CN102193566B - 发热线的控温电路及其控温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发热线的控温电路及其控温方法，是以一第一正向方波信号产生电路输出正向方波信号，以一反向方波信号输出电路输出充放电后的反向方波信号，并以一第二正向方波信号产生电路输出具变化的正向方波信号。且三个方波信号产生电路分别连接一与门，以在三个方波信号同时输入为逻辑高时，以触发电路触发开关，使加热线加热；而在加热温度上升，使第二正向方波信号所输出的正向方波信号产生变化，并使三个方波信号非同时输入为逻辑高时，不会让触发电路触发开关，以停止加热线继续加热，从而使发热线保持在一定的工作温度。
Description
技术领域
本发明是有关一种控温电路，尤指一种发热线的控温电路及其控温方法，适用于电热炉、热敷毯等发热装置使用。
背景技术
诸如热敷垫之类的发热装置在目前市面上已被广泛的使用，而让发热线在加热到使用者所设定的温度之后自动中断，则可让发热装置保持在预定的加热范围内，以提供诸如热敷之类的功能，并确保使用安全。
为了有效达到控温的效果，美国第5,861,610号专利案是以正温度系数（Positive Temperature Coefficient,PTC）元件做为侦测线，以感测温度的变化，并同时搭配发热线以进行控温加热。其中，当侦测线的温度随着发热线的温度上升，或因高温使得侦测线的电阻改变时，都将经由控制器内的比较电路进行比对，再以比对结果调整输入发热线的电流量，以控制发热温度在使用者所设定的范围内。
上述技术在美国第6,300,597号、第6,310,322号及第6768086号专利案中已同时被公开。而美国第7,180,037号专利案则揭示了另一种PTC元件或负温度系数（Negative Temperature Coefficient,NTC）元件的应用例，其与前述各现有技术的最大不同处在于：侦测一AC功率信号的零交叉（zerocrossing）所响应产生的第一零交叉信号，侦测一PTC元件或NTC元件因温度所导致电阻变化而产生的相移AC功率信号的零交叉所响应产生的第二零交叉信号，并通过时间差确定器电路持续量测第一零交叉信号及第二零交叉信号的相移时间后，由控制器持续运算并输出控制信号以控制电路的导通或断路，达到定温加热的效果。
上述美国第7,180,037号专利案的整体电路结构相当复杂，尤其必须通过时间差确定器电路及控制器同时的侦测运算，才能达到控温的效果，如此一来，将会增加生产制造的成本，尚有待改进的空间。
有鉴于此，为了改善上述缺点，并提供另一种有别于上述电路结构的发热线控温电路及控温方法，使不仅能有效进行控温，且能使元件的组成简单，以节省生产制造成本，发明人积多年的经验及不断的研发改进，遂有本发明的产生。
发明内容
本发明的主要目的在提供一种发热线的控温电路及其控温方法，通过输入一第一正向方波信号、一反向方波信号及一可依温度改变而变化的第二正向方波信号进入与门，并在与门判断后，输出信号以控制发热线的加温或降温的电路及方法，能在低温时持续加热，而在高温时停止继续加热，以保持在使用者所设定的工作温度范围内。
本发明的次要目的在提供一种发热线的控温电路及其控温方法，通过输入一第一正向方波信号、一可调整的反向方波及一可依温度改变而变化的第二正向方波信号进入与门，并在与门判断后，输出信号以控制发热线的加温或降温的电路及方法，能让使用者能弹性调整工作温度的高低。
为达上述发明的目的，本发明所设的发热线的控温电路的发热线包括一加热线、一感测线、一介于加热线及感测线之间的绝缘可熔层及一包覆于感测线及绝缘可熔层外周缘的披覆层。所述加热线的一端耦合电源的一个极性，加热线的另一端连接一开关，所述开关耦合电源的相反极性；而控温电路是包括一第一正向方波信号产生电路、一反向方波信号输出电路、一第二正向方波信号产生电路、一与门以及一触发电路。所述第一正向方波信号产生电路供输出第一正向方波信号。所述反向方波信号输出电路包括第一RC电路、第一电压比较器及电压调整电路，所述第一RC电路串联第一正向方波信号产生电路，所述第一RC电路与第一正向方波信号产生电路之间设有第一结点，所述第一RC电路的电阻与电容之间设有第二结点；所述第一电压比较器的非反向输入端与电压调整电路相耦合，供输入调整后的电压，第一电压比较器的反向输入端与第二结点相耦合，供输出反向方波。所述第二正向方波信号产生电路包括一电容及第二电压比较器，所述电容与感测线串联，所述感测线与电容之间设有第三结点，而第二电压比较器的非反向输入端与第三结点相耦合，供输出第二正向方波信号。所述与门设有三个输入端，所述三个输入端分别连接第一电压比较器的输出端、第一结点及第二电压比较器的输出端。而触发电路分别连接与门的输出端及开关。
由此，当与门的三个输入端同时输入为逻辑高时，即可以触发电路触发开关，以加热加热线；而与门的三个输入端非同时输入为逻辑高时，触发电路则不会触发开关，以停止加热线继续加热。
本发明所设的发热线的控温电路的控温方法是包括下列步骤：a.以第一正向方波信号产生电路输出第一正向方波信号；b.将第一正向方波信号输入到与门的第一输入端，并将第一正向方波信号信号的分流在充放电之后与一调整后的电压相比较，在比较后输出反向方波到与门的第二输入端；c.让通过感测线的信号在经过第二电压比较器的比较后，输出第二正向方波信号至与门的第三输入端；以及d.在与门的三个输入端同时输入为逻辑高时，以触发电路触发开关，以加热加热线，而在温度上升使第二电压比较器所输出的第二正向方波信号移动，并使与门的三个输入端非同时输入为逻辑高时，则不触发开关，以停止加热线继续加热。
附图说明
图1为本发明的发热线的立体外观图；
图2为本发明的控温电路的电路方块示意图；
图3为本发明的控温电路的第一实施例的电路图；
图4为本发明的第一正向方波信号产生电路及反向方波信号产生电路的输出波形变化示意图；
图5为本发明的第二正向方波信号产生电路的输出波形变化示意图；
图6为决定开关导通及不导通状态时的第一正向方波信号、反向方波信号及第二正向方波信号的变化状态示意图；
图7为本发明的控温电路的第二实施例的电路方块示意图；
图8为本发明的控温电路的第二实施例的电路图；
图9为本发明的控温电路的第三实施例的电路方块示意图；
图10为本发明的控温电路的第四实施例的电路方块示意图。
附图标记说明：1-发热线；11-芯材；12-加热线；13-绝缘可熔层；14-感测线；15-披覆层；16-电源；2-开关；3-控温电路；31-第一正向方波信号产生电路；32-反向方波信号输出电路；321-第一RC电路；322-电压调整电路；33-第二正向方波信号产生电路；34-与门；35-触发电路；P1～P 8-第一～八结点；R1～R5-第一～五电阻；D1～D4-第一～四二极管；VR1-可变电阻；U1A、U2A、U3A、U4A-第一、二、三、四电压比较器。
具体实施方式
本发明的发热线的控温电路的控温方法是包括下列步骤：
a.以第一正向方波信号产生电路输出第一正向方波信号。
b.将第一正向方波信号输入到与门的第一输入端，并将第一正向方波信号信号的分流在充放电之后与一调整后的电压相比较，在比较后输出反向方波到与门的第二输入端。
c.让通过感测线的信号在经过第二电压比较器的比较后，输出第二正向方波信号至与门的第三输入端。以及
d.在与门的三个输入端同时输入为逻辑高时，以触发电路触发开关呈导通状态，以加热加热线，而在温度上升使第二电压比较器所输出的第二正向方波信号移动，并使与门的三个输入端非同时输入为逻辑高时，则不触发开关使呈断路状态，以停止加热线继续加热。
其中，各方波信号所界定的「正向」及「反向」皆为零电位以上的波形，所述的「反向」是指：当正向方波信号在高电位（high）时，反向方波信号在低电位（low），而当正向方波信号在低电位（low）时，反向方波信号在高电位（high）。
如图1、2所示，所述发热线1包括一芯材11、一卷绕于芯材11外周缘的加热线12、一包覆加热线12及芯材11的绝缘可熔层13、一卷绕于绝缘可熔层13外周缘的感测线14及一包覆于感测线14及绝缘可熔层13外周缘的披覆层15。所述加热线12的一端耦合电源16的一个极性，加热线12的另一端连接一开关2，所述开关2耦合电源16的相反极性，以使加热线12、开关2与电源16串联，形成可加热加热线12的一回路。其中，所述加热线12为正温度系数（Positive Temperature Coefficient,PTC）导线，所述的加热线12亦可为负温度系数（Negative Temperature Coefficient,NTC）导线。而所述控温电路3分别连接感测线14及开关2，以控制对加热线12持续加热或停止对加热线12加热。
依据上述控温方法，本发明的控温电路3包括一第一正向方波信号产生电路31、一反向方波信号输出电路32、一第二正向方波信号产生电路33、一与门34以及一触发电路35。所述第一正向方波信号产生电路31供输出第一正向方波信号，所述反向方波信号输出电路32供输出充放电后的反向方波信号，所述第二正向方波信号产生电路33供输出具变化的正向方波信号，而与门34则是在输入三个方波信号后，再输出信号给触发电路35，以控制触发电路35是否触发开关2，决定是否要让加热线12加热。
请参阅图3所示，其为本发明的控温电路3的第一实施例的电路图，其中，所述电源16为AC电源，供输出110伏60Hz的正弦波信号，所述电源16的一个极性与加热线12之间设有一第六结点P6，而感测线14的一端与第六结点P6相耦合。
所述第一正向方波信号产生电路31包括串联的电阻R5及二极管D4，所述电阻R5的一端耦合电源16的一个极性，所述二极管D4的一端接地，电阻R5及二极管D4之间设有第七结点P7，而第三电压比较器U3A的非反向输入端耦合第七结点P7，第三电压比较器U3A的反向输入端接地，以将正弦波信号转换为第一正向方波信号。
所述反向方波信号输出电路32包括第一RC电路321、电压调整电路322及第一电压比较器U1A，所述第一RC电路321的电阻R1连接第三电压比较器U3A的输出端，且输出端与电阻R1之间设有第一结点P1，而第一RC电路321的电阻R1与电容C1之间设有第二结点P2。所述电压调整电路322包括串联的电阻R2、R3及可变电阻VR1，所述电阻R2、R3之间设有第八结点P8。而第一电压比较器U1A的非反向输入端与第八结点P8相耦合，第一电压比较器U1A的反向输入端与第二结点P2相耦合。如图4所示，当第三电压比较器U3A的输出端输出方波信号，经由第一RC电路321的充放电，再输入第一电压比较器U1A后，将输出反向的方波信号。而由第一电压比较器U1A的非反向输入端所输入的分压，则是由电压调整电路322所提供，让使用者在调整可变电阻VR1后，做为第一电压比较器U1A输出前的比较参考电压。
所述第二正向方波信号产生电路33包括电容C2及第二电压比较器U2A，所述电容C2与感测线14串联，所述感测线14与电容C2组合为第二RC电路，因此，当感测线14随着加热温度的变化而改变电阻时，将使得第二RC电路的RC时间常数改变。另，所述感测线14与电容C2之间设有第三结点P3，所述第二电压比较器U2A的非反向输入端与第三结点P3相耦合，所述第二电压比较器U2A的反向输入端接地。如图5所示，通过感测线14及电容C2所组成的第二RC电路的RC时间常数特性，将使得电源16输入的弦波信号产生延迟，并在经过第二电压比较器U2A的电压比较后，输出第二正向方波信号。
所述与门34包括并联的第一二极管D1、第二二极管D2及第三二极管D3，所述第二二极管D2的一端连接第二电压比较器U2A的输出端，第二二极管D2的另一端连接电源16的一个极性，且第二二极管D2与电源之间设有第四结点P4及第五结点P5。所述第一二极管D1的两端分别耦合第一电压比较器U1A的输出端及第四结点P4，第三二极管D3的两端分别耦合第一结点P1及第五结点P5。实施时，所述的与门34亦可以具有相同功能的微处理器取代，而所述触发电路35是分别连接与门34的输出端及开关2的闸极，所述开关2为硅控整流器（SCR），所述的开关2亦可为双向晶闸管（TRIAC）之类的晶闸管。
请参阅图6所示，是显示发热线12在导通及不导通状态时的第一正向方波信号、反向方波信号及第二正向方波信号的波形变化状态。其中，电压调整电路322将参考电压设为2.5伏时，开关2为不导通（off），而当参考电压调整为2.8伏时，开关2开始导通（on）。实施时，所述的参考电压亦可依使用者的需要而调整，以控制加热线12的加热温度。
如图3、6所示，所述第一正向方波信号产生电路31是经由第一结点P1将第一正向方波信号输出至第三二极管D3，第二正向方波信号产生电路33是经由第二电压比较器U2A的输出端将第二正向方波信号输出至第二二极管D2，反向方波信号输出电路32是经由第一电压比较器U1A的输出端将反向方波信号输出至第一二极管D1。由此，当第一正向方波信号、第二正向方波信号及反向方波信号同时在逻辑高的状态时，三个二极管（D1、D2、D3）即同时不导通，此时电源16的电流即会经由触发电路35触发开关2，让加热线12开始加热并保持一小段时间。而当加热线12的温度上升，使得感测线14的电阻改变时，则会改变第二正向方波信号的各方波之间的时间。而当第二正向方波信号持续改变，使得第一正向方波信号、反向方波信号及第二正向方波信号非同时在逻辑高的状态时，即无法让触发电路35触发开关2。亦即，当第一正向方波信号及反向方波信号同时在逻辑高的状态，而第二正向方波信号在逻辑低的状态时，第二二极管D2即会导通，使第四结点P4呈现逻辑低的状态，而无法让触发电路35触发开关2，从而停止加热线12继续加热。
请参阅图7、8所示，其为本发明发热线的控温电路的第二实施例。其中，所述第一正向方波信号产生电路31更包括第四电压比较器U4A，所述第四电压比较器的非反向输入端与第七结点P7相耦合，所述第四电压比较器U4A的反向输入端接地，且第四电压比较器U4A的输出端与感测线14的一端相耦合。由此，电源16的正弦波信号经由第四电压比较器U4A输出为正向方波信号，并在经过感测线14与第二电容C2所组成的第二RC电路的充放电之后，再输入第二电压比较器U2A，同样可以输出第二正向方波信号。
请参阅图9所示，其为本发明发热线的控温电路的第三实施例。其中，所述第一正向方波信号产生电路31是与感测线14的一端相耦合。所述第一正向方波信号产生电路31为方波信号产生器，供直接输出第一正向方波信号。此时，所述电源16为AC电源，所述开关2为硅控整流器（SCR），所述的开关2亦可为TRIAC之类的晶闸管。实施时，所述电源16亦可为DC电源，而所述开关为金属氧化物场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,MOSFET）。
而如图10所示为本发明发热线的控温电路的第四实施例。其与第三实施例不同的处在于：所述电源16的一个极性与加热线12之间设有第六结点P6，所述感测线14的一端与第六结点相耦合，同样可经由第二电压比较器U2A输出第二正向方波信号。
因此，本发明具有以下的优点：
1、本发明是通过与门的结构及概念以判断是否要让加热线加热，而现有的发热结构则是要通过控制器的持续运算，以控制电路的导通或断路，达到定温加热的效果。因此，本发明在结构上相当简单，可有效降低生产成本。
2、本发明可依需要而调整电压调整电路的参考电压，以输出不同的反向方波，因此，能提供使用者设定温度的机制，以符合实际使用的需求。
综上所述，依上文所揭示的内容，本发明确可达到发明的预期目的，提供一种不仅能有效进行控温，且能使元件的组成简单，以节省生产制造成本的发热线的控温电路及其控温方法，极具产业上利用的价值，依法提出发明专利申请。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (13)
1.一种发热线的控温电路，其特征在于，所述发热线包括一加热线、一感测线、一介于所述加热线及所述感测线之间的绝缘可熔层及一包覆于所述感测线及所述绝缘可熔层外周缘的披覆层，所述加热线的一端耦合电源的一个极性，所述加热线的另一端连接一开关，所述开关耦合电源的相反极性；而所述控温电路包括：
一第一正向方波信号产生电路，供输出第一正向方波信号；
一反向方波信号输出电路，包括一第一RC电路、一第一电压比较器及一电压调整电路，所述第一RC电路是串联第一正向方波信号产生电路，所述第一RC电路与第一正向方波信号产生电路之间设有一第一结点，所述第一RC电路的电阻与电容之间设有一第二结点；所述第一电压比较器的非反向输入端与电压调整电路相耦合，供输入一调整后的电压，而第一电压比较器的反向输入端与第二结点相耦合，供输出反向方波；
一第二正向方波信号产生电路，包括一电容及一第二电压比较器，所述电容与感测线串联，所述感测线的一端与电容之间设有一第三结点，所述感测线的另一端连接所述加热线，所述第二电压比较器的反向输入端接地，而所述第二电压比较器的非反向输入端与第三结点相耦合，供输出第二正向方波信号；
一与门，是设有三个输入端，所述三个输入端分别连接第一电压比较器的输出端、第一结点及第二电压比较器的输出端；以及
一触发电路，是分别连接所述与门的输出端及开关，供所述与门的三个输入端同时输入为逻辑高时，触发开关使呈导通状态，以加热加热线，而在所述与门的三个输入端非同时输入为逻辑高时，则不触发开关，以停止加热线继续加热。
2.根据权利要求1所述的发热线的控温电路，其特征在于，更包括一芯材，所述加热线是卷绕于所述芯材的外周缘。
3.根据权利要求1所述的发热线的控温电路，其特征在于，所述加热线为正温度系数导线或负温度系数导线其中的一种。
4.根据权利要求1所述的发热线的控温电路，其特征在于，所述电源是为AC电源，所述第一正向方波信号产生电路包括一第三电压比较器，所述第三电压比较器的非反向输入端耦合电源的一个极性，所述第三电压比较器的反向输入端接地，所述第三电压比较器的输出端与第一结点相耦合。
5.根据权利要求4所述的发热线的控温电路，其特征在于，所述AC电源的一个极性与加热线之间设有一第六结点，所述感测线的一端与第六结点相耦合。
6.根据权利要求4所述的发热线的控温电路，其特征在于，更包括一第四电压比较器，所述第四电压比较器的非反向输入端耦合电源的一个极性，所述第四电压比较器的反向输入端接地，所述第四电压比较器的输出端与感测线的一端相耦合。
7.根据权利要求1所述的发热线的控温电路，其特征在于，所述第一正向方波信号产生电路为一方波信号产生器。
8.根据权利要求7所述的发热线的控温电路，其特征在于，所述电源的一个极性与加热线之间设有一第六结点，所述感测线的一端与第六结点相耦合。
9.根据权利要求7所述的发热线的控温电路，其特征在于，所述方波信号产生器与所述感测线的一端相耦合。
10.根据权利要求4、8或9所述的发热线的控温电路，其特征在于，所述电源为AC电源，所述开关为一晶闸管。
11.根据权利要求8或9所述的发热线的控温电路，其特征在于，所述电源为DC电源，所述开关为一金属氧化物场效应晶体管。
12.根据权利要求1所述的发热线的控温电路，其特征在于，所述与门包括一第一二极管、一第二二极管及一第三二极管，所述第二二极管的负极连接第二电压比较器的输出端，所述第二二极管的正极连接电源的一个极性，且第二二极管的正极与电源的一个极性之间设有一第四结点及一第五结点；而第一二极管的负极耦合第一电压比较器的输出端，第一二极管的正极耦合第四结点，第三二极管的负极耦合第一结点，第三二极管的正极耦合第五结点。
13.一种发热线的控温电路的控温方法，其特征在于，所述发热线包括一加热线、一感测线、一介于所述加热线及所述感测线之间的绝缘可熔层及一包覆于所述感测线及所述绝缘可熔层外周缘的披覆层，所述加热线的一端耦合电源的一个极性，所述加热线的另一端连接一开关，所述开关耦合电源的相反极性；而所述控温电路分别连接感测线及开关，所述控温电路的控温方法包括：
a.以第一正向方波信号产生电路输出第一正向方波信号；
b.将第一正向方波信号输入到与门的第一输入端，并将第一正向方波信号信号的分流在充放电之后与一调整后的电压相比较，在比较后输出反向方波到与门的第二输入端；
c.让通过感测线的信号在经过第二电压比较器的比较后，输出第二正向方波信号至与门的第三输入端；以及
d.在与门的三个输入端同时输入为逻辑高时，以触发电路触发开关使呈导通状态，以加热加热线，而在温度上升，使第二电压比较器所输出的第二正向方波信号移动，并使与门的三个输入端非同时输入为逻辑高时，则不触发开关，以停止加热线继续加热。
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