制作手机充电器防漏电保护装置结题报告

1、11年级三人项目发明创造工程类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

2、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iphone 5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.

3、7月8日晚，30岁的北京男子武建同在给苹果iPhone 4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

4、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

5、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198V242V。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)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 10kQ以上；若

6、皮肤潮湿、破损或粘有电性粉 尘时，其阻值可急剧下降到 800Q1000Q。我们以危险性较高的1000Q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

7、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

8、-( 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 RD3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DMRD4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

9、是100uF电放电的电解电容。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

10、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

11、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。律IKih惰 “电H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 36V260V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