TWI431882B - Electric shock protection device - Google Patents

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TWI431882B TW100100872A TW100100872A TWI431882B TW I431882 B TWI431882 B TW I431882B TW 100100872 A TW100100872 A TW 100100872A TW 100100872 A TW100100872 A TW 100100872A TW I431882 B TWI431882 B TW I431882B
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Description

電擊防護裝置
本發明係提供一種電擊防護裝置，特別是可避免電子裝置藉由人體(或稱受體)形成導電迴路而造成人體(或稱受體)遭受電擊的一電擊防護裝置。
習知技術中，電子裝置係藉由整流器將來自於市電的交流電整流成直流電以提供該電子裝置使用。然而，當該電子產品僅接觸其一交流電源端時，使用者係有可能因誤觸該電源輸入之另一交流電源端，而導致該電源端藉由該使用者形成導電迴路。此時，若該交流電源端所產生之交流電係處於低壓部分時，則對於人體而言係為高阻抗，人體不致於受到電擊；反之，若該交流電源端所產生之交流電係處於高壓部分時，人體的內阻會隨著電壓的提高而降低，使得使用者係會因交流電的高壓部分而遭受到電擊。
故於此提供一種結合電子裝置內整流器的一個防止電擊的裝置，用以避免使用者因與該電子裝置形成導電迴路而有可能遭受到電擊的危險。
本發明之目的係提供一種電擊防護裝置，其藉由偵測輸入電源是否與受體串聯，判斷是否對負載送電用以避免受體受到電擊。
為達到上述目的，本發明係提供一種電擊防護裝置，係與負載連接，其包含電壓輸入單元、整流單元、判斷單元、輸出控制單元與開關單元。其中，該電壓輸入單元係外部的交流電源；該整流單元係與該電壓輸入單元連接且將該交流電壓整流為直流時變電壓；該判斷單元係與該整流單元連接，且該判斷單元透過直流時變電壓是否小於或大於預設電壓(36V)，以選擇輸出控制信號，用以判斷輸入電源是否有外部的受體串聯；該輸出控制單元係與該判斷單元連接，且根據該判斷單元的判斷結果，用以決定是否提供控制信號至該輸出控制單元；以及，該開關單元係連接該輸出控制單元，且該開關單元係由輸出控制單元控制是否維持或中斷該負載的導電迴路。
與習知技術相較，本發明係提供一種電擊防護裝置，係在安全電壓範圍內(小於36V)進行是否有人體接觸的判斷，避免判斷的過程對人體造成傷害，再依據判斷的結果決定負載的送電與否，以防止人體與負載的串聯受電，造成人體電擊的危險。故本發明係提供具有電源整流的電子產品，可用於避免使用者因誤觸該電子產品之單一電源輸入端而造成電擊危險的目的。換言之，人體不致於因為與該負載的串聯受電，而有使人體遭遇電擊的疑慮。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：參考第一圖，係本發明電擊防護裝置實施例之方塊示意圖。圖中顯示，該電擊防護裝置2係與負載6連接，其包含電壓輸入單元8、整流單元10、判斷單元12、輸出控制單元14與開關單元16。
該電壓輸入單元8係接收外部的交流電壓ACV，例如該交流電壓係可來自於市電。換言之，該交流電壓ACV係提供具有正負半周期的正弦波訊號。
該整流單元10係與該電壓輸入單元8連接。該導電迴路係使得該交流電壓ACV可經由該整流單元10整流為直流時變電壓DCV。此外，該整流單元10係為半波整流或全波整流，其中，該全波整流係為橋式整流器。
判斷單元12係與該整流單元10連接，係用以判斷本實施例之電擊防護裝置2是否與一受體4串接。於本實施例中，此受體係為一人體。在一般狀態下，當人體連接於一電源與一接地端點時，人體的導電狀態與否會受到此電源的電壓值大小影響。連接低電壓時，人體會處於高阻抗狀態(或絕緣狀態)；相反的，若處於高電壓時，人體則處於低阻抗的狀態(或導通狀 態)。因此，人體的導電與否，與電源的電壓值高低有關。
於本實施例中該電擊防護裝置2係藉由受體4連接至接地端以形成導電迴路。換言之，該改變係當在交流電壓ACV處於高壓部分的狀態下，該受體4係呈現低電阻的狀態，使得高壓部分傳導至該受體4，而讓該受體4遭受到電擊；反之，當在交流電壓ACV處於低壓部分的狀態下，該受體4係呈現高電阻的狀態，該受體4不致於遭受到電擊。而該判斷單元12之判斷是否串接該受體4之判斷方式如下所述。
在該判斷單元12係接收該直流時變電壓DCV之後，可判斷該直流時變電壓DCV的電壓大小是否大於預設電壓PV，以選擇輸出控制信號CS。其中，該預設電壓PV較佳設定可為36伏特。一般而言，判斷單元12的輸入電壓小於36V時，可視為電流已經流經外部受體4所形成的導電迴路。因此，判斷單元12可根據是否提供負載6之額定電流為依據，進而判斷輸入電源是否有外部的受體4串聯。
再者，於一實施例中，該判斷單元12係進一步包含具有電壓比較器122與第一開關124，且該判斷單元12係與該整流單元10連接。其中，該電壓比較器122係根據該直流時變電壓DCV產生對應的控制訊號 CS，而該控制訊號CS係用以決定該第一開關124是否開啟(或稱導通)或關閉(或稱截止)，進而使得該第一開關124形成開路(open circuit)狀態或短路(short circuit)狀態。值得注意的是，該電壓比較器122的動作狀態係反向於該第一開關124的動作狀態，亦即當該電壓比較器122導通時，該第一開關124的動作狀態係開路(open circuit)狀態；反之，當該電壓比較器122截止時，該第一開關124的動作狀態係短路(short circuit)狀態。於一實施例中，該第一開關124係可為電晶體(BJT)、場效應電晶體(FET)與金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之任其一者。
該輸出控制單元14係與該判斷單元12連接，且根據該判斷單元12的判斷結果，用以決定該直流時變電壓DCV是否提供至該輸出控制單元14。其中，該輸出控制單元14與該判斷單元12之該第一開關12的其一輸出端連接。換言之，該輸出控制單元14係根據流經該第一開關124的電流於該輸出控制單元14上產生的電壓值V，用以控制該開關單元16。於一實施例中，該輸出控制單元14係進一步可包含輸入電阻、二極體、電容器與第二開關之至少其一者。其中，該第二開關係可為電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)、場效電晶體(Field Effect Transistor，FET)與金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)之任其一者，亦即，若以金屬氧化物半導體場效電晶體為例說明(如第二圖所示)，該輸出控制單元14係連接至該金屬氧化物半導體場效電晶體的源極端或汲極端，且閘極端根據控制訊號CS控制該源極端與汲極端之間的導通狀態。
該開關單元16係連接該輸出控制單元14與該負載6之間，且該開關單元16係根據該控制訊號CS選擇維持或中斷與該負載間的導電迴路，用以提供維持或中斷該導電迴路。換言之，當該輸出控制單元14導通時，該開關單元16係藉由該負載6形成導通迴路L；反之，當該輸出控制單元14截止時，該直流時變電壓DCV因無法提供至該負載6而導致無法形成該導通迴路L。亦即，當輸入的交流電壓ACV處於高壓部份時，因大於該預設電壓，故第一開關124與第二開關142同時截止；若輸入的交流電壓ACV係處於由低壓部分提高至高壓部份，則第一開關124導通，再視受體4是否有接觸，選擇性使得該直流時變電壓DCV導通該第二開關142，形成維持或中斷該導電迴路。反言之，維持該導電迴路係表示該第二開關142導通，而中斷該導電迴路係表示該第二開關142開路。
於另一實施例中，該判斷單元12係進一步包含分壓電路126(如第二圖所示)係對該直流時變電壓DCV進行分壓，用以提供該電壓比較器122。其中，該分壓 電路126係電流源與電阻、或電阻與電阻串聯所組成。再者，該電壓比較器122係進一步可包含參考電壓端1222、正極端1224與負極端1226，且該參考電壓端1222係根據分壓的該直流時變電壓DCV設定參考電壓Vref(或稱預設電壓PV)。換言之，該電壓比較器122係根據所設定的該參考電壓Vref，使得當該直流時變電壓DCV於該正極端1224與該負極端1226之間達到該參考電壓Vref時，該電壓比較器122提供穩定的電壓輸出，進而形成提供該第一開關124導通的該控制訊號CS。值得注意的是，該電壓比較器122係與該第一開關124係產生反向控制，即是當該電壓比較器122未達到該參考電壓時，該電壓比較器122進入截止狀態；反之，當該電壓比較器122達到該參考電壓時，該電壓比較器122形成導通。其中，該電壓比較器122係為雙極性接面穩壓電晶體(TL 341)的三端可調分流基準源或齊納二極體(Zener Diode)。
參考第二圖，係本發明電擊防護裝置一實施例之詳細電路圖。於第二圖中，該電擊防護裝置2係與負載6連接，用以防止受體4遭受到交流電壓ACV中高壓部分的電擊。其中，該電擊防護裝置2係包含電壓輸入單元8、整流單元10、判斷單元12、輸出控制單元14與開關單元16。
於此，該整流單元10係以由四個二極體D1-D4所 組成之全波整流橋式整流器為例進行說明。故當該整流單元10接收來自該電壓輸入單元8的交流電壓ACV時，於該整流單元10獲得全波的直流時變電壓DCV。
該判斷單元12係包含電壓比較器122、第一開關124與分壓電路126。該電壓比較器122係以雙極性接面穩壓電晶體(TL 341)的三端可調分流基準源為例進行說明，於另一實施例中，該電壓比較器122係可為齊納二極體或等效的電路所組成，例如運算放大器。再者，該第一開關124係以金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)為例進行說明，而該第一開關124係可為為電晶體(BJT)或場效電晶體(FET)取代。該分壓電路126係分別為二極體D5、D6，於另一實施例中，該等二極體係可為電流源與電阻、或者電阻與電阻所取代，例如第三圖中係以電阻取代該等二極體。該輸出控制單元14係包含輸入電阻R1、二極體D7、電容器C與第二開關142。
故藉由該分壓電路126提供該雙極性接面穩壓電晶體(TL 341)之參考電壓端1222設定該輸出電壓Vout，並且於該雙極性接面穩壓電晶體(TL 341)之負極端1226係連接一二極體D8，且該負極端1226係連接至該第一開關124之閘極端(Gate)；於另一實施例，該二極體D8亦可以電阻、電流源等取代。此外，該雙極性接面穩壓電晶體(TL 341)係根據該雙極性接面穩壓 電晶體(TL 341)的狀態產生控制訊號CS至閘極端，用以控制該第一開關124之該汲極端(drain)與該源極端(source)之間導通與截止。其中，該雙極性接面穩壓電晶體(TL 341)的內部係具有一2.5V的基準電壓，且該雙極性接面穩壓電晶體(TL 341)係可從負極端1226到正極端1224獲得很寬範圍的分流以控制該輸出電壓Vout，一般而言，該雙極性接面穩壓電晶體(TL 341)根據選擇不同的D5和D6的值，其輸出電壓Vout的範圍係可為2.5V~36V。換言之，當D5和D6內的等效電阻R2、R3確定後，其對應的輸出電壓係可表示為Vout=(1+R2/R3)Vref。
當該汲極端與該源極端根據該控制訊號CS導通時，該直流時變電壓DCV之電流I流經該汲極端與該源極端至該輸入電阻R1，且於該輸入電阻R1上產生對應的電壓V。再者，與該輸入電阻R1連接的該二極體D7係具有障壁電壓(約0.2v-0.8v)，當該電壓V高於該障壁電壓時，則該二極體D7導通至該第二開關之閘極端；反之，則該二極體D7係不導通。於本實施例中，當該電壓V扣除該障壁電壓後，足以對電容器C充電，用以控制該第二開關142之導通與截止。值得注意的是，該二極體D7與該閘極端之間的等效電容係可一併包含電容器C與該閘極端、該源極端間的寄生電容。再者，根據該閘極端的電壓，係可用以決定該第二開 關142之汲極端與源極端之間是否導通。再者，藉由該汲極端與該源極端的導通與否係可用以決定該開關單元16是否提供該直流時變電壓DCV至該負載6；換言之，當該汲極端與該源極端之間導通時，該負載6獲得該直流時變電壓DCV。
於另一方面，若當受體4接觸該裝置時，該受體4之低內阻使得流經該輸入電阻R1上的該直流時變電壓DCV之電流I降低，且於該輸入電阻R1所產生之電壓V係不足以使得該二極體D7導通，進而使得該第二開關142之汲極端與源極端不導通，亦即無該直流時變電壓DCV流經該負載6，換言之，該負載6對於受體4所造成的電擊影響不復存在，亦即可避免該受體4受到電擊。
與習知技術相較，本發明係提供一種電擊防護裝置，係在安全電壓範圍內(小於36V)進行是否有人體接觸的判斷，避免判斷的過程對人體造成傷害，再依據判斷的結果決定負載的送電與否，以防止人體與負載的串聯受電，造成人體電擊的危險。故本發明係提供具有電源整流的電子產品，可用於避免使用者因誤觸該電子產品之單一電源輸入端而造成電擊危險的目的。換言之，人體不致於因為與該負載的串聯受電，而有使人體遭遇電擊的疑慮。
本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本 項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應視為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。
2‧‧‧電擊防護裝置
4‧‧‧受體
6‧‧‧負載
8‧‧‧電壓輸入單元
10‧‧‧整流單元
12‧‧‧判斷單元
122‧‧‧電壓比較器
1222‧‧‧參考電壓端
1224‧‧‧正極端
1226‧‧‧負極端
124‧‧‧第一開關
126‧‧‧分壓電路
14‧‧‧輸出控制單元
142‧‧‧第二開關
16‧‧‧開關單元
ACV‧‧‧交流電壓
DCV‧‧‧直流時變電壓
CS‧‧‧控制訊號
PV‧‧‧預設電壓
V‧‧‧電壓值
L‧‧‧導通迴路
Vref‧‧‧參考電壓
D1-D7‧‧‧二極體
R1‧‧‧輸入電阻
C‧‧‧電容器
Vout‧‧‧輸出電壓
R、R2、R3‧‧‧電阻
I‧‧‧電流
第一圖係本發明電擊防護裝置實施例之方塊示意圖。
第二圖係本發明電擊防護裝置一實施例之詳細電路圖。
第三圖係本發明電擊防護裝置另一實施例之詳細電路圖
2‧‧‧電擊防護裝置
4‧‧‧受體
6‧‧‧負載
8‧‧‧電壓輸入單元
10‧‧‧整流單元
12‧‧‧判斷單元
122‧‧‧電壓比較器
124‧‧‧第一開關
14‧‧‧輸出控制單元
16‧‧‧開關單元
ACV‧‧‧交流電壓
DCV‧‧‧直流時變電壓
CS‧‧‧控制訊號
V‧‧‧電壓值
L‧‧‧導通迴路

Claims (11)

  1. 一種電擊防護裝置，係與一負載連接，係包含：電壓輸入單元，係接收外部的交流電壓；整流單元，係與該電壓輸入單元連接，用以使該交流電壓經由該整流單元整流為直流時變電壓；判斷單元，係連接該整流單元連接以接收該直流時變電壓，並根據該直流時變電壓是否大於一預設電壓，以選擇輸出一控制信號；輸出控制單元，係與該判斷單元連接以接收該控制訊號；以及開關單元，係連接該輸出控制單元與該負載間，且根據該控制訊號選擇維持或中斷與該負載間的導電迴路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電擊防護裝置，其中該判斷單元進一步包含電壓比較器與第一開關，該電壓比較器係比較該直流時變電壓與該預設電壓，進而產生對應的控制訊號，用以提供該第一開關根據該控制訊號形成開路(open circuit)狀態或短路(short circuit)狀態。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電擊防護裝置，其中該判斷單元進一步包含分壓電路對該直流時變電壓進行分壓，用以提供該電壓比較器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電擊防護裝置，其中該分壓電路係電流源與電阻或電阻與電阻串聯所組成。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之電擊防護裝置，其中該電壓比較器進一步包含參考電壓端、正極端與負極端，且該參考電壓端係根據分壓的該直流時變電壓設定參考電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電擊防護裝置，其中該電壓比較器係與該第一開關反向動作。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電擊防護裝置，其中該電壓比較器係為雙極性接面穩壓電晶體(TL 341)或齊納二極體(Zener Diode)。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電擊防護裝置，其中該第一開關係為電晶體(BJT)、場效電晶體(FET)與金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之任其一者。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電擊防護裝置，其中該輸出控制單元係進一步包含輸入電阻、二極體、電容器與第二開關之至少其一者。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電擊防護裝置，其中該第二開關係為電晶體(BJT)、場效電晶體(FET)與金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之任其一者。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電擊防護裝置，其中該 整流單元係為一橋式整流器。
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