CN105406290B - 一种轻载保护式插座 - Google Patents

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Abstract

一种轻载保护式插座包括设于交流电力源与负载间供电通路上的开关，又包括：接入所述供电通路的信号采集电路，用于采集和测量该供电通路上的轻载交流信号；连接所述开关的保护电路，用于在所述开关断开时保护所述开关；以及连接在所述信号采集电路与开关间的控制电路，根据所述轻载交流信号驱动所述开关的通断。

Description

一种轻载保护式插座
技术领域
本发明涉及一种用于轻载情况下的安全保护插座，属于安全电源插座领域。
背景技术
随着科学技术的进步，家用电器及办公用电设备的普及度的越来越大，而且诸多电器都带有遥控关机或待机功能。但是，在几乎所有的电器在遥控关机后，待机电路仍在工作状态，长期下去势必会影响电器的寿命，同时也造成电能的浪费。例如，随着智能设备的不断增加，充电工具诸如手机的USB数据线等，很多用户充电完成后往往只拔走手机而将数据线继续带电插接，若此时数据线的接口处在一个潮湿的环境，就极容易发生触电现象，造成事故。
而假如电器在进入待机状态或负载功耗低于某个值后，应当设计一个可以使供电电源自动关闭的装置，例如手机充电完成后，对应的插座能实现自动断电，这样既能起到很好的节能效果，同时又能起到安全保护的作用。
因此，提供一种可以在特定低功耗下能够自动切断电源，并且可以随时由人工控制恢复供电的智能插座也是很有意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻载/空载安全保护的智能插座，当负载在特定低功耗下时，插座自动断电，插座断电后可随时通过开关按键或外部终端设备(例如，手机或遥控器)等工具重新恢复供电，这样既增加了电气安全，又能起到节能的作用。
为了实现这种目的，在本发明的一个实施例中，一种轻载保护式插座包括设于交流电力源与负载间供电通路上的开关，又包括：接入所述供电通路的信号采集电路，用于采集和测量该供电通路上的轻载交流信号；连接所述开关的保护电路，用于在所述开关断开时保护所述开关；以及连接在所述信号采集电路与开关间的控制电路，根据所述轻载交流信号驱动所述开关的通断。
在本发明的另一个实施例中，一种无线控制式插座包括设于交流电力源与负载间供电通路上的开关。这种插座还包括连接该开关的无线通信装置，其中所述的开关包括：接入所述供电通路的继电器；与继电器电性耦合的保护电路，用于在所述继电器断开时保护所述继电器；以及接入所述供电通路的过零检测电路，用于输出一个过零信号；所述无线通信装置包括：连接和控制所述继电器的控制电路，用于接收所述过零信号，以及根据该过零信号将继电器的通断动作控制在交流电力源的过零点附近；以及与所述控制电路电性耦合的无线收发器，用于连接外部终端设备。
本发明的优点在于：节约电能、保护电器、杜绝事故的发生。而且，本发明插座的无线通信装置可单独作为附件设备插接普通插座结构或作为一个集成电路板，便于扩展插座功能和推广。
附图说明
图1为本发明实施例的电气原理框图；
图2为本发明实施例中电源与LDO降压电路原理图；
图3为本发明实施例中继电器及其周围电路的电路原理图；
图4为本发明实施例中信号采集与处理部分的电路原理图；
图5为本发明插座的附加电路原理图；
图6为通过本发明插座对用电负载断电的方法流程图。
具体实施方式
根据上述技术方案，本发明公开的插座特征具有轻载或空载保护功能，对于排线插座、移动式开关插座或其他类型的取电插座来说是特别有效的，本发明实施例的保护电路根据用电电器设备的用电状态来选择工作模式，从而，对于已经完成充电或用电操作的电器，在轻载状态下可以得到更好的用电保护。或者，本发明的插座特征可作为一个特定集成电路板来安装在插座结构内。
参照图1，在本发明一个方面，轻载保护式插座主要包括设于交流电力源100与负载200间供电通路(例如，图1中所示的220VAC交流火线L、零线N)上的开关1。其中开关1的形式可以是继电器、可控硅或类似形式的电力通断器件。在一个较佳实施例中，插座还包括：
接入所述供电通路的信号采集电路，用于采集和测量该供电通路上的轻载交流信号，或者在一种变型中，可采集和测量在该供电通路上产生的负载电能能耗，并同时采集轻载交流信号；
连接所述开关的保护电路，在所述继电器1被断开时保护继电器1；以及
连接在所述信号采集电路与继电器1之间的控制电路3，根据所述轻载交流信号驱动所述继电器1的通断。
在一个实施例中，所述的轻载保护式插座还包括接入所述供电通路的电源，将所述交流电力源100转换为供给上述信号采集电路和控制电路3的直流电力。又结合参照图2，电源主要包括从交流电力源依次连接的输入保护电路、整流电路、滤波电路、AC/DC转换电路41和LDO稳压电路42。
其中，针对插座使用的输入保护电路主要是由保险丝F1和接至L、N线之间的压敏电阻RV1组成。较佳的，整流电路DB1并接于压敏电阻RV1，可选用全桥整流芯片ABS6，其输出整流交流信号给滤波电路。在本实施例中，滤波电路可使用π型滤波电路，主要是由电感L1、电容器E2和E3组成。AC/DC转换电路主要由电源驱动芯片U2(例如SD6952型)及与之连接的变压器T1组成，变压器T1后级输出+5V直流电压，经滤波电容E1滤波后分别供给继电器1与后级LDO稳压电路42供电电压。较佳的，LDO稳压电路42可选用AMS1117-3.3型芯片U1，其将稳压后的+3.3V直流电压分别给信号采集电路和控制电路3供电电压。
保护电路
参照图3，在一个实施例中，所述保护电路包括：连接在所述供电通路的L线与继电器1之间的交流钳位元件，例如，压敏电阻RV2，将接入继电器1的电压钳位至合适值；以及并联于所述继电器1的电能泄放电路。例如，继电器1是由三端导体组成，如图3所示，继电器1的第一导体端和第二导体端(即图中标记的触点符号1和3)接设在L线供电通路上，而第三导体端RELAY则被设计为具有电磁效应的吸合导体(例如，电磁铁)，第三导体端RELAY对第二导体端的吸合力受控制电路3所激励的电平高低决定。
在连接上述插座的电器设备处于负载连接状态下，继电器1的第一、第二导体端连接，而在轻载或空载状态下(例如休眠、待机或充电循环完成)则第一导体端的衔铁被吸引至第三端RELAY或空接。由于继电器1的第三端RELAY线圈的电感特性，在继电器1被突然关断瞬间会产生一个很强的电动势来试图维持继电器1上的电流不变。此时，电能泄放电路就相当于给该电动势提供了泄放通路。
在一个实施例中，电能泄放电路由并接在线圈RELAY两端的保护二极管D4和连接至电源VCC的二极管D41组成。线圈RELAY产生的感应电动势通过二极管D4和该线圈构成的回路做功而被消耗掉，从而保护了该回路中的其它元器件安全，例如旁路的三极管Q1和电源VCC端，为了防止该电动势馈入上述LDO稳压电路，设置限流二极管D41来阻止这部分电流馈入，应当了解，在线圈RELAY的旁路(例如三极管Q1端)可设置限流二极管D41。在另一个实施例中，电能泄放电路可以是储能器件，储能器件连接至LDO稳压电路42，或可经过DC/DC电路接入LDO稳压电路42，用于将这部分电流重新反馈至电源而重复利用。
信号采集电路
结合参照图1至4，在一个实施例中，信号采集电路可包括：连接在所述供电通路L、N线与控制电路3之间的过零检测电路，用于输入给所述控制电路3一个过零信号；接入所述供电通路L、N线的交流采样电路21；以及连接所述交流采样电路的测量电路22，用于根据所述交流采样电路所获交流电信号计算出轻载脉冲(例如，功率)。
如图4所示，交流采样电路21包括连接在L线上的电流采样器件，输出电流采样信号V1P和VIN给测量电路22，以及分压电阻R21至R24，输出电压采样信号V3P至测量电路22，其中上述采样信号通过ADC转换电路转换为测量电路22可识别的数字电平。如图4中所示，电阻R24为锰铜大电流采样电阻，R21至R27组成分压电路，将分压后电压信号输入测量电路22的电压采样通道。测量电路22主要包括测量芯片U3及其外围电路，例如时钟、电源。例如，测量芯片U3可选用ATT7053AU芯片，该芯片能同时支持三通道ADC采样数据输出，支持有功、无功、视在功率的数据输出，与控制电路3之间的通信是采用SPI接口来实现。
具体来说，测量芯片U3对轻载信号的判断应当满足关系式：
C＝ΣSV1P·SV3P (1)
其中，C为轻载测量信号，SV1P和SV3P分别为对电流、电压的取样电压。
又参照图3，过零检测电路包括接入所述供电通路L、N线之间的限流电阻R13至R15，以及连接所述限流电阻R15输出端与零线N之间的整流电路DB2，整流后的交流电流输出给隔离光耦器件U4，隔离光耦U4是由上述电源供给+5V工作电源，其输出端在交流信号过零点时导通一个过零电平信号Z_cross给控制电路3。
控制电路
作为本实施例的一种变型，控制电路3可与上述信号采集电路电性耦合或集成，或作为同一个集成电路。根据前述实施例，控制电路3可被配置为：接收所述过零信号Z_cross、轻载信号C；以及根据过零信号Z_cross将继电器1的通断动作控制在交流电力源100的过零点附近，起到保护继电器1与后级负载200的作用，并在所述轻载脉冲大于预设值时断开所述的继电器1。
控制电路3可包括控制单元，例如单片机(DSP)单元或相似可编程逻辑阵列(PLA)，以及设置在该控制单元周围的外围电路。外围电路的一种例子可如图3绘示，该电路的控制部分主要由三极管Q1、继电器1和电阻R30、R37组成。如附图中所示，当控制单元输出的控制信号REL_CTRL为高电平时，NPN型三极管Q1导通，此时相当于其集电极与射极，以及继电器1形成的通路接地，继电器1的线圈RELAY两端增加+5V电源电压，此时继电器第一和第二导体端(触点1、3)吸合，插座可以给后级负载200正常供电。当控制单元输出的控制信号REL_CTRL为低电平时，三极管Q1截止，此时继电器1被关断，图中的电阻R37对地端产生下拉电压，防止继电器1发生误动作。
又参照图1，作为另一种变型，所述控制电路3还包括：无线通信装置6，将此轻载脉冲信号无线传输至外部终端设备(例如，手机、PC机)；以及触控开关5，用于再次启动控制电路3以闭合继电器1。
具体来说，控制电路3可采用带有上述DSP单元的无线收发电路来实现，该无线收发电路接收来自测量芯片U3发送的轻载测量数据C并进行处理。例如，所述无线收发电路可以计算出插座上当前的实时负载功耗与特定时间段内的负载总功耗。当发现负载功耗低于某一设定值时且维持一段时间(例如，60s)后，DSP单元的继电器控制引脚REL_CTRL自动触发一个低电平使继电器1触点断开，插座后级电路将不再上电，起到节约电能与安全保护的作用。
例如，可使用图5所示的开关结构来重新启动插座。在+3.3V电源VCC与控制电路3的DSP单元之间设置触控开关5，且触点S1一端连接电源VCC，另一端接地，当闭合触点S1时，通过分压电阻R29产生一个高电平信号VPC2输出给所述DSP单元以实现启动操作。或者，可使用无线通信装置6来控制开关5的启动，例如选用行程开关来实现操作。
在本发明另一个方面，公开一种无线控制式插座。这种插座包括：设于交流电力源100与负载200间供电通路上的开关(例如，主要部件为上述实施例选用的继电器)和连接该开关的无线通信装置6，其中所述的开关包括了上述继电器1、与继电器1电性耦合的保护电路和过零检测电路，所述无线通信装置6包括控制电路3以及与控制电路3电性耦合的无线收发器，用于连接外部终端设备。
其中，保护电路可包括连接在所述供电通路的L线与继电器1之间的交流钳位元件，以及并联于所述继电器1的电能泄放电路。
如图3所示，过零检测电路用于输入给所述控制电路3一个过零信号，它包括接入所述供电通路L、N线之间的限流电阻R13至R15，以及连接所述限流电阻R15输出端与零线N之间的整流电路DB2，整流后的交流电流输出给隔离光耦器件U4，隔离光耦U4是由上述电源供给+5V工作电源，其输出端在交流信号过零点时导通一个过零电平信号Z_cross给控制电路3。
其中，控制电路3可被配置为：接收过零信号Z_cross；以及根据过零信号Z_cross将继电器1的通断动作控制在交流电力源100的过零点附近，起到保护继电器1与后级负载200的作用。
作为一种变型，这种无线通信装置可从这种插座的本体结构中拆卸或整体模块化移除，从而插座将不具备无线通信功能。
作为一种变型，所述开关又设有接入所述供电通路L、N线的交流采样电路21，所述无线通信装置6还包括连接所述交流采样电路21的测量电路22，用于根据所述交流采样电路所获交流电信号计算出负载取电参数。
进一步地，这种无线控制式插座还包括接入所述供电通路的电源，将所述交流电力源100转换为供给上述信号采集电路和控制电路3的直流电力。又结合参照图2，电源主要包括从交流电力源依次连接的输入保护电路、整流电路、滤波电路、AC/DC转换电路41和LDO稳压电路42。
具体来说，测量电路22主要包括测量芯片U3及其外围电路，它与控制电路3之间的通信是采用SPI接口来实现。根据上述关系式(1)可知，负载取电参数可包含轻载测量信号C、负载能耗和相位角。参照图6，基于上述各个方面可实现一种控制插座断电的方法，包括：
步骤100、持续接收过零信号Z_cross；
步骤200、持续测量用电负载的负载取电参数；
步骤300、根据所述负载取电参数来确定用电负载的负载类型，例如负载、轻载和空载状态，并根据过零信号Z_cross对继电器1执行相应的控制操作。
根据前述实施例，在步骤300中，测量电路22产生第一负载取电参数，使控制电路3的控制单元确定用电负载处于取电状态下。例如，该负载取电参数可包括负载功耗B，满足：
B＝∫ULD·ILD·t (2)
其中t为持续测量时间，ULD和ILD分别为测量电路22获得的交流电力源的供电通路上消耗的电压和电流。则根据该第一负载取电参数B可判断出用电负载的工作类型，若该第一负载取电参数B超过预设阈值BBTHD，通过三极管Q1、继电器1和电阻R30、R37组成的外围电路控制部分根据过零信号Z_cross来关断继电器1；
测量电路22产生第二负载取电参数，使控制电路3的控制单元确定用电负载处于轻载状态下。例如，负载取电参数可包含轻载测量信号C、满足关系式(1)，若该第二负载取电参数C低于预设阈值CTHD则确定用电负载处于空载状态，则可不用空载继电器1关断。而若CTHD<C<B，则上述控制单元确定用电负载处于空载状态，从而：
根据过零信号Z_cross将继电器1的通断动作控制在交流电力源100的过零点附近，起到保护继电器1与后级负载200的作用，并在所述轻载脉冲大于预设值时断开所述的继电器1。
上述方法的效果是，若对于充电设备(例如，电池/组、用户电子设备或类似电器设备)在充电完成后，断开继电器1可防止用户持续接插充电设备而继续使用，这样可防止电池损耗并保证安全操作。在另一个变型中，对于某些需要持续取电而处于轻载状态的用电负责设备，例如PC机，在控制电路3已确定用电负载设备处于轻载状态时，控制单元可通过无线收发器向外部终端设备发送问询信息，以确定用电负载是否持续轻载。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不限于本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轻载保护式插座，包括设于交流电力源与负载间供电通路上的开关，其特征在于所述轻载保护式插座包括：
接入所述供电通路的信号采集电路，用于采集和测量该供电通路上的轻载交流信号；
连接所述开关的保护电路，用于在所述开关断开时保护所述开关；
连接在所述信号采集电路与开关间的控制电路，根据所述轻载交流信号驱动所述开关的通断；以及
接入所述供电通路的电源，将所述交流电力源转换为供给上述信号采集电路和控制电路的直流电力，
其中所述信号采集电路包括：
连接在所述供电通路与控制电路间的过零检测电路，输入给所述控制电路一个过零信号；
接入所述供电通路的交流采样电路；以及
连接所述交流采样电路的测量电路，用于根据所述交流采样电路所获交流电信号计算出轻载信号，
所述控制电路被配置为：
接收所述过零信号、轻载信号；以及
根据所述过零信号将继电器的通断动作控制在交流电力源过零点，并在所述轻载信号大于预设值时断开所述的开关。
2.根据权利要求1所述的轻载保护式插座，其特征在于所述保护电路包括：
连接在所述供电通路与开关之间的交流钳位元件，将接入所述继电器的电压钳位；以及
并联于所述开关的电能泄放电路，其中在轻载或空载状态下，所述继电器被突然关断瞬间产生的一个电动势通过该电能泄放电路而被消耗掉。
3.根据权利要求1所述的轻载保护式插座，其特征在于，所述控制电路还包括：
无线通信装置，将此轻载信号无线传输至外部终端设备；以及
触控开关，用于再次启动控制电路闭合所述的开关。
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