基于机体温度的简易内嵌控制电路的设计

基于机体温度的简易内嵌控制电路的设计

唐圣奎 莱芜市凤城高级中学

本设计针对电气设备机体内部或内嵌电气设备的机体环境温度控制需要,提出了一种基于机体温度的简易内嵌控制电路的设计,用来实现对电气设备机体内部或内嵌电气设备的高温保护,预防减少故障.该设计根据阻容降压原理,并改进设计电源为电路供电,以热敏温度电阻为核心,利用电压比较器实现温度状态判断,并实现电路控制和报警.该电路简易实用,成本低,可靠性高。

内嵌;机体;温度控制

前言

温度故障是困扰用电设备问题之一,特别是炎热的夏天,故障发生较多,温度高是其重要原因之一.温度高不仅能加速电路电器老化,还能影响用电设备的性能,甚至引发火灾,特别是对于很多内嵌的电路和设备,因此温度控制是很重要的问题.当然现在温度控制技术与设备已经很成熟,但有的电路复杂,成本较高,有的体积较大,缺乏针对电气设备机体内部或内嵌电气设备的机体环境温度而控制的简易温度控制电路,.针对这一问题提出了基于机体内部及内嵌机体环境温度的简易控制电路的设计制作方法,在机体及环境温度高于设定值时实现自动断电等控制.

1.电路设计

基于机体温度的简易控制电路如图1所示,该电路主要由电源电路和测控电路两部分组成。 电源电路采用简易阻容降压原理改进设计, 工作原理为利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流,实现降压限流,达到电源效应.该电路主要由电容C1、C2,电阻R1、R2,二极管D1、D2,压敏电阻V1,稳压二极管Z1组成。 C1为降压电容,主要起降压限流作用,是电源的关键器件。C2为滤波电容,起稳压作用. R1为电荷泄放电阻, 为关断电源后C1的电荷泄放电阻。R2为限流降压电阻,D1为半波整流二极管，D2是雪崩二极管，Z1是稳压二极管，V1压敏电阻。该电路中V1、 D2、 R2其保护作用,当输入电压过高时,严敏电阻V1抵消一部分电压,电阻R2也可以通过限流降低部分电压,当电压还高时通过雪崩二极管D2泻放,这样可以有效抑制浪涌等电压对电路的冲击,有效保护电路,延长了电源的寿命,克服一般阻容电源容易击穿的缺点,但提高了电路成本。

测控电路主要由电阻R3～R7,热敏电阻Rt,电压比较集成电路U1,三极管Q1,继电器K,二极管D3,报警器Y组成。 热敏电阻Rt是温度测量电阻, 热敏电阻Rt与电阻R3构成温度测量电路。其测量原理为:热敏电阻Rt在机体温度变化时其自身阻值相应变化,对于某种确定的热敏电阻Rt对应某一确定温度的阻值是确定,这样对于热敏电阻Rt与电阻R3构成的温度测量电路,在通电时, 热敏电阻Rt与电阻R3上的分压确定,如图1所示温度测量电路引向电压比较集成电路U1同相输入端“+”的电压确定,同理温度变化, 电压比较集成电路U1同相输入端“+”的电压也相应变化, 那么这一电压信号就代表相应的温度,标定后我们根据这一电压就能确定温度值。电阻R4、R5构成基准电压电路,用于给电压比较集成电路U1反相输入端“-”提供基准电压,电阻R5是可调电阻,可以调整基准电压大小, 基准电压大小根据机体限定的最高温度确定。电压比较集成电路U1,电阻R6、R7, 三极管Q1,继电器K,二极管D3,报警器Y组成控制电路。电压比较集成电路U1根据同相输入端“+”和 反相输入端“-”的电压变化,比较判断实时温度状态,输出控制信号,用于实现断开供电电路和报警。

其工作过程为: 热敏电阻Rt的实际阻值随机体温度的变化而变化。电阻R6,R7起降压保护,防止瞬间高压烧坏电路器件。 三极管Q1用于放大控制信号,起开关驱动执行器作用,继电器K和报警器Y是执行器。二极管D3是高压泻放电路,用于保护电路。当机体温度低于机体限定的最高温度时,电路不工作。 当机体温度高于机体限定的最高温度时, 电压比较集成电路U1同相端“+”的电压高于同相端“-”的电压, 电压比较集成电路U1输出高压,并通过R7给三极管Q1的基极供电,使三极管Q1正向导通并进入饱和导通状态,使继电器线圈通电,连接在用电设备主电路的常闭触头打开断电,避免用电设备机体温度进一步升高,防止出现故障和事故。

2.电路制作

2.1 器件的选择

本电路的目地就是用来在用电设备机体内部温度过高或内嵌电气设备机体及内嵌环境温度过高时，在达到限定阀值时自动断开电源并报警。由于用电设备的供电电源不同，所以电路需要元器件的参数需要根据不同的供电电源而选择确定。本设计为了进行试验，针对交流220V,50Hz的供电进行了制作实验，元器件的选择确定如下。

热敏电阻Rt的参数选择对电路非常重要,根据电路的功能,只要电路能在机体或机体环境温度达到限定的温度时,电路能自动动作断开机体相应的电源电路就可以。根据国家标准商业级器件的工作温度范围是0℃～+70℃，工业级的是-40℃～+85℃，军品级的是-55℃～+150℃,另外还有些器件有一种汽车工业级的是-40℃～+125℃。这样我们可以根据设备机体应用的相应品级确定不同的限定的温度, 商业级限定温度定为+70℃，工业级定为+85℃，军品级定为150℃,汽车工业级定为+125℃。我们实验是针对的商业级, 限定温度定为+70℃,考虑到供电电源大小和尽可能降低能耗,精度要求一般,这样选择正温度系数热敏电阻器（PTC）的MF58,当温度为+70℃时其电阻阻值是2.227kΩ,根据这一阻值,电阻R3、R4选用20KΩ的普通阻, 电阻R5选用20KΩ的可调电阻。

电路电源采用的阻容降压原理,电路简单,成本低,但是容易击穿,所以在本电路中增加了D2雪崩二极管,以保护电路防止击穿, D2选用P6KE180A反向击穿电压为170V～190V,这样当电压瞬间过高时可以有效保护电路,但提高了电路成本。电容C1为电路提供电流,选用2F630V的无极性电容,可以提供约60mA的电流,电容C2选用470µF/16V。电压比较集成电路U1选用LM339,该电路能耗较小,精度较高。其它器件三极管Q1选用2N3904或S8050, 继电器K选用HK4100F-DC5V-SH和报警器Y选用5V一体有源电磁式TMB12A03蜂鸣器。压敏电阻V1选用10D511K ,电阻R1选用1MΩ的普通阻,R2选用10Ω/2W电阻,R6选用1kΩ电阻,R7选用820Ω电阻,D1、D3选用1N4007二极管,Z1选用5.6V/1W稳压管。由于电路要求精度不高,所有选用的电阻标称值误差都为±5%。

2.2 实验

本电路基于交流220V,50Hz的供电交流进行了制作和实验，电路参数选择如上文所述，选定的最高温度阀值为70℃。实验在电焊机机箱内部和楼房节能改造用保温膜内进行，利用电吹风加热器加热。实验结果证明，电路控制效果可靠，耗电小于0.5W,已经连续运行3个月，没有出现故障。

3.结束语

该设计基于改进的阻容电源 利用简单温控电路，实现了对机体内部或内嵌电路温度的实时控制保护。具有成本低廉，简单可靠，作用显著的特点可广泛应用，市场和发展前景良好。也希望给读者一点启迪。

[1] 陈花卫.直流电机电源设计研究[J]. 电子制作 .2016（01）

[2] 牛卫华.一种实用型温度监控器的设计[J].电子制作 .2015（04）

图1 简易控制电路原理图