閑時(shí)自斷電插座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

鄭曉龍，宋丕偉，叢穎婕，王艷雪，孫 穎，劉 鵬，張孝臣

（大連科技學(xué)院，遼寧 大連116052）

隨著科技的迅速發(fā)展，電子設(shè)備和家用電器的數(shù)量越來越多，使得每個(gè)家庭的家用電器數(shù)量大幅增加且種類繁雜，每年都會(huì)有大量由于用電問題引發(fā)的觸電事故。因此做好防觸電工作是十分重要的，為了更安全地使用插座，防止兒童用金屬接觸到插座發(fā)生危險(xiǎn)，該設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)插座的缺陷，即使人的肢體觸及到了插座的電路，在防觸電插座電路的保護(hù)下也不會(huì)發(fā)生觸電事故，同時(shí)將智能化（手機(jī)終端控制）與多用途（電功率測(cè)量）結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了這款閑時(shí)自動(dòng)斷電插座，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

該插座在閑時(shí)，即沒有插入插頭時(shí)插座內(nèi)部的接觸銅片處于斷電狀態(tài)，此時(shí)即使兒童由于好奇將金屬導(dǎo)體插入插座或者將液體潑在插座上，一般也不會(huì)發(fā)生觸電的事故。該插座主要由以下幾部分組成：

1 滑塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滑塊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是由彈簧、擋板、滑塊以及穿簧桿組成，如圖2所示。每當(dāng)施加給滑塊一個(gè)與彈簧平行的力時(shí)，滑塊向下運(yùn)動(dòng)，彈簧受力被壓縮，同時(shí)三角形滑塊的斜邊與擋板接觸，滑塊會(huì)給擋板一個(gè)垂直于三角形斜邊的一個(gè)力F，根據(jù)平行四邊形法則將力可以分解為平行于彈簧的分力F1和不垂直擋板的分力F2，分力與合力的關(guān)系是等效替代關(guān)系，合力F對(duì)物體的作用效果和兩個(gè)分力F1、F2的作用效果是相同的，分力F2會(huì)使擋板向下運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到滑動(dòng)的目的。

圖2 滑塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 彈性金屬片設(shè)計(jì)

在滑塊的下方安裝用來推動(dòng)彈性金屬片的擋板，擋板的選用需要遵循如下原則：（1）質(zhì)量輕：擋板的下壓依靠滑塊的運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)則需要靠金屬?gòu)椘?，因此擋板的質(zhì)量一定要輕；（2）良好的絕緣性：擋板需要與金屬片連接，金屬片是帶電流的，因此擋板絕緣性的好壞直接影響插座的安全性；（3）尺寸精度高：插座里的空間十分有限，在擋板下壓和恢復(fù)的過程中不能因?yàn)槌叽绲牟缓线m影響運(yùn)動(dòng)精度。擋板是整個(gè)防觸電裝置中承上啟下的裝置，雖沒有直接參與電流的傳遞，但也是整個(gè)裝置中必不可少的構(gòu)件。

在插座中，兩彈性金屬片分別連接火線和插座中與插頭接觸的導(dǎo)電銅片，如圖3所示。因?yàn)樵趯?dǎo)線連接處存在接觸電阻，接觸電阻的數(shù)值一般都大于導(dǎo)線的自身電阻，當(dāng)電流流過時(shí)，由于焦耳效應(yīng)，必然會(huì)引起發(fā)熱，由焦耳定律Q=I2Rt可知，導(dǎo)線連接處與別處串聯(lián)，在通電時(shí)間t和電流I相等的條件下，電阻R越大，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量Q就越多，因此導(dǎo)線連接處往往比別處更易發(fā)熱，加速老化，甚至引起火災(zāi)。同樣在開關(guān)、保險(xiǎn)絲、端子排等接頭處，也都存在接觸電阻，所以這些地方最容易因過熱而引起事故。因此在此裝置中采用材料、形狀、大小完全一致的金屬片，來達(dá)到增長(zhǎng)使用壽命，使用壽命一致以及加大安全系數(shù)的目的，并且擁有互換性高的優(yōu)點(diǎn)。而且金屬片的彈性要求很高，在選材上需要多次實(shí)驗(yàn)，保證裝置的安全性。

圖3 彈性金屬片設(shè)計(jì)

3 插頭設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中兩彈性金屬片有一定距離，插座平時(shí)處于斷電狀態(tài)，使用時(shí)需要讓兩金屬片相碰才能夠使插座通電，因此與插座配套使用的為帶有凸起的專用插頭，如圖4所示。當(dāng)使用帶有凸起的專用插頭時(shí)，凸起部分能夠推動(dòng)裝置內(nèi)的滑塊，將插頭的垂直運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛瑝K的水平運(yùn)動(dòng)，滑塊運(yùn)動(dòng)使兩金屬片接觸，電流通路，插座帶電。即實(shí)現(xiàn)了插座在有插頭插入時(shí)自運(yùn)通電的效果。

圖4 插頭設(shè)計(jì)

為了保障插座的通用性，需要格外配有插頭套，在使用普通插頭時(shí)，將設(shè)計(jì)好的插頭套安裝在插頭上，使原有的用電器也能在插座中使用，不用特意更換插頭。

4 手動(dòng)旋鈕設(shè)計(jì)

由于此款防觸電插座的防觸電裝置需要配合專用插頭使用，但是家庭里有很多電器是普通插頭，短時(shí)間內(nèi)無法更換用電器，為了保證防觸電插座的通用性，讓普通插頭也可以使用，因此本產(chǎn)品在插座上裝有手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕，如圖5所示。旋鈕原理和螺栓類似，材料為絕緣塑料。用極小的一字螺絲刀扭動(dòng)旋鈕，扭動(dòng)15圈可以有效防止家里小孩因好奇扭動(dòng)旋鈕，發(fā)生觸電事故，而且需要極小的一字螺絲刀，徒手是無法扭動(dòng)的，并且絕緣塑料的材質(zhì)不僅僅保證了使用者的安全，還降低了成本。旋鈕頂住擋板，扭動(dòng)旋鈕使擋板下壓，彈性金屬板受力彎曲，兩金屬板接觸，插座通電，這時(shí)普通插頭也可以使用。使用后需要將旋鈕復(fù)位，保證插座安全性與通用性。

圖5 手動(dòng)旋鈕設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

該閑時(shí)自動(dòng)斷電插座能夠在拔下插頭時(shí)，即插座的非工作時(shí)間自動(dòng)切斷插座的電源，從而在一定程度上降低觸電事故發(fā)生的可能性，提高了用電的安全系數(shù)。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)及電路改進(jìn)使插座在平時(shí)根本不帶電，只有配有的專用插頭插入時(shí)才會(huì)啟動(dòng)插座。即使不小心碰到插座內(nèi)部，由于插座不帶電也就從根本上做到了防觸電。另外，該插座的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了防觸電擋板，讓插座盒內(nèi)部的空間得以釋放，空余的空間為插座的多功能化提供了便利，可以在空間內(nèi)進(jìn)行其他功能的開發(fā)利用，比如增加功率顯示功能、遠(yuǎn)程遙控的功能，為插座在現(xiàn)如今的社會(huì)智能化方向上發(fā)展提供了條件。除此之外在造價(jià)上成本低廉；采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，可靠性高，需要插頭及插座的雙向配合，相當(dāng)于為用電安全上了兩把鎖，機(jī)械結(jié)構(gòu)不同于電子元器件，其可靠性更高，并且此款插座磨損程度小，有效增加了插座的使用壽命，因此應(yīng)用前景較好。