CN104201647B - 电器外壳漏电保护电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电器外壳漏电保护电路，包括输入零线、输入火线、接地保护线、工作零线、工作火线、主控制器以及主控开关，输入零线、输入火线、接地保护线三者两两之间分别经过限流电阻、光耦的信号发送端及整流二极管相连，三路光耦的信号接收端与主控制器输入端相连；主控制器输出端之一与通路光耦的信号发送端相连，通路光耦的信号接收端连接于接地保护线上且位于该线路上各信号采集端之前；主控制器还连接有报警装置。本发明的有益效果：反应灵敏，检测结果准确可靠，元器件选择合理，使用寿命长；当电器电源连接错误或电器外壳带电，能在电器面板上进行灯光异常显示，并阻止电器工作。
Description
电器外壳漏电保护电路及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及家用电器外壳漏电警报及控制领域，具体是指能电器外壳漏电保护电 路及方法。
背景技术
[0002] 当前家用电器安全隐患最主要是漏电，其中又是金属外壳带电，针对漏电防护当 前市场主要有二种方案：一为使用漏电开关，即在家庭总线箱中安装漏电开关，当电器漏 电，则地线上产生泄漏电流，当泄漏电流超过一定值后会触发漏电开关动作，切断电源。此 方式的条件是家庭地线连接良好，且确保漏电开关未失效的前提下是可行的。二是在电器 上从外壳地到零线间串接发光管，当外壳带电，则通过发光管到零线形成回路，发光管发光 报警。此方法的弊端是当电器零火线反接时起不到警示作用。综上所诉，二方案均存在一些 弊端，为确保电器外壳漏电警示，务必需求另一种更可靠方案。
[0003] 申请号为201110445751.0和200810163938. X的发明专利申请提供了两种电压检 测型漏电保护电路，二者都是通过感应线圈感应相应相线上的电压，感应线圈很容易受到 干扰，存在可靠性不足的缺陷。
发明内容
[0004] 本发明的发明目的之一在于针对现有技术中存在的不足处，提供一种电流检测型 电器外壳漏电保护电路，当电器金属外壳带电时能提供灯光警示及阻止电器工作。
[0005] 为实现上述发明目的本发明采用的技术方案为：电器外壳漏电保护电路，包括输 入零线N-in、输入火线L-in、接地保护线PE、工作零线N-out、工作火线L-out、主控制器CPU 以及用于导通主回路的主控开关K1，主控开关Kl的控制端与主控制器CPU相连，输入零线N-in、输入火线L-in、接地保护线PE三者两两之间分别经过限流电阻、光耦的信号发送端及整 流二极管相连，三路光耦的信号接收端分别作为信号采集端与主控制器CPU输入端相连;主 控制器CPU输出端之一与通路光耦U4的信号发送端相连，通路光耦U4的信号接收端连接于 接地保护线PE上且位于该线路上各信号采集端之前；主控制器CPU根据三路采集信号情况 是否正常以启停主控开关K1，主控制器CPU还连接有在三路采集信号与预设表单中正常值 不相符时启动的报警装置。
[0006] 进一步地，输入零线N-in经第一电阻RU第一光耦Ul、第一二极管Dl与接地保护线 PE相连;输入零线N-in经第二电阻R2、第二光耦U2、第二二极管D2与输入火线L-in相连;输 入火线L-in经第三电阻R3、第三光耦U3、第三二极管D3与接地保护线PE相连。
[0007] 进一步地，第一光耦Ul、第二光耦U2和第三光耦U3均为无基极三极管输出型光耦， 通路光耦U4为单向可控硅型光耦;第一光耦Ul信号发送端的阳极经第一电阻Rl与输入零线 N-in相连，第一光耦Ul信号发送端的阴极与第一二极管Dl的阳极相连，第一光耦Ul信号接 收端的集电极与主控制器CHJ的第一接口 IOl相连，第一光耦Ul信号接收端的发射极接地， 第一二极管Dl的阴极与通路光耦U4信号接收端的阳极相连，通路光耦U4信号接收端的阴极 引至市电连接端;第二光耦U2信号发送端的阳极经第二电阻R2与输入零线N-in相连，第二 光耦U2信号发送端的阴极与第二二极管D2的阳极相连，第二光耦U2信号接收端的集电极与 主控制器CPU的第二接口 102相连，第二光耦U2信号接收端的发射极接地，第二二极管D2的 阴极与输入火线L-in相连;第三光耦U3信号发送端的阳极经第三电阻R3与输入火线L-in相 连，第三光耦U3信号发送端的阴极与第三二极管D3的阳极相连，第三光耦U3信号接收端的 集电极与主控制器CPU的第三接口 103相连，第三光耦U3信号接收端的发射极接地，第三二 极管D3的阴极与通路光耦U4信号接收端的阳极相连。
[0008] 进一步地，主控开关Kl为常开型继电器，电磁线圈与主控制器CPU的第六接口 106 相连。
[0009] 进一步地，报警装置为红绿双色指示灯LEDl，红绿双色指示灯LEDl—端与主控制 器CPU的第五接口 105相连另一端接地。
[0010] 本发明的另一发明目的在于提供一种电器外壳漏电保护方法，电路结构采用前述 漏电保护电路，保护方法包括以下步骤：（1)主控制器CPU向通路光耦U4输出高电平的启动 信号，驱动通路光耦U4导通；（2)读取一个市电周期内输入零线N-in、输入火线L-in、接地保 护线PE三者两两之间的第一光耦Ul、第二光耦U2和第三光耦U3在正半周和负半周分别输出 的电平值；（3)将步骤(2)读取的数值与预设表单进行对照，若属正常则允许主控开关Kl闭 合，若属非正常则禁止主控开关Kl闭合并通过报警装置向用户报警提示。
[0011] 进一步地，在是否存在漏电判断过程结束后还进行终了步骤4:向第四接口输出低 电平，关断通路光耦U4。
[0012] 进一步地，主控制器CPU还进行上电检测，在输入零线N-in、输入火线L-in有市电 接入时开始步骤1。
[0013] 本发明的有益效果在于:采用电流检测型漏电保护电路，出现微弱电流时光耦即 输出相应电平信号，检测结果准确可靠，元器件选择合理，使用寿命长；当电器电源连接错 误或电器外壳带电，即地线带电或地线缺失等不正产情况下，能在电器面板上进行灯光异 常显示，并同时阻止电器的电机、发热管、水管通断阀等主要功能部件工作。
附图说明
[0014] 图1是本发明电路实现图。
[0015] 图2是本发明电路中主芯片CPU的103端口采集信号图。
[0016] 图3是本发明实施例电热水器内部电路连接图。
具体实施方式
[0017] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述：
[0018] 参照图1至图3,电器外壳漏电保护电路，包括输入零线N-in、输入火线L-in、接地 保护线PE、工作零线N-out、工作火线L-out、主控制器CPU以及用于导通主回路的主控开关 Kl，主控开关Kl的控制端与主控制器CPU相连，输入零线N-in、输入火线L-in、接地保护线PE 三者两两之间分别经过限流电阻、光耦的信号发送端及整流二极管相连，三路光耦的信号 接收端分别作为信号采集端与主控制器CHJ输入端相连;主控制器CPU输出端之一与通路光 耦U4的信号发送端相连，通路光耦U4的信号接收端连接于接地保护线PE上且位于该线路上 各信号采集端之前;主控制器CHJ根据三路采集信号情况是否正常以启停主控开关Kl，主控 制器CPU还连接有在三路采集信号与预设表单中正常值不相符时启动的报警装置。
[0019] 进一步地，输入零线N-in经第一电阻RU第一光耦Ul、第一二极管Dl与接地保护线 PE相连;输入零线N-in经第二电阻R2、第二光耦U2、第二二极管D2与输入火线L-in相连;输 入火线L-in经第三电阻R3、第三光耦U3、第三二极管D3与接地保护线PE相连。
[0020] 第一光耦Ul、第二光耦U2和第三光耦U3均为无基极三极管输出型光耦（其耐压值 较低，反应灵敏），通路光耦U4为单向可控硅型光耦(耐压值可达几百伏，使用安全），通过元 器件的选择达到优化成本和性能的目的；第一光耦Ul信号发送端的阳极经第一电阻Rl与输 入零线N-in相连，第一光親Ul信号发送端的阴极与第一二极管Dl的阳极相连，第一光親Ul 信号接收端的集电极与主控制器CHJ的第一接口 IOl相连，第一光耦Ul信号接收端的发射极 接地，第一二极管Dl的阴极与通路光耦U4信号接收端的阳极相连，通路光耦U4信号接收端 的阴极引至市电连接端;第二光耦U2信号发送端的阳极经第二电阻R2与输入零线N-in相 连，第二光耦U2信号发送端的阴极与第二二极管D2的阳极相连，第二光耦U2信号接收端的 集电极与主控制器CPU的第二接口 102相连，第二光耦U2信号接收端的发射极接地，第二二 极管D2的阴极与输入火线L-in相连;第三光耦U3信号发送端的阳极经第三电阻R3与输入火 线L-in相连，第三光耦U3信号发送端的阴极与第三二极管D3的阳极相连，第三光耦U3信号 接收端的集电极与主控制器CPU的第三接口 103相连，第三光耦U3信号接收端的发射极接 地，第三二极管D3的阴极与通路光耦U4信号接收端的阳极相连。
[0021] 主控开关Kl为常开型继电器，电磁线圈与主控制器CPU的第六接口 106相连。
[0022] 报警装置为红绿双色指示灯LEDl，红绿双色指示灯LEDl—端与主控制器CPU的第 五接口 105相连另一端接地。还可以设置蜂鸣器等报警装置。
[0023] 通过上述电器外壳漏电保护电路进行漏电保护的方法，包括以下步骤：（1)主控制 器CPU向通路光耦U4输出高电平的启动信号，驱动通路光耦U4导通；（2)读取一个市电周期 内输入零线N-in、输入火线L-in、接地保护线PE三者两两之间的第一光耦Ul、第二光耦U2和 第三光耦U3在正半周和负半周分别输出的电平值；（3)将步骤(2)读取的数值与预设表单进 行对照，若属正常则允许主控开关Kl闭合，若属非正常则禁止主控开关Kl闭合并通过报警 装置向用户报警提示。
[0024] 为防止重新检测增加不必要的工作量，在是否存在漏电判断过程结束后还进行终 了步骤⑷：向第四接口输出低电平，关断通路光耦U4。
[0025] 主控制器CPU还进行上电检测，在输入零线N-in、输入火线L-in有市电接入时开始 步骤⑴。
[0026] 下面以家用电器中常见的电热水器为例，说明工作过程，参照图3所示，电热水器 包括箱体7、电源插头1、电源连接线火线1、零线4、地线3、控制装置6,还包括水箱8、加热器 件9、进水管10、出水管11、出水控制阀12、及地线与外壳固定装置5。
[0027] 电热水器安装好后接通电源，在用户开始操作前，控制装置6中CPU先进行电源自 检，包括电源线中电线是否缺失、错接、外壳漏电等。其流程如下(见图1)，首先CPU指定U4光 耦导通，之后在市电电网电压的一个正弦波周期内检测101、102、103的电平，例如103的电 平信号如图2所示，当火线、地线均正常连接时，在电网电压的正弦波前5m秒，电流方向是从 火线到电阻R3、之后正向通过光耦U3、D3、U4到达地线，光耦U3导通，触发光耦U3的接受端， 使得集电极发射极导通，从而拉低主芯片103口电平，得到小于5m秒的低电平，记为0;当电 网电压正弦波波形进入后5m秒即负半周时，由于二极管D3的单向截止，光耦U3中不能通过 电流，故不能导通，主芯片103脚变为时间大于5m秒的高电平，记为1。如此类推，当电源连线 不同连接情况时，可以得到如下组合数据：
[0028] 电热水器中，地线与金属外壳连接，当上表中地线带电，则意味着电器外壳带电， 则水箱中水也会带电。上表中，主芯片只有检测到第1、5项的IO数据为11 10 01及01 01 11，且表示电源线连接正常，其中第5项表示零火线反接，但由于此状况在家庭接线中经常 遇到但不影响电器性能及安全，故也认为可接受范围，在此两项条件下，指示灯LEDl显示为 绿色，且控制器6允许加热管9及出水控制阀12工作，其他IO 口检测数据组合状况则均为不 正常，此时指示灯LEDl显示为红色且闪烁，且控制器6不允许加热管9及出水控制阀12工作， 以此来提醒用户检查电源连接情况，以确保使用安全。
[0029] 当然此电路及方法不限于用在电热水器上，同样也适用于家用净水机、吸油烟机 等家用电器上，特别是带金属外壳的电器。当电器带显示屏时，甚至可以在显示屏上显示更 详尽的电源连接信息，并辅以声音报警方式提醒用户。同样，使用此电路及方法，还可以进 行功能延伸，例如，当检测到异常时，控制器内可以增加无线发射装置，向外发射故障信息。 电器的插座或用户手机能接受到此故障信息，电器插座或插头内根据故障信息指令，切断 火、零线及地线，用户手机收集到此故障信息后，及时对电器漏电情况进行排查及维修。但 这些，都必须以本发明所列明的电路及方法为基础。
Claims (8)
1. 电器外壳漏电保护电路，包括输入零线(N-in)、输入火线(L-in)、接地保护线(PE)、 工作零线（N-out)、工作火线（L-out)、主控制器（CPU)以及用于导通主回路的主控开关 (Kl)，主控开关(Kl)的控制端与主控制器(CPU)相连，其特征在于:输入零线(N-in)、输入火 线(L-in)、接地保护线(PE)三者两两之间分别经过限流电阻、光耦的信号发送端及整流二 极管相连，三路光耦的信号接收端分别作为信号采集端与主控制器(CPU)输入端相连;主控 制器(CPU)输出端之一与通路光耦(U4)的信号发送端相连，通路光耦(U4)的信号接收端连 接于接地保护线(PE)上且位于该线路上各信号采集端之前;主控制器(CPU)根据三路采集 信号情况是否正常以启停主控开关(Kl)，主控制器(CPU)还连接有在三路采集信号与预设 表单中正常值不相符时启动的报警装置。
2. 根据权利要求1所述的电器外壳漏电保护电路，其特征在于:输入零线(N-in)经第一 电阻(Rl)、第一光耦(Ul)、第一二极管①1)与接地保护线(PE)相连;输入零线(N-in)经第二 电阻(R2)、第二光耦(U2)、第二二极管①2)与输入火线(L-in)相连;输入火线(L-in)经第三 电阻(R3)、第三光耦(U3)、第三二极管①3)与接地保护线(PE)相连。
3. 根据权利要求2所述的电器外壳漏电保护电路，其特征在于:第一光耦(Ul)、第二光 耦(U2)和第三光耦(U3)均为无基极三极管输出型光耦，通路光耦(U4)为单向可控硅型光 親；第一光親(Ul)信号发送端的阳极经第一电阻（Rl)与输入零线（N-in)相连，第一光親 (Ul)信号发送端的阴极与第一二极管①1)的阳极相连，第一光耦(Ul)信号接收端的集电极 与主控制器(CPU)的第一接口（IOl)相连，第一光耦(Ul)信号接收端的发射极接地，第一二 极管(Dl)的阴极与通路光耦(U4)信号接收端的阳极相连，通路光耦(U4)信号接收端的阴极 引至市电连接端； 第二光耦(U2)信号发送端的阳极经第二电阻（R2)与输入零线(N-in)相连，第二光耦 (U2)信号发送端的阴极与第二二极管①2)的阳极相连，第二光耦(U2)信号接收端的集电极 与主控制器(CPU)的第二接口（102)相连，第二光耦(U2)信号接收端的发射极接地，第二二 极管①2)的阴极与输入火线(L-in)相连； 第三光耦(U3)信号发送端的阳极经第三电阻（R3)与输入火线（L-in)相连，第三光耦 (U3)信号发送端的阴极与第三二极管①3)的阳极相连，第三光耦(U3)信号接收端的集电极 与主控制器(CPU)的第三接口（103)相连，第三光耦(U3)信号接收端的发射极接地，第三二 极管①3)的阴极与通路光耦(U4)信号接收端的阳极相连。
4. 根据权利要求1所述的电器外壳漏电保护电路，其特征在于:主控开关(Kl)为常开型 继电器，电磁线圈与主控制器(CPU)的第六接口（106)相连。
5. 根据权利要求1所述的电器外壳漏电保护电路，其特征在于:报警装置为红绿双色指 示灯(LEDl)，红绿双色指示灯(LEDl) —端与主控制器(CPU)的第五接口（105)相连另一端接 地。
6. 电器外壳漏电保护方法，其特征在于电路结构采用如权利要求1所述的漏电保护电 路，保护方法包括以下步骤：（1)主控制器(CPU)向通路光耦(U4)输出高电平的启动信号，驱 动通路光耦(U4)导通；（2)读取一个市电周期内输入零线(N-in)、输入火线(L-in)、接地保 护线(PE)三者两两之间的第一光耦(Ul)、第二光耦(U2)和第三光耦(U3)在正半周和负半周 分别输出的电平值；（3)将步骤(2)读取的数值与预设表单进行对照，若属正常则允许主控 开关(Kl)闭合，若属非正常则禁止主控开关(Kl)闭合并通过报警装置向用户报警提示。
7. 根据权利要求6所述的电器外壳漏电保护方法，其特征在于在是否存在漏电判断过 程结束后还进行终了步骤(4):向第四接口输出低电平，关断通路光耦(U4)。
8. 根据权利要求6所述的电器外壳漏电保护方法，其特征在于：主控制器(CPU)还进行 上电检测，在输入零线(N-in)、输入火线(L-in)有市电接入时开始步骤(1)。
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