CN106207652B - 一种无火花开关装置及防触电智能插座 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无火花开关装置及防触电智能插座，其中无火花开关装置包括一组或多组继电器、一个反并联可控半导体模块及一个触发电路；每组继电器之间并联连接于电源上；每组继电器均包括两个继电器；防触电智能插座还包括插座本体、插拨检测装置及控制系统。有效解决了现插座的用电安全问题，并同时解决了现有技术插座在插入或者拨出插头时会有拉弧现象及使用继电器为主开关的驱动能力不足问题。本发明的智能插座实现在插头插入或者拨出时，手指误触碰插头的金属插脚而不会发生触电现象；插口闲置时，使用金属导体单独或者同时触碰电源的火线及零线插口，均不会发生触电事故。
Description
技术领域
本发明属于智能家用电器技术领域，特别是指一种无火花开关装置及防触电智能插座。
背景技术
插座或插线板在家居、办公等场所随处可见，其功能是扩展电源接口、延长电源线路或为电器提供电源接口。自插座问世至今，现主流的插座产品不论是三脚插口还是两脚插口，其内部的铜片在插头被拨出后依然是带电的，因此容易造成触电事故，特别是儿童触电事故的数量及比例越来越高。
为了防止儿童的触电事故，现儿童活动场所所使用的插座已经被强制要求必须带有安全防护门结构，现插座上使用的防护门结构基本上是在插座内加装机械结构的保护门，对单一的插口的下压是不能开启保护门的，只有在两个插口或者三个插口同时下压时，保护门才能开启，这种技术在一定程度上解决了儿童触电问题，但是使用安全防护门结构依然存在以下的不足之处：
1)在插入插头时，对插头施加的插入力增大，造成对一些用户的使用困难，另一方面，在施加外力将插头插入插座过程中，手指有可能会误触插头的接线柱而发生触电现象。
2)插座内的铜片是常带电的，在插头从插座内拨出后，若不及时关掉插座电源，若细金属被意外插入闲置的插口内时，依然有触电危险。
同时，随着互联网技术的普及，互联网技术的应用范围逐渐拓宽，依托互联网的智能(具备APP远程控制、场景设置、定时及延时等功能)插座已经出现。智能插座会给人们的生活带来极大的便利，有可能替代普通插座进入更多的家庭及办公场所。但是现技术的智能插座其远程控制多数采用继电器作为开关器件，带来许多新的问题：
1)现技术的智能插座的继电器带载开通或者关断时，会产生拉弧(电火花)，容易烧毁继电器触头而降低智能插座的使用寿命。
2)在总电源开通的情况下，插入或者拨出电器的插头亦会产生拉弧现象，进而影响到电器的使用寿命，严重时甚至会威胁到人身安全。
3)智能插座的负载驱动能力和负载性质有关，当接入电容或者电感负载时，驱动能力达不额定功率。
发明内容
本发明的目的是提供一种无火花开关装置及防触电智能插座，以解决现技术的插座及智能插座存在触电隐患及插头插入不顺畅的问题。
本发明的另一个目的是解决插座插口常带电及继电器开关及电器插拨过程中产生电弧的问题。
本发明的再一个目的是解决现智能插座对电容或者电感负载驱动能力不足的问题；以及解决智能插座的开关触点在分合闸时产生电弧导致降低开关寿命的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种无火花开关装置，包括一组继电器、反并联可控半导体模块及触发电路；
一组所述继电器至少包括第一继电器和第二继电器；
所述第一继电器设置于电源的火线上，用于控制所述火线的连通或断开；
所述第二继电器与所述反并联可控制半导体模块串联后再与所述第一继电器并联设置于所述火线上，用于控制所述火线的连通或断开；
所述触发电路分别与所述反并联可控半导体模块及控制系统电连接。
一组所述继电器中还包括第三继电器；所述第三继电器设置于所述电源的零线上，用于控制所述零线的连通或断开。
一种无火花开关装置，包括多组继电器、一个反并联可控半导体模块及触发电路；
每组继电器之间并联连接于电源上；
每组继电器均包括两个继电器，分别为第四继电器和第五继电器；
所述第四继电器设置于所述电源的火线上，用于控制所述火线的连通或断开；
所述第五继电器与所述反并联可控半导体模块串联后与所述第四继电器并联设置于所述火线上，用于控制所述火线的连通或断开；
所述触发电路分别与所述反并联可控半导体模块及控制系统电连接。
每组继电器还包括第六继电器，所述第六继电器设置于所述电源的零线上，用于控制所述零线的连通或断开。
一种防触电智能插座，包括上述任一项所述的无火花开关装置，还包括插座本体、插拨检测装置及控制系统；
所述插座本体上设置有至少一组插接口；每组所述插接口至少包括两个插口，在与每个所述插口相对应处设置有一个用于与插头的插脚插接配合的触脚；
所述无火花开关装置与所述触脚电连接；
所述插拨检测装置与每组所述插接口的火线插孔和零线插孔一一对应设置于所述插座本体内；所述插拨检测装置与所述控制系统电连接；所述控制系统与所述无火花开关装置电连接。
本发明的有益效果是：
本发明采用微电子应用技术，有效解决了现插座的用电安全问题，并同时解决了现有技术插座在插入或者拨出插头时会有拉弧现象及驱动能力不足问题。
本发明的智能插座实现在插头插入或者拨出时，手指误触碰插头的金属插脚而不会发生触电现象。
本发明实现在插座的插口闲置时，使用金属导体单独或者同时触碰插座的火线及零线插口，均不会发生触电事故。
本发明的插口不设置保护门或者安全门，使得插头的插入或者拨出更顺畅。
本发明采用反并联可控半导体模块代替继电器闭合或者断开电流，解决了因采用继电器作为主开关所引发的电弧问题。
本发明解决了现有技术继电器闭合或者断开时的电弧问题，延长了插座的使用寿命。
本发明实现了电器设备无火花插拨，减少了电弧对电器设备的危害。
本发明解决了插座面对容性负载、感性负载驱动能力不足的问题，实现了容性负载、感性负载驱动能力与阻性负载的驱动能力完全相同。
附图说明
图1为本发明插入插头时控制流程图；
图2为本发明拨出插头时控制流程图；
图3为本发明插拨检测装置拨出插头后的结构示意图；
图4为本发明插拨检测装置插入插头后的结构示意图；
图5为本发明插拨检测装置中的行程机构示意图；
图6为本发明插拨检测装置电路图；
图7为本发明控制系统框图；
图8为本发明无火花开关装置电路拓扑图；
图9为本发明按键电路图。
附图标记说明
1插头，2插座本体，3插拨检测装置，4外围电路，5控制系统，6无火花开关装置，7按键电路，31红外发射管，32红外接收管，33挡片，34上挡板，35下挡板，36按压柱，37复位弹簧，41第一三极管，42第二三极管，43第三三极管，44第四三极管，61反并联可控半导体模块，62第五A继电器，63第四A继电器，64第六A继电器，65第五B继电器，66第四B继电器，67第六B继电器，68触发电路。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。
本发明提供一种防触电智能插座，如图1至图9所示，包括插座本体2、插拨检测装置3、无火花开关装置6及控制系统5；还包括外围电路4。
在本申请中，插座本体与现有技术的插座结构基本相同，在此不进行详细的说明。
在本申请中，每一组插接口中均有一个触脚与电源火线连接；一个触脚与电源零线连接；若为三脚插接口时，第三个触脚与接地线连接。
插拨检测装置3设置于插座本体2上的绝缘壳体内；插拨检测装置与控制系统电连接；插拨检测装置3用于检测每组接插口内是否同时插入插头1或者在插入插头1的情况下，是否有任一个或者两个插头1从插口中拨出，并通过外围电路4转换信号后传递给控制系统5。
插拨检测装置分别与火线触脚及零线触脚连接及配合。
插拨检测装置，包括行程机构、外围电路及插口检测模块；
行程机构包括上挡板34、下挡板35、复位弹簧37、挡片33及按压柱36；在本申请中，上挡板和下挡板均固定于绝缘壳体内；在本申请中，以插座的电路板作为上挡板，在本申请的其它实施例中，上挡板与插座的电路板分别设置。
在上档板上设置有上按压柱穿孔；在下挡板上设置有与上按压柱穿孔相对的下按压柱穿孔。
挡片固定于按压柱的侧表面上；按压柱的上端穿过上按压柱穿孔；按压柱的下端穿过下按压柱穿孔；挡片位于上挡板与下挡板之间。
复位弹簧套于按压柱上后设置于上挡板与下挡板之间；在下挡板的下按压柱穿孔周围设置有向上挡板方向的凸起；复位弹簧的下端套于凸起上。在本申请中，凸起用于复位弹簧的底座及限位。
在上挡板与下挡板之间的按压柱上设置有限位块。挡片固定于限位块上。
对于每一组接插口，行程机构及插口检测模块均为两个；即在插座的每一组插接口的火线插孔和零线插孔上所对应的每个插孔均对应一个行程机构和一个插口检测模块，同时，该行程机构和插口检测模块与该插口对应的触脚相配合。
插口检测模块包括红外发射管31、红外接收管32及检测电路；挡片33活动设置于红外接收管32与红外发射管31之间；红外发射管与红外接收管均与检测电路连接；检测电路与外围电路电连接。
在本申请中，如图6所示，每个检测电路均包括一个光电转换器和两个三极管，分别为第一三极管41和第二三极管42；光电转换器中的三极管的集电极与第一三极管的基极连接；第一三极管的集电极与第二三极管的基极连接；直流控制电源经上拉电阻与第一三极管的基极连接，同时与第二三极管的集电极连接；第一三极管的发射极接地；第二三极管的发射极与外围电路连接。在红外接收管没有红外光照射时，会处于高阻状态，第一三极管与第二三级管均饱和导通，第二三极管发射极向外围电路传递高电平信号。
在红外接收管受到红外光照导通后，第一三极管的基极与发射极无正偏电压，第一三极管处于关断状态，同理，第二三极管也关断，第二三极管发射极低电位，因此传递给外围电路低电平信号。
同样，一组插接口中与另一个插孔相配合的检测电路及工作原理均与上一个插孔相对应的检测电路及工作原理相同。
在本申请中，将上面同一组插接口相对应的两个检测电路命名为第一检测电路和第二检测电路。第一检测电路与第二检测电路均与外围电路连接。
在本申请中，外围电路至少包括一个逻辑电路、第三三极管43和第四三极管44；
当第一检测电路与第二检测电路均为低电平信号时，通过逻辑与输出低电平信号给第三三极管的基极，第三三极管的集电极与第四三极管的基极连接；第三三极管的发射极与第四三极管的发射极均接地；第四三极管的集电极与控制控制系统的信号接收模块连接。
当第一检测电路与第二检测电路均为高电平或者任一个检测电路为高电平时，逻辑电路输出逻辑非高电平信号；该高电平信号输出给控制系统的信号接收模块。
在本申请的其它实施例中，插拨检测装置还可以为电子插拨检测装置及电磁插拨检测装置。
在本申请中，控制系统包括控制芯片、信号接收模块及信号发射模块。
控制芯片为集成WiFi功能的控制芯片，而不是WiFi模块+MCU；主要是考虑这类控制芯片的集成度高，可靠性高，成本低，同时解决了WiFi模块的I/O口数量少的问题。当然，使用WiFi模块+MCU也能够实现本申请的技术方案，但不是最优选择。
还包括WiFi通信接口；WiFi通信接口与控制芯片连接；控制系统通过WiFi通信接口与互联网连接，便于用于远程或者通过手机APP遥控。
信号接收模块与插拨检测装置电连接；信号接收模块与控制芯片电连接；控制芯片与信号发射模块电连接；信号发射模块与无火花开关装置电连接。
外围电路还包括按键电路7；按键电路7与信号接收模块电连接。
控制系统与无火花开关装置电连接；电源火线通过无火花开关装置连接火线触脚；电源零线通过无火花开关装置连接零线触脚。
无火花开关装置由继电器、反并联可控半导体器件及触发电路；可实现无弧(无火花)开关电器，减少了对电器的危害。
无火花开关装置包括以下两种：
一种是与插座的每组插接口对应一个无火花开关装置，每个无火花开关装置包括一组继电器、一个反并联可控半导体模块及一个触发电路；一组继电器至少包括第一继电器和第二继电器。
第一继电器设置于电源的火线(或零线)上，用于控制火线的连通或断开。
第二继电器与反并联可控制半导体模块串联后再与第一继电器并联设置于火线上，用于控制火线(或零线)的连通或断开。
触发电路分别与反并联可控半导体模块及控制系统电连接。
在实际的使用过程中，并不能保证电源的火线与火线火线触脚连接，可能会出现电源的火线与零线零线触脚连接的情况，这时，会导致插接口中的某一个插口始终带电，不能起到有效的安全作用，因此在每一组继电器中还包括第三继电器；第三继电器设置于电源的零线上，用于控制零线的连通或断开，这样不论电源线怎样连接，都能够保证每个插口的火线及零线触脚均能够彻底断电。
另一种是，当插座包括两个或者两个以上组的插接口时，无火花开关装置包括多组继电器、一个反并联可控半导体模块61及一个触发电路68。
每组继电器与其它组继电器之间并联连接于电源上；这样能够减少反并联可控半导体模块及触发电路的用量，通过分时复用反并联可控半导体器件和触发电路的拓扑结构，简化了控制电路，降低了成本。
每组继电器均包括两个继电电器，分别为第四继电器和第五继电器。
第四继电器设置于电源的火线上，用于控制火线的连通或断开。
第五继电器与反并联可控半导体模块串联后与第四继电器并联设置于火线上，用于控制火线的连通或断开。
触发电路分别与反并联可控半导体模块及控制系统电连接。
在实际的使用过程中，并不能保证电源的火线与触脚火线触脚连接，可能会出现电源的火线与触脚零线触脚连接的情况，这时，会导致插接口中的某一个插孔始终带电，不能起到有效的安全断电作用，因此在每一组继电器还包括第六继电器，第六继电器设置于电源的零线上，用于控制零线的连通或断开。
在此以插座包括两组插接口为例，说明无火花开关装置的控制方法：
第一组插接口包括第四A继电器63、第五A继电器62及第六A继电器64；第二组插接口包括第四B继电器66、第五B继电器65及第六B继电器67。
当这两组插接口均有插头插入时，无火花开关装置的控制方法为：
在插座处于断电状态下，控制系统接收到两个闭合信号后，该两个闭合信号是插拨检测装置检测到两组插接口中的火线、零线两个插孔同时有插脚插入；控制系统会发送与闭合信号数量相对应的两组闭合控制信号给无火花开关装置。
并且在本实施例中，选用每组插接口包括三个继电器结构。控制时序具体时间间隔根据无火花开关装置中电子元器件的属性来设定：
第一组闭合控制信号首先控制第五A继电器和第六A继电器同时闭合。
第一组闭合控制信号通过触发电路；触发电路发送闭合控制信号给反并联可控制半导体模块，使反并联可控制半导体模块导通；此时，该组插接口中的火线触脚与电源的火线连通；零线触脚与电源的零线连通，此时，电源通过反并联可控半导体模块为负载供电。
第一组闭合控制信号控制第四A继电器闭合。
第一组闭合控制信号通过触发电路控制反并联可控制半导体模块断开；负载电流转移至第四A继电器回路。
第一组闭合控制信号控制第五A继电器断开；至此该组插接口完成上电。
第二组闭合控制信号控制第五B继电器和第六B继电器同时闭合。
第二组闭合控制信号通过触发电路；触发电路发送闭合控制信号给反并联可控制半导体模块，使反并联可控制半导体模块导通；此时，该组插接口中的火线触脚与电源的火线连通；零线触脚与电源的零线连通，此时，电源通过反并联可控半导体模块为负载供电。
第二组闭合控制信号控制第四B继电器闭合。
第二组闭合控制信号通过触发电路控制反并联可控制半导体模块断开；负载电流转移至第四B继电器回路。
第二组闭合控制信号控制第五B继电器断开；至此该组插接口完成上电。
在上电状态下，控制系统接收到两个插口的断开信号后，
控制系统会发送两组断开控制信号给无火花开关装置。两组断开控制信号之间为设定间隔时间；具体的间隔时间可以根据无火花开关装置中具体元器件的属性进行调整。
第一组断开控制信号控制第五A继电器闭合；
第一组断开控制信号通过触发电路；触发电路发送闭合控制信号给反并联可控制半导体模块，使反并联可控制半导体模块导通。
第一组断开控制信号控制第四A继电器断开；此时，负载电流转移到反并联可控半导体模块回路。
第一组断开控制信号通过触发电路控制反并联可控制半导体模块断开；完成负载断电。
第一组断开控制信号控制第五A继电器和第六A继电器断开；该组插接口完成安全下电。
第二组断开控制信号控制第五B继电器闭合；
第二组断开控制信号通过触发电路；触发电路发送闭合控制信号给反并联可控制半导体模块，使反并联可控制半导体模块导通。
第二组断开控制信号控制第四B继电器断开；此时，负载电流转移到反并联可控半导体模块回路。
第二组断开控制信号通过触发电路控制反并联可控制半导体模块断开；完成负载断电。
第二组断开控制信号控制第五B继电器和第六B继电器断开；该组插接口完成安全下电。
从上面描述的工作过程可以看出，真正接通电源或关断电源的元器件是反并联可控半导体器件，所有的继电器触点都是在无电流的状况下分合闸，该设计方案除了避免分合闸过程中产生拉弧(电火花)(反并联可控半导体器件为无触点半导体开关，不会产生拉弧，理论使用寿命可认为无限长)，同时，继电器触点无电流分合闸，避免了拉弧对继电器触点的烧毁或氧化，继电器工作寿命大大延长。
另外，以继电器作为开关器件的常规电路，其驱动能力瓶颈在于继电器分、合电流的能力。以10A、250V继电器的应用为例，常规电路的负载驱动能力为：阻性负载≤2500VA、感性负载≤800VA、容性负载≤700VA；而本技术方案中电路的驱动能力为：所有类型负载均能达到2500VA。
按键电路如图9所示，图中电阻主要作用是限流，除R7、R8，之外，其它电阻还有分压作用，电容功能是去除按键抖动，二极管实现逻辑与，“按钮开”、“按钮关”是手动按钮。当在第一组插接口中有插头插入时，CK1L、CK1N同时闭合。该电路的功能是分别检测插口中火线插口及零线插口中插头插入状态，只有当火线及零线插口同时检测到物体插入时，CKL&N低电平输出有效，否则输出高电平。简言之，该电路分别检测火线及零线插口的插入状态，逻辑与后电平输出。输出信号CK1L&N至CKnL&N，以及“总开”、“总关”信号均引入微电子部分的i/o扩展芯片，同时，CK1L&N至CKnL&N接入中断电路。
该按键电路的技术重点在于：使用二极管等简单元器件实现逻辑与，解决了输入信号的相互干扰问题，性能可靠。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (4)
1.一种防触电智能插座，其特征在于：包括无火花开关装置、插座本体、插拨检测装置及控制系统；
所述插座本体上设置有至少一组插接口；每组所述插接口至少包括两个插孔，在与每个所述插孔相对应处设置有一个用于与插头的插脚插接配合的触脚；
所述无火花开关装置与火线触脚和零线触脚电连接；
所述插拨检测装置与每组所述插接口的火线插孔和零线插孔一一对应设置于所述插座本体上；所述插拨检测装置与所述控制系统电连接；所述控制系统与所述无火花开关装置电连接；
所述插拨检测装置，包括行程机构、外围电路及插口检测模块；
行程机构包括上挡板、下挡板、复位弹簧、挡片及按压柱；上挡板和下挡板均固定于绝缘壳体内；
在上档板上设置有上按压柱穿孔；在下挡板上设置有与上按压柱穿孔相对的下按压柱穿孔；
挡片固定于按压柱的侧表面上；按压柱的上端穿过上按压柱穿孔；按压柱的下端穿过下按压柱穿孔；挡片位于上挡板与下挡板之间；
复位弹簧套于按压柱上后设置于上挡板与下挡板之间；在下挡板的下按压柱穿孔周围设置有向上挡板方向的凸起；复位弹簧的下端套于凸起上；
在上挡板与下挡板之间的按压柱上设置有限位块；挡片固定于限位块上；
所述无火花开关装置包括一组继电器、反并联可控半导体模块及触发电路；
一组所述继电器至少包括第一继电器和第二继电器；
所述第一继电器设置于电源的火线上，用于控制所述火线的连通或断开；
所述第二继电器与所述反并联可控制半导体模块串联后再与所述第一继电器并联设置于所述火线上，用于控制所述火线的连通或断开；
所述触发电路分别与所述反并联可控半导体模块及控制系统电连接。
2.根据权利要求1所述的防触电智能插座，其特征在于：一组所述继电器中还包括第三继电器；所述第三继电器设置于所述电源的零线上，用于控制所述零线的连通或断开。
3.一种防触电智能插座，其特征在于：包括无火花开关装置、插座本体、插拨检测装置及控制系统；
所述插座本体上设置有至少一组插接口；每组所述插接口至少包括两个插孔，在与每个所述插孔相对应处设置有一个用于与插头的插脚插接配合的触脚；
所述无火花开关装置与火线触脚和零线触脚电连接；
所述插拨检测装置与每组所述插接口的火线插孔和零线插孔一一对应设置于所述插座本体上；所述插拨检测装置与所述控制系统电连接；所述控制系统与所述无火花开关装置电连接；
所述插拨检测装置，包括行程机构、外围电路及插口检测模块；
行程机构包括上挡板、下挡板、复位弹簧、挡片及按压柱；上挡板和下挡板均固定于绝缘壳体内；
在上档板上设置有上按压柱穿孔；在下挡板上设置有与上按压柱穿孔相对的下按压柱穿孔；
挡片固定于按压柱的侧表面上；按压柱的上端穿过上按压柱穿孔；按压柱的下端穿过下按压柱穿孔；挡片位于上挡板与下挡板之间；
复位弹簧套于按压柱上后设置于上挡板与下挡板之间；在下挡板的下按压柱穿孔周围设置有向上挡板方向的凸起；复位弹簧的下端套于凸起上；
在上挡板与下挡板之间的按压柱上设置有限位块；挡片固定于限位块上；
所述无火花开关装置包括多组继电器、一个反并联可控半导体模块及触发电路；
每组继电器之间并联连接于电源上；反并联可控半导体模块分时复用，用于配合多组并联继电器的投切操作；
每组继电器均包括两个继电器，分别为第四继电器和第五继电器；
所述第四继电器设置于所述电源的火线上，用于控制所述火线的连通或断开；
所述第五继电器与所述反并联可控半导体模块串联后与所述第四继电器并联设置于所述火线上，用于控制所述火线的连通或断开；
所述触发电路分别与所述反并联可控半导体模块及控制系统电连接。
4.根据权利要求3所述的防触电智能插座，其特征在于：每组继电器还包括第六继电器，所述第六继电器设置于所述电源的零线上，用于控制所述零线的连通或断开。
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