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制作手机充电器防漏电保护装置摘要：随着现代电子科技技术的飞速发展，智能手机几乎已成为人们日常生活不可或缺的部分。然而在给这些电子产品充电时，却很少有人会去重视一些因用电而导致的一些隐藏威胁。近期新闻内不断播报因手机漏电而引发的危险事故，这些事件在不断呼吁人们，使用科技带来便利的同时，切记不可忽视用电安全。本课题专门针对手机充电时交易引发的漏电现象展开研究，希望找到相应对策保护使用者的生命及财产安全。关键词：防漏电、保护装置、电路、继电器、稳压器一、研究背景现代消费类电子产品从录像机的兴起而显露雏形。随着科学技术的不断发展进步，以及电子技术的迅猛发展，近年来一批有着强大的市场潜力的新型消费类电子产品正在悄悄走进我们的生活。如个人数字助理(PDA)、mp3、数码相机、个人视频记录器(PVR)、平板电脑、智能手机等。人们在享受着这些便携设备所带来的便捷的同时，也在承受着这些产品续航能力不足所带来的烦恼。为提高产品的续航能力，人们使用智能充电宝或充电器来给产品充电，但由于目前充电器市场管理混乱，产品鱼龙混杂，由充电器产品引发的安全问题不时见诸于报端，最近有两则新闻令人震惊：1.2013年7月11日晚，南航空姐马爱伦用正品iphone5充电时通了个电话，突然被一股强烈的电流击倒。法医鉴定死者颈部有明显电击痕迹，死因为触电身亡。2.7月8日晚，30岁的北京男子武建同在给苹果iPhone4手机充电时遭受电击，尽管暂时保住了一条命，但人尚处于昏迷中。我们在感叹生命脆弱的同时，也在思考导致这些事件发生的根本原因。面对频频发生的手机充电事故，作为学生的我们也能够做些什么。二、研究目的：本课题旨在深入研究手机充电器的工作于使用原理，分析可能造成手机充电时漏电的可能原因。并根据探究结果设计并制作一个手机充电器防漏电保护装置，要求考虑到设计的可行性、耐用性及成本造价问题，且能够投入日常实际应用。三、研究方法与过程：1、充电器漏电保护装置设想：考虑到现在市场上的充电器大部分具有USB输出接口，充电保护装置的结构可以采用下图所示结构，该装置对外接口包括一个通用USB插头和一个USB插座，插头用于与普通充电器相连，USB插座用于与充电电线相连。使用时只需将该保护装置连接到充电器后端，就可以在充电的同时畅享各类消费类电子产品带来的便捷与快乐，而免受漏电带来的各种烦恼。示意图1如下：图1组成示意图实验材料：电路板、电容、继电器等。2、充电器漏电保护装置主要功能及设计指标2.1主要功能根据以上分析，我们课题组将目标定位解决充电器220V漏电保护的问题。即安全保护装置的主要功能是：正常状况下保护装置不影响充电功能；当充电器的输出接口出现220V交流电时，保护装置应立即切断充电器输出，将220V交流电与被充电设备和人员隔离。2.2主要指标对于安全保护装置需要达到的指标，我们初步认为在以下两个方面必须加以约束：必须能够满足一般家庭的使用环境：在我国，家庭中使用的市电电压标准为220V±10%，因此安全保护装置发生保护动作的电压范围不得小于198V～242V。发生漏电时要确保人员的安全：触电对于人员的危害程度取决于电流作用于人体的时间。一般来说，通过人体的电流I和作用时间T的乘积不超过50毫安秒（即：IT≤50mA·S）可以认为是安全的。而影响流过人体电流大小的因素除了施加的电压之外就是人体自身的电阻。人体的电阻主要是皮肤角质层的电阻，当皮肤清洁、干燥、完好时，阻值可达10kΩ以上；若皮肤潮湿、破损或粘有电性粉尘时，其阻值可急剧下降到800Ω～1000Ω。我们以危险性较高的1000Ω计算，220V时触电超过0.2秒人员就会发生危险。因此，安全保护装置的动作时间不能大于0.2秒。3、充电器漏电保护装置设计理念：经过查阅资料与课题组讨论，我们决定使用整流电路作为触发电路，作用主要有两方面：一是利用整流电路过交流隔直流的特性，使触发电路只响应交流信号不响应直流信号；二是将220V交流转换为后续电路更容易处理的直流信号。切换电路使用继电器电路实现。继电器可以控制充电器输出接口的物理通断，绝缘性能高，当发生漏电更加安全可靠。考虑到整流电路输出的信号一般电压波动较大，如果直接接入继电器电路的话，会造成电路功能不稳定。因此我们在整流电路与切换电路之间增加一个稳压电路。整套方案中的整流电路、继电器、稳压电路使用到的都是常用器件，价格便宜。构想如下图：图2保护装置电路的原理框图4、充电器漏电保护装置设计图纸：安全保护装置的电路设计见附件1，下面按功能分别介绍各部分电路设计。4.1整流电路设计整流电路我们使用单相桥式整流，电路设计如图3。图3整流电路注解：（1）T1是变压器，主要功能是调整交流电压的幅值。我们选用定制的DB-5VA型器件，可以将220V转为43V。（2）D1是桥式整流器，主要功能是变交流为直流。工作原理如下：T1的输出u2是交流正弦波，如图4-（c）。当u2处于正半周时，桥式整流器中的D1、D3导通，D2、D4截止，电流由变压器Tr次级上端经D1→RL→D3回到T次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。如图4-（a）。当u2处于负半周时，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→RL→D4回到Tr次级上端，在负载RL上得到另一半波整流电压。如图4-（b）。这样在一个完整u2周期内，负载RL上得到一个始终是同向的电压波形，完成了从交流到直流的变换，如图4-（d）。图4桥式整流器工作原理（3）C1是滤波电容，主要功能是利用电容的充放电特性，将桥式整流器输出的脉动电压波形变得平滑，见图5。本设计中使用的是100uF的电解电容。图5电容滤波示意图4.2稳压电路设计电源芯片D2使用的是recom公司的三端稳压器R-78HB5.0-0.5，它具有稳定度高、适应性强、使用方便的优点。该芯片输入电压范围为直流9V-72V，输出电压5V，电流0.5A。在整个电压范围内效率可达80%以上。电路设计见图6。图6稳压电路注解：（1）C2为输入端滤波电容，可抵消电路的电感效应和滤波输入线窜入的干扰脉冲，这里取0.1uF瓷介电容。（2）C3是为减小输入端纹波电压，使用3.3uF的电解电容。（3）V1为保护二极管，防止反向电压击穿稳压器。4.3继电器电路设计一般情况下，保护装置的输入和输出接口通过继电器连接，可以正常充电；当输入接口上出现220V漏电时，经过稳压电路会输出一个5V信号驱动继电器断开输入与输出接口的连接。电路设计见图7。图7继电器电路注解：（1）K1选用双线圈的磁保持继电器，它依靠自身的永磁力即可保持触点的断开或闭合状态。也就是说只有当需要改变触点状态时才需要给线圈加电，线圈断电后触点状态可以保持。两个线圈分别受稳压电路和复位开关控制。继电器的断开时间小于3毫秒，远小于前文分析的0.2秒的指标要求。单相桥式整流。（2）V2、V3是保护二极管，分别并联在继电器的两个线圈两端，连接极性与控制信号相反，提供继电器线圈断电时的放电回路。（3）SW1是拨码开关，用于继电器复位。当继电器发生保护动作断开输入与输出的连接之后，可以打开复位开关使继电器恢复到输入输出连接的状态。（4）X1是输入USB接口。（5）X2是输出USB接口。5.测试及验证情况经测试，安全保护装置能够达到预期目的。如图8所示，正常充电情况下，+5V充电电源从充电输入口直接连接到装置的输出口。当充电输入为220V市电时，经过变压器调整幅值、桥式电路整流、滤波电路初步稳压、最终经过稳压电路变为+5V信号控制继电器切断充电输入与装置输出的连接，使220V市电无法输出到待充电的设备或操作人员。图8安全保护装置工作示意图经过多次验证，本装置可以对36V～260V之间的交流电实现保护功能，切断时间约3毫秒，达到了设计指标要求。四、总结本装置可以在充电器发生漏电时立即切断电源，提高了设备与人员的安全性。五、体会通过本次课题的实践，我们得到了许多与专业人员进行交流的机会，小组成员不仅掌握了有关电路的相关知识，跟进一步了解了科学探究所必经的方法与步骤。我们也深刻体会到了科学来源于生活，更要服务于生活。由于所学知识的有限，我们得到了许多外界的帮助，希望随着知识量的扩大，今后我们能够更加独立地完成课题。六、参考文献1.《实用电源电路设计：从整流电路到开关稳压器》户口川朗著高玉苹等译2.《开关电源理论及设计》周洁敏编著3.《电磁场与机电能量转换》周顺荣主编附件1