一种新型防尘散热开关工作原理

吴俊江

(首都师范大学附属中学高三（5）班，北京，100048)

1 研究背景

开关为一个可以使电路开路、使电流中断或使其流到其他电路的电子元件分类较多。现有的散热开关在使用时存在一定的弊端，这些弊端就是产生各种事故的根源，很多劣质开关在通电瞬间被强大电流烧毁，为消除隐患，现有的开关制作方法和流程需要进一步改进[1]。为解决这一问题，曹叶飞等在大电流中压交流设备中采用气体绝缘金属封闭开关[2]，钟宁帆等在传统的硬开关高频模式下在本安电源Buck变换器中发明了软开通和关断[3]，韩喜俊则解决了两线制接近开关中防水、防震、耐腐蚀金属的使用问题[3]，但对于220-380V家用开关的防尘散热问题，国内相关研究较少。针对以上问题，受到电器柜结构散热与通风工作原理的启发[5]，本文提出了一种新型防尘散热开关，创新点在于改进了常用开关的保护盖、荧光条、防护门和散热板。

2 工作原理

2.1 技术原理

对开关进行技术改造，改造步骤如下。

改进保护盖：该保护盖的一端外表面固定安装有连接转轴，且连接转轴的一端外表面设有阻燃底座，阻燃底座的一端外表面固定安装有面板，且面板的外表面设有一号插孔，靠近面板的外表面一号插孔的下方设有二号插孔，且靠近面板的外表面一号插孔的一侧设有控制钮；固定螺孔的数量为四组，且固定螺孔分别平行放置；连接转轴的数量为两组，且连接转轴分别平行放置。

改进散热板：将散热板安装于阻燃底座的下端，且阻燃底座的一侧外表面设有火线端，靠近阻燃底座的一侧外表面火线端的下方设有地线端，且靠近地线端的一侧设有零线端。

新增荧光条：荧光条位于控制钮的外表面，阻燃底座的内部内表面设有阻燃支架，且阻燃支架的外表面设有固定螺孔，靠近阻燃底座的内部内表面阻燃支架的下方设有二号阻燃支架；荧光条的一端外表面通过控制钮的一端外表面与面板的外表面固定连接，且控制钮的外表面涂有疏水疏油层。

改进防护门：儿童防护门位于靠近二号阻燃支架的下方，其下方设有导电配件。

在安装过程中，需要注意以下四点要求：二号阻燃支架的外表面设有暗盒，暗盒的数量为两组，暗盒为一种PVC材质的构件。

2.2 实施方案

在设计防尘散热开关时，通过设置的保护盖1，能够起到防尘防水的作用图1(a），防止水渍与灰尘进入到开关内部影响使用寿命，保护盖1上安装有连接转轴2，连接转轴2的一端与面板4固定连接，可方便用户在使用时打开保护盖1，面板4上有一号插孔5与二号插孔6（图2），可方便适应不同种类的插头，以满足用户的不同需要，通过设置的控制钮7，可控制开关内的电源接连的关系，控制钮7的外表面有荧光条8，在光线昏暗的环境里，能够起到提示醒目的作用，即使在昏暗的环境里也可以进行操作，通过设置的儿童防护门12，采用了独立的安全门设计，单控需要较大的力气才能打开，而当普通插头插入时，只需适当的力就可以打开，能够防止由儿童好奇而引起的触点事故，散热板14被设置在阻燃底座3的下端，相比较于传统的设置在开关的背部，现在的散热板14更加便于开关的散热降温，并且不容易积累灰尘，延长了开关的使用寿命，通过设置的阻燃支架9，阻燃支架9上有固定螺孔10，可方便与面板4与二号阻燃支架11固定连接，便于安装拆卸，通过设置的导电配件13，主要负责开关内部的电力传输，火线端15和零线端17构成供电的主要电源，地线端16又称做避雷线，是用来将电流引入大地的导线，电气设备出现漏电与电压过高的问题时，电流通过地线进入大地，较为安全，面板4为一体化压铸而成，更加高硬，耐磨，耐刮花，不易变色，较为实用图1(b）。

图1 (a) 防尘散热开关的整体结构示意图

图1 (b) 防尘散热开关剖析图

图2 防尘散热开关的阻燃底座局部放大图

2.3 性能参数

新型防尘散热开关主要的性能参数如下。

（1）工作环境：工作温度:0～50℃(-20℃到70℃储存)，相对湿度:10～95% @ 40℃(不凝露)，电磁干扰符合FCC/VDE A级标准。

（2）接触电阻：开关接通时，“接触对”(两触点)导体间的电阻值叫做接触电阻。该值要求越小越好，其数值按电路的工作要求及开关的结构类型各有不同的规定，如小型瓷质波段开关及微动开关等的常态接触电阻大于0.01ω，电源开关则大于0.02ω，—般开关多在0.02ω以下。

（3）触点容量：指触点能通过电流的能力。有的开关在规定电流容量的同时，对负载性质也有所要求，如无感性负载的触点在有感参量的电路中工作时电流定额应相应减小。

（4）耐压：分和触点要保证一对触点断开时不击穿，各种开关的技术条件中都规定了其额定工作电压的数值。本次设计的新型开关的耐压至少大于380 v交流电(频率50 hz)。

（5）绝缘电阻：不相接触的开关导体之间的电阻称为绝缘电阻。本次设计的新型开关的绝缘电阻要求在100 mω以上。

（6）寿命与可靠性：寿命是指开关在正常条件下能工作的有效次数（使用次数），本次设计要求在10000~50000次以上。长寿命的幵关可达100万次，有的钮子开关寿命可达4000万次，微动开关则可高达1~2亿次。可靠性是指开关在工作过程中接触可靠以及不产生误动作。

3 实验测试

该新型开关经过了一系列实验测试，其散热防尘性能总体表现稳定（表1），证实本方案设计具有实用性和可靠性。

表1 防尘散热开关测试结果表

4 讨论

由于新型防尘散热开关设有保护盖、荧光条、儿童防护门、散热板[6]，因此能够起到防尘防水的作用，防止水渍与灰尘进入到开关内部影响使用寿命，在光线昏暗的环境里，能够起到提示醒目的作用，即使在昏暗的环境里也可以进行操作，独立的安全门设计，单控需要较大的力气才能打开，而当普通插头插入时，只需适当的力就可以打开，能够防止由儿童好奇而引起的触点事故，提高了开关的散热效果。其电寿命达到10万次，该方案可适用于企事业单位各类电器，具有广阔的应用前景。

在采用本方案进行产品生产时，需要注意四个方面：首先是接线端子建议采用速接端子，该端口采用TodayHot端口，接线简单快速，且安全可靠；其次触点采用硬度较高的弹簧，以降低接触电阻；荧光开关电源发光型(如氖泡)，可长期发光；绝缘材料要求质地坚硬，成型后结构严密，且分量较重的PVC材料，并对其核心部件做燃烧实验；开关触电建议选择银锂合金触电，该类型触电即保证了银的良好导电性，又有效提高

了其熔点和硬度，可以有效预防反复使用后变形等问题。