CN107577261A - 一种温度控制开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度控制开关电路，包括电压控制模块和半导体开关，所述半导体开关包括控制电极、第一电极和第二电极，所述半导体开关的控制电极和第一电极之间施加不同的预设电压时，所述半导体开关的第一电极和第二电极在环境温度达到阈值温度时导通，每个所述预设电压与一个所述阈值温度一一对应；所述电压控制模块分别与所述半导体开关的控制电极和第一电极电连接，用于向所述半导体开关的控制电极和第一电极之间施加第一预设电压，以使所述半导体开关的第一电极和第二电极在环境温度达到对应的第一阈值温度时导通。此温度控制开关电路利用半导体的温度特性，功耗低，反应迅速灵敏，自动恢复性强，寿命长且可设定温度控制值。

Description

一种温度控制开关电路

技术领域

本发明实施例涉及消防安全和自动控制领域，尤其涉及一种温度控制开关电路。

背景技术

温度控制开关常应用于冰箱、空调或消防安全警报等设备中作温度控制或过热保护组件使用。目前市场上的温度控制开关主要有电阻式温度控制开关和基于热胀冷缩原理的温度控制开关。

电阻式温度控制开关是根据惠斯登电桥原理制成的，当热敏电阻的阻抗随周围温度的上升或下降而变化时，惠斯登电桥的平衡收到破坏，电桥输出端有电流输出。因此，电阻式温度开关中，电流输出值是渐变的，此开关的反应灵敏度较低。基于热胀冷缩原理的温度控制开关，其机械结构复杂，机械反应速度慢。

发明内容

本发明提供一种温度控制开关电路，其结构简单，反应迅速灵敏。

本发明实施例提出利用半导体开关元件的电压-温度特性设计一种温度控制开关电路，包括电压控制模块和半导体开关，所述半导体开关包括控制电极、第一电极和第二电极，所述半导体开关的控制电极和第一电极之间施加不同的预设电压时，所述半导体开关的第一电极和第二电极在环境温度达到阈值温度时导通，每个所述预设电压与一个所述阈值温度一一对应；所述电压控制模块分别与所述半导体开关的控制电极和第一电极电连接，用于向所述半导体开关的控制电极和第一电极之间施加第一预设电压，以使所述半导体开关的第一电极和第二电极在环境温度达到对应的第一阈值温度时导通。

本发明实施例提供的技术方案，利用半导体开关元件的电压-温度特性，将半导体开关元件同时作为温度感应端和电路控制端，解决了常规温度控制开关机械结构复杂，反应速度慢，恢复力低和寿命短的问题；实现电路结构简单，反应迅速灵敏，恢复力强且寿命长的温度控制开关电路。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种温度控制开关电路的结构框图。

图2是本发明实施例一提供的一种温度控制开关电路的半导体开关的电压-温度特性图。

图3是本发明实施例一提供的一种温度控制开关电路与传统温度控制开关响应速度曲线的对比示意图。

图4是本发明实施例二提供的另一种温度控制开关电路的结构框图。

图5是本发明实施例三提供的一种温度控制开关电路的电路元件图。

图6是本发明实施例四提供的另一种温度控制开关电路的电路元件图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种温度控制开关电路的结构框图。如图1所示，该温度控制开关电路包括电压控制模块110和半导体开关120，半导体开关120包括控制电极Ctrl、第一电极E1和第二电极E2，半导体开关120的控制电极Ctrl和第一电极E1之间施加不同的预设电压时，半导体开关的第一电极E1和第二电极E2在环境温度达到阈值温度时导通，每个预设电压与一个阈值温度一一对应；

电压控制模块110分别与半导体开关120的控制电极Ctrl和第一电极E1电连接，用于向半导体开关120的控制电极Ctrl和第一电极E1之间施加第一预设电压，以使半导体开关的第一电极E1和第二电极E2在环境温度达到对应的第一阈值温度时导通。

可选的，电压控制模块110与半导体开关120的第二电极E2电连接的一端可以接稳压电源Vcc，电压控制模块110与半导体开关120的第一电极E1电连接的一端可以接地GND。

其中，半导体开关120的电压-温度特性变化曲线如图2所示，横轴表示环境温度T，纵轴表示电压值V；弧线L0表示半导体开关120的导通阈值电压V随温度T的变化趋势，虚线表示不同环境温度下半导体开关120的导通阈值电压V与阈值温度T的一一对应关系。图2表明半导体开关120的导通阈值电压V随温度T的上升而下降，同时，预设电压值高于半导体开关120的导通阈值电压V时，半导体开关120的第一电极E1和第二电极E2导通。

需要说明的是，图2中的弧线L0表示半导体开关120的导通阈值V随温度T变化的定性关系，此处仅代表变化趋势，不涉及具体的数值范围。其中，半导体开关120可以是PNP型三极管、NPN型三极管、PNP型金属-氧化物-半导体场效应晶体管或NPN型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

具体的，假定V0为第一预设电压，则V0对应唯一的第一阈值温度T0；当半导体开关120所处的环境温度T2低于第一阈值温度T0时，第一预设电压V0低于半导体开关120的导通阈值电压V2，半导体开关120无法导通；当半导体开关120所处的环境温度升高到T1，且T1高于第一阈值温度T0时，第一预设电压V0高于半导体开关120的导通阈值电压V1，此时，半导体开关120导通；当温度回落到T2，T2低于第一阈值温度T0时，第一预设电压V0又低于半导体开关120的导通阈值电压V2，此时，半导体开关又无法导通。如此循环，利用温度控制开关电路实现温度的自动控制。

图3是本发明提供的一种温度控制开关电路与传统温度控制开关的响应速度曲线的对比示意图。其中，横轴表示时间t，纵轴表示温度控制开关的状态OFF或者ON；实线L1表示传统的温度控制开关的响应曲线，短横线L2表示本发明提供的温度控制开关电路的导通曲线，点线表示温度控制开关状态变化对应的时间点。

由图3可知，传统的温度控制开关通常存在半导通状态，即传统的温度开关由完全导通转换到完全截止需要(t32-t31)时间，或者从完全截止转换到完全导通需要(t42-t41)时间。具体的，例如电阻式温度控制开关是根据惠斯登电桥原理工作的，其热敏电阻的阻抗随温度的变化是逐渐变化的，也就是，惠斯登电桥输出端输出的电流值是逐渐增大的，而当电流达到某一额定值时，整个电路才能正常工作。从惠斯登电桥有电流输出到电流输出达到某一额定值是需要一定的时间的。再例如基于热胀冷缩原理的温度控制开关，其机械部件受热膨胀或者遇冷收缩的形变随温度的变化时逐渐变化的，而开关的导通或截止状态的变化是在机械部件的形变达到一定程度的条件下发生的，因此，从机械部件开始产生形变到机械部件产生的形变足以使开关状态发生变化是需要一定的时间的。而本发明提供的温度控制开关电路中的半导体开关120，只要环境温度T1高于第一阈值温度T0，即第一预设电压V0高于导通阈值电压V1，半导体开关120即可导通；只要环境温度T2低于第一阈值温度T0，即第一预设电压V0低于导通阈值电压V2，半导体开关120即无法导通。半导体开关120导通与否的状态转换是在温度变化的瞬间完成的，即本发明提供的温度控制开关电路反应迅速灵敏。

同时，相对于传统的电阻式温度控制开关和基于热胀冷缩原理的温度控制开关而言，本发明提供的温度控制开关电路用半导体开关120代替惠斯登电桥或复杂的机械结构，结构简单；同时，没有反复的阻抗的变化或热胀冷缩的变化，半导体开关120导通与否的状态转换次数较多，即温度控制开关电路的寿命长。

本发明实施例提供的技术方案，利用半导体开关的电压-温度特性涉及温度控制开关电路，实现温度控制开关电路结构简单，反应迅速灵敏，恢复力强且寿命长。

实施例二

图4是本发明实施例二提供的另一种温度控制开关电路的结构框图，如图4所示，在实施例一的基础上，该温度控制开关电路还包括温度控制模块130，温度控制模块130存储有多个预设电压和阈值温度之间的对应关系，如图2所示，且控制信号输出端Out与电压控制模块110电连接，用于接收用户输入的第一阈值温度T0，根据第一阈值温度T0获取对应的第一预设电压V0，并控制电压控制模块110向半导体开关120的控制电极Ctrl和第一电极E1之间施加第一预设电压V0。

本发明实施例提供的技术方案，通过温度控制模块接收用户输入的温度阈值，并控制电压控制模块向半导体开关施加电压，可实现温度控制开关电路的温度控制值的设定。

实施例三

图5是本发明实施例三提供的一种温度控制开关电路的电路元件图，如图5所示，在上述实施例的基础上，本实施例提供的温度控制开关电路的电压控制模块110包括定值电阻R0和可变电阻RX；

定值电阻R0的第一端R01与半导体开关120的第一电极E1电连接，且接地，定值电阻R0的第二端R02与半导体开关的控制电极Ctrl电连接；

可变电阻RX的第一端RX1与半导体开关120的控制电极，以及定值电阻R0的第二端R02电连接，可变电阻RX的第二端RX2与稳压电源Vcc电连接。

其中，定值电阻R0和可变电阻RX的阻值为MΩ级，可以达到μA级静态电流，实现μA级的静态功耗。

进一步地，温度控制模块130的电压信号输入端In与半导体开关120的控制电极Ctrl电连接，温度控制模块130的控制输出端Out与可变电阻RX的电阻变化控制端RXC电连接。

结合上述实施例四，温度控制模块130接收用户输入的第一阈值温度T0后，通过控制可变电阻RX的电阻变化控制端RXC来调节可变电阻RX的阻值，进而调节可变电阻RX与定值电阻R0的分压情况，也就是，调节电压控制模块110与半导体开关120的控制电极Ctrl电连接端的电位，亦即，调节电压控制模块110施加到半导体开关120的控制电极Ctrl和第一电极E1之间的电压。同时，温度控制模块130的电压信号输入端In接收电压控制模块110与半导体开关120的控制电极电连接端的电位值，并与第一阈值温度T0对应的第一预设电压V0比较，进一步调节可变电阻RX的阻值，即进行反馈调节，使得最终电压控制模块110施加到半导体开关120的控制电极Ctrl和第一电极E1之间的电压为第一预设电压V0。

上述反馈调节的过程，使得施加到半导体开关控制电极和第一电极之间的电压更准确，进而温度开关控制电路的控制精度更高，即控温更精确。

进一步地，温度控制模块130还包括温度显示子模块1301(温度控制模块130中的其他电路未展示出)，用于显示用于输入的第一阈值温度T0。

进一步地，所述半导体开关120的第二电极E2上串联有负载140。

示例性的，负载140为报警器。

其中，此报警器可用于在设备温度高于预设阈值温度时发出提示或警告，及时提醒用户对温度异常情况进行处理，从而保证设备在正常温度范围内工作。例如，温度控制开关电路可应用于薄膜沉积设备中，用于温度异常提醒。具体的，薄膜沉积设备在正常工作过程中，温度维持在25-30℃，则用户可设定工作异常提醒温度为33℃。此时，若薄膜沉积设备正常工作，则半导体开关120的导通电压高于预设电压，即半导体开关120无法导通，报警器不工作；当薄膜沉积设备工作异常，其温度超过33℃时，则半导体开关120的导通电压低于预设电压，即半导体开关120导通，即报警器发出提示或警告，提醒用户设备出现异常，使用户能够及时发现设备异常。再例如，温度控制开关电路还可应用于消防安全报警设备中，用户可设定半导体开关120的导通阈值温度为40℃。正常情况下，环境温度低于40℃，半导体开关120的导通电压高于预设电压，即半导体开关120无法导通，报警器不工作；当周边环境出现火情时，环境温度升高，半导体开关120检测到的温度高于40℃时，其导通电压低于预设电压，即半导体开关120导通，进而报警器工作，即报警器发出灯光闪烁并同时发出刺耳的蜂鸣声，以此来提醒用户有火情发生，使得用户能及时采取措施，保障人身及财产安全。

可选的，半导体开关120为金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOS，控制电极Ctrl为栅极，第一电极E1为源极，第二电极E2为漏极。

示例性的，参见图5。采用NPN型金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOS做半导体开关120，其栅极为控制电极Ctrl，与电压控制模块110电连接；源极为第一电极E1，与定值电阻R0的第一端R01电连接，且接地；漏极为第二电极E2，与负载140电连接。

可选的，还可以采用PNP型金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOS做半导体开关120，其栅极为控制电极Ctrl，与电压控制模块110电连接；源极为第一电极E1，与定值电阻R0的第一端R01电连接，且接稳压电源Vcc；漏极为第二电极E2，与负载140电连接，负载140接地。此种连接方式图中未展示出。

可选的，半导体开关120为三极管Q，控制电极Ctrl为基极，第一电极E1为发射极，第二电极E2为集电极。

示例性的，参见图6。采用NPN型三极管做半导体开关120，其基极为控制电极Ctrl，与电压控制模块110电连接；发射极为第一电极E1，与定值电阻R0的第一端R01电连接，且接地；集电极为第二电极E2，与负载140电连接。

可选的，还可以采用PNP型三极管做半导体开关120，其基极为控制电极Ctrl，与电压控制模块110电连接；发射极为第一电极E1，与定值电阻R0的第一端R01电连接，且接稳压电源Vcc；集电极为第二电极E2，与负载140电连接，负载140接地。此种连接方式图中未展示出。

下面结合图5所示的电路，以半导体开关120为NPN型MOS管为示例，说明本发明实施例提供的温度控制开关的工作过程。温度控制模块130接收用户输入的第一阈值温度T0，根据第一阈值温度T0获取对应的第一预设电压V0，并通过控制电压控制模块120的可变电阻RX的阻值调节，向NPN型MOS管的栅极和源极之间施加第一预设电压V0。此时，NPN型MOS管的导通阈值电压随其所处环境温度的变化而呈现如图2所示的变化规律，当NPN型MOS管的温度较低，例如在T2温度时，其导通阈值电压V2高于第一预设电压V0，MOS管无法导通，报警器140不工作；当NPN型MOS管的温度升高，例如在T1温度时，其导通阈值电压V1低于第一预设电压V0，MOS管导通，报警器自动连通，开始工作；当温度回落到T2时，导通阈值电压V2高于第一预设电压V0，MOS管又无法导通，报警器不工作。如此循环，实现报警器的自动控温调节。

本发明实施例提供的技术方案，通过利用半导体开关的电压-温度特性设计温度控制开关电路，使温度控制开关电路功耗低，反应迅速灵敏，自动恢复性强，寿命长且可设定温度控制值。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种温度控制开关电路，其特征在于，包括电压控制模块和半导体开关，所述半导体开关包括控制电极、第一电极和第二电极，所述半导体开关的控制电极和第一电极之间施加不同的预设电压时，所述半导体开关的第一电极和第二电极在环境温度达到阈值温度时导通，每个所述预设电压与一个所述阈值温度一一对应；

所述电压控制模块分别与所述半导体开关的控制电极和第一电极电连接，用于向所述半导体开关的控制电极和第一电极之间施加第一预设电压，以使所述半导体开关的第一电极和第二电极在环境温度达到对应的第一阈值温度时导通。

2.根据权利要求1所述的温度控制开关电路，其特征在于，还包括：

温度控制模块，存储有多个所述预设电压和阈值温度之间的对应关系，且控制信号输出端与所述电压控制模块电连接，用于接收用户输入的第一阈值温度，根据所述第一阈值温度获取对应的第一预设电压，并控制所述电压控制模块向所述半导体开关的控制电极和第一电极之间施加所述第一预设电压。

3.根据权利要求2所述的温度控制开关电路，所述电压控制模块包括：

定值电阻和可变电阻；

所述定值电阻的第一端与所述半导体开关的第一电极电连接，且接地，所述定值电阻的第二端与所述半导体开关的控制电极电连接；

所述可变电阻的第一端与所述半导体开关的控制电极，以及所述定值电阻的第二端电连接，所述可变电阻的第二端与稳压电源电连接。

4.根据权利要求3所述的温度控制开关电路，其特征在于，所述温度控制模块的电压信号输入端与所述半导体开关的控制电极电连接，以及所述温度控制模块的控制输出端与所述可变电阻的电阻变化控制端电连接。

5.根据权利要求2所述的温度控制开关电路，其特征在于，所述温度控制模块还包括温度显示子模块，用于显示用户输入的第一阈值温度。

6.根据权利要求1所述的温度开关控制电路，其特征在于，所述半导体开关的第二电极上串联有负载。

7.根据权利要求6所述的温度开关控制电路，其特征在于，所述负载为报警器。

8.根据权利要求1所述的温度控制开关电路，其特征在于，所述半导体开关为三极管，所述控制电极为基极，所述第一电极为发射极，所述第二电极为集电极。

9.根据权利要求1所述的温度控制开关电路，其特征在于，所述半导体开关为金属-氧化物-半导体场效应晶体管，所述控制电极为栅极，所述第一电极为源极，所述第二电极为漏极。