线性光耦发射端相互极性相反串联到三极管负载中实现，交流市电通过上下拉电阻对所述光耦供电。

本发明一实施例中所述的电流检测互感器和漏电检测线圈的磁芯采用节能灯电路的反馈磁环，所述的漏电检测线圈的初级设有输入电流绕组和输出电流绕组，次级设有一第三绕组用于感应输入电流绕组和输出电流绕组的磁通矢量和。

本发明一实施例中所述的多谐振荡器采用555时基电路产生50Hz的方波。

本发明一实施例中所述的中央功能控制器采用COMS系列数字逻辑器件实现。

本发明一实施例中所述的中央功能控制器还连接有蜂鸣器。

本发明的“人体安全插座”就是要解决人体直接与插座接触时的触电问题，实现当人体直接与带电插座接触时，不发生触电意外，但是电器与插座连接时可以正常通电工作的功能，而且本实用新型能对电器漏电，电器故障等做出警示，最大程度的保证了人们的用电安全，结构简单，具有较好的实用价值。

附图说明

图1是本发明电路原理框图。

图2是本发明交流电流支路检测电路的示意图。

图3是本发明图2的原理等效示意图。

图4是本发明的电流和漏电检测电路和其放大、整流、整形电路示意图。

图5是本发明的信号发生器电路、阻抗预检测和其整流、整形电路示意图。

图6是本发明系统流程示意图。

图7是本发明整体电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例子对本发明做进一步说明。

这里为了让一般技术人员更容易的理解本发明，我们先对人体触电的机制进行简单介绍。人体触电的机制是因为我们身体是以大地为零电位作参考点的，当躯体接触比参考零电位点高很多的火线后，在躯体其他部位有许许多多不同阻抗介质的“接地点”，产生电位差，形成通过人体的电流回路使人感知引起。有的是通过鞋子到地面，有的是通过空气杂散电阻入地，还有人体也聚集许许多多的电磁杂波也会有感应电流。假使人体进入一个闭合金属室，金属上通火线，人是不会有触电感觉的，因为那时候已经把金属室做零电位参考点了，也就是说身体表面上没有外加电位差就不会产生触电。

请参见图1，图1是本发明电路原理框图，由图可知，本发明提供一种人体安全插座，包括插座本体，其特征在于：还包括用于监测插座是否有负载或漏电的交流电流支路检测电路、用于检测插座电流的电流检测互感器和漏电检测线圈以及采用多谐振荡器的阻抗预检测电路分别经放大整流整形电路与一中央功能控制器连接，所述的中央功能控制器连接有负责所述交流电流支路检测电路和电流检测互感器和漏电检测线圈测试端通断的第一继电器和负责市电接入至所述插座的转换工作的第二继电器。

下面我们对电路原理图中的每个单元模块做进一步介绍，请参照图2和图3，图2是交流电流支路检测电路的示意图，图3是图2二极管全桥和三极管组成的等效电路电流走向图，NPN三极管在该电路中可以看成面对面的双二极管D1、D2串联，图3中三极管基极通过一个大电阻R分别接触市电相零线在两个不同相位范围时（即正负半周）负载“双LED”的电流走向，三极管基极接触相线时只LED1发光，接触零线时只LED2发光，该电路中三极管具备约10几倍的电流放大能力，足以将几十或上百微安级的基极电流放大驱动负载发光二极管。

因为市电的交流电是随时间周期性变化的大小相等方向相反的电源。由此可知，市电交流电对单导向器件来说，0-180度的相位和180-360度的相位可以看成两个独立的大小相等方向相反的直流脉动电源。所以图中，三极管基极分别接触的相零线后对应负载“双LED”电流方向不变，两只发光管均互不影响。根据面包板实验结果，将基极经R入地、用手触摸与接零线效果一样，只有LED2发光。

人体对电流感知阈值是0.5mA左右，所以从相线上通过一个约680K的高阻电阻做接触点，同时三极管基极也通过一个680K电阻做接触点，人接触这两个接触点就没有麻电的感觉了，因为最大电流输出只有220/680K=0.3mA，按照这样的思路设计，若两个接触点连接或连接没漏电的电器，则接触点间就没有电流支路是入地的。若两个接触点间有人体接触，则存在一个接地的电流支路存在。若同时用手接触这两个接触点，LED1和LED2都发光。通俗地说，只要LED2发光了，肯定有漏电现象。

请继续参照图2，电路中保留发光管方便测试指示，再将两个线性光耦发射端相互极性相反串联到三极管负载中，因为光耦发射端也是单导向器件，可以把交流市电看成两个独立、方向相反的直流脉动电源，所以输出也是波动阻抗，通过上下拉电阻对其供电，在电阻两端就会形成和输入端相似的脉动电压波形。当L3、N3之间空载时，发光管和光耦不工作，Q1，Q2截止，Ao1为低电平,Ao2为高电平。L3、N3有负载但没有漏电时，U2和DS2发光，U2输出脉动电压通过C1,R3,D1整流，C2滤波后使Q1导通，Ao1输出高电平，Q2仍截止。若负载漏电时，DS2和U4发光，Ao2输出低电平。因为考虑到实际情况中DS1,U4这条支路通电时间比DS2,U4支路时间稍长，电流也大得多，所以要减少Q1实际导通时间，增加Q2实际导通时间，以便和后级逻辑线路配合，做到最大限度保证空载双端若人手接触防触电。

请参照图4，图4是本发明的电流和漏电检测电路和其放大、整流、整形电路示意图，该电路中我们采用的电流检测互感器T1原理即升压变压器，其初级仅三四圈，次级上百圈，匝数比等于电压比，次级线圈输出经运放带通滤波和放大后经整流、整形去驱动中央功能控制器。采用的漏电检测线圈T2原理是：在一个磁芯上有一个输入电流绕组和一个输出电流绕组，当无漏电时，输入电流和输出电流相等，在铁芯上二磁通的矢量和为零，就不会在第三个绕组上感应出电势，否则第三绕组上就会感应电压形成，经运放带通滤波和放大后经整流、整形去驱动功能控制器。同理，输入输出电流绕组仅两三圈，次级上百圈，等同于升压变压器原理，但输出电压是输入输出电流绕组二磁通的矢量之差所感应的电动势。值得一提的是，这两个检测互感器磁芯均使用废节能灯电路的反馈磁环，它磁导率很高，工作频率低，体积小。此外，电路中我们采用LM324运放，其具有良好的共模抑制比，噪声较低，价格低廉，是大多电子爱好者最常用的运算放大器。运放电路可以组成线性放大器、各类滤波器、精密整流器、比较器、振荡器等等许多实用电路模块。本电流和漏电检测电路中带通滤波和放大电路使用同样的电路结构。

请继续参照图3，图中 T1次级输出电动势经C22滤波，C17隔直后，R34、R36、R32、C14、C18和运放U8A组成带通滤波电路，这种有源带通滤波器广泛用于音响均衡器、分频器和音量频谱显示器上。当C14和C18相等时，中心频率f0=(1/2πC14)* √(1/(（R34+R36）*R32）)，增益A0=-0.5*R32/(R34+R36)，-3dB带宽B0=0.5√（R32/(R34+R36)）。然后经过C16隔直后R31、R35和运放U8B组成反向放大器，增益即R31与R35的比值取反向。输出端口功能：Bo1为负载接通市电后小电流检测输出端，当插座有适当负载接入市电（线性负载电流大于约5mA）输出低电平，反之为高电平。Bo2为过流检测输出端，当负载电流过大（10A左右）输出低电平，反之高电平。Bo3为漏电检测输出端，当漏电大于约5mA时输出低电平，反之高电平。

请参照图5，图5是本发明的信号发生器电路、阻抗预检测和其整流、整形电路示意图。本发明这里采用50HZ信号发生器电路由555时基电路构成的多谐振荡器，图中，二极管D₅和D₆使电容充电电流和放电电流流经不同的途径，充电电流只流经R₂₁，放电电流只流经R₂₅，因此该电路振荡频率f=(R₂₁+R₂₅)*C₇*ln2，约为50HZ，占空比50%。50H_Z的方波经过C₁₁隔直后经C₁₃滤除高次谐波，L₄和N₄端子用来预检测负载的阻抗情况。当L₄和N₄端子有负载时，R₂₈就有一定的压降，若其压降使D₆和_C12整流滤波在经R₂₆和R₂₉分压后所得电压让Q₆导通时，Co输出低电平。调节R₂₉可以改变预检测负载阻抗警戒阈值，Q₂₆导通的电压U_BE(on)=(R₂₉/(R₂₆+R₂₉))/ √2，C_i是时基电路工作电压输入端，由功能控制器输出0或V_CC-0.3V的电压提供。除预检测时候为高电平让信号发生器工作外，其余均为低电平，达到省电目的。

值得说明的是，本发明的中央功能控制器采用COMS系列数字逻辑器件完成程序方案，因为前后呼应关系密切，又要考虑省电方案，需要有严谨的综合思考能力，继电器是本系统内部功耗“巨头”，而且使用两个。所以响应中尽量只让其中一只继电器通电工作，两只同时工作时间尽量短。两只继电器一只负责小功率检测通断工作，包括交流电流支路检测电路和预检测电路测试端的通断。另一只继电器负责小功率检测或市电接入至插座的转换工作。请参照图6，图6是本发明的系统流程图，从图中可知本发明先利用交流电流支路检测电路判断是否插入合适负载，再通过多谐振荡器负载检测电路检测接入阻抗是否符合要求，符合要求的即控制继电器动作通市电供负载实用，在使用中如果检测到负载功率过小或其他不符合要求的故障，系统则断电报警。

具体的整体电路连接示意图，可参见图7。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种人体安全插座，包括插座本体，其特征在于：还包括用于监测插座是否有负载或漏电的交流电流支路检测电路、用于检测插座电流的电流检测互感器和漏电检测线圈以及采用多谐振荡器的阻抗预检测电路分别经放大整流整形电路与一中央功能控制器连接，所述的中央功能控制器连接有负责所述交流电流支路检测电路和电流检测互感器和漏电检测线圈测试端通断的第一继电器和负责市电接入至所述插座的转换工作的第二继电器。

2.根据权利要求1所述的人体安全插座的实现方法，其特征在于：所述的交流电流支路检测电路采用两个线性光耦发射端相互极性相反串联到三极管负载中实现，交流市电通过上下拉电阻对所述光耦供电。

3. 根据权利要求1所述的人体安全插座，其特征在于：所述的电流检测互感器和漏电检测线圈的磁芯采用节能灯电路的反馈磁环，所述的漏电检测线圈的初级设有输入电流绕组和输出电流绕组，次级设有一第三绕组用于感应输入电流绕组和输出电流绕组的磁通矢量和。

4. 根据权利要求1所述的人体安全插座，其特征在于：所述的多谐振荡器采用555时基电路产生50Hz的方波。

5. 根据权利要求1所述的人体安全插座，其特征在于：所述的中央功能控制器采用COMS系列数字逻辑器件实现。

6. 根据权利要求1所述的人体安全插座，其特征在于：所述的中央功能控制器还连接有蜂鸣器。