CN203950997U - 一种待机自动断电插座 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的待机自动断电插座，包括输出插座、微控制器单元、按钮、继电开关、继电开关驱动单元、电流检测单元、直流稳压电源单元、按钮状态判别单元等组成部分，插座检测到用电器待机一段时间后，能够自动控制切断插座电源；插座电源断开时，按下按钮可使插座电源接通；插座正常供电时，按下按钮，可使插座电源断开。所述插座能够测量用电器的实际待机电流值，用于待机状态的判别；在正常供电状态，插座本身功耗极低。所述插座用于需要自动切断长期工作在待机状态用电器电源的场合。

Description

一种待机自动断电插座

技术领域

本实用新型涉及一种带开关的插座技术，尤其是一种待机自动断电插座。

背景技术

电器设备在待机期间存在待机能耗，也因电源没有完全关断而带来“待机” 电器设备的不安全问题。

国际能源署在2000年向其成员国的电器产品生产和销售商发起“1W计划”的节能倡议，我国也已出台相关待机能耗节能认证，但很多电器设备仍然未能做到零功耗、甚至是1W功耗待机。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用电器工作在待机状态时，能够自动断电，用电器正常工作时能够人工方式手动断电的带开关的插座。

一种待机待机自动断电插座，由输出插座、继电开关、按钮、微控制器单元、继电开关驱动单元、电流检测单元、直流稳压电源单元、按钮状态判别单元组成。

所述继电开关与按钮的输入端都连接至交流电源的相线；输出插座的相线输入端连接至继电开关输出端；输出插座的零线输入端与交流电源零线连接。

所述微控制器单元至少包括有带1路模拟信号输入端的A/D转换单元、1路脉冲信号输入端、2路数字信号输出端、非易失存储器。微控制器单元选择微控制器MSP430G2553。

所述按钮状态判别单元输入端连接至按钮输出端，输出端输出按钮状态脉冲信号，连接至微控制器单元的脉冲信号输入端。

所述电流检测单元包括电流互感器和信号调理电路，电流互感器的输出连接至信号调理电路的输入端；信号调理电路的输出端连接至微控制器单元中A/D转换单元的模拟信号输入端；所述电流互感器设置在输出插座的相线输入端与继电开关输出端之间的连接线上。

所述直流稳压电源单元由继电开关驱动电源稳压电路和直流工作电源稳压电路组成，继电开关驱动电源稳压电路具有第一交流电源输入端、第二交流电源输入端和继电开关驱动电源输出端；第一交流电源输入端连接至继电开关输出端，第二交流电源输入端连接至按钮输出端；继电开关驱动电源输出端设置有储能电容；直流工作电源稳压电路的输入端连接至继电开关驱动电源输出端。

所述继电开关驱动单元由继电器线圈和驱动电路组成；继电器选择磁保持继电器；驱动电路具有继电开关置位信号输入端、继电开关复位信号输入端，分别连接至微控制器单元的继电开关置位信号输出端、继电开关复位信号输出端；驱动电路的输出连接至继电器线圈。

所述继电开关和继电器线圈为同一个继电器中的不同部件。

所述继电开关驱动电源稳压电路为电容降压半波整流电路，由第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第一稳压管、第一二极管组成；第一电容与第一电阻并联后的一端连接至第一稳压管阴极，另外一端为第一交流电源输入端，连接至继电开关输出端；第二电容与第二电阻并联后的一端连接至第一稳压管阴极，另外一端为第二交流电源输入端，连接至按钮输出端；第一稳压管阳极连接至公共地；第一二极管阳极连接至第一稳压管阴极，阴极为继电开关驱动电源输出端；第三电容并联在和公共地之间；公共地连接至交流电源的零线。

所述直流工作电源稳压电路由第三电阻、第二稳压管、第四电容组成；第三电阻的一端、第二稳压管阴极、第四电容的一端联结，联结点为直流工作电源输出端；第三电阻的另外一端为直流工作电源稳压电路的输入端，连接至继电开关驱动电源输出端；第二稳压管阳极、第四电容的另外一端连接至公共地。

所述按钮状态判别单元由第四电阻、第五电阻、第三稳压管组成；第四电阻、第五电阻组成分压电路，分压电路输入连接至按钮输出端；分压电路输出端为按钮状态脉冲信号输出端；第三稳压阴极连接至按钮状态脉冲信号输出端，阳极连接至公共地。

所述信号调理电路包括电流反相放大电路和基准电压电路；由运放、第六电阻、第五电容组成电流反相放大电路，电流互感器连接至电流反相放大电路的输入端，运放输出端输出连接至微控制器单元的模拟信号输入端；第七电阻、第四稳压管组成基准电压电路，基准电压输出端连接至运放的同相输入端。

所述继电开关驱动单元由继电器线圈、驱动器、第八电阻、第九电阻组成；继电器线圈连接至驱动器的输出端；驱动器的置位输入端连接至微控制器单元的继电开关置位信号输出端，复位输入端连接至微控制器单元的继电开关复位信号输出端；第八电阻、第九电阻分别是驱动器置位输入端、复位输入端的下拉电阻；驱动器选择磁保持继电器驱动器BH3023。

所述电流检测单元和微控制器单元由直流工作电源供电，继电开关驱动单元由继电开关驱动电源供电。

本实用新型的有益效果是：（1）待机自动断电功能，用电器待机超过一定时间后，断开插座内开关，自动切断插座电源，保证用电安全；（2）普通手动开关功能，可使用按钮手动接通或者断开插座电源；（3）能够测量并保存用于用电器待机判别的的待机电流阈值，停电后待机电流阈值不丢失；（4）插座电源断开后，用电器及插座内控制电路的交流电源被全部切断，实现了零功耗待机，也保证了插座自身的安全；（5）在正常供电状态，插座本身功耗极低；（6）手动接通电源、手动断开电源、测量待机电流阈值使用同一个按钮进行操作。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型按钮、继电开关、直流稳压电源单元、按钮状态判别单元的实施例。

图3为本实用新型电流检测单元的实施例。

图4为本实用新型继电开关驱动单元实施例。

图5为本实用新型微控制器单元的实施例。

图6为本实用新型微控制器程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种待机自动断电插座，由输出插座、继电开关、按钮、微控制器单元、继电开关驱动单元、电流检测单元、直流稳压电源单元、按钮状态判别单元组成。

继电开关与按钮的输入端都连接至交流电源的相线，输出插座的相线输入端连接至继电开关的输出端；输出插座的零线输入端与交流电源零线连接。

图1中的交流负载为需要待机时自动切断电源的用电器，交流负载的输入电源连接至输出插座。

微控制器单元起控制核心作用，至少包括有带1路模拟信号输入端的A/D转换单元、1路脉冲信号输入端、2路数字信号输出端以及非易失存储器。

电流检测单元包括电流互感器和信号调理电路，电流互感器设置在输出插座的相线输入端与继电开关输出端之间的连接线上，电流互感器的输出连接至信号调理电路的输入端。信号调理电路将电流互感器检测到的负载电流转换成合适范围的电压输出，其输出端连接至微控制器单元内部A/D转换单元的模拟信号输入端。

直流稳压电源单元具有第一交流电源输入端、第二交流电源输入端和继电开关驱动电源输出端、直流工作电源输出端；第一交流电源输入端连接至继电开关输出端，第二交流电源输入端连接至按钮输出端；继电开关驱动电源给继电开关驱动单元供电，直流工作电源给电流检测单元和微控制器单元供电。

按钮状态判别单元的输入端连接至按钮输出端，输出端输出按钮状态脉冲信号，连接至微控制器单元的脉冲信号输入端。按钮供电直流电源取样单元的功能是：按钮处于按下状态时，输出周期脉冲信号至微控制器的脉冲信号输入端；按钮未按下时，输出低电平信号至微控制器的脉冲信号输入端。

继电开关驱动单元由继电器线圈和驱动电路组成；继电器选择磁保持继电器；驱动电路具有继电开关置位信号输入端、继电开关复位信号输入端，分别连接至微控制器单元的相应输出端；驱动电路的输出连接至磁保持继电器的线圈。继电开关置位信号、继电开关复位信号从微控制器单元的数字信号输出端输出。

磁保持继电器处于置位状态时，继电开关接通；磁保持继电器处于复位状态时，继电开关断开。

按钮、继电开关、直流稳压电源单元、按钮状态判别单元的优选实施例如图2所示。

直流稳压电源单元由继电开关驱动电源稳压电路和直流工作电源稳压电路组成。

继电开关驱动电源稳压电路为电容降压半波整流电路，由第一电容301、第二电容303、第三电容307、第一电阻302、第二电阻304、第一稳压管305、第一二极管306组成。第一电容301与第一电阻302并联后的一端连接至第一稳压管305阴极，另外一端为第一交流电源输入端，连接至继电开关输出端L1；第二电容303与第二电阻304并联后的一端连接至第一稳压管305阴极，另外一端为第二交流电源输入端，连接至按钮输出端L2；第一稳压管305阳极连接至公共地；第一二极管306阳极连接至第一稳压管305阴极，阴极为继电开关驱动电源VDD输出端；第三电容307并联在VDD和公共地之间。继电开关101与按钮201的输入端都连接至交流电源的相线L，公共地连接至交流电源的零线N。

直流工作电源稳压电路由第三电阻308、第二稳压管309、第四电容310组成；第三电阻308的一端、第二稳压管309阴极、第四电容310的一端联结，联结点为直流工作电源VCC输出端；第三电阻308的另外一端为直流工作电源稳压电路的输入端，连接至VDD；第二稳压管309阳极、第四电容310的另外一端连接至公共地。

输出插座的相线输入端连接至继电开关101输出端L1；输出插座的零线输入端与交流电源零线N连接。

按钮状态判别单元由第四电阻401、第五电阻402、第三稳压管403组成。第四电阻401、第五电阻402组成分压电路，分压电路输入连接至按钮输出端L2；分压电路输出端为按钮状态脉冲信号V0输出端；第三稳压管403阴极连接至按钮状态脉冲信号V0输出端，阳极连接至公共地。

直流稳压电源单元工作原理是：

按钮201或者是继电开关101单独接通，以及同时接通时，由第一电容301、第二电容303降压后，在第一稳压管305阴极得到接近方波形状的单相半波稳压波形，经第一二极管306向第三电容307隔离充电，第三电容307为继电开关驱动电源VDD的储能电容。后面所接的直流工作电源稳压电路进一步降压稳压，得到直流工作电源VCC。第一电阻302、第二电阻304为阻值很大的降压电容放电电阻。继电开关驱动电源VDD电压通常是24V，或者是12V；直流工作电源VCC电压根据微控制器单元的电源要求，通常在3～5V。

按钮状态判别单元工作原理是：

按钮201按下时，其输出端为交流电源相线电压，峰值311V；即使考虑20%的电源电压波动，峰值电压也有248V；选取合适的分压电路分压比，例如，选择2%的分压输出比例，则按钮201按下时，第五电阻402上可以得到最小峰值约5V的交流电压，由第三稳压管403进行钳位保护后，形成按钮状态脉冲信号V0送至微控制器单元；不考虑交流电源的抖动影响，按钮201按下时，1个工频周期内，在正半波的峰值处输出1个脉冲，负半波由第三稳压管403反向钳位保护，输出低电平。考虑到交流电源的抖动影响，按钮201按下时，1个工频周期内，按钮状态脉冲信号V0输出1个或多个脉冲；或者说，按钮201按下时，1个工频周期内，按钮状态脉冲信号V0至少输出1个脉冲。

按钮201未按下，继电开关101接通时，在第一稳压管305阴极得到接近方波形状的电压波形，考虑第二电容303、第四电阻401的充放电时间常数较大，按钮201输出端L2的电压波形与第一稳压管305阴极电压波形接近，最大值不超过25V；分压后，按钮状态脉冲信号V0的脉动电压值最大不超过0.5V，维持在低电平范围内；因此，按钮201未按下，继电开关101接通时，按钮状态脉冲信号V0维持为低电平状态，不输出脉冲信号。

电流检测单元实施例如图3所示，信号调理电路包括电流反相放大电路和基准电压电路；运放502、第六电阻503、第五电容504组成电流反相放大电路，电流互感器501连接至电流反相放大电路的输入端，运放502输出端输出与电流互感器501输出电流成比例关系的电流检测信号U0。第七电阻505、第四稳压管506组成基准电压电路，基准电压UF0输出端连接至运放502的同相输入端。电流检测单元由直流工作电源VCC供电，其工作原理是，电流互感器501的输出电流流过第六电阻503，在运放502的输出端得到一个电压信号U0；U0以基准电压UF0为中心点交变，变化幅度与负载电流成比例关系；U0的最大变化范围在直流工作电源VCC和公共地之间。运放502选择轨到轨输出的单电源运放AD8031。

交流负载的待机电流比工作时的额度电流要小很多，为了保证待机电流测量的灵敏度，可以加大电流反相放大电路的放大倍数，在交流负载正常工作、负载电流较大时，让电流反相放大电路进入饱和状态。

继电开关驱动单元实施例如图4所示，继电器选择单线圈磁保持继电器，驱动电路由驱动器602、第八电阻603、第九电阻604组成；继电器线圈601连接至驱动器602的输出端QA、QB；驱动器602的置位输入端A连接至微控制器的继电开关置位信号输出端VA，复位输入端B连接至微控制器的继电开关复位信号输出端VB；第八电阻603、第九电阻604分别是驱动器602置位输入端A、复位输入端B的下拉电阻，分别连接至输入端与公共地。驱动器602选择磁保持继电器驱动器BH3023。

继电开关和继电器线圈为同一个磁保持继电器中的不同部件。继电开关驱动单元由继电开关驱动电源供电。

微控制器单元实施例如图5所示，由微控制器701组成，微控制器701选择MSP430G2553，其内部具有8路10位A/D转换器、上电复位电路和RC振荡电路，且其Flash存储器可以进行系统内编程，当做非易失存储器使用；继电开关置位信号VA从微控制器701的数字信号输出端P2.0输出，继电开关复位信号VB从数字信号输出端P2.1输出；电流检测信号U0连接至微控制器701的模拟信号输入端A0/P1.0，按钮状态脉冲信号V0连接至微控制器701的脉冲信号输入端P1.1。微控制器单元由直流工作电源VCC供电。

所述待机自动断电插座通断电源的方法通过在微控制器单元中运行的程序实现，程序流程如图6所示，包括：

步骤一，接通继电开关101；方法是，按下按钮201，微控制器单元上电，复位后发出100ms宽的继电开关置位信号使继电开关置位，接通继电开关101。

步骤二，等待按钮201释放；方法是，微控制器单元通过检测脉冲信号输入端输入的按钮状态脉冲信号V0，判别按钮201是否释放；按钮201释放时，按钮状态脉冲信号V0为低电平；按钮201按下时，按钮状态脉冲信号V0在1个工频周期内至少输出1个脉冲；因此，只有在连续几个工频周期，例如说，连续5个工频周期，即连续100ms时间内，按钮状态脉冲信号V0维持为低电平，才判别按钮201已经释放，等待按钮释放的过程结束，进入下一步骤。微控制器单元要判别连续一段时间内，是否有脉冲信号输入，可以使用外部中断方式、外部脉冲计数方式、外部脉冲捕捉方式。实施例将按钮状态脉冲信号V0连接至微控制器701的P1.1，使用外部中断方式进行判别，即，连续100ms时间内，P1.1没有申请外部中断，则按钮201已经释放。

步骤三，测量交流负载电流值；方法是，以不低于2次/ms的速率连续启动A/D转换对电流检测信号U0进行检测；取1个工频周期之内电流检测信号U0的最大值与最小值之差为该工频周期的电流检测信号峰—峰值；取最近5次电流检测信号峰—峰值的平均值为交流负载电流值。

步骤四，待机状态判别及处理；方法是，交流负载电流值连续一段时间小于保存在微控制器701的Flash存储器中的待机电流阈值，则判别交流负载进入待机状态，进入步骤六，否则进入下一步骤；交流负载电流值连续小于待机电流阈值的时间可以取15s、30s、1min，也可以是其他长度的时间。

步骤五，检测按钮201状态并处理；方法是，按钮201没有按下，返回步骤三；按钮201按下时间短于2s，进入步骤六；按钮201按下时间超过2s，微控制器单元进行交流负载待机电流值测量，取连续多次电流检测信号峰—峰值的平均值为实际的交流负载待机电流值；交流负载实际待机电流值乘以裕量系数得到待机电流阈值；将待机电流阈值写入微控制器701的Flash存储器中；返回步骤二；所述的裕量系数应该大于1，例如，取裕量系数为1.2。

步骤六，微控制器701发出100ms宽的继电开关复位信号使继电开关复位，断开继电开关101，等待失电并停止工作。

1个工频周期的时间是20ms。

在进行继电开关供电和按钮供电电流计算时，依据以下原则：

继电开关接通时供电电流需略大于直流工作电源VCC所需电流。在实施例中，MSP430G2553的工作电流小于0.4mA，AD8031及其外围电路的工作电流小于1mA，继电开关驱动单元的静态电流几乎为0，因此，继电开关供电电流只需大于1.5 mA即可。选择第一电容301的容量，使直流平均电流为2mA，VDD电源电压12V，则按钮未按下时，直流电源消耗的功率是24mW；第一电阻302取2MΩ，消耗的功率约24mW，即在正常工作时，待机自动断电插座消耗的功率不超过50mW。

按钮按下时，需要驱动继电开关置位或者复位，其提供的电流需要保证能够直接驱动继电开关的动作。例如，选择线圈电压12V的16A宏发HFE20型磁保持继电器时，线圈电阻360Ω，线圈额定电流34mA，因此，选择第二电容303的容量，应该保证按钮供电时的直流平均电流大于34mA。

在由继电开关供电，插座正常工作时，一旦判断交流负载进入待机状态，需要驱动继电开关复位，此时的驱动电能由储能电容提供。因为继电开关供电的电流略大于直流工作电源VCC的所需电流，其超过部分会对第三电容307进行充电，直至第三电容307的电压充满达到12V。第三电容307为继电开关驱动单元提供驱动电流时，需要维持100ms时间之内电压不低于10V，或者说，放电时间常数不小于500ms。线圈电阻360Ω，需要第三电容307的电容量大于1389μF，可以选择第三电容307的容量为2200μF。继电器线圈电压选择24V时，第三电容307的容量可以降低。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种待机自动断电插座，其特征在于，由输出插座、继电开关、按钮、微控制器单元、继电开关驱动单元、电流检测单元、直流稳压电源单元、按钮状态判别单元组成；

所述继电开关与按钮的输入端都连接至交流电源的相线；输出插座的相线输入端连接至继电开关输出端；输出插座的零线输入端与交流电源零线连接；

所述微控制器单元至少包括有带1路模拟信号输入端的A/D转换单元、1路脉冲信号输入端、2路数字信号输出端、非易失存储器；

所述按钮状态判别单元输入端连接至按钮输出端，输出端连接至微控制器单元的脉冲信号输入端；

所述电流检测单元包括电流互感器和信号调理电路，电流互感器的输出连接至信号调理电路的输入端；信号调理电路的输出端连接至微控制器单元中A/D转换单元的模拟信号输入端；所述电流互感器设置在输出插座的相线输入端与继电开关输出端之间的连接线上；

所述直流稳压电源单元由继电开关驱动电源稳压电路和直流工作电源稳压电路组成，继电开关驱动电源稳压电路具有第一交流电源输入端、第二交流电源输入端和继电开关驱动电源输出端；第一交流电源输入端连接至继电开关输出端，第二交流电源输入端连接至按钮输出端；继电开关驱动电源输出端设置有储能电容；直流工作电源稳压电路的输入端连接至继电开关驱动电源输出端；

所述继电开关驱动单元由继电器线圈和驱动电路组成；继电器选择磁保持继电器；驱动电路具有继电开关置位信号输入端、继电开关复位信号输入端，分别连接至微控制器单元的继电开关置位信号输出端、继电开关复位信号输出端；驱动电路的输出连接至继电器线圈；

所述继电开关和继电器线圈为同一个继电器中的不同部件。

2.如权利要求1所述的待机自动断电插座，其特征在于，所述继电开关驱动电源稳压电路为电容降压半波整流电路，由第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第一稳压管、第一二极管组成；第一电容与第一电阻并联后的一端连接至第一稳压管阴极，另外一端为第一交流电源输入端，连接至继电开关输出端；第二电容与第二电阻并联后的一端连接至第一稳压管阴极，另外一端为第二交流电源输入端，连接至按钮输出端；第一稳压管阳极连接至公共地；第一二极管阳极连接至第一稳压管阴极，阴极为继电开关驱动电源输出端；第三电容并联在和公共地之间。

3.如权利要求1所述的待机自动断电插座，其特征在于，所述直流工作电源稳压电路由第三电阻、第二稳压管、第四电容组成；第三电阻的一端、第二稳压管阴极、第四电容的一端联结，联结点为直流工作电源输出端；第三电阻的另外一端为直流工作电源稳压电路的输入端，连接至继电开关驱动电源输出端；第二稳压管阳极、第四电容的另外一端连接至公共地；公共地连接至交流电源的零线。

4.如权利要求1所述的待机自动断电插座，其特征在于，所述按钮状态判别单元由第四电阻、第五电阻、第三稳压管组成；第四电阻、第五电阻组成分压电路，分压电路输入连接至按钮输出端；分压电路输出端为按钮状态脉冲信号输出端；第三稳压阴极连接至按钮状态脉冲信号输出端，阳极连接至公共地。

5.如权利要求1所述的待机自动断电插座，其特征在于，所述信号调理电路包括电流反相放大电路和基准电压电路；由运放、第六电阻、第五电容组成电流反相放大电路，电流互感器连接至电流反相放大电路的输入端，运放输出端输出连接至微控制器单元的模拟信号输入端；第七电阻、第四稳压管组成基准电压电路，基准电压输出端连接至运放的同相输入端。

6.如权利要求1所述的待机自动断电插座，其特征在于，所述继电开关驱动单元由继电器线圈、驱动器、第八电阻、第九电阻组成；继电器线圈连接至驱动器的输出端；驱动器的置位输入端连接至微控制器单元的继电开关置位信号输出端，复位输入端连接至微控制器单元的继电开关复位信号输出端；第八电阻、第九电阻分别是驱动器置位输入端、复位输入端的下拉电阻。

7.如权利要求6所述的待机自动断电插座，其特征在于，所述驱动器选择磁保持继电器驱动器BH3023。

8.如权利要求1所述的待机自动断电插座，其特征在于，所述微控制器单元选择微控制器MSP430G2553。

9.如权利要求1所述的待机自动断电插座，其特征在于，所述电流检测单元和微控制器单元由直流工作电源供电，继电开关驱动单元由继电开关驱动电源供电。