可编程序安全电插座的控制器的制作方法

专利名称：可编程序安全电插座的控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以用来保护而不会受到电击的电连接器，连接座和插座，尤其涉及安全电插座，该插座可以经由一个控制器被设计成在施加电源之前用来分辨可能的触电危险和正常的操作负载。
已知技术的安全电插座和连接器的设计包括设有许多壁式插座和灯泡插座，他们的结构设计成用来进行操作时可防止电击。
已知技术设计的一个共同特征是设有一个机械式的内部开关，经电插头或电负载装置的插入而被操作，例如使一个灯泡进入该插座或连接座。机械式开关的操作用来完成该电插头或负载装置与连续施加电源的活性接点的电连接。此种设计的实例见于下列美国专利案U.S.Patent No.4，271，337U.S.Patent No.4，179，175U.S.Patent No.4，152，557U.S.Patent No.4，148，536U.S.Patent No.4，093，336U.S.Patent No.3，915，536U.S.Patent No.3，895，195U.S.Patent No.3，699，285U.S.Patent No.3，596，019U.S.Patent No.3，579，171U.S.Patent No.2，735，906用来进行防电击操作的另外一种设计见于美国专利No.4，647，120(专利权颁给Karabakakis)，其中有一个电安全插头附有一个小磁铁，当插入到一个插座内时，利用该小磁铁的磁性启动一个内部开关。此种设计的一个变化例见于美国专利No.4，616，285(专利权颁给Sackett)其中该被磁性操作的开关可以从插座的外面接入。
在上述的已知技术的设计中，防止触电危险的方法都是利用机械式障壁，启动器等用来防止人员接触到活性接点。因为是利用机械式的设计，所以只能限制触电的危险的发生而不能完全消除，因为由于机械故障，锈蚀，磨损和松解，以及摩擦等，常会使其功能失灵。任何此种方式的设计假如遭遇到有机械故障或启动故障时，可能产生灾难，因为电插座接点经常被配电系统供电，所以可能由于上述的故障而接触到人体。
广泛使用在220V单相电力系统的另外一种安全装置是一种微分断路器，其设计用来防止发生触电的危险。该种装置之一实例是已知的“Schutzschalter”(亦称为地线泄漏断路器)由Siemens AG of Germany制造和销售。该装置包含有一个环形线圈，它被卷绕成有相位、中性和检拾绕组。该装置的操作原理是在相位和中性绕组之间有电流不平衡时将在该环形线圈感应出电磁磁通，可以利用一个检拾绕组来检测该磁通。该捡拾绕组连接到一个细小的电磁线圈用来拉引一个连杆和触发一个机械装置以此操作该断路器。
因为该相位和中性绕组通常并不会产生刚好相同的电磁磁通，所以经常会有一个小差异存在可以由捡拾线圈来加以检测藉以产生一个感应电压。为很好补偿此问题和获得最大的敏感度，所以设有一个小磁铁可以经由旋转而被校正，用来对操作该断路器的机械装置的触发连杆施加反向力量。然而，该校正必需在工厂进行，因为它是一种力量平衡装置，所以校正的容许误差非常严格。
典型的方式，额定的断路器保护是用在具有30mA泄漏电流时。此种泄漏电流跳脱定额对于人体是非常危险的，在此种电平会受到相当大的电击。然而，假如使敏感度增加藉以响应较小的泄漏电流电平时，该装置就会失灵。这是因为该装置通常被装设成用来保护整个家庭的用电，所以它必需对许多个负载提供服务，每一个负载具有固定有的小泄漏电流，因此增加其敏感度可能造成错误的跳脱。
微分断路器装置的另外一个问题是跳脱机构的设计，它需要机械放大用来使小电磁线圈能够中断高电流接点。通常的方法是使用一个“机械放大器”利用储存之弹簧能量来操作，根据统计报告指出有30%的此种装置在使用一年以后就失灵。
此种装置的另外一个问题是响应速度。因为它是一种机械设计，所以可期望获得的最佳响应时间在毫秒(ms)程度的范围内，此种状况虽然不会致命但是也会使人受到相当大的电击。
如上所述，微分断路器装置至少有下列三个缺点(a)其敏感度受到限制，而且依照严格的校正设定来决定(b)利用储存的弹簧能量来进行操作，随着时间的经过，摩擦，污物和机械零件的老化会使可靠度降低;和(c)具有缓慢的响应，因为它是依靠机械放大，而机械放大的完成需要数个级以串行方式进行。
因此，有需要提供一种安全电插座，不需要依靠机械部分的操作，用以获得较高水平的可靠度和安全性藉以能够实质上消除触电死亡危险。
因此，本发明之一主要目的是用来克服上述的缺点和提供一种可编程序安全电插座的控制器，可以实质上减小触电的危险，其方法是分辨人体和连接到该插座的实际电负载之间的不同。本发明的插座控制器先以预激励的“备用模式”操作，其中并不将额定的电力施加到该负载，而是先核对“假”负载和实际电负载之间的不同。在成功地完成该核对之后，假如确定所连接的是一个实际的电负载时，本发明的插座控制器就自动地变换到“激励”模式，在这期间将电力施加到该负载。
本发明的另一目的是提供泄漏电流保护，其方法是以预激励的“备用”模式测试实际电负载和假负载双方的电流泄漏状况。
本发明的另一目的是以预激励备用模式来决定过负载状况的存在，藉以防止电源施加到该安全电插座。
本发明还有另外一个目的是在该插座被激励之后，当发生有短路、过负载和泄漏电流保护的状况时，解除对该安全电插座的激励。
本发明更有另一个目的是提供一种自动监视的特征，当该安全电插座操作时，用来防止过热状况发生。
本发明还有另外一个目的是提供电脑资料和/或电源线通信给该可编程序安全电插座的控制器藉以激励或停止该插座的操作。
本发明更有另外一个目的是保护灵敏的电用具使其不会因电压突然波动状况，暂态等而造成危险，其方法是在大约10微秒的最小安全间隔内解除该插座的激励。
本发明还有另外一个目的是在对应于零电压交越之瞬间使该插座变成ON，在零电流交越之瞬间使该插座变成OFF，用来避免电感性负载的火花。
依照本发明的一较佳具体实施例，提供一种可编程序安全电插座的控制器装置，它包含有负载连接装置;
测量装置，被连接至该负载连接装置，用来以备用模式测量一组与所连接的负载有关的电特性;
变换装置，用来将该组电特性变换成一组资料值;
处理机装置，用来接收和检查该组资料值，藉以决定对应于一个激励模式的开关信号;和电源开关装置，用来响应该开关信号藉以将电源施加至该负载连接装置，让该激励模式的该负载使用;
该处理机被程序设计成用来产生该开关信号藉以控制该电源开关装置在该备用模式和该激励模式之间的过渡，依照该组资料值的检查用来决定该特性是否与一个实际电负载特性一致。
在本发明的较佳实施例中，该可编程序安全电插座的控制器装置被设置成具有微处理机的设计，并被包围在一个插座壳体内，最初以备用模式操作，其中电力系统的额定电压被有效地拆离该插座。
在此种模式中，该插座不是电源，其作用是作为一个测量装置用来决定在以激励模式施加电力系统的电源之前，是否有危险状况存在。该测量装置功能由微处理机和辅助硬性来执行，用来决定是否在安全电压电平，所连接的是否为实际的电负载，或是否有因为人体的意外接触该安全电插座而产生假负载。根据其能力来分辨实际的电负载和人体接触而产生的假负载，本发明的插座可以实质上消除触电的危险。
当有任何负载与插座连接器产生接触时，以低电压状况来检测和测试是否有任何电流泄漏到地线。假如未检测到有电流泄漏，就测量其负载阻抗和提供过负载预测功能，其方法是检查电特性和计算该安全电插座在激励模式以额定电压操作时的负载电流。假如决定的结果是有过负载状况，就不会发生插座从备用模式过渡到激励模式的操作。
假如没有泄漏电流和没有所希望的负载，微处理机的操作就进入到检查步骤，用来检查表示所连接负载的电特性的一组资料值，该组资料值是当备用模式时所收集到的。有关人体生理资料的一组电特性被储存在与微处理机操作有关的记忆器中。经由使该组资料值和已知的人体电特性互相比较，该微处理机可以用来决定是否有任何资料值的参数与实际电负载的不一致，而是更接近人体电特性的。
假如成功地通过全部的测试，就决定所连接的是一个实际的电负载，该微处理机就发出信号通知一个固态电源开关，促成从备用模式过渡到激励模式，藉以将电力系统的电源施加到该安全电插座的负载连接器上。否则就维持在备用模式。
本发明的安全电插座的控制器的另外一个特征是一旦被施加有电力系统的电源时具有连续监视其操作的能力。假如因为任何原因发生泄漏或过负载状况时，就经由固态电源开关提供一种中断功能。监视功能还包括插座操作的热监视，用来检测过热状况。
本发明还有另一个特征是具有能力用来防止与外部因素有关的危险状况，例如建筑物的不良造成有水进入该电插座。在已知技术的电插座的设计中，假如有水与该插座接触就会有危险存在，因为插座外壳的绝缘部分实质上连接到线电压，所以与其表面接触时可能造成触电死亡。利用其测试功能，本发明的插座控制器装置可以阻止线电压施加至插座，直至负载测试成功。
本发明的另外一个特征是具有电脑资料和/或电源线通信能力，利用此种能力可以从远程位置控制该微处理机，用以激励或停止该插座的操作。
因为使用了处理机的设计，所以本发明的安全电插座控制器可以被构成一个袖珍单元，可以被包在一个壁式插座内。另外一种方式，亦可以设置成为一个原来的插座构造的形成一体的部分。
由下面的附图和说明可对本发明的其他特征和优点具有更清楚的了解。
为了对本发明的有关具体实施例具有更好的了解，下面参考附图来说明，在附图中以相似的参考号码来表示对应的元件或部分;在附图中


图1是一个电子方块图，它用来显示依照本发明的原理来构成的操作的具有微处理机的可编程序安全电插座的控制器装置之一的较佳实施例;
图2和图3-a，b分别为图1的电子方块图所示的安全电插座的控制器的电路图;
图4是使用激励脉冲响应测量技术用来决定人体的生理特性的测试电路的电路图;
图5是关于响应一个方波激励脉冲所获得的生理特性的残留电压的特性曲线;
图6A-D是将图4-5的技术应用在连接至图1的安全电插座的负载所获得的一组波形，其中使用关正弦波作为激励脉冲;
图7是图1的电子方块图所示的微处理机的操作的流程图;和图8A-B是在图7的流程图的一部分所执行的假负载检测操作的流程图。
下面参照图1，图中显示依照本发明的原理来构成和操作的以微处理机为主的安全电插座控制器10的一较佳实施例的电子方块图。控制器10被设计成与一个电插座12一起使用，并且被连接在一个电力系统[用来提供电压输入(Uin)]和插座12的电连接器14的提供线路(LS)和中性线(NS)之间。控制器10施加输出电压(Vw)至电连接器14，该电压输出依下列两种模式的其中之一进行操作(1)备用模式和(2)激励模式。如下所述，控制器10的操作是根据其分辨“假”负载(该假负载连接到插座12)和一个实际负载的能力。在下面的说明中，假负载包括人体与插座12的连接器14接触的危险状况。
控制器10包含一些电子硬件方块的组合，使其可以以备用和激励模式的各模式进行操作。它包括一个电源供给器15，模拟放大器测量装置16-22，多路转换器23，A/D变换器24，微处理机25，电源开关26，和一组电流和电压零交越检测器27。在有泄漏电流的情况时，电流测量装置21用来测量其捡拾线圈所产生的微分电流(Id)。微分电流(Id)相当于在一个单相电源供给装置中的相位(L)和中性(N)绕组电流之间的差。电力系统电压输入以Vin表示，负载电流以IL表示。
典型的方式，电流测量装置21包含有一个电流变换器，其设置是使用具有三个绕组的环形铁氧体磁心。其中的一绕组与相位线路串联连接，另外一个则与中性绕组串联连接。它们载运有满载电流IL，因为它们是以相反方向卷绕在铁氧体磁心上，所以净磁通为零，因此第三(捡拾)绕组具有零感应电压。
只要没有泄漏路径，在捡拾线圈就没有感应电压。然而，假如有一个人接触到该相位线路，就产生一个泄漏路径，输入电流不等于输出电流，促成在捡拾绕组产生一个感应电压，被检测成为Id(泄漏)电流。一旦被测量后，电流Id和IL之值就被放大和发送到多路转换器23。然后由多路转换器23将其馈送到A/D变换器24，用来将资料供给到微处理机25，该微处理机25可以使用Motorola 6805系列的装置。
电源开关26(HPS)连接成被施加有电压输入(Vin)和在其输出可以将输出电压(Vw)施加到插座12的电连接器14。电源开关26的一脚被一个电阻器RS分流，当电源开关26在“OFF”状态时，该电阻器Rs作为电流泄放器之用。热监视信号13(T)用来表示电源开关26的外部表面的温度，该信号提供给多路转换器23。
多路转换器23被微处理机25重复的定址，用来选择馈送到其有关输入an0-an7的8个模拟信号28-40的其中之一，这些信号由有关的模拟放大器测量装置16-22来提供。每一个信号28-40用来提供参数Vw，I Lo，Vr，Vin，IL，Id，T和Vref中的有关的一个，这些参数在A/D变换器24中被变换和发送至微处理机25。电源开关26典型的是由二个功率TMOS晶体管来构成，这些晶体管以“ON”和“OFF”状态操作，用来响应来自过电流和过电压逻辑电路42-43的闸信号41a-b。电源开关26所用的典型的装置包括International Rectifier所制造的IRF250和Motorola所制造的MTM40N20等。
逻辑电路42-43由硬件来实施和依靠微处理机25的软件被操作，并且被馈送有4个逻辑信号用来决定其操作来自微处理机25的“电源开关ON”信号44、46，来自监视器监视硬件49的激励信号48，和触发器复位信号50。逻辑电路42-43的操作用来使电源开关26在过负载状况时进行跳脱，以过负载信号51报告微处理机25。当微处理机25的决定结果是在过负载状况已经去除，恢复正常状况时，将该触发器复位信号50提供给逻辑电路42-43进行复位。
在下面所述的启动程序之后，利用来自微处理机25的控制信号52来接通该监视器监视硬件49。它的一个功能是监视来自电源供给器15的供给电压，然后将一对“电源供给OK”的信号53a-b送回微处理机25，各为+/-12Vdc。
监视器监视硬件49的另外一个功能是经由接收周期性触发信号54用来周期性的核对微处理机25的操作。当有大于指定间隔的周期没有接收到该信号时，就经由触发器复位信号55和设定激励信号48使微处理机的操作停止，促成逻辑电路42的闸信号41a-b用来断开该电源开关26。
过电流逻辑电路42的操作与最大参考电流Imax(它被设定成为插座12的最大额定突然波动电流)相关。经由使负载电流IL和该参考电流比数，假如超过该参考电流，逻辑电路42就启动闸信号41a-b用来断开电源开关26。在过电压逻辑电路43中，经由设置可变电阻器(VDR)或是SIDAC双向高电压触发器(用来触发一个比较器，经由闸信号41a-b暂时关闭电源开关26)可以用来提供过电压保护功能。此种方式可以完成跨接在控制器10的线路(L)和中性(N)端子的暂态抑制器的功能。
检测器组27包含有2个检测器，一个输出电压Vw用的零交越检测器和一个负载电流IL用的零交越检测器。这些检测器经由中断要求线路56提供所需的时基资料。该时基资料包括经由直接测量所获得的电压和电流间的相移。信号58和59用来识别该2个检测器中的那一个启动中断。
如同下面的更进一步的说明，控制器10在正常时以备用模式操作。当有负载连接在负载连接器14时，微处理机25就启动测试用来获取一组资料值藉以作为决定的依据，用来决定所连接的负载的型式。根据其决定，微处理机25控制该电源开关26的在有关的备用模式和激励模式之间过渡，从“OFF”状态过渡到“ON”状态。
在电源开关26的输出端子的输出电压Vw由模拟放大器16来加以监视。在将负载连接到插座12之前，没有电流流经电阻器Rs(典型值为2MΩ)。因此，输入电压Vin出现在电源开关26的输出，成为“浮动”电压。当有任何种类的负载连接到插座12时，该“浮动”输出电压就立即下降，使用其监视功能，模拟放大器16利用该输出电压Vw的立即下降对微处理机25提供叫醒功能。
输出电压Vw的立即下降启动备用模式的测量部分的起动，在这期间由微处理机25分析连接至插座12的负载。为了完成此分析的目的，微处理机25先决定是否有泄漏电流的状况存在，该负载是否为短路负载，负载是否超过过电流定额，或是该负载为体。各种情况如下面(图7和8a-b)的流程图所示，因为电源开关26并未被闸信号41a-b变换成“ON”状态，所以插座12不会进入激励模式。
有一组人工触模控制器被设置成用来控制微处理机25的功能，使ON钮60和OFF钮62可以控制插座12的操作而不需要移去与其连接的负载。选择设立钮63可以促成特别的功能被设计，其方法是经由一些预先指定的码用来在微处理机25进行编程序的选择和执行。有一组LED65用来指示“ON”和“OFF”状态，和加速控制码的输入。
有一对禁止信号68和70直接供给到微处理机25，用来促成插座12的外部控制。在设有多个插座12的装置中，使其中之一作为主插座，其禁止信号68、70可以用来指令其余的插座12的操作。
如图1所示，RS-232 C通信适配器72的设置用来与一个PC主机直接通信，用以程序设计插座12的与时间相关的控制。此外，经由一个电容性调制器/解调器74可以完成电源线通信。此种装置使用如同FSK系统的频率协定，可以经由电源线接收和发送一些指令。经由使用FSK通信协定，电力公司可以从一个远程的控制中心促成或停止电插座12的操作，藉以易于分解客户的收费争辩。
下面参照图2和图3a，b，图中显示图1的电子方块图所示的安全电插座控制器10的较佳实施例的电路图。图中亦显示典型的组件值，可以依据电子设计来实施这些电路。熟悉本技术的人员应当可了解，使用图1所示的微处理机25和多路转换器23的I/O信号的标记，可以交互参考该电路。例如，用来产生信号32(标记an3)的图1的模拟放大器19(Vin)可以在图2找到是amp U4/3的输出(亦被标记为an3)。在另外一个实例中，经由二极管D S19亦可以使用相同的方法用来追踪信号54(I/O信号C7)至门输入U7/3。
下面参照图4，图中显示一个测试电路的电路图，该电路适于用来决定人体的生理特性，藉以分辨该生理特性与实际的电负载的不同。阻抗Reff表示由于分流电阻器Rs和电源开关26的泄漏电阻的并联所产生的有效电阻。在图2的电路图中以功率晶体管Q2和Q3来表示。经由晶体管Q4和Q5所形成的阻抗Ri的设置用来测量当电源开关26的“OFF”状态操作时，在插座12的中性侧(NS)流动的电流。当电源开关26进行过渡到激励模式时，阻抗Ri被来自微处理机25的控制信号75和76设定成从最大值到接近于0的最小值，用来强制晶体管Q4和Q5变成导通。
如图4所示，负载78和Reff和Ri串联连接，用来表示一个假负载或一个实际的电负载，它被检查后用来决定施加电力是否为安全电插座12的功能的一部分。测试开关S1被设置成当进行一序列的测试时，在指定的瞬间使储存在负载78的能量排放，用来测量在一个指定间隔之后的残留电压。残留电压(在此测试中为Vw)是指在施加一个激励脉冲之后和经过一个放电间隔之后，残留在该负载上的电压。
图2的电路图的测试开关S1的实施是使用晶体管Q11-Q12和运算放大器U5/1，其操作用来响应控制信号79。当控制信号79使Q11和Q12晶体管变成导通时，就在电连接器14(LS)的线路侧产生一个动态虚零。此种方式促成残留电压的测量不会扰动在该瞬间的Reff的泄漏电流。
如图5所示，在具有电容性阻抗(RC负载)的实际电负载的情况中，施加电压的放电发生在一个放电间隔直至它接近零。相反的，假如在图4的测试电路中检查到有假负载(人体)，就在放电间隔的结束时产生一个电压，它是表示人体的残留电压。此种方式有效的反应人体的惟一性的非线性动作，因为人体组织的电解本性，此种测量通常有数百毫伏(mv)的范围。
下面参照图6A-D，图中显示图4-5的技术的应用所获得的一组波形，出现在连接至图1的安全电插座12的负载，其中有一个电压半正弦波被使用作为激励脉冲(图6a)。该电压是系统电压减去跨越在Reff的电压降，使该测试的执行是在安全电压电平。图6b是在时间Tm(接近下一个激励脉冲但是在它之前)，负载78为低阻抗高电容性负载的情况时所测量到的残留电压。图6c是高阻抗电容性负载的测量结果。该二种波形(图6b-c)实质上表示具有电容性的负载的负载特性的整个范围。如图所示，残留电压(Vr)为虚零。
图6d显示人体为负载的波形，其中在时间Tm的残留电压(Vr)不为零，而是具有数百mv的典型值。该特性形成微处理机25作决定的依据，并用来分辨假负载的实际的电负载。参数Vro用来选择适当的标度藉以测量阻抗和负载电压与电流之间的相位偏移，下面将参照图8b的流程图作更进一步的说明。
在操作方面，当没有负载连接到插座12时，电源开关26在“OFF”状态。当第一次将电源施加到安全电插座控制器10时，就执行一个启动程序。在该程序的第一步骤，使微处理机25的RAM记忆器的一个单元的内容和对应的ROM记忆器单元的内容互相比较，用来决定该启动程序在先前是否已执行过，只有两个值相等时才是执行过，亦即没有电力系统故障。
此第一测试的一部分是微处理机25决定输入电压Vin是否为220伏，50Hz的电力系统，或是115伏，60Hz的系统。此种决定的完成方法是读取该输入电压(Vin)和测量电压信号的连续零交越之间的时间间隔。
下一个测试是测量插座12的固有的参数，亦即，阻抗，泄漏电流，电容量和电感量，它们构成一个资料库(无负载“指纹”)用来调整负载参数的测量值藉以取得其实际值。有些其他的常数被程序设计在ROM，用以当测量值较低时，宣告插座12为故障，而且不论与其连接的负载如何，均不能被激励。此外，LED组65会闪亮成为一种通知。
在启动程序的最后测试是利用信号75、76和79的组合用来操作一个内部仿真负载，用以模拟微处理机25所检查的负载。内部仿真负载的参数是已知的而且被烘烧在微处理机25的ROM内。假如有关于内部仿真负载的测量与ROM的内容匹配，控制器10就进入其备用模态，否则变被认为有故障和停止其操作。
按照本发明的原理，插座控制器10的主要目的是只施加电源到实际的电负载藉以实质上消除触电死亡的危险。为了达到此目的，微处理机25依照软件技术被程序设计成依照下述的流程图用来执行软件演算。
下面参照图7，图中显示安全电插座控制器10的操作的流程图。首先，在备用模式的方框80，电源开关26在“OFF”状态，没有负载连接于插座12。在连接一个负载之前的启动程序，于方框82检测无负载状况，然后在方框83核对最初的解除激励状态。假如因为某种原因促成没有连接负载而电源开关被启动时，就在方框84启动紧急程序。假如电源开关如同正常情况地被解除激励，就在方框85获取插座12的无负载“指纹”参数。
紧急程序试图使电源开关26变成“OFF”用来处置不正常的情况。假如不成功就使LED65闪亮用来通知有故障。在较佳实施例中，正常闭合笛簧继电器接点(图中未显示)被装设成与电源开关26串联连接，它可以被微处理机25锁定成断开，用来使插座12在不操作的安全状态。因为该继续器中被使用作后备保护器而不是用来变换电力，所以不需要很大的体积空间，可以装进插座12的壳体。
当有任何负载与电连接器14接触时，在方框82检测该接触，其方式是检测在“浮动”电压输出Vw的立即降低(Vdrop＝Vline-Vw)。在方框86的操作是以低电压状况测试是否有任何泄漏到地线的电流。此种动作的完成方法是将Ri的值设定成为其最大阻抗用来激励小电流的测量。因为，Reff为已知，所以使该电流(Vdrop/Reff)与Ri上的电流的直接测量互相比较，假如相等就是没有泄漏，假如不相等，系统操作就分支到方框87，等待负载被拆离连接，在完成方框80的循环之前，恢复无负载“指纹”。
在没有泄漏的情况下，系统操作就前进到方框88，在该处使用标准稳定状态技术来测量负载的阻抗，包括计算负载参数的实数值和虚数值，及其相位偏移。因为相位偏移φ可以由零交越检测器27的测量得知，而且阻抗的绝对值为Z＝Vw/IL，所以可以在微处理机25计算阻抗的实数部份和虚数部份，使用Z Cosφ作为实数部份，和使用Z Sinφ作为虚数部份。
阻抗测量的范围很宽广，因此将测量增益敏感度分成二个标度，其选择是依照Vro的振幅(图6)。在方框90，进行过负载预测功能，其中使测量阻抗与插座12的最大可容许定额互相比较，用来保证没有过负载状况存在，在该状况使开关26变成“ON”。假如有过负载状况存在，系统的操作就回到方框87，然后等待无负载状况。
如图8a-b的更详细的说明，假如测量到的阻抗是可接受的，就在方框92执行假负载检测操作、用来核对连接假负载的可能性(在假负载为人体的情况时)。假如在该步骤中检测到有假负载时，就使系统的操作转回到方框87，然后等待无负载状况。
假如和只有假如、在备用模式执行的全部测试显示有一个实际的负载连接到插座12时，微处理机25的操作才前进到用来执行方框94的下一个步骤，在该处检测电压零交越藉以启动电源开关26的从备用模式过渡到激励模式。当有电源施加到插座12时，负载电流(IL)和泄漏电流(Id)之值就被稳定，然后在方块96设定其他的属性，亦即设定最大保护的过负载值和泄漏电流的最低值。
当正常操作时，在方框98和100防护该插座12使其不会有泄漏电流和过负载状况。要将电源移离插座12时，可以移去负载使插座控制器10转回到静止状态，或是利用OFF钮62使其变成OFF。在后者的情况中，微处理机25促成当电流零交越检测器27检测到有第一零电流交越时使插座12被关闭，因此可以消除由于电感性负载的反EMF所产生的任何火花。假如所连接的负载用具的电插头未拔掉，当按下OFF钮62时，该ON钮60可以用来恢复插座控制器10使其操作如同有一个负载第一次连接到该连接器14。
另外，当正常操作时，电源开关26的由于功率TMOS晶体管的散热器所产生的热状况亦被监视。在图7所示的方框102测试热监视信号an6(详见图1)，用以保证散热器的外部表面不会达到70℃左右，否则电源开关26就被变换成“OFF”状态。这是由于负载和插座连接器14之间的不良接触所造成的。
一旦在方块104确定有一个负载持续存在时，就形成一个循环，并且在方框98，100和102连续地执行重复的测试。假如这些条件保持满足，电源开关26在该循环中继续被监视时保持在“ON”状态。然而，假如该负载被解除连接时，就在方框104检测负载电流是否不存在，如果是就将控制转移到方框106用来使电源开关26变成“OFF”状态，使系统的操作转回到方块87，然后等待负载被连接。
如图8a-b所示，在方框108开始假负载检测操作，在该处核对输出电压Vw是否等于在系统电压的正负部份的对称点，或是该负载是否具有极性。此等型式的负载的实例包括有一些电子电路，其中有一个整流器用来产生一个DC电压，该DC电压被一个滤波电容器加以平滑化藉此让内部电路(收音机，电视机等)使用。
假如输出电压Vw不对称，亦即该负载不是人体，系统的操作就分支到方框94，使电源开关26变成“ON”。然而，假如输出电压是对称的，就表示有可能是人体负载，于是就在方框110继续进行假负载检测操作，用来核对输出电压波形是否为正弦波。此种动作的完成方法是以指定的间隔对输出电压Vw进行取样，使该等值正常化和使所获取的外型和储存在ROM的特性正弦波资料互相比较。假如该比较的结果显示它不是正弦波，就使系统的操作分支到方框94用来激励电源开关。
否则就使操作在方框112继续，在该处核对负载阻抗Z，用以决定是否小于人体阻抗的最小值之Zh。该值可以经由参考医学文献来决定，通常是在数百欧姆的范围。为了安全，此值可以选择低于最小值，例如100Ω。假如测量值低于Zh，就使系统的操作分支到方框94。
假如测量到的阻抗不低于Zh，就在方框114继续操作，测量负载电压和电流之间的相位偏移。在方框116，检查测量到的相位偏移φ，用来决定它是否在0＜φ＜45的范围。依照本发明的原理，本发明人发现人体所呈现的值在此范围之内。低于零的值表示电感性负载，确定不是人体，而超过该范围的上限的值亦不是人体。
假如相位偏移在该范围之外，就使系统的操作分支到方框94。然而，假如相位偏移在该范围之内，就在残留电压检测程序的第一步骤的方框118(图8b)继续操作。该程序在系统电压正弦波的正部份和负部份各执行一次。内部参数P用来追踪适当的程序变量。
首先，在方框118将P设定成为正，和施加激励脉冲。然后，在方框120使开关SI闭合P半周。在方框122，于P半周(Vrp)之结束时测量残留电压。在方框124，其设置是用来处置当负载含有内部电池，使残留电压被偏移和不能真正读取的情况。为了克服此问题，Vrp和激励脉冲必需要具有相同的正负号，假如在方框124检测到Vrp和P之间具有不同的正负号，就在方框126将Vrp设定成为零。否则，就记录该残留电压值，然后使系统的操作前进到方框128，在该处决定系统电压的正负两部份是否已施加到残留电压检测程序。假如不是，就在方框130将P设定成为负，然后从方框122重复该程序。
一旦可以获得对应到系统电压的正负部份的Vrp的二个值时，就使系统的操作前进到方框132，在该处使开关SI开放。在方框134，用来获得Vrp值的差(Vr)，然后使其与一个临界值(Vrh)比较。依照比较的结果，“yes”表示是人体负载。“no”表示不是，然后使系统的操作分支到有关的方框87或94的其中之一。
本发明的一个特征是具有能力以PWM(脉冲宽度调制)模式来控制电源开关26，其方法是在图7的方框96和98之间加入一个软件程序，由输入系统电压Vin来获得低输出电压Vw。此外，可以提供“软式起动”功能，用来以逐渐和受控制的方式将输出电压Vw施加至负载。这种方式对于照明负载(例如钨丝灯)非常有用。
如本说明书的前述部分所述，微分断路器的已知技术的设计并不适于响应泄漏电流。与此种设计相反的，本发明的安全电插座的控制器操作可以对泄漏电流具有较佳的测量。因为该泄漏电流在激励之前以备用模态被监视，和在激励后被连续的监视，因此可以以更高的敏感度，更精确地使临界值和插座12的特性相匹配。
此外，因为电源开关26是一种固态装置所以可获得比已知技术更快速的响应。控制器10亦可获得优于机械装置的较高的可靠度。关于响应速度方面，于泄漏电流检测和实际的电源开关26变成OFF之间的经过时间为200us。由于此种响应速度，当连接一个实际的负载时，甚至于假如有一个人接触到插座12的连接器，或是连接电缆的活线，或是故障用具的外壳时，他也不会感觉到被电击。因此安全性水平大约比已知的微分断路器设计优良5倍，响应速度则快1000倍左右。
熟悉本技术的人员可看到，本发明的安全电插座控制器10适于用来直接代替现有的微分断路器(Siemens的“Schutzs chalter”)，亦即地线泄漏断路器。其完成方式是在电源开关26的线路侧加入一个串联的替续接触器(relay contatctor)，用来符合断路器装置中的空气隙的电气标准的需求。在此种装置中，闸信号41a-b提供给替续接触器线圈和电源开关26双方。当控制器10检测到有泄漏电流的状况时，电源开关26在接触器之前变成OFF。因此不会牺牲响应的速度，可以保证具有所需的实体隔离。另外，因为在此装置中的电接触器是以线电压操作，所以不需要如同已知技术的设计所使用储存在弹簧的能量的“机械放大器”，因此可以获得较高的可靠度。
上面已经对本发明有关的某些特定实施例作了详细的说明，便于了介本发明，该说明并无意用来限制本发明，因为熟悉本技术的人员可以作一些更进一步的修改，此种修改应被视为在所附的权利要求书范围之内。
权利要求
1.一种可编程序的安全电插座的控制器装置，包含有负载连接装置，它用来将负载连接到插座；测量装置，它被连接到该负载连接装置，并用来以备用模式测量一组与该负载有关的电特性；变换装置，用来将该组电特性变换成一组资料值；处理机装置，它用来接收和检查该组资料值，并加以响应，用以产生对应于一个激励模式的开关信号；和电源开关装置，用来响应该开关信号藉以将电源施加到该负载连接装置，让该激励模式的该负载使用；该处理机装置被程序设计成用来产生该开关信号藉以控制该电源开关装置的在该备用模式和该激励模式之间的过渡，用以响应该组资料值并指示是否没有电特性与实际电负载的电特性不一致的情况存在。
2.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该负载连接装置包含有至少为一对的电插座连接器。
3.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该测量装置包含有一组模拟放大器用来提供该电特性给一个A/D变换器以产生该组资料值。
4.如权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该处理机装置包含有一个微处理机，被程序设计成用来决定在该备用模式和激励模式的该开关信号对应到该电源开关装置的“OFF”状态和“ON”状态。
5.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该电源开关装置包含有一对的TMOS晶体管。
6.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该电源开关装置包含有一个固态装置和一个串联连接的替续接触器。
7.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该组资料值包括有一个残留电压，在一系列的激励脉冲的其中之一施加到其上后，就出现在该被连接的负载，和在施加另外一个激励脉冲之前，需先经过一个指定的期间。
8.如上述权利要求7所述的控制器装置，其特征在于该残留电压与储存在该处理装置的记忆器单元中的临界值互相比较，其中该被储存的临界值有关于作为负载的人体的阻抗测量的预先程序设计的值。
9.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该处理机装置，当以该备用模式操作时，用来检查该组资料值的预先限定的泄漏电流的状况的存在，用以阻止该电源开关装置从该备用模式过渡到该激励模式。
10.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该处理机装置，当以该备用模式操作时，用来检查该组资料值的预先限定的过负载状况的存在，用以阻止该电源开关装置从该备用模式过渡到该激励模式。
11.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该处理机装置，当以该激励模式操作时，用来检查该组资料值的预先限定的泄漏电流的状况的存在，用以解除对该电源开关装置的激励。
12.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该处理机装置，当以该激励模式操作时，用来检查该组资料值的短路或过负载状况中的至少其一的存在，用以解除对该电源开关装置的激励。
13.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该组资料值包括与该电源开关装置的以该激励模式的操作有关的热资料，和其中该处理机装置被程序设计或用来监视该热资料藉以决定该开关信号的安全操作。
14.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该处理机装置，当以该激励模式操作时，用来检查该组资料值的突然波动电压状况的存在，用以解除对该电源开关装置的激励。
15.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该处理机装置，当以该激励模式操作时，用来检查该组资料值的供给至该负载的电流的零交越，在需要的时候产生该开关信号，用以解除对该电源开关装置的激励，用以避免与电感性负载有关的火花的产生。
16.如上述权利要求1所述的控制器装置，其特征在于该开关信号由该处理机装置依照脉冲宽度调制技术来加以变化，当从该备用模式过渡到该激励模式时，用来将电源逐渐的施加到所连接的该负载。
17.一种可编程序的安全电插座的控制器装置，形成与一个电插座一起使用，它包含有测量装置，被连接至该电插座，用来以备用模式测量一组与连接至该插座的负载有关的电特性;变换装置，用来将该组电特性变换成一组资料值;处理机装置，用来接收和检查该组资料值，和加以响应，用以产生对应到一个激励模式的开关信号;和电源开关装置，用来响应该开关信号藉以将电源施加至该电插座，让该激励模式的该负载使用;该处理机装置被程序设计成用来产生该开关信号藉以控制该电源开关装置的在该备用模式和该激励模式之间的过渡，依据该组资料值指示是否没有电特性与实际电负载者不一致的情况存在。
18.一种施加电源至负载的方法，该负载连接到一个安全电插座，该方法所包含的步骤有以备用模式测量一组与该负载有关的电特性;将该组电特性变换成一组资料值;接收和检查该组资料值，和加以响应，用来产生对应于一个激励模式的开关信号;和施加电源至该激励模式的负载，用以响应该开关信号;其中该开关信号，在响应该组资料值是否指示没有电特性与实际电负载的电特性不一致的情况存在时，促成该备用模式和该激励模式之间的过渡。
19.如上述权利要求18所述的方法，其特征在于该组资料值包括有一个残留电压，在一系列的激励脉冲的其中之一施加到其上后，就出现在该负载，和在施加另外一个激励脉冲之前，需先经过一个指定的期间;和其中该残留电压与一个临界值比较，该临界值有关于以人体作为负载的阻抗测量的指定值。
20.如上述权利要求18所述的方法，其特征在于进一步包含有一个步骤是决定该开关信号藉以响应以通信供给到该安全电插座的程序设计时间相关控制功能的结果，其方式是经由电源线与电脑主机系统通信。
21.一种电插座装置，包含有一个插座;连接装置，用来使第一负载电气连接到该插座;施加装置，其操作用来响应开关信号，用以以可开关的方式将电源施加至该连接装置，然后使其到达该第一负载;测量装置，被连接至该连接装置，用来测量与该第一负载有关的至少为一个的电特性，同时该施加装置不会将可感觉量的该电源施加至该连接装置，和加以响应，用来形成多个测量到的资料值;控制装置，用来响应该测量到的资料值，用以产生该开关信号和决定该测量到的资料值是否指示该第一负载是一个实际的电负载，和加以响应，用来使该开关信号从第一状态变成为第二状态，当该测量到的资料值与实际电负载的该特性的对应的预先限定值一致时，该施加装置就以可开关的方式将可感觉量的电源施加至该连接装置，用以使其到达该第一负载。
22.如上述权利要求21所述的装置，其特征在于该连接装置包含有至少为一对的电插座连接器。
23.如上述权利要求21所述的装置，其特征在于该测量到的特性包含有一个残留电压，在一系列的激励脉冲的其中之一施加到其上和经过一个指定的时间后，就出现在该第一负载。
24.如上述权利要求23所述的装置，其特征在于该残留电压与储存在该控制装置的记忆器单元中的临界值互相比较，其中该被储存的临界值有关于作为第一负载的人体的阻抗测量的预先程序设计的值。
25.如上述权利要求21所述的装置，其特征在于该控制装置检查该测量到的资料值是否有预先限定的泄漏电流状况存在，用来阻止该开关信号的变成该第二状态，促成该电源施加装置不会以可开关的方式将可感觉量的电源施加至该连接装置。
26.如上述权利要求21所述的装置，其特征在于该控制装置检查该测量到的资料值的预先限定的过负载状况的存在，用来阻止该开关信号的变成为该第二状态，促成该电源施加装置不会以可开关的方式将可感觉量的电源施加至该连接装置。
27.如上述权利要求21所述的装置，其特征在于该控制装置检查该测量到的资料值的预先限定的泄漏电流状况的存在，用来使该开关信号从该第二状态变成为该第一状态，用以解除对该电源施加装置的激励。
28.如上述权利要求21所述的装置，其特征在于该控制装置检查该测量到的资料值的短路或过负载状况的至少其一的存在，用来使该开关信号从该第二状态变成为该第一状态，用以解除对该电源施加装置的激励。
29.如上述权利要求21所述的装置，其特征在于该控制装置检查该测量到的资料值的突然波动电压状况的存在，用来使该开关信号从该第二状态成为第一状态，用以解除对该电源施加装置的激励。
30.如上述权利要求21所述的装置，其特征在于该控制装置检查该测量到的资料值的供给到该第一负载的电流的零交越，在需要时使该开关信号从该第二状态变成为该第一状态，用以解除对该电源施加装置的激励，用来避免与电感性负载有关的火花的产生。
31.一种施加电源至连接装置使其到达第一负载的方法，所使用的电安全插座具有一个插座，和电气连接装置用来将第一负载连接到该插座，以及施加装置其操作用来响应开关信号藉以以可开关的方式将电源施加至该连接装置，然后使其到达该第一负载，该方法所包含的步骤有测量至少为一个的与该第一负载有关的电特性，同时使该施加装置不会将可感觉量的该电源施加至该连接装置;形成多个测量到的资料值用来响应该测量步骤;决定该第一负载是否为实际的电负载、用来响应该测量到的资料值;和使该开关信号从第一状态变成第二状态，用来响应该决定步骤，当该测量到的资料值与实际电负载的该特性的对应的预先限定值一致时，就经由该施加装置以可开关的方式施加可感觉量的电源至该连接装置，用以使其到达该第一负载。
32.如上述权利要求31所述的方法，其特征在于该测量特性包含有一个残留电压，在一系列的激励脉冲的其中之一施加到其上和经过一个指定的时间后，就出现在该第一负载。
33.如上述权利要求32所述的方法，其特征在于进一步包含有一个比较步骤，用来使该残留电压的测量到的资料值和一个临界值比较，该临界值是与作为第一负载的人体的阻抗测量的预先程序设计值有关。
34.如上述权利要求31所述的方法，其特征在于进一步包含有检查步骤用来检查该测量到的资料值的预先限定的泄漏电流状况的存在，用来阻止该开关信号变换到第二状态，促成该电源施加装置不会以可开关的方式将该可感觉量的电源施加至该连接装置。
35.如上述权利要求31所述的方法，其特征在于进一步包含有检查步骤用来检查该测量到的资料值的预先限定的过负载状况的存在，用来阻止该开关信号变成为该第二状态，用以使该电源施加装置不会以可开关的方式将该可感觉量的电源施加至该连接装置。
36.如上述权利要求31所述的方法，其特征在于进一步包含有检查步骤用来检查该测量到的资料值的预先限定的泄漏电流状况的存在，用来使该开关装置以第二状态变成为该第一状态，用以解除对该电源施加装置的激励。
37.如上述权利要求31所述的方法，其特征在于进一步包含有检查步骤用来检查该测量到的资料值的短路或过负载状况的至少其一的存在，用来使该开关信号从该第二状态变成为该第一状态，用以解除对该电压施加装置的激励。
38.如上述权利要求31所述的方法，其特征在于进一步包含有检查步骤用来检查该测量到的资料值的突然波动电压状况的存在，用来使该开关信号从该第二状态变成为该第一状态，用以解除对该电压施加装置的激励。
39.如上述权利要求31所述的方法，其特征在于进一步包含的步骤有检查该测量到的资料值的供给到该第一负载的电流的零交越;和响应该零交越，使该开关信号从该第二状态成为该第一状态，用以解除该施加装置的激励，用以避免产生与电感性负载有关的火花。
40.如上述权利要求31所述的方法，其特征在于进一步包含有一个步骤是产生该开关信号藉以响应以通信供给到该安全电插座的程序设计时间相关控制功能的结果，其方式是经由电源线与电脑主机系统通信。
41.一种检测装置，用来检测与至少二个的电气连接互相接触的物体是否为活人人体，该装置包含有施加装置，用来将一个预先限定的激励脉冲施加成跨越在这些电连接;测量装置，在经过足够的预先限定的时间后，测量出现在这些电连接的残留电压，用来使任何所希望的储存能量的实质部份降低成近似为零，该储存能量产生自该激励脉冲，和当该负载为一物体时被包含在一个电负载内;决定装置，用来决定该测量到的残留电压是否为非零而且其大小近似等于活人人体组织的电解作用产生的电压的大小;和指示装置，用来响应该决定装置，用以产生一个指示，以指示该物体是否为人体。
42.如上述权利要求41所述的装置，其特征在于进一步包含有施加装置，用来连续地施加分别具有第一和第二极性的跨越在该电连接的第一和第二激励脉冲;测量装置，在每一个脉冲之后，于经过足够的预先限定量的时间后，用来测量跨越在该接点上的第一和第二残留电压，用来获得第一和第二残留电压测量值;决定装置，用来决定该第一和第二残留电压测量值之间的差;和决定装置，用来决定该差是否超过预先限定的临界值。
43.如上述权利要求42所述的装置，其特征在于进一步包含有设定装置，假如该测量所具有的极性与有关的激励脉冲的极性不同时，就用来将该第一或第二残留电压测量设定成为零。
44.一种用来决定与至少二个电连接接触的物体是否为活人人体的方法，所包含的步骤有施加一个预先限定的激励脉冲使其跨越在这些电连接;在经过足够的预先限定量的时间后，测量出现在这些接点的残留电压，使任何所希望的储存能量的实质部份由该激励脉冲来形成，和当该负载为该物体时就被包含在该电负载内，用来产生一个放电电压跨越在该连接，用以减少到大约为零。决定该测量到的残留电压是否为非零而且其大小大约等于活人人体组织的电解作用所产生的电压的大小;和响应该决定步骤，产生一个指示用来指示该物体是否为人体。
45.如上述权利要求44所述的方法，其特征在于进一步包含的步骤有连续地施加分别具有第一和第二极性的跨越在该电连接的第一和第二激励脉冲;在每一个脉冲之后，于经过足够的预先限定量的时间后，用来测量跨越在该接点上的第一和第二残留电压，假如负载为物体时使与负载结合的储存电能减小至大约为零，这时各个脉冲已被施加成跨越在这些连接，用来获得第一和第二残留电压测量值;决定该第一和第二残留电压测量值;和决定该差是否超过一个预先限定的临界值。
46.如上述权利要求45所述的方法，其特征在于进一步包含有设定步骤，假如该测量所具有的极性与有关的激励脉冲的极性不同时，就将该第一或第二残留电压测量值设定成为零。
全文摘要
一种可编程序的安全电插座的控制器，它包含负载连接装置，测量装置，变换装置，微处理机，和电源开关装置。在安全电压上通过测量装置获得一组连接负载的电特性资料。微处理机利用存储的一组与人体相关的生理资料的电特性与上述负载电特性相比较，根据比较结果控制电源开关装置在备用模式和激励模式之间实现过渡。从而避免人体触电的危险，在电源激励模式下不会有泄漏电流、过负载、过电压、和过热的状况。该控制器装置可设有远程通信和监视功能。
文档编号H02H11/00GK1059425SQ9010738
公开日1992年3月11日 申请日期1990年8月28日 优先权日1990年8月28日
发明者莫迪夏·亨德尔, 伊薇斯·维拉里特 申请人:戴维·M·沃尔夫