移动式剩余电流保护器的设计
目录
一、引言 1
二、总体设计 1
三、分功能设计 2
（一）插销过热保护功能模块设计 2
(二）对地漏电保护功能模块设计 4
（三）S功能保护模块设计 5
（四）产品内部的自检及保护模块 5
（五）线圈脱扣组件模块的设计 9
四、制成 12
五、成品测试 12
(一）S功能测试 12
（二）G功能测试。 12
（三）百分百及通断测试 13
（四）耐压测试 13
（五）接地电阻测试 14
总结 16
附录 17
附录一 电路原理图 17
附录二 PCB图 18
附录三 实物图 19
附录四 爆炸图 20
附录五 线圈、塑壳CAD图 21
附录六 自动绕线机绕线程序源 24
参考文献 30
致谢 31
一、引言
随着科技的进步和生活水平的日益提高，各种家用电器也越来越普及。各种各样由家用电器线路老化、进水、虫蚁老鼠的啃食、外界自然环境的风化侵蚀造成的各种漏电引发的火灾在全球范围内呈现爆发式增长，造成人员和财产损失不计其数。因此传统单一的漏电保护器已经无法满足市场需求。
本产品针对市场现有产品的缺点进行改进和优化，形成了多种保护功能融合为一体的漏电保护插头。它具有温度异常保护功能，接地异常保护功能和线路破损漏电截断保护功能。主要可用于电热水器，燃气热水器，太阳能热水器，洗衣 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
机，冰箱，空调等各种功率小于3500w的电器。
总体设计
（一）设计思想
本课题的主要思想是以复合多功能保护为目的，结合现有产品进行深度开发研究而成的。独立移动式剩余电流保护装置(Portable Residual Current Devices)英文缩写PRCD。中文俗称漏电保护插头或移动形式的漏电保护器。以线圈为基本构件，辅以检测磁环来检测漏电信号。首先产品在正常状态下使用机械力，使得线圈中的铁芯一直处于紧扣状态，当处于这种状态下表示电路是正常工作状态。以S功能为例，当线路中出现表皮破损时，产品线材本身内部的屏蔽网与产品内部的屏蔽线相连接，会将检测到的微弱漏电信号快速反馈给产品的脱扣组件，及时对线圈组件进行脱扣断电，保护家用电器的安全，因此，线圈组件是本产品的核心功能模块。产品功能系统简图如图2-1所示。
图2-1 产品功能系统简图
设计原理图
开关S1、S2为产品插入电路中的火线和零线插头片（因为开关S1、S2与脱扣组件相连接，在电路中用开关符号表示）。按下复位开关时，锁柱在弹簧外力作用下，顶住动触头和插头片，使之形成一个接触面保证电路畅通。
LED1（绿色)和R4组成电源指示电路；R9、LED2（红色)、D5串联接在地线上，地线穿过磁环，构成G功能。当有电流泄漏，则判定是从负载端进来，先穿过磁环，磁环检测到电流信号告知脱扣器脱扣断电；S3是地线与地线插头片的接头处；MOV电阻是为了防雷击造成短路而设计；VR电阻是防止内部高压烧坏线圈而设计；泄压电阻R7是两枚并联的贴片电阻，与N线接头处外接一个屏蔽线，构成完整的S功能检测模块。R1电阻可以根据客户对产品不同额定工作电流而自行改变。
图2-2 电路原理图
三、分功能设计
（一）插销过热保护功能模块设计
插销过热保护功能即温度控制功能（B功能）。插销过热就是常见的电器插头与电源接入时，插头发热、发烫。严重时，插头插座烧焦起火。常见热水壶，热水器，电饭锅等插头片及插座都有烧焦腐蚀痕迹，后果严重者可引发火灾，如图3-1所示。
图3-1 插头和插座烧焦图
插销过热原因：
电器线材功率太小
插头内部电器间隙太小达不到安全要求出现耐压不良
家庭电路网布置不合理
针对以上产生的原因，由于这三种原因不在产品设计能力之内，故不作设计考量。在产品内部加入一个微型的温控弹片开关。当温度上升带额定限制温度时，自动断开电路，使得插头和电器以及电源之间不形成回路。从源头上切断引发烧焦插座插头和火灾的根源。
此设计采用温控弹片开关具有以下几个优点：
结构简单成本低
在生产组装过程中不容易被静电击穿
贴合本产品的设计和用途以及生产的可控性便利性
机械结构不容易受到外加信号的干扰
不容易在产品处于恶劣使用环境下出现错误的断电指示
利于修理和更换
本产品所用温控弹片开关如图3-2所示
图3-2温控弹片开关图
对地漏电保护功能模块设计
对地漏电保护功能称为接地功能（G功能）。对地漏电通常是指火线或者相线对地线进行放电，通常情况下因为泄漏电流值过小，不容易被电路中空开所检测。往往被人们所忽视，造成很大的安全隐患。尤其凸显在电热水器漏电伤人事件中。根据中国消费者协会2005年以来发布的权威报告显示，自1997以来中国年均发生热水漏电伤人事故1000起以上，但事后检测相关热水器产品均为合格产品。
因此针对现有产品的缺陷和漏洞，本产品加入了对地漏电保护功能，有效的检测到火线对地线漏电的微弱信号，从而进行断电，保护使用者的人身安全。
本产品利用磁环外加缠绕 L、N及地线从磁环中心穿过的方式，来检测火线对地线的漏电信号，如图3-3所示。
图3-3磁环穿线图
磁环与线缆缠绕连接形成一个电感，电感是导线内通过交流电流时，在导线的内部周围产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。如果电感中通过直流电流时，电感周围只出现固定的磁力线，它不会随时间变化而变化。如果线圈中通过交流电流时，电感周围产生出磁力线，并且随时间变化而变化。根据法拉弟电磁感应定理来分析，变化的磁力线在线圈两极会产生感应电势，这个感应电势遍相当于一个“新电源”。当电路形成新的闭合回路时，此感应电势变会产生感应电流。楞次定律推出感应电流所产生的磁力线总量要阻止磁力线的变化。而外加交变电源会影响磁力线的变化，电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性。在电学上取名为“自感应”，通常表现在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的一瞬间电路产生火花。这是自感现象产生很高的感应电势所造成的。所以，在本设计中附加一个磁环来检测地线中流动的交流电。
图5-6 接地电阻测试图
一、引言 1
二、总体设计 1
三、分功能设计 2
（一）插销过热保护功能模块设计 2
(二）对地漏电保护功能模块设计 4
（三）S功能保护模块设计 5
（四）产品内部的自检及保护模块 5
（五）线圈脱扣组件模块的设计 9
四、制成 12
五、成品测试 12
(一）S功能测试 12
（二）G功能测试。 12
（三）百分百及通断测试 13
（四）耐压测试 13
（五）接地电阻测试 14
总结 16
附录 17
附录一 电路原理图 17
附录二 PCB图 18
附录三 实物图 19
附录四 爆炸图 20
附录五 线圈、塑壳CAD图 21
附录六 自动绕线机绕线程序源 24
参考文献 30
致谢 31
一、引言
随着科技的进步和生活水平的日益提高，各种家用电器也越来越普及。各种各样由家用电器线路老化、进水、虫蚁老鼠的啃食、外界自然环境的风化侵蚀造成的各种漏电引发的火灾在全球范围内呈现爆发式增长，造成人员和财产损失不计其数。因此传统单一的漏电保护器已经无法满足市场需求。
本产品针对市场现有产品的缺点进行改进和优化，形成了多种保护功能融合为一体的漏电保护插头。它具有温度异常保护功能，接地异常保护功能和线路破损漏电截断保护功能。主要可用于电热水器，燃气热水器，太阳能热水器，洗衣 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
机，冰箱，空调等各种功率小于3500w的电器。
总体设计
（一）设计思想
本课题的主要思想是以复合多功能保护为目的，结合现有产品进行深度开发研究而成的。独立移动式剩余电流保护装置(Portable Residual Current Devices)英文缩写PRCD。中文俗称漏电保护插头或移动形式的漏电保护器。以线圈为基本构件，辅以检测磁环来检测漏电信号。首先产品在正常状态下使用机械力，使得线圈中的铁芯一直处于紧扣状态，当处于这种状态下表示电路是正常工作状态。以S功能为例，当线路中出现表皮破损时，产品线材本身内部的屏蔽网与产品内部的屏蔽线相连接，会将检测到的微弱漏电信号快速反馈给产品的脱扣组件，及时对线圈组件进行脱扣断电，保护家用电器的安全，因此，线圈组件是本产品的核心功能模块。产品功能系统简图如图2-1所示。
图2-1 产品功能系统简图
设计原理图
开关S1、S2为产品插入电路中的火线和零线插头片（因为开关S1、S2与脱扣组件相连接，在电路中用开关符号表示）。按下复位开关时，锁柱在弹簧外力作用下，顶住动触头和插头片，使之形成一个接触面保证电路畅通。
LED1（绿色)和R4组成电源指示电路；R9、LED2（红色)、D5串联接在地线上，地线穿过磁环，构成G功能。当有电流泄漏，则判定是从负载端进来，先穿过磁环，磁环检测到电流信号告知脱扣器脱扣断电；S3是地线与地线插头片的接头处；MOV电阻是为了防雷击造成短路而设计；VR电阻是防止内部高压烧坏线圈而设计；泄压电阻R7是两枚并联的贴片电阻，与N线接头处外接一个屏蔽线，构成完整的S功能检测模块。R1电阻可以根据客户对产品不同额定工作电流而自行改变。
图2-2 电路原理图
三、分功能设计
（一）插销过热保护功能模块设计
插销过热保护功能即温度控制功能（B功能）。插销过热就是常见的电器插头与电源接入时，插头发热、发烫。严重时，插头插座烧焦起火。常见热水壶，热水器，电饭锅等插头片及插座都有烧焦腐蚀痕迹，后果严重者可引发火灾，如图3-1所示。
图3-1 插头和插座烧焦图
插销过热原因：
电器线材功率太小
插头内部电器间隙太小达不到安全要求出现耐压不良
家庭电路网布置不合理
针对以上产生的原因，由于这三种原因不在产品设计能力之内，故不作设计考量。在产品内部加入一个微型的温控弹片开关。当温度上升带额定限制温度时，自动断开电路，使得插头和电器以及电源之间不形成回路。从源头上切断引发烧焦插座插头和火灾的根源。
此设计采用温控弹片开关具有以下几个优点：
结构简单成本低
在生产组装过程中不容易被静电击穿
贴合本产品的设计和用途以及生产的可控性便利性
机械结构不容易受到外加信号的干扰
不容易在产品处于恶劣使用环境下出现错误的断电指示
利于修理和更换
本产品所用温控弹片开关如图3-2所示
图3-2温控弹片开关图
对地漏电保护功能模块设计
对地漏电保护功能称为接地功能（G功能）。对地漏电通常是指火线或者相线对地线进行放电，通常情况下因为泄漏电流值过小，不容易被电路中空开所检测。往往被人们所忽视，造成很大的安全隐患。尤其凸显在电热水器漏电伤人事件中。根据中国消费者协会2005年以来发布的权威报告显示，自1997以来中国年均发生热水漏电伤人事故1000起以上，但事后检测相关热水器产品均为合格产品。
因此针对现有产品的缺陷和漏洞，本产品加入了对地漏电保护功能，有效的检测到火线对地线漏电的微弱信号，从而进行断电，保护使用者的人身安全。
本产品利用磁环外加缠绕 L、N及地线从磁环中心穿过的方式，来检测火线对地线的漏电信号，如图3-3所示。
图3-3磁环穿线图
磁环与线缆缠绕连接形成一个电感，电感是导线内通过交流电流时，在导线的内部周围产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。如果电感中通过直流电流时，电感周围只出现固定的磁力线，它不会随时间变化而变化。如果线圈中通过交流电流时，电感周围产生出磁力线，并且随时间变化而变化。根据法拉弟电磁感应定理来分析，变化的磁力线在线圈两极会产生感应电势，这个感应电势遍相当于一个“新电源”。当电路形成新的闭合回路时，此感应电势变会产生感应电流。楞次定律推出感应电流所产生的磁力线总量要阻止磁力线的变化。而外加交变电源会影响磁力线的变化，电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性。在电学上取名为“自感应”，通常表现在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的一瞬间电路产生火花。这是自感现象产生很高的感应电势所造成的。所以，在本设计中附加一个磁环来检测地线中流动的交流电。
图5-6 接地电阻测试图
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