CN102623859B - 一种适用于交流电系统的无线电源连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气设备及电气工程领域，具体是一种关于无线电源技术的新型解决方案以及相关装置。该装置主要由平面插座系统及适配插头两大部分构成，平面插座系统主要部件有金属触点阵列(12)，检测电路，开关控制电路，以及安全电路组成，插座系统通过电源总线(13)连接在市电上。适配插头主要部件由金属引脚，标示电路组成。当把适配插头自然放置在插座系统表面，适配插头金属引脚与插座系统金属触点阵列(12)紧密接触，插座系统便能根据特定的电路迅速识别金属引脚的极性和位置，并通过金属触点阵列使对应的金属引脚接入到相应的火线、零线、地线上，从而实现电气设备与电源之间的无导线供电连接。该装置具有的优点是：方便、安全、快速、无电弧产生。

Description

一种适用于交流电系统的无线电源连接器

技术领域：

本发明涉及电气设备及电气工程领域，是一种关于无线电源技术的新型解决方案及装置系统。 

背景技术：

绝大部分电器，尤其是家用电器工作时，都需要通过导线连接来实现持续地电能传输，尽管一些小型便携式电子设备自身拥有储电部件，可供设备正常工作一段时间，但是仍然需要定期对其充电。而在一些实际应用中，繁琐的导线连接非常不方便，且不美观，因此无线电源技术得到重视。 

之前的方案主要有三种：电磁波方案、电磁感应(磁耦合)方案及非辐射性谐振磁耦合方案。虽然在基于电磁或电磁波的无线电源技术取得了一些进展，但是其在安全性方面具有很大的不确定因素，仍需要评估验证，同时也不可避免地存在效率低、功率偏小、串扰问题，屏蔽问题等固有劣势。而且，在电器设备内部安装特定的电能接受装置会增加很大的技术难度和额外的成本。 

正因为以上的因素，目前，尚不存在安全、高效率、高功率的无线电源传输的具体实施。 

发明内容：

为了解决目前无线电源技术存在的问题，必须通过其他新型的解决方案。事实上，对于绝大多数家用电器设备，如台灯、电扇等，并不像便携式设备那样“移动式”工作，而是需要被放置在一个固定的平台(如桌面)上工作。如果该平台既能充当电器工作时的支撑面，又可充当电源为其供电，便能很好的实现无导线供电。 

本发明提供一种关于无线电源技术的全新解决方案及其二维二维平面插座装置系统。该装置主要由二维平面插座系统及适配插头两大部分构成，二维平面插座系统主要部件有金属触点阵列(2)，引脚辨识电路，开关控制电路，以及安全电路组成，插座系统通过导线(4)连接在市电上。适配插头主要部件由金属引脚L、E、N(对于三相电，有三根火线，仍用一个字母L表示)和标示电路组成。当把适配插头自然放置在插座系统表面，适配插头金属引脚与插座系统金属触点阵列紧密接触，通过特定的电路作用，系统能够根据与插座引脚接触的各触点位置、触点之间的相互方位关系以及触点接收到的不同测试信号，判断与触点接触引脚的位置和极性，并通过金属触点阵列使相应的金属引脚接入到相应的火线零线地线，实现电气设备与电源之间的无导线供电。 

根据国标，接插件初始接触电阻不应大于15mΩ。 

根据公式 

R_j＝k/(F×m) 

式中R_j——接触电阻(Ω) 

F——接触压力(N)，在本实施例中，F取1N 

m——与触头接触形式有关的常数，面接触m＝1，在本实施例中，为面接触，m＝1 

k——与接触材料、接触面加工方法、接触面状况有关的常数，在本实施例为例，金属触点阵列材料为铝，插头触点材料为铜，铝-铜的k值为0.98×10^-3

经计算R_j＝0.98mΩ＜＜15mΩ，在实际应用中，由于电器本身的重力影响，接触压力F远大于1N，且可通过选择更佳的材料来加工触点，接触电阻会进一步减小。 

通过以上分析，该方案可行，且优于标准要求，事实上该装置还具有的优点是：方便、安全、快速、 无电弧产生。 

附图说明：

图1是插座系统外形及总体结构 

图2是插座系统单个触点结构细节示意图 

图3是插头系统外形及结构 

图4是其中一个实施例工作原理电路图 

图5是另外一个实施例工作原理电路图 

图6是插座触点在坐标系中的方位关系 

图7是插座触点阵列几何排列及其与插头引脚之间的几何连接示意图 

图8是信息显示及安全报警功能框图 

所述附图只是示意性表示，并非旨在描写本发明的特定参数，所述附图仅旨在描绘本发明的典型实施例，且因此不应视为限制本发明的范围。类似编号表示类似要素。 

具体实施方法： 

下面对照附图对本发明作进一步描述。 

结合附图1，附图2，附图3详细阐述本发明的装置结构及其主要部件。 

附图1显示的是二维平面插座的整体结构，其主要由塑料基座(11)，按一定规律排列的金属触点阵列(12)，电源总线(13)，显示屏幕(14)组成，插座通过电源总线连接到市电。 

附图2显示的是插座系统重要部件金属触点阵列单个触点的详细结构图，其主要由顶部的触面(21)，和下部的干簧管开关(22)构成，方波信号输出线(23)通过磁开关连接到触头，检测信号输入线(24)直接连接在触头，供电器工作的电源线(25)直接连接到触点。 

附图3显示的是插头系统的整体结构，其主要由塑料壳体(31)，导电永磁体触头(O)，该触头磁性大小应满足条件：当该磁头与某个触点完全接触时，刚好能触发该触点所在的干簧管开关导通时所具有的磁性，实际应用中，磁性稍大。金属触点引脚(L、N、E)应用弹簧组(32)固定，以使引脚具有弹性，工作时能更好的紧贴插座表面。 

根据附图4，附图5，附图6，详细阐述本发明的工作原理及方案实现。 

附图4是该装置其中一个实施例的工作原理电路图。该电路由集合在插头内部的标示电路①，集合在插座内部的引脚辨识电路②和集合在插座内部的开关电路③组成。 

标示电路①由引脚触点、电阻、二极管、电容组成，O引脚即为磁触头，L、N、E分别连接到火线、零线、地线，对于三相电，有三根火线，仍用一个字母L表示。电器负载串联在火线引脚L、零线引脚N之间，地线引脚E连接到电器外壳，磁触头引脚O分别通过火线支路的电阻R1、零线支路的电阻R2、地线支路的电阻R3和火线支路的二极管D1、零线支路的二极管D2、地线支路的二极管D3串联之后分别连接到火线引脚L、零线引脚N、地线引脚E，其中火线支路的二极管D1、零线支路的二极管D2的连接方式与地线支路的二极管D3相反，火线的滤波电容C1一端连接在火线支路的电阻R1与火线支路的二极管D1的节点处，另一端连接到地线引脚E；零线的滤波电容C2一端连接在零线支路的电阻R2与零线支路的二极管D2的节点处，另一端连接到地线引脚E，同火线支路的电阻R1、零线支路的电阻R2一起，构成RC滤波电路，可实现滤去工频交流电噪声信号的功能，正负双极性方波信号经过标示电路，可在火线引脚L、零线引脚N、地线引脚E输出不同特性的信号。 

引脚辨识电路②由正负双极性方波信号输出线、干簧管开关、电容、电阻、连接在金属触点阵列每个触点的信号输入线、双电源运算放大器、二极管、非门、行列地址点阵、寄存器/数据选择器单元、行列编码器，以及单片机组成。O’、L’、N’、E’分别代表与插头触点O、L、N、E相接触的某四个触点(对于三相电，有三根火线，仍用一个字母L表示)。方波信号输出线通过干簧管开关分别连接到每一个金属触点阵列上的触点，每个触点分别串联一个大电阻，连接到双电源运算放大器输入端，同时在运放每个输 入引脚处串联一个大电容并接地，可构成RC滤波电路，可以滤去电器工作时，工频交流电噪声。运算放大器每个输出引脚通过两条并联支路连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，其中一条支路通过一个二极管正向连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，并在二极管负极通过一个电容接地线，起到平滑信号脉冲的作用；另一条支路由反向连接的二极管、上拉电阻和非门构成，非门输入端连接在上拉电阻分压处，非门输出端连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，应用该并联支路，可以实现检测输入的负电位信号，但输入寄存器的信号端口增加一倍。寄存器/数据选择器单元输出端通过二极管接在特定的行列地址点阵的节点上，行列地址点阵对应的行线或列线分别连接到相应的行或列编码器输入端，编码器输出端连接到单片机数据输入端。 

开关控制电路③由单片机、译码器单元、带累减功能的累加寄存器、与门及无触点双向可控硅开关组成，单片机信号输出端连接到译码器输入端，译码器输出端连接到累加寄存器输入端，累加寄存器每三个输出端口连接在同一个控制组，分别控制某个触点与火线、零线、地线的连接，每个控制组由三个无触点双向可控硅开关及一个与门组成，以火线触点L’所在的控制组为例，该控制组由火线控制开关T21、零线控制开关T22、地线控制开关T23所构成，其中一个火线控制开关T21第一阳极连接在电源火线上，第二阳极连接在火线触点L’上，火线控制开关T21控制极连接在与门输出端，与门第一个输入端连接连接在累加寄存器输出端，与门第二个输入端连接在双电源运算放大器单元的火线控制正信号输出端。 

附图5是该装置另外一个实施例的工作原理电路图。该电路由集合在插头内部的标示电路①，集合在插座内部的引脚辨识电路②和集合在插座内部的开关电路③组成。该附图中电路的引脚辨识电路②寄存器单元使用移位寄存器，移位寄存器的输出端不通过行列地址点阵，而是直接连接在单片机数据输入端，附图6所示的电路中的所有其他部分均与附图5一样。 

综合附图1～6详细阐述本装置的工作原理，整个系统工作过程包括三个步骤：引脚辨识、开关动作、电器移除。 

引脚辨识：当把插头放置在插座表面，插头上的触头O和火线引脚L、零线引脚N、地线引脚E与插座表面触点阵列紧密接触，磁性磁头触发阵列上相应的触点的干簧管开关导通，正负双极性方波信号通过标示电路，输入到对应的火线触点L’、零线触点N’、地线触点E’， 火线触点L’、 零线触点N’只接收正信号脉冲，地线触点E’只接收负信号脉冲。各触点接收的信号经过双电源运算放大器进行放大，连接到一个并联支路，分离出该信号输入线接收的正负脉冲信号。经过分离的正负信号端口个数增加一倍，然后通过行列地址点阵或移位寄存器，把各触点接收到的测试信号输入单片机，单片机根据与插座引脚接触的触点位置、触点之间的相互方位关系以及触点接收的测试信号情况，判断与触点接触引脚的位置和极性。具体引脚极性及位置判断方法如下，根据只有地线触点E’只能接收到负脉冲信号，可直接判断出与地线触点E’相接触的地线引脚E；进一步，由于只能接收正脉冲信号的触点有两个，即火线触点L’、零线触点N’，但可根据触头O’、 地线触点E’、火线触点L’、零线触点N’之间的方位关系确定这两个引脚，其中触头O’处在地线触点E’、火线触点L’、零线触点N’中心位置，如附图6中所示，以O’为圆心，L’、N’、E’为圆周上的点，可规定从地线触点E’开始，沿圆周逆时针遇到的第一个点为零线触点N’，第二个点为火线触点L’，从而判断出与触点接触的引脚极性；对于三相电来讲，只能接收正脉冲信号的触点有四个，即火线触点L1’、 火线触点L2’、 火线触点L3’、 零线触点N’， 同样以O’为圆心，L’、N’、E’为圆周上的点，可规定从地线触点E’开始，沿圆周逆时针遇到的第一个点为零线触点N’，第二个点为火线触点L1’，第三个点为火线触点L2’，第四个点为火线触点L3’，从而判断出与各触点接触的引脚极性。 

开关动作：单片机处理把控制信号输入到译码器，译码器进一步把信号输入到累加寄存器，控制相应的无触点开关导通，即完成电源开启的过程。 

电器移除：当把工作电器从插座表面移除，插头上的磁性磁头首先离开插座表面，对应的干簧管开关关闭，连接在正信号输入端的与门的一个输入端电位降为0，进而与门输出端电位为0，无触点开关立即断开，插座停止对该插头供电，进一步，单片机在一定时间内扫描不到该输入信号，控制译码器和累加器，累加寄存器减去相应的信号输出，完成整个电器移除过程。 

附图7显示的是插座触点阵列几何排列及其与插头引脚之间的几何连接示意图。为了防止由于电器发生移动或转动时，导致的触点阵列短接短路危险，触点之间的几何尺寸、几何排列及几何连接需满足一定条件： 

  ，保证触头O至少完全同一个触点接触， 

  ，保证引脚触点在径向至少同一个触点完全接触， 

  ，保证当插头发生移动时，绝缘区域具有足够大尺寸，防止引脚发生短接， 

  保证当插头发生转动时，绝缘区域具有足够大尺寸，防止引脚发生短接。满足以上条件，电器及该装置才能正常稳定工作。 

其中，()为触点直径；()为相邻两触点的间距；()为触头直径；(为)任一插座引脚的径向尺寸；()为磁触头到任一插座引脚的最短距离；()为任意两个相邻插座引脚的最短距离。

附图8显示的是信息显示及安全报警功能框图。 

该功能模块一方面能够显示在该系统平台上工作的电器个数、功率、使用时间等参数信息；另一方面，还能对如下情形进行报警： 

当人或动物接触危险区域，金属、水等导体导致的触点短接短路，或者触点发生漏电，所导致的危险，均能及时的发出警告，必要时，系统会自动切断装置电源总线。 

Claims (8)

1.一种适用于交流电系统的无线电源连接器，其主要由二维平面插座系统及适配插头两大部分构成，将适配插头自然放置在插座系统表面，适配插头上金属引脚与插座系统金属触点阵列紧密接触，通过标示电路（①）、引脚辨识电路（②）、开关控制电路（③），系统根据与插座引脚接触的各触点位置、触点之间的相互方位关系以及触点接收到的不同的引脚辨识信号，判断与触点接触引脚的位置和极性，进而通过金属触点阵列使相应的金属引脚接入到相应的火线、零线、地线，实现电气设备与交流电源之间的无导线连接；

标示电路（①）由引脚触点、电阻、二极管、电容组成，电器负载串联在火线引脚（L）、零线引脚（N）之间，地线引脚（E）连接到电器外壳，磁触头引脚（O）分别通过火线支路的电阻（R1）、零线支路的电阻（R2）、地线支路的电阻（R3）和火线支路的二极管（D1）、零线支路的二极管（D2）、地线支路的二极管（D3）串联之后分别连接到火线引脚（L）、零线引脚（N）、地线引脚（E），其中火线支路的二极管（D1）、零线支路的二极管（D2）的连接方式与地线支路的二极管（D3）相反，火线的滤波电容（C1）一端连接在火线支路的电阻（R1）与火线支路的二极管（D1）的节点处，另一端连接到地线引脚（E）；零线的滤波电容（C2）一端连接在零线支路的电阻（R2）与零线支路的二极管（D2）的节点处，另一端连接到地线引脚（E），同火线支路的电阻（R1）、零线支路的电阻（R2）一起，构成RC滤波电路，实现滤去工频交流电噪声信号的功能，正负双极性方波信号经过标示电路，能够在火线引脚（L）、零线引脚（N）、地线引脚（E）输出不同特性的信号；

开关控制电路（③）由单片机、译码器单元、带累减功能的累加寄存器、与门及无触点双向可控硅开关组成，单片机信号输出端连接到译码器输入端，译码器输出端连接到累加寄存器输入端，累加寄存器每三个输出端口连接在同一个控制组，分别控制某个触点与火线、零线、地线的连接，每个控制组由三个无触点双向可控硅开关及一个与门组成，其中火线触点（L’）所在的控制组由火线控制开关（T21）、零线控制开关（T22）、地线控制开关（T23）所构成，火线控制开关（T21）第一阳极连接在电源火线上，第二阳极连接在火线触点（L’）上，火线控制开关（T21）控制极连接在与门输出端，与门第一个输入端连接连接在累加寄存器输出端，与门第二个输入端连接在双电源运算放大器单元的火线控制正信号输出端。

2.根据权利要求1所述的无线电源连接器，其特征在于二维平面插座主要由塑料基座（11）、按一定规律排列的金属触点阵列（12）、电源总线（13）以及集成在插座内部的引脚辨识电路、开关控制电路组成，插座通过电源总线连接到市电。

3.根据权利要求1所述的无线电源连接器，其特征在于适配插头系统由塑料壳体（31）、导电永磁体触头（O）以及标示电路组成，该触头磁性大小应满足条件：当该磁头与某个触点完全接触时，刚好能触发该触点所在的干簧管开关导通时所具有的磁性，适配插头可以安装在电器底部或者通过导线单独连接到电器。

4.根据权利要求1所述的无线电源连接器，其特征在于引脚辨识信号的通断是通过触头（O）的磁性触发的。

5.根据权利要求1所述的无线电源连接器，其特征在于引脚辨识电路（②）由正负双极性方波信号输出线、干簧管开关、电容、电阻连接在金属触点阵列每个触点的信号输入线、双电源运算放大器、二极管、非门、行列地址点阵、寄存器/数据选择器单元、行列编码器，以及单片机组成，方波信号输出线通过干簧管开关分别连接到每一个金属触点阵列上的触点，每个触点分别串联一个大电阻，连接到双电源运算放大器输入端，同时在运放每个输入引脚处并联一个大电容并接地，构成RC滤波电路，滤去电器工作时，工频交流电噪声，运算放大器每个输出引脚通过两条并联支路连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，其中一条支路通过一个二极管正向连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，并在二极管负极通过一个电容接地线，起到平滑信号脉冲的作用；另一条支路由反向连接的二极管、上拉电阻和非门构成，非门输入端连接在上拉电阻分压处，非门输出端连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，应用该并联支路，实现检测输入的负电位信号，寄存器/数据选择器单元输出端通过二极管接在特定的行列地址点阵的节点上，行列地址点阵对应的行线或列线分别连接到相应的行或列编码器输入端，编码器输出端连接到单片机数据输入端。

6.根据权利要求1所述的无线电源连接器，其特征在于引脚辨识电路（②）由正负双极性方波信号输出线、干簧管开关、电容、电阻、连接在金属触点阵列每个触点的信号输入线、双电源运算放大器、二极管、非门、行列地址点阵、寄存器/数据选择器单元、行列编码器，以及单片机组成，方波信号输出线通过干簧管开关分别连接到每一个金属触点阵列上的触点，每个触点分别串联一个大电阻，连接到双电源运算放大器输入端，同时在运放每个输入引脚处并联一个大电容并接地，构成RC滤波电路，滤去电器工作时，工频交流电噪声，运算放大器每个输出引脚通过两条并联支路连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，其中一条支路通过一个二极管正向连接到寄存器/数据选择器单元输入端上，并在二极管负极通过一个电容接地线，起到平滑信号脉冲的作用；另一条支路由反向连接的二极管、上拉电阻和非门构成，非门输入端连接在上拉电阻分压处，非门输出端连接到移位寄存器输入端上，应用该并联支路，以实现检测输入的负电位信号，移位寄存器的输出端直接连接在单片机数据输入端。

7.根据权利要求1所述的无线电源连接器，其特征在于插座触点阵列的几何排列及其与插头引脚之间的几何连接满足以下条件：

，保证触头O至少完全同一个触点接触，

，保证引脚触点在径向至少同一个触点完全接触，

，保证当插头发生移动时，绝缘区域具有足够大尺寸，防止引脚发生短接，

保证当插头发生转动时，绝缘区域具有足够大尺寸，防止引脚发生短接，

其中，()为触点直径；()为相邻两触点的间距；()为触头直径；(为)任一插座引脚的径向尺寸；()为磁触头到任一插座引脚的最短距离；()为任意两个相邻插座引脚的最短距离。

8.根据权利要求1所述的无线电源连接器，其特点在于具体的引脚极性及位置判断按照这样的方法进行：引脚辨识信号只有两种极性，即正脉冲电位和负脉冲电位，对于单相交流电和三相交流电，根据只有地线触点（E’）能接收到负脉冲信号，直接判断出与地线触点（E’）相接触的地线引脚（E）的极性；进一步，其他与引脚接触的触点接收到的均为正脉冲信号，各触点的极性根据各触点之间的方位关系，按照人为设定的判断规则，辨别出与这些触点接触的插头引脚的极性与位置。