触电安全保险器

随着人民生活水平的提高，家用电器的花样日益增多，在使用电器设备的同时，不要忘记注意安全用电。一般正常情况下电器设备是不会漏电的，但是万一电器设备发生漏电人不慎碰上了怎么办呢？这里介绍我们制作的触电安全保险装置，它可以在人不慎触电（220V，50Hz的市电）之后立即断开电源，使人虽然受到一下轻微电击但不会发生危险，保护人身安全。

我们知道人体相当于一个电阻，如果人站在地面上或金属器具上，人手碰到电器用具漏电的地方，就有一股电流流经人体。工频（50Hz、220V的市电）1mA或直流5mA的电流通过人体时就可能引起麻或痛的感觉，但此时人还可以清醒地摆脱电源。如果通过人体的工频电流达到20mA或直流80mA时，人就会感觉麻痹或剧痛，此时自己已经不能自行摆脱电源并且有生命危险了。一般来说10mA以下的工频、50mA以下直流通过人体，人还可以自己摆脱电源，但是触电时间如果持续1秒钟以上还会有危险的。所以除了电流大小有关外，持续时间长短也有关系。因此本电路选定动作电流为2.5mA，响应时间为0.04～0.05秒，如果选用较好的继电器可以使响应时间缩短到0.02秒。

电路见图1，这个电路实际上是一个旁路电流检出器，它对主电流（家用电器的负载电流）—不管是几十mA或几百、几千mA—没有任何反应，而使人触电的电流I\(_{d}\)（称旁路电流）虽然只有几mA，电路却能立即动作，断开电源。

T\(_{1}\)是一个特殊的电流互感器，用来完成信号检出任务，要求它能从几千mA电流中检出混在其中并且仅有几mA的微弱电流Id。检出原理是这样的：设220V交流电源的电流先经过继电器J\(_{1}\)的常闭接点J1-1、线圈L\(_{1}\)、到家用电器负载RH，然后经线圈L\(_{2}\)、J1的常闭接点J\(_{1}\)-2回到电源。L1和L\(_{2}\)的匝数相同而且并绕在同一铁心柱上，这样绕得的线圈十分对称均匀，始端两头为输入，末端两头为输出（反过来也可以），见图5。这样的结构，使得电流在L1上产生的磁场与在L\(_{2}\)上产生的磁场大小相等方向相反，相互抵消，结果在铁心中就没有磁通，L3上也就没有电压。但是，如果人站在地上，脚与地之间没有绝缘，手接触到了图1中的A点（火线），这时就有一股电流I\(_{d}\)经L1通过人体到地回电源，而不再经过L\(_{2}\)回电源。因此流经L1的电流就比流经L\(_{2}\)的电流大Id，两个线圈上的电流不相等，L\(_{1}\)与L2上产生的磁场就不能完全抵消，使得铁心中有磁通，磁通大小与I\(_{d}\)以及L1的匝数有关并近似成正比。磁通使L\(_{3}\)两端产生一个电压Vd，V\(_{d}\)正比于L3的匝数，设计时应该使得当I\(_{d}\)=2.5mA时，Vd能达到0.1～0.2V，以便可靠地推动BG\(_{1}\)导通。

为了省电，BG\(_{1}\)、BG2平时处于截止状态，BG\(_{1}\)的导通阈值约为0.6V，为了使它截止，应设计BG1的偏置电压V\(_{B}\)小于0.6V，但又得保证当Vd有0.1～0.2V时BG\(_{1}\)立即导通，因此选VB=0.47V。当V\(_{d}\)≥0.1V时，Vd峰值≥0.1×1.41≈0.141V，BG\(_{1}\)基极的电压为0.47＋0.141=0.61V，BG1便导通。为此，要求V\(_{B}\)稳定可靠，这里利用二极管正向导通具有一定的稳压特性，用D1做偏置稳压源，约0.7V，用R\(_{1}\)、R2组成分压器对0.7V分压，得到预计的0.47V。电容C\(_{1}\)是为保持VB瞬态稳定用的，C\(_{2}\)是防止家用电器负载有较大的对地分布电容及其它干扰脉冲用的。

常规的保险过程是这样的：平时BG\(_{1}\)、BG2截止，V\(_{C}\)≈VE=18V，V\(_{D}\)=0V。当火线对地有旁路电流出现时，L3两端有电压V\(_{d}\)，当Vd大于0.1V时BG\(_{1}\)导通，VC下降，BG\(_{2}\)导通，VD上升，继电器J\(_{1}\)吸合把接点J1-1、J\(_{1}\)-2断开，切断全部家用电源，达到安全保护的目的。

从图1看出，当J\(_{1}\)动作之后，L3两端的电压将随之消失。为了保持J\(_{1}\)继续吸合，采用由R6、D\(_{2}\)、R1组成的闭锁回路。当V\(_{D}\)上升到8V，B点电压VB=\(\frac{R}{_{1}}\)R6+R\(_{1}\)（VD-D\(_{2}\)正向压降）=1.2K;10K+1.2K（8V-0.7V）≈0.78V，使BG1维持导通。一经闭锁J\(_{1}\)就吸合不放，直至事故排除之后，拉一下手动开关K1使K\(_{1}\)闭合，才能使电路复位。因为K1是跨接在B点和地之间，K\(_{1}\)闭合时，VB=0，使BG\(_{1}\)基极为0V，BG1立即截止，V\(_{C}\)上升到VE，BG\(_{2}\)也立刻截止，VD=0V，闭锁回路解脱。J\(_{1}\)释放，接点J1-1、J\(_{1}\)-2回复到常闭状态，又自动把全部家用电源接上。以上过程瞬间即完成。松开手K1即断开，整个电路又处于等待状态，一个动作循环完毕。

为了经济，电路的直流供电不用变压器降压，而是用电容C\(_{4}\)降压并限流。

R\(_{7}\)与K2是校验整机是否灵敏可靠用的，在安装调整过程中可用它当作人体，模拟I\(_{d}\)=\(\frac{220V}{R}\)7=3.5mA。装用一段时间以后也可以用它来检查整机是否守职。或者你在做某项可能有触电危险的电器试验前，为了安全可靠可先试一下保险器。校验的方法是：把K\(_{2}\)拉线开关拉一下使K2闭合即松手，如果全家电灯都灭了，说明保险器工作正常，再拉一下开关K\(_{1}\)使电路复位，全家电源也就恢复。图中XD是氖泡指示灯，当切断家用电器的电源时，J1的常开接点闭合，XD应亮。如果家里没有电，氖泡又不亮，那就是室外的线路停电了。

需要自己制作的元件主要是电流互感器T\(_{1}\)和拉线开关K1、K\(_{2}\)。

电流互感器的铁心可用E\(_{1}\)0～E15硅钢片，铁心截面积取1～2.5（平方厘米）即可。线圈L\(_{3}\)可绕在L1、L\(_{2}\)的里边也可绕在外边，它与L1、L\(_{2}\)之间要注意绝缘及屏蔽，用一、二层塑料薄膜作绝缘层并且最好加铜片屏蔽，如果没有铜片或铁心窗口不富余，可不加屏蔽片，但要注意L3两线头的连接方式。正确的连接是将L\(_{3}\)与L1、L\(_{2}\)靠近的一层引出的线头接图1中“B”点，远离L1、L\(_{2}\)的引线头接到BG1的基极。L\(_{3}\)用φ0.06～0.12漆包线绕1500匝。L1、L\(_{2}\)两股并绕，约25～30匝，线径大小根据家用的电器负荷而定。如果单个功率最大的电器在100瓦以下，可用φ0.47～0.6高强度漆包线；如果在300瓦左右用φ0.6～0.8。如果铁心窗口有余量，可用细塑胶电线，铜线径同上。

电流互感器也可用电子管收音机的输出变压器改制，其初级绕组大多为2000～3000匝，可以保留作L\(_{3}\)用。把外层粗线去掉，保留初次级绝缘层并再加一、二层塑料薄膜，然后再用粗线（线径同上述）双线并绕15～20匝即可。

K\(_{1}\)及K2的形状和尺寸见图4，它有一片动片和一片定片。定片上打一个φ4的圆孔让拉线（绝缘线）从中穿过，动片上相对应位置打一个φ2的小圆孔，把拉线穿过去并打结。手拉线时，把动片拉下与定片相接触；松开手，利用动片的弹力自动与定片离开。最好用铜片做，如果没有，用罐头盒的铁皮也可以，做好后用焊锡镀一下。定片应厚一点可用两层铜片或铁片叠焊起来制成。

继电器J\(_{1}\)应选用工作电流在30mA以内的，电容器C4的容量根据继电器工作电流而定，见表1。因平时BG\(_{1}\)、BG2截止，整流后的电流几乎全部流过稳压管DW，所以应选择最大稳定电流值相适应的稳压管，这里选用的是2CW21J或2CW21K。如果没有，也可以将两个2CW3串接使用，也可以将三个硅三极管的b－e极如图3所示连接使用。印刷电路板（图2）上是按照三个管子的位置安排的，如果只用一个稳压管，可用短路线将没有接管子的空端连接上，或将稳压管跨接也可。

接上电源，J\(_{1}\)不应动作。有时可能因干扰等原因，接上电源J1就动作吸合不放，这时可拉一下K\(_{1}\) 不松手，此时J1应释放。如果仍吸合，说明BG\(_{1}\)或BG2质量不好，换上好管再试。

接上电源如果J\(_{1}\)不动作，此时电路应已处于等待状态，可拉一下K2开关随即松手，这时J\(_{1}\)应动作。如果不动作，应检查互感器T1的接线是否正确，可以把共绕的两根线的始端对调一下（两根末端对调也可以）。如果电路正常的话，用万用表应测得V\(_{B}\)≈0.47V，VC≈V\(_{E}\)≈18V，VD≈0V。然后接上家用电器负载，试验它的抗干扰能力如何。如果容易误动作，可把C\(_{2}\) 换成3μF。

最后应该提醒一下，无论如何不要用人体做试验，可用一个51～62KΩ电阻一头与火线相通，一头与自来水管碰一下来作试验。有时虽有轻微麻手触电的感觉但电路不动作，那是因通过人体的电流太小，小于电路设计起动电流的原因。同时对家用电器设备也应经常注意维护检查，尽量保持绝缘良好、安全使用。

触电安全保险器与电度表、保险丝盒的连接方法见图6。如果线路比较长，可在III、IV两端间并联一只0.01μF/500V电容器。

因电路直接和220V电源相连接，使用前应再三检查焊接是否正确无误，以保证安全使用。(梁志伸)