CN201051646Y - 自动控制式家用防雷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种自动控制式家用防雷装置，由结构和电路两部分组成，其中结构部分主要包括：天线、电路板、电源开关、信号线路开关；电路部分主要包括：天线电路、谐振回路、带通滤波器电路、放大电路、整流滤波电路、门限电路、单片机、光耦电路、电源开关电路、电磁吸铁电路，其特征是：天线电路、谐振回路、带通滤波器电路、放大电路、整流滤波电路顺序连接后与单片机片内比较器的负输入端连接，门限电路与单片机片内比较器的正输入端连接，光耦电路与单片机输出端连接。本实用新型在确认有雷击的危险时，可自动切断家用电器电源线和电视信号线、电话线，从而避免家用电器被雷击的可能。同时不涉及使用电网中的地线，给家庭使用带来了极大的方便。

Description

自动控制式家用防雷装置

技术领域

本发明涉及一种防止雷击的装置，尤其是适合家庭使用的防止雷电破坏电器的装置。

背景技术

目前公知的防雷装置中，大多采用的是硬响应特性的放电元件气体放电管和放电间隙型放电器以及软响应特性的放电元件氧化锌压敏电阻和抑制二极管元件，它们通过并联在电网零火线或信号线与地线之间，将雷击电对大地放电来达到防雷目的。这些元件和装置运用在电网、电器设备集中的场所，其优点是显而易见的。但对于一家一户的普通家庭的家用电器的防雷来说，它们存在如下缺点：

一、上述防雷元件和装置，要求有接地线，并要求定时检修接地线，使其电阻值不大于5欧姆，现在绝大多数的家庭用户的接地线达不到这一要求，甚至直接就没有接地线。

二、放电元件氧化锌压敏电阻易老化和电容较高，老化是指压敏电阻内的二极管元件被击穿，使其失去防雷功效；同时压敏电阻的电容高，使它在很多情况下不能在电视信号、数字脉冲信号传输线路中使用，电容和导线电感形成一个低通电路，会使信号极大地衰减，同时压敏电阻不是串联而是并联在电网220V零火线或信号线与地线之间。因此，从室外输入导线传入的雷击电仍能攻击用电设备，使其易损坏，难以实现防雷的目的。

三、更重要的是，这些防雷装置都是采用的是被动式防雷方式，当雷电进入线路时，消除雷电产生的浪涌电压。

发明内容

为了克服现有防雷装置的不足，本发明为人们提供了一种适合家庭使用的，以主动预防为主，在进入雷电区之前，切断可能引入高压电流损坏家用电器的线路，而且接地线不是必备的防雷装置，。

本发明的理论根据是：1、在发生雷电的时候会同时产生很强的电磁波信号，距离发生雷电的位置越近，电磁波信号越强；雷电的能量越大，电磁波的信号也越强。因此，雷电产生的电磁波信号与距雷电的距离和雷电的强度成正比。2、雷电电磁波主要能量部分的特征频率或特征频率点附近的很窄的特征频段通常为10-100KHz。本发明根据此原理和数据，采用检测雷电电磁波信号的幅度和频谱的方法，在确认有雷击的危险时，自动切断家用电器电源线和电视信号线、电话线，从而避免雷电引发的浪涌电压从这些线路引入而导致家用电器被雷击的可能。

为解决上述问题，本发明是采用以下技术的方案来实现的：

自动控制式家用防雷装置，由结构和电路两部分构成，结构部分主要有绝缘外壳、电源输入插头和电源输出插座、信号输入和信号输出的导线、插座/孔、天线、电路板、微动开关、电源开关、电磁吸铁、信号线路开关组成；电路部分有电源电路、指示电路、天线电路、谐振回路、带通滤波器电路、放大电路、整流滤波电路、门限电路、单片机、控制电源开关的光耦电路、电源开关电路、控制信号线路开关的光耦电路、电磁吸铁电路组成，其特征是：天线电路、谐振回路、带通滤波器电路、放大电路、整流滤波电路顺序连接后与单片机片内比较器的负输入端连接，门限电路与单片机片内比较器的正输入端连接，光耦电路与单片机输出端连接。当有雷电时，雷电发出的电磁波被天线接收到，经过与天线相连接的天线电路、谐振回路、带通滤波器电路、放大电路，选择具有雷电电磁波主要能量部分的特征频率或特征频率点附近的很窄的特征频段，对其进行放大、检波，输出的交流信号经过整流滤波电路得到能够反应雷电相对能量的直流电压值，把这一电压值送入单片机89C2051的片内精确模拟比较器的负输入AIN1；单片机89C2051的片内精确模拟比较器的正输入AIN0接由固定电阻和可调电阻组成的门限电路，当负输入端AIN1的电压值达到并超过正输入端AIN0的电压值时，单片机89C2051二个输出端P1.5和P1.3变为高电平，这二个输出端，一个输出端接控制电源开关的光耦电路、电源开关电路，电源开关切断家用电器的电源供应线路；另一个输出端接到控制信号线路开关的光耦电路、电磁吸铁电路，电磁吸铁电路用来切断信号电路线路，防止雷击电由这二类线路引入损坏家用电器。

前述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的单片机采用89C2051。

前述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的谐振回路谐振的中心频率为55KHZ，通频带为110KHZ至1KHZ。

前述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的带通滤波器电路通频带为100KHZ至10KHZ。

前述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的门限电路为单片机片内比较器的正输入端提供的门限电压为3V±0.3V。

前述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于使用单片机二个输出端，其中一个输出端通过光耦电路控制电源开关电路，另一个输出端通过光耦电路及其级联的电磁吸铁电路控制信号线路开关。

前述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的信号线路开关采用可转动的门式结构。

前述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于不涉及使用电网中的地线。

本发明的有益效果是：采用检测雷电电磁波信号的幅度和频谱的方法，在确认有雷击的危险时，自动切断家用电器电源线和电视信号线、电话线，从而避免雷电引发的浪涌电压从这些线路引入而导致家用电器被雷击的可能。同时本发明不涉及使用电网中的地线，给一家一户式家庭中家用电器的防止雷击电破坏带来了极大地方便。

附图说明

图1为本发明一个实施例的电原理框图；

图2为本发明实施例的外观示意图；

图3为图2中电源开关按键的结构示意图；

图4为图2中信号线路开关的结构示意图；

图4A为图4的4A部分的结构斜视图；

图4B为图4的4B部分信号线闭合状态时的示意图；

图4C为图4的4C部分的结构斜视图；

图4-1为信号线路开关打开状态时门闩4-8与挡块4-11之间、门板4-23与微动开关K2之间关系结构图；

图4-2为信号线开关闭合状态时门闩4-8与挡块4-11之间、门板4-23与微动开关K2之间关系结构图；

图4-3为信号线路开关电原理图

图4-4为手动关闭信号线路开关门闩4-8与挡块4-11之间受力情况示意图

图5为电源电路、电源开关电路和指示电路电原理图；

图6为单片机的电原理图。

附图中主要部分符号说明：

1为外壳，2-1为电源输入插头，2-2为电源输出插座，2-3为电源指示灯，2-4为电源开关按键，2-5为档杆，2-6为电源输入线，2-7为电源输出线，2-8为接电源开关上的电磁吸铁的电线，2-9为转轴，2-10为弹簧，3为天线ANT，4为信号线路开关、4-1固定转轴的轴套，4-2为杠杆支座，4-3为连接杠杆与电磁吸铁的线，4-4为杠杆，4-5为弹簧座，4-6为弹簧，4-7为连接门闩和杠杆的线，4-8为门闩，4-9为开门手柄，4-10为手柄滑动槽，4-11为挡块，4-12为电视信号线，4-13为连接电视信号线芯线金属针棒，4-14连接电视信号线屏蔽线的金属环，4-15为与金属环接触的金属片，4-16为与金属针棒接触的金属片，4-17、4-20分别是与两根电话线连接的金属针棒，4-18为与4-17所示的金属针棒接触的金属片，4-19为与4-20所示的金属针棒接触的金属片，4-21为上盖板，4-22为双芯电话线，4-23为门板，4-24为开门弹簧，4-25为固定电视信号线、电话线、金属针棒、金属环的塑料块(图中有六块)，4-26为把上盖板固定在门板上的螺钉(图中有三只)，4-27为门板转轴，4-28为门闩滑动槽，4-29为开门弹簧与门板连接的孔槽，4-30电话线输入插座，4-31为电视信号输入插孔，4-32为信号线路接通指示灯，4-33为电话线输出插座，4-34为电视信号输出插孔，4-35为连接微动开关的二根导线，K1为电源开关，K2为微动开关，L3为控制信号线路开关的电磁吸铁。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对本发明提出的自动控制家用防雷装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

参阅图2所示，是本发明自动控制式家用防雷装置的外观示意图。其中包括：绝缘材料制成的外壳1，顶部的天线3，前面板上有电源输出插座2-2，电源指示灯2-3，电源开关按键2-4，信号线路接通指示灯4-32，信号开关的上盖板4-21，电话线输入插座4-30，电视信号输入插孔4-31，电话线输出插座4-33，电视信号输出插孔4-34，底部有与电源输入插头2-1相连的电线。

外壳内有电源输出插座2-2、电源开关K1、电路板二块(电源电路板、控制电路和信号电路电路板，未图示)、和上盖板固定在一起的可以转动的门板4-23及其附着在其上的信号线、控制门板开关的电磁吸铁L3和杠杆4-4及其附属部件、控制门板开关的门闩4-8和挡块4-11及其附属部件。

请参阅图1和图6所示，当天线ANT接收到雷电电磁波时，经天线电路、谐振回路、带通滤波器电路、放大电路、整流滤波电路得到能够反应雷电相对能量的直流电压值输入单片机89C2051的13脚。

所述的天线电路由天线ANT和天线线圈L2构成。所述的谐振回路由调谐线圈L1和电容C4构成，T2为输入回路线圈，它是带有磁芯或磁棒的线圈，也可以是空心线圈，由天线线圈L2连接调谐线圈L1构成，天线电路和谐振回路是这样连接的：以天线ANT连接天线线圈L2，天线线圈L2连接电阻R4与电容C3；调谐线圈L1与电容C4并联连接，调谐线圈L1和电容C4的结点，其左端连接电阻R4与电容C3、天线线圈L2的结点，其右端连接R3；C3的另一端接地。调谐线圈L1和电容C4的谐振的中心频率为55KHZ，通频带为110KHZ至1KHZ，能够包含雷电电磁波主要能量部分的特征频率或特征频率点附近的很窄的特征频段。

雷电电磁波经R3输入由C5、L4、C6、X1组成的带通滤波器电路，X1为BPF型带通滤波器，选择通频带参数为100KHZ至10KHZ，只允许雷电特征信号通过.滤除其他干扰信号和无用信号，所述的带通滤波器电路是这样连接的：R3的右端接C5的左端，C5右端接C6的左端和L4的上端，C6的右端接带通滤波器X1的输入端，L4的下端接地，带通滤波器X1的接地端接地，带通滤波器X1的输出端接集成电路高频放大器NB7642的输入引脚1。带通滤波器电路也可以选择有源带通滤波器电路。

所述的放大电路由集成电路高频放大器NB7642、C11和R5构成。雷电电磁波经带通滤波器X1的输出引脚输入集成电路高频放大器NB7642的输入引脚1，由输出引脚3输出，引脚2为接地脚。NB7642输出端3连接负载电阻R5与高频旁路电容C11、二极管D7正端的结点。集成电路高频放大器NB7642内部设有高增益高频放大器和检波电路。

所述的整流滤波电路由D7与C10构成。二极管D7负端连接电解电容C10正极端和单片机89C2051的13脚，电解电容C10负极端接地。由NB7642的输出端3输出的交流信号经D7与C10整流滤波得到直流电压输入单片机89C2051的13脚，即单片机89C2051的片内精确模拟比较器的负输入AIN1，与89C2051的12脚输入的门限电压进行比较。

所述的门限电路由可调电阻RP1、固定电阻R6、R7构成，为单片机89C2051的片内精确模拟比较器的正输入AIN0提供门限电压。可调电阻RP1的动片引脚和一个固定引脚均接在+5V电源的正端，可调电阻RP1的另一个固定引脚和R7、R6串联，R7和R6的结点与89C2051的12脚连接，R6一端接地。根据实测，在本实施例中，89C2051的12脚的门限电压设定为3V±0.3V为较佳，既可以起到防雷作用，又可以排除与雷电电磁波相同频率，但是能量较小的其它电磁波信号或者至少5千米距离之外的雷电电磁波的干扰。

如果89C2051的13脚直流电压达到并超过89C2051的12脚的门限电压时，89C2051的内部指令使输出端口P1.3和P1.5的电平同时发生翻转，变为高电平，控制信号线路开关的光耦电路和控制电源开关的光耦电路同时导通。

控制信号线路开关的光耦电路导通，电磁吸铁电路通电；控制电源开关的光耦电路导通，电源开关电路通电。

所述的控制信号线路开关的光耦电路由光电耦合器GK2和D9构成，所述的电磁吸铁电路由L3、D12、D13构成，其连接关系是：GK2的1脚接D9的负极，D9的正极接于89C2051的15脚，GK2的3脚和D13的正极均接于电磁吸铁L3的一端，GK2的2、4脚接地，D12、D13的负极均接于电磁吸铁L3的另一端。D12的正极接XS1的3脚即+12V电源的正极。

参阅图4至图4-3，电磁吸铁电路通电，电磁吸铁L3动作，拉动连接杠杆与电磁吸铁的线4-3，杠杆4-4转动，牵动连接门闩和杠杆的线4-7，门闩4-8滑动移出与门板4-23连为一体的挡块4-11，门板4-23失去阻力，在开门弹簧4-24作用下，信号线路开关4以门板转轴4-27为中心向外侧转动，金属针棒4-13和金属片4-16、金属环4-14和金属片4-15、金属针棒4-17与金属片4-18、金属针棒4-20与金属片4-19脱离接触。也就是切断了信号线路。

所述的控制电源开关的光耦电路由光电耦合器GK1和D8构成，所述的电源开关电路由K1、D10、D11构成，其连接关系是：GK1的1脚接D8的负极，D8的正极接于89C2051的17脚，GK1的3脚接于引线插接件XS1的1脚，引线插接件XS1的1脚通过引线接于电源电路板的引线插接件XS1的1脚，电源电路板的引线插接件XS1的1脚和D10的正极均接于电源开关上的电磁吸铁的一个接点，GK1的2、4脚均接地，D10、D11的负极均接于电源开关上的电磁吸铁的另一个接点，D11的正极接引线插接件XS1的3脚即+12V电源的正极。

电源开关电路通电，电源开关上的电磁吸铁动作，电源开关切断电源线路，电源输出插座2-2失电，指示电路部分同时失电，电源指示灯2-3和信号接通指示灯4-32均熄灭。

单片机89C2051外围电路和元器件还包括：由电解电容C7和电阻R8构成单片机开机复位电路，由晶振X2、电容C8、C9组成单片机的振荡器，R9为单片机输出口P1.5的上拉电阻，R9的一端接89C2051的17脚和D8的正极，另一端接+5V电源正极。R10为单片机输出口P1.3的上拉电阻。R10的一端接89C2051的15脚和D9的正极，另一端接+5V电源正极，单片机89C2051的20脚接+5V电源正极，单片机89C2051的10脚接地。

信号线路开关4采用可转动的门式结构。参阅图3，弹簧2-10套在转轴2-9上，弹簧2-10的一脚的弯钩嵌在电源开关按键2-4中，转轴2-9套在外壳1上圆圈(未图示)里，档杆2-5与电源开关按键2-4连为一体，安装电源开关按键2-4时，档杆2-5的位置在外壳的内侧，防止电源开关按键2-4转出外壳。电源开关K1选用市售的KDC-A07-188电源开关，这种开关包含有控制切断交流电源的电磁吸铁，它结构紧凑合理，动作灵敏可靠，电磁吸铁吸合(切断交流)电压低。图中最上端的一对引脚接电源输入线2-6(即与电源输入插头2-1相连的)，中间的一对引脚接电源输出线2-7，电源输出线2-7接电源插座2-2为家用电器供电，最下端的一对引脚为电磁吸铁的接点，其一个接点接在D10、D11的负极端，另一接点接在D10的正极端和引线插接件XS1的1脚。

图5为电源电路、电源开关电路和指示电路电原理图。参阅图5，所述的电源电路由T1、D1-D4、C1、7805、C2、XS1构成，T1为变压器，D1-D4为桥堆，C1和C2为电解电容，7805为电源三端稳压块，XS1为引线插接件，它们是这样连接的：T1的初级线圈接市电的L、N线，次级接D1-D4的两根交流电压输入引脚，D1-D4的负极性电压输出引脚接XS1的2脚、C1和C2的负极端、7805的接地端，D1-D4的正极性电压输出引脚接XS1的3脚、C1的正极端、7805的输入端，7805的输出端接XS1的4脚、C2的正极端。

所述的电源开关电路的构成和加连接方式，前面已有叙述，这里不再重复。

所述的指示电路由R1和D5、R2、K2和D6构成，K2是微动开关，D5、D6是发光二极管，R1和D5构成电源指示电路，所述的电源指示电路是这样连接的：R1的一端接+5V电源的正极端，R1的另一端接D5的正极端，D5的负极端接地，接通电源开关，D5得电即发光。R2、K2和D6构成信号线路接通指示电路，所述的信号线路接通指示电路是这样连接的：R2的一端接+5V电源的正极端，R1的另一端接K2的一端，K2的另一端接D5的正极端，D5的负极端接地，微动开关K2是受门板4-23控制，如果接通电源开关，门板4-23没有转动到位即信号线路没有接通，则K2处于开路状态，D6失电，D6不发光，只有接通电源开关，门板4-23转动到位即信号线路接通，K2处于闭合状态，D6得电，D6才发光。

信号线路开关4采用可转动的门式结构。参阅图4、图4A、图4B、图4C、图4-1、图4-2、图4-3所示，信号线路开关4是这样的结构：上盖板4-21用三只螺钉4-26固定在门板4-23上，起到保护内部线路和美观作用，电视信号线4-12和双芯电话线4-22、金属棒针、金属环用塑料块4-25固定在门板4-23上，考虑到减小线路间的寄生电容、材料耐用性能、增大与金属片的接触面，双芯电话线4-22和电视信号线4-12的芯线与前端为圆球面的金属棒针连接，电视信号线的外层屏蔽网线与金属环4-14连接，金属片4-15、4-16、4-18、4-19选用磷铜片，并焊接在电路板上，金属片4-19、4-18通过双芯电话线连接电话线输出插座4-33，金属片4-15、4-16通过电视信号线接电视信号输出插孔4-34。门板4-23的背面有门板转轴4-27，门板4-23的右边侧有挡块4-11，门板4-23、门板转轴4-27、挡块4-11连为一体，在门板4-23的左侧，门板转轴4-27套着开门弹簧4-24，开门弹簧4-24一臂有弯钩，弯钩嵌在门板左侧边上的孔槽4-29里，开门弹簧4-24另一臂支撑在外壳1的内底壁上，门板4-23的左右两侧有轴套4-1，门板转轴4-27的左右两侧套在轴套4-1中，开门弹簧4-24在轴套4-1和门板4-23的左边侧之间，轴套4-1与外壳1的内底壁连为一体，在门板4-23的右边有门闩4-8，门闩4-8的一端拴有连接门闩4-8和杠杆4-4的线4-7，线4-7穿过弹簧4-6的中心、弹簧座4-5底部的中心小孔拴在杠杆4-4一端的孔上，弹簧4-6置于弹簧座4-5的圆孔中，弹簧座4-5固定在外壳1的内底壁上，杠杆4-4的另一端的孔上拴着连接杠杆4-4与电磁吸铁L3(图中未画出)的线4-3，杠杆4-4固定在杠杆支座4-2上，杠杆支座4-2固定在外壳1的内底壁上，门闩4-8与开门手柄4-9连为一体，门闩4-8的下端置于门闩滑动槽4-28内，开门手柄4-9的上端穿过上盖板4-21上的手柄滑动槽4-10，手柄滑动槽4-10在外壳1的内底壁上。门板4-23的下方有微动开关K2，微动开关K2固定在外壳1的内底壁上。

信号线路开关4是这样工作的：当电磁吸铁L3(图中未画出)通电吸合动作时，拉动连接杠杆4-4与电磁吸铁L3的线4-3，杠杆4-4转动，拉动连接门闩4-8和杠杆4-4的线4-7，门闩4-8在门闩滑动槽4-28内滑动，当门闩4-8滑动距离超过挡块4-11控制范围时，信号线路开关4失去转动的阻力，在开门弹簧4-24作用下，信号线路开关4以门板转轴4-27为中心向外侧转动，金属针棒4-13和金属片4-16、金属环4-14和金属片4-15、金属针棒4-17与金属片4-18、金属针棒4-20与金属片4-19脱离接触。也就是切断了信号线路。微动开关K2也失去压力，处于断开状态。也可以省去杠杆4-4、杠杆支座4-2、连接杠杆与电磁吸铁的线4-3和连接杠杆与门闩的线4-7，直接用电磁吸铁L3带动门闩4-8在门闩滑动槽4-28内滑动。

参阅图4-4，当雷电过后，手动向上转动信号线路开关4，图中F0表示手动的推力，当挡块4-11和门闩4-8接触时，挡块4-11和门闩4-8之间有压力F，其中一部分压力分解为施加在门门4-8的压力F2，一部分压力分解为推动门闩4-8滑动的分力F1，在分力F1作用下，门闩4-8克服弹簧4-6的弹性阻力，沿门闩滑动槽4-28滑动，当门闩4-8滑动距离超过挡块4-11控制范围时，挡块4-11和门闩4-8之间失去压力，门闩4-8在弹簧4-6的弹力作用下，向反方向滑动，门闩4-8与挡块4-11背面接触，挡住门板4-23防止其转动、使金属针棒4-13和金属片4-16、金属环4-14和金属片4-15、金属针棒4-17与金属片4-18、金属针棒4-20与金属片4-19重新可靠接触。也就是接通了信号线路。同时微动开关K2在门板4-23的压力下，处于接通状态。

为了便于检查。手持开门手柄4-9沿手柄滑动槽4-10向下滑动也可以打开信号线路开关4。

单片机89C2051可以采用功能和其相似或采用具有更高功能的其它型号的单片机(系统硬件资源作浪费性使用)。

另外可单独使用电压比较器引发单片机的输出端口电平发生翻转。

上述实施不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.自动控制式家用防雷装置，由结构和电路两部分组成，其中结构部分包括：绝缘外壳、电源输入/输出插头/座、信号输入/输出的导线、插座/孔、天线、电路板、微动开关、电源开关、信号线路开关；电路部分包括：电源电路、指示电路、天线电路、谐振回路、带通滤波器电路、放大电路、整流滤波电路、门限电路、单片机、光耦电路、电源开关电路、电磁吸铁电路，其特征是：天线电路、谐振回路、带通滤波器电路、放大电路、整流滤波电路顺序连接后与单片机片内比较器的负输入端连接，门限电路与单片机片内比较器的正输入端连接，光耦电路与单片机输出端连接。

2.根据权利要求1所述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的单片机采用89C2051。

3.根据权利要求1所述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的谐振回路谐振的中心频率为55KHZ，通频带为110KHZ至1KHZ。

4.根据权利要求1所述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的带通滤波器电路通频带为100KHZ至10KHZ。

5.根据权利要求1所述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的门限电路为单片机片内比较器的正输入端提供的门限电压为3V±0.3V。

6.根据权利要求1所述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于使用单片机二个输出端，其中一个输出端通过光耦电路控制电源开关电路，另一个输出端通过光耦电路及其级联的电磁吸铁电路控制信号线路开关。

7.根据权利要求1所述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于所述的信号线路开关采用可转动的门式结构。

8.根据权利要求1所述的自动控制式家用防雷装置，其特征在于不涉及使用电网中的地线。

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