基于機體溫度的簡易內嵌控制電路的設計

基于機體溫度的簡易內嵌控制電路的設計

唐圣奎 萊蕪市鳳城高級中學

本設計針對電氣設備機體內部或內嵌電氣設備的機體環境溫度控制需要,提出了一種基于機體溫度的簡易內嵌控制電路的設計,用來實現對電氣設備機體內部或內嵌電氣設備的高溫保護,預防減少故障.該設計根據阻容降壓原理,并改進設計電源為電路供電,以熱敏溫度電阻為核心,利用電壓比較器實現溫度狀態判斷,并實現電路控制和報警.該電路簡易實用,成本低,可靠性高。

內嵌;機體;溫度控制

前言

溫度故障是困擾用電設備問題之一,特別是炎熱的夏天,故障發生較多,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,還能影響用電設備的性能,甚至引發火災,特別是對于很多內嵌的電路和設備,因此溫度控制是很重要的問題.當然現在溫度控制技術與設備已經很成熟,但有的電路復雜,成本較高,有的體積較大,缺乏針對電氣設備機體內部或內嵌電氣設備的機體環境溫度而控制的簡易溫度控制電路,.針對這一問題提出了基于機體內部及內嵌機體環境溫度的簡易控制電路的設計制作方法,在機體及環境溫度高于設定值時實現自動斷電等控制.

1.電路設計

基于機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控電路兩部分組成。 電源電路采用簡易阻容降壓原理改進設計, 工作原理為利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流,實現降壓限流,達到電源效應.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,是電源的關鍵器件。C2為濾波電容,起穩壓作用. R1為電荷泄放電阻, 為關斷電源后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是穩壓二極管，V1壓敏電阻。該電路中V1、 D2、 R2其保護作用,當輸入電壓過高時,嚴敏電阻V1抵消一部分電壓,電阻R2也可以通過限流降低部分電壓,當電壓還高時通過雪崩二極管D2瀉放,這樣可以有效抑制浪涌等電壓對電路的沖擊,有效保護電路,延長了電源的壽命,克服一般阻容電源容易擊穿的缺點,但提高了電路成本。

測控電路主要由電阻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,報警器Y組成。 熱敏電阻Rt是溫度測量電阻, 熱敏電阻Rt與電阻R3構成溫度測量電路。其測量原理為:熱敏電阻Rt在機體溫度變化時其自身阻值相應變化,對于某種確定的熱敏電阻Rt對應某一確定溫度的阻值是確定,這樣對于熱敏電阻Rt與電阻R3構成的溫度測量電路,在通電時, 熱敏電阻Rt與電阻R3上的分壓確定,如圖1所示溫度測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“+”的電壓也相應變化, 那么這一電壓信號就代表相應的溫度,標定后我們根據這一電壓就能確定溫度值。電阻R4、R5構成基準電壓電路,用于給電壓比較集成電路U1反相輸入端“-”提供基準電壓,電阻R5是可調電阻,可以調整基準電壓大小, 基準電壓大小根據機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,報警器Y組成控制電路。電壓比較集成電路U1根據同相輸入端“+”和 反相輸入端“-”的電壓變化,比較判斷實時溫度狀態,輸出控制信號,用于實現斷開供電電路和報警。

其工作過程為: 熱敏電阻Rt的實際阻值隨機體溫度的變化而變化。電阻R6,R7起降壓保護,防止瞬間高壓燒壞電路器件。 三極管Q1用于放大控制信號,起開關驅動執行器作用,繼電器K和報警器Y是執行器。二極管D3是高壓瀉放電路,用于保護電路。當機體溫度低于機體限定的最高溫度時,電路不工作。 當機體溫度高于機體限定的最高溫度時, 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正向導通并進入飽和導通狀態,使繼電器線圈通電,連接在用電設備主電路的常閉觸頭打開斷電,避免用電設備機體溫度進一步升高,防止出現故障和事故。

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備機體內部溫度過高或內嵌電氣設備機體及內嵌環境溫度過高時，在達到限定閥值時自動斷開電源并報警。由于用電設備的供電電源不同，所以電路需要元器件的參數需要根據不同的供電電源而選擇確定。本設計為了進行試驗，針對交流220V,50Hz的供電進行了制作實驗，元器件的選擇確定如下。

熱敏電阻Rt的參數選擇對電路非常重要,根據電路的功能,只要電路能在機體或機體環境溫度達到限定的溫度時,電路能自動動作斷開機體相應的電源電路就可以。根據國家標準商業級器件的工作溫度范圍是0℃～+70℃，工業級的是-40℃～+85℃，軍品級的是-55℃～+150℃,另外還有些器件有一種汽車工業級的是-40℃～+125℃。這樣我們可以根據設備機體應用的相應品級確定不同的限定的溫度, 商業級限定溫度定為+70℃，工業級定為+85℃，軍品級定為150℃,汽車工業級定為+125℃。我們實驗是針對的商業級, 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熱敏電阻器（PTC）的MF58,當溫度為+70℃時其電阻阻值是2.227k?,根據這一阻值,電阻R3、R4選用20K?的普通阻, 電阻R5選用20K?的可調電阻。

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,以保護電路防止擊穿, D2選用P6KE180A反向擊穿電壓為170V～190V,這樣當電壓瞬間過高時可以有效保護電路,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穩壓管。由于電路要求精度不高,所有選用的電阻標稱值誤差都為±5%。

2.2 實驗

本電路基于交流220V,50Hz的供電交流進行了制作和實驗，電路參數選擇如上文所述，選定的最高溫度閥值為70℃。實驗在電焊機機箱內部和樓房節能改造用保溫膜內進行，利用電吹風加熱器加熱。實驗結果證明，電路控制效果可靠，耗電小于0.5W,已經連續運行3個月，沒有出現故障。

3.結束語

該設計基于改進的阻容電源 利用簡單溫控電路，實現了對機體內部或內嵌電路溫度的實時控制保護。具有成本低廉，簡單可靠，作用顯著的特點可廣泛應用，市場和發展前景良好。也希望給讀者一點啟迪。

[1] 陳花衛.直流電機電源設計研究[J]. 電子制作 .2016（01）

[2] 牛衛華.一種實用型溫度監控器的設計[J].電子制作 .2015（04）

圖1 簡易控制電路原理圖