基于機(jī)體溫度的簡易內(nèi)嵌控制電路的設(shè)計(jì)

基于機(jī)體溫度的簡易內(nèi)嵌控制電路的設(shè)計(jì)

唐圣奎 萊蕪市鳳城高級(jí)中學(xué)

本設(shè)計(jì)針對(duì)電氣設(shè)備機(jī)體內(nèi)部或內(nèi)嵌電氣設(shè)備的機(jī)體環(huán)境溫度控制需要,提出了一種基于機(jī)體溫度的簡易內(nèi)嵌控制電路的設(shè)計(jì),用來實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備機(jī)體內(nèi)部或內(nèi)嵌電氣設(shè)備的高溫保護(hù),預(yù)防減少故障.該設(shè)計(jì)根據(jù)阻容降壓原理,并改進(jìn)設(shè)計(jì)電源為電路供電,以熱敏溫度電阻為核心,利用電壓比較器實(shí)現(xiàn)溫度狀態(tài)判斷,并實(shí)現(xiàn)電路控制和報(bào)警.該電路簡易實(shí)用,成本低,可靠性高。

內(nèi)嵌;機(jī)體;溫度控制

前言

溫度故障是困擾用電設(shè)備問題之一,特別是炎熱的夏天,故障發(fā)生較多,溫度高是其重要原因之一.溫度高不僅能加速電路電器老化,還能影響用電設(shè)備的性能,甚至引發(fā)火災(zāi),特別是對(duì)于很多內(nèi)嵌的電路和設(shè)備,因此溫度控制是很重要的問題.當(dāng)然現(xiàn)在溫度控制技術(shù)與設(shè)備已經(jīng)很成熟,但有的電路復(fù)雜,成本較高,有的體積較大,缺乏針對(duì)電氣設(shè)備機(jī)體內(nèi)部或內(nèi)嵌電氣設(shè)備的機(jī)體環(huán)境溫度而控制的簡易溫度控制電路,.針對(duì)這一問題提出了基于機(jī)體內(nèi)部及內(nèi)嵌機(jī)體環(huán)境溫度的簡易控制電路的設(shè)計(jì)制作方法,在機(jī)體及環(huán)境溫度高于設(shè)定值時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電等控制.

1.電路設(shè)計(jì)

基于機(jī)體溫度的簡易控制電路如圖1所示,該電路主要由電源電路和測(cè)控電路兩部分組成。 電源電路采用簡易阻容降壓原理改進(jìn)設(shè)計(jì), 工作原理為利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流,實(shí)現(xiàn)降壓限流,達(dá)到電源效應(yīng).該電路主要由電容C1、C2,電阻R1、R2,二極管D1、D2,壓敏電阻V1,穩(wěn)壓二極管Z1組成。 C1為降壓電容,主要起降壓限流作用,是電源的關(guān)鍵器件。C2為濾波電容,起穩(wěn)壓作用. R1為電荷泄放電阻, 為關(guān)斷電源后C1的電荷泄放電阻。R2為限流降壓電阻,D1為半波整流二極管，D2是雪崩二極管，Z1是穩(wěn)壓二極管，V1壓敏電阻。該電路中V1、 D2、 R2其保護(hù)作用,當(dāng)輸入電壓過高時(shí),嚴(yán)敏電阻V1抵消一部分電壓,電阻R2也可以通過限流降低部分電壓,當(dāng)電壓還高時(shí)通過雪崩二極管D2瀉放,這樣可以有效抑制浪涌等電壓對(duì)電路的沖擊,有效保護(hù)電路,延長了電源的壽命,克服一般阻容電源容易擊穿的缺點(diǎn),但提高了電路成本。

測(cè)控電路主要由電阻R3～R7,熱敏電阻Rt,電壓比較集成電路U1,三極管Q1,繼電器K,二極管D3,報(bào)警器Y組成。 熱敏電阻Rt是溫度測(cè)量電阻, 熱敏電阻Rt與電阻R3構(gòu)成溫度測(cè)量電路。其測(cè)量原理為:熱敏電阻Rt在機(jī)體溫度變化時(shí)其自身阻值相應(yīng)變化,對(duì)于某種確定的熱敏電阻Rt對(duì)應(yīng)某一確定溫度的阻值是確定,這樣對(duì)于熱敏電阻Rt與電阻R3構(gòu)成的溫度測(cè)量電路,在通電時(shí), 熱敏電阻Rt與電阻R3上的分壓確定,如圖1所示溫度測(cè)量電路引向電壓比較集成電路U1同相輸入端“+”的電壓確定,同理溫度變化, 電壓比較集成電路U1同相輸入端“+”的電壓也相應(yīng)變化, 那么這一電壓信號(hào)就代表相應(yīng)的溫度,標(biāo)定后我們根據(jù)這一電壓就能確定溫度值。電阻R4、R5構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路,用于給電壓比較集成電路U1反相輸入端“-”提供基準(zhǔn)電壓,電阻R5是可調(diào)電阻,可以調(diào)整基準(zhǔn)電壓大小, 基準(zhǔn)電壓大小根據(jù)機(jī)體限定的最高溫度確定。電壓比較集成電路U1,電阻R6、R7, 三極管Q1,繼電器K,二極管D3,報(bào)警器Y組成控制電路。電壓比較集成電路U1根據(jù)同相輸入端“+”和 反相輸入端“-”的電壓變化,比較判斷實(shí)時(shí)溫度狀態(tài),輸出控制信號(hào),用于實(shí)現(xiàn)斷開供電電路和報(bào)警。

其工作過程為: 熱敏電阻Rt的實(shí)際阻值隨機(jī)體溫度的變化而變化。電阻R6,R7起降壓保護(hù),防止瞬間高壓燒壞電路器件。 三極管Q1用于放大控制信號(hào),起開關(guān)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器作用,繼電器K和報(bào)警器Y是執(zhí)行器。二極管D3是高壓瀉放電路,用于保護(hù)電路。當(dāng)機(jī)體溫度低于機(jī)體限定的最高溫度時(shí),電路不工作。 當(dāng)機(jī)體溫度高于機(jī)體限定的最高溫度時(shí), 電壓比較集成電路U1同相端“+”的電壓高于同相端“-”的電壓, 電壓比較集成電路U1輸出高壓,并通過R7給三極管Q1的基極供電,使三極管Q1正向?qū)ú⑦M(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài),使繼電器線圈通電,連接在用電設(shè)備主電路的常閉觸頭打開斷電,避免用電設(shè)備機(jī)體溫度進(jìn)一步升高,防止出現(xiàn)故障和事故。

2.電路制作

2.1 器件的選擇

本電路的目地就是用來在用電設(shè)備機(jī)體內(nèi)部溫度過高或內(nèi)嵌電氣設(shè)備機(jī)體及內(nèi)嵌環(huán)境溫度過高時(shí)，在達(dá)到限定閥值時(shí)自動(dòng)斷開電源并報(bào)警。由于用電設(shè)備的供電電源不同，所以電路需要元器件的參數(shù)需要根據(jù)不同的供電電源而選擇確定。本設(shè)計(jì)為了進(jìn)行試驗(yàn)，針對(duì)交流220V,50Hz的供電進(jìn)行了制作實(shí)驗(yàn)，元器件的選擇確定如下。

熱敏電阻Rt的參數(shù)選擇對(duì)電路非常重要,根據(jù)電路的功能,只要電路能在機(jī)體或機(jī)體環(huán)境溫度達(dá)到限定的溫度時(shí),電路能自動(dòng)動(dòng)作斷開機(jī)體相應(yīng)的電源電路就可以。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)級(jí)器件的工作溫度范圍是0℃～+70℃，工業(yè)級(jí)的是-40℃～+85℃，軍品級(jí)的是-55℃～+150℃,另外還有些器件有一種汽車工業(yè)級(jí)的是-40℃～+125℃。這樣我們可以根據(jù)設(shè)備機(jī)體應(yīng)用的相應(yīng)品級(jí)確定不同的限定的溫度, 商業(yè)級(jí)限定溫度定為+70℃，工業(yè)級(jí)定為+85℃，軍品級(jí)定為150℃,汽車工業(yè)級(jí)定為+125℃。我們實(shí)驗(yàn)是針對(duì)的商業(yè)級(jí), 限定溫度定為+70℃,考慮到供電電源大小和盡可能降低能耗,精度要求一般,這樣選擇正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）的MF58,當(dāng)溫度為+70℃時(shí)其電阻阻值是2.227k?,根據(jù)這一阻值,電阻R3、R4選用20K?的普通阻, 電阻R5選用20K?的可調(diào)電阻。

電路電源采用的阻容降壓原理,電路簡單,成本低,但是容易擊穿,所以在本電路中增加了D2雪崩二極管,以保護(hù)電路防止擊穿, D2選用P6KE180A反向擊穿電壓為170V～190V,這樣當(dāng)電壓瞬間過高時(shí)可以有效保護(hù)電路,但提高了電路成本。電容C1為電路提供電流,選用2F630V的無極性電容,可以提供約60mA的電流,電容C2選用470μF/16V。電壓比較集成電路U1選用LM339,該電路能耗較小,精度較高。其它器件三極管Q1選用2N3904或S8050, 繼電器K選用HK4100F-DC5V-SH和報(bào)警器Y選用5V一體有源電磁式TMB12A03蜂鳴器。壓敏電阻V1選用10D511K ,電阻R1選用1M?的普通阻,R2選用10?/2W電阻,R6選用1k?電阻,R7選用820?電阻,D1、D3選用1N4007二極管,Z1選用5.6V/1W穩(wěn)壓管。由于電路要求精度不高,所有選用的電阻標(biāo)稱值誤差都為±5%。

2.2 實(shí)驗(yàn)

本電路基于交流220V,50Hz的供電交流進(jìn)行了制作和實(shí)驗(yàn)，電路參數(shù)選擇如上文所述，選定的最高溫度閥值為70℃。實(shí)驗(yàn)在電焊機(jī)機(jī)箱內(nèi)部和樓房節(jié)能改造用保溫膜內(nèi)進(jìn)行，利用電吹風(fēng)加熱器加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，電路控制效果可靠，耗電小于0.5W,已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月，沒有出現(xiàn)故障。

3.結(jié)束語

該設(shè)計(jì)基于改進(jìn)的阻容電源 利用簡單溫控電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)體內(nèi)部或內(nèi)嵌電路溫度的實(shí)時(shí)控制保護(hù)。具有成本低廉，簡單可靠，作用顯著的特點(diǎn)可廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)和發(fā)展前景良好。也希望給讀者一點(diǎn)啟迪。

[1] 陳花衛(wèi).直流電機(jī)電源設(shè)計(jì)研究[J]. 電子制作 .2016（01）

[2] 牛衛(wèi)華.一種實(shí)用型溫度監(jiān)控器的設(shè)計(jì)[J].電子制作 .2015（04）

圖1 簡易控制電路原理圖