CN112656227B - 增强用电安全的饮料分配机器的控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制热饮料分配机器的加热体的电子系统，包括：电子基板(2)，其包括第一面(2A)和第二面(2B)；电子系统的至少一个操作部分，其包括配置成控制加热体的供电的功率部件(3)；电子系统的至少一个信息部分，其包括温度传感器(4)，所述温度传感器配置成产生功率部件(3)的观测温度的特征信号；和用于处理温度传感器(4)产生的信号的处理装置，所述处理装置配置成当所述信号超过预定阈值时中断对功率部件的供电，所述功率部件(3)布置在第一面(2A)上，并且温度传感器布置在第二面(2B)上。
Description
技术领域
本发明涉及用于家用设备，特别是热饮料分配机器的电气部件的技术领域。本发明涉及一种控制加热体的电子控制系统，以及包括所述系统的热饮料分配机器。
背景技术
由欧洲电工技术标准化委员会(CENELEC)管理的欧洲标准EN 60335涉及家用电器的用电安全。此外，该标准定义了电绝缘要求，以避免危及家用电器的使用者。
特别地，热饮料分配机器，例如家用或专业咖啡机，属于标准EN 60335的范围。
标准EN 60335的一项规定涉及电子卡的电连接轨道。电子卡通常根据英文术语以缩写PCB代表“印制电路板”(Printed Circuit Board)。用于承受高电位(例如230伏的交流电源电压，即230伏的有效值)的部件必须与用于承受低电位(例如5伏的交流低压)的危险性较小的部件相距至少5毫米。
所述要求用于允许使用者以完全安全的方式触摸承受低电压的物品。
例如，在热饮料分配机器上，使用者可以触及承受低电压的电传感器或电按钮，例如用于控制饮料制备的按钮。在任何情况下，使用者都不应在按下按钮或触摸机器的传感器时冒着暴露于高压(电源电压)的风险。
此外，热饮料分配机器通常包括加热体，控制所述加热体的温度以便加热水。例如，所述加热体是一个电阻，其以热量的形式部分地消散传递给其电能。通常与其他产品混合的预备分配给使用者的水与加热体接触。机器的电子系统用于控制加热体的供电。
所述标准的另一项规定要求绝缘层的壁厚为2mm，但如果层数足以承受在最大使用发热基础上增加50开尔文的3000V的介电测试，则厚度较小，通常为1.6mm的PCB是可接受的。此介电测试不能在功率部件的附近的PCB上使用过孔(vias)。
现有技术的热饮料分配机器包括电子卡，所述电子卡配备有功率部件，所述功率部件的输出端连接有加热体，以控制对加热体的供电。例如，使用三端双向可控硅开关元件作为功率部件。
在机器运行期间，必须控制功率部件的温度，以使得不超过所述功率部件可承受的最高温度，否则将损害机器的加热体的运行。这种故障的后果可能很严重。
因此，习惯上通过温度传感器(例如热敏电阻)来监控功率部件的温度。
已知在PCB的同一侧具有功率部件和温度传感器。通常功率部件和温度传感器彼此非常靠近地设置，以便由温度传感器提供的测量结果记录功率部件的温度的升高。
然而，在上述欧洲标准EN 60335所定义的增强电绝缘的情况下，不可能将由高压供电的功率部件设置在由低压供电的温度传感器附近，因为没有遵守5毫米的最小距离。
因此，在增强电绝缘的情况下，在现有技术中没有令人满意的解决方案来提供对以电源电压运行的功率部件的温度的有效控制。
发明内容
鉴于上述情况，需要一种用于控制热饮料分配机器的加热体的电子系统，所述电子系统能够确保功率部件和温度传感器之间的令人满意的电绝缘，同时保持低复杂度并且体积较小。
电子系统内对增强电绝缘的需求与对由温度传感器提供的功率部件的温度测量的性能的需求相结合。
实际上，一旦功率部件的温度超过临界阈值，就必须中断对功率部件的供电。
为了满足这些需求，本发明的第一目的是提供一种用于控制热饮料分配机器的加热体的电子系统，所述电子系统包括：
-电子基板，其包括第一面和第二面，
-电子系统的至少一个操作部分，其包括配置成控制加热体的供电的功率部件，
-电子系统的至少一个信息部分，其包括温度传感器，所述温度传感器配置成产生功率部件的观测温度的特征信号，
-用于处理温度传感器产生的信号的处理装置，所述处理装置还配置成当所述信号超过预定阈值时，中断对功率部件的供电，
所述电子系统的特征在于，功率部件布置在电子基板的第一面上，温度传感器布置在电子基板的第二面上。
在根据本发明的加热体的电子控制系统中，如果功率部件经历温度变化，则位于相对面上的温度传感器迅速感知所述温度变化。
温度传感器例如设置在与功率部件所占据的区域相对的区域上，以便提供可靠的对功率部件的温度的测量。
另外，温度传感器和功率部件布置在电子基板的两个相对的面上，电子基板将温度传感器与功率部件电隔离。
最后，可以减少由功率部件和温度传感器形成的整体在电子基板表面上的延展。
上文所定义的电子系统可选地且不限于以下技术特征，所述技术特征可单独地或以任何技术上可能的组合来采用：
-温度传感器是热敏电阻，优选地为负温度系数的类型。
-功率部件是三端双向可控硅开关元件。
-功率部件覆盖电子基板的第一面的第一区域，温度传感器覆盖电子基板的第二面的第二区域，第一区域与第二区域相对。
-第二区域的表面小于第一区域的表面。
-第一面基本上平行于第二面，并且电子基板的厚度在1毫米至5毫米之间。
-第一面和第二面分别包括操作部分和信息部分，电子系统的每个操作部分与电子系统的每个信息部分相距至少5毫米。
本发明的第二个目的是一种热饮料分配机器，其包括：
-用于储存液体的水箱，
-用于加热从水箱中取出的一部分液体的加热体，
-用于向加热体供电的电源，
-如上所定义的电子系统，其配置成控制加热体的供电。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优点将从下面的描述中显现出来，所述描述仅是示例性的而非限制性的，应参考附图进行阅读，其中：
图1示意性地示出了包括根据本发明的电子系统的饮料分配机器。
图2是根据本发明的实施方式的电子系统的示意性侧视图。
图3是根据图2的电子系统的局部仰视立体图。
具体实施方式
在以下描述和附图中，通过示例方式描述了一种家用或专业用途的咖啡机，其设计成用于制备和分配浓缩咖啡类饮料。
然而，将理解的是，本发明的电子系统可以以相同的优点用于任何其他类型的家用电器中，该家用电器包括加热体和用于控制加热体的供电的功率部件。
在所有附图和以下描述中，相似的元件带有相同的附图标记。
热饮料分配机器
图1在功能上示出了根据本发明的示例性实施例的热饮料分配机器10。这里是指浓缩咖啡机类的家用咖啡机。
分配机器10用于供个人在家中使用，优选地，无需经过电气安全风险培训的专业人员的协助。例如，该机器由使用者通过电源的外部电缆(未示出)连接到输出230伏交流电压的电源插座。
分配机器10中包括有主水箱11、加热体12、热水分配通道13、饮料制备空间14、饮料分配空间15和电子系统1(也称为PCB或“印制电路板”)，用于控制加热体12的供电。
加热体12通常包括恢复部分电能的电阻，该电能以热量的形式传递给加热体。
主水箱11可以存储液体，通常是室温下的水。在分配机器10的运行期间，水经由热水分配通道13从主水箱11被输送到饮料制备空间14。所输送的水通过加热体12预先加热。
热水分配通道13的水温上升以及因此制备饮料的温度都取决于传递给加热体12的电功率。
因此，电子系统1包括用于控制供应给加热体12的供电的功率部件。该功率部件连接到电子系统1的电子卡。
用于控制加热体的电子电路
图2是图1所示的分配机器10的电子系统1的示意图。
电子系统1特别地包括电子卡2、三端双向可控硅开关元件形式的功率部件3和NTC热敏电阻器形式(在以下描述中简称为“NTC 4”)的温度传感器。已知缩写NTC表示具有负热系数的热敏电阻，也即电阻随着温度的升高而降低的部件。但是，NTC 4可以用与电子电路兼容的任何其他类型的温度传感器代替或补充。
在图2中，三端双向可控硅开关元件3和NTC 4为侧视图。
图3是图2的电子系统1的局部视图，是从包括NTC4的电子卡2的面的仰视图。
电子卡2是双面卡。因此，电子部件可以连接到电子卡2的第一面2A和/或电子卡2的第二面2B。
三端双向可控硅开关元件3允许控制传递到加热体12的供电信号。三端双向可控硅开关元件3的温度与向加热体12的电阻供电的电功率直接相关。因此，可以通过测量三端双向可控硅开关元件3的温度来建立精细的温度调节。三端双向可控硅开关元件3通过传递强度大于最小值的触发电流来启动。该最小值取决于所使用的三端双向可控硅开关元件。一旦启动，三端双向可控硅开关元件3就在其两个引脚之间传导电流，只要两个引脚之间的电流高于预定阈值即可。
使用三端双向可控硅开关元件3作为功率部件是有利的，因为其能够对两个引脚之间的较短的电压整流时间做出反应。但是，在电子系统1中可以使用另一种类型的功率部件，和/或一组多个功率部件。
三端双向可控硅开关元件3通常连接至电子卡2的高压轨道。因此，在分配机器10的运行期间，三端双向可控硅开关元件3由高压电流，例如230伏的交流电源电压穿过。
三端双向可控硅开关元件3属于电子系统1的操作部分。
可选地，用于控制加热体12的供电的操作部分不仅包括三端双向可控硅开关元件3，而且包括附加的机电继电器。
通常，三端双向可控硅开关元件3和该附加的机电继电器在电流源和加热体之间并联连接。
三端双向可控硅开关元件和机电继电器具有良好的互补性。这实际上是因为三端双向可控硅开关元件响应较短的整流时间，并且机电继电器能够在整流时间长的操作阶段承受高强度的电流。
如上所述，如果三端双向可控硅开关元件3的温度超过所设计的该三端双向可控硅开关元件的某个最大值，则三端双向可控硅开关元件3的运行不佳。三端双向可控硅开关元件3从而可能受损。从而导致加热体的失灵，并且导致分配机器10的整体故障。
三端双向可控硅开关元件3的引脚之间的电流强度的显著增加可能导致三端双向可控硅开关元件3的温度显著升高。尤其是在三端双向可控硅开关元件的底部可以感觉到温度的升高。
电子系统1包括处理装置，该处理装置配置成在分配机器10的运行期间，在信号超过预定阈值时，中断向三端双向可控硅开关元件3的供电。
如果需要，可以关闭附加的机电继电器，以暂停三端双向可控硅开关元件3外部的电流通过，并继续向加热体12供电。
在必须对温度进行监视的功率部件是三端双向可控硅开关元件的情况下，优选地通过NTC 4测量三端双向可控硅开关元件的底部的温度。
例如，用于监视三端双向可控硅开关元件3的温度的处理装置包括集成到电子系统1中的微控制器。
NTC 4的端子连接到微控制器(图中未示出)的低电平轨道。“低电平轨道”是指NTC4的端子和微控制器的输入端口都连接到电子卡2的低压轨道。
低压轨道是在分配机器10的运行期间暴露于低于上述在高压轨道上输送的电流的电压的电流的轨道。例如，该低压轨道用于经受TBTS电压，即特低安全电压(Très BasseTension de Sécurité)。
选择TBTS电压以便在暴露于电压的情况下不会对人体造成危险。在交流电中，TBTS电压的有效值通常小于50伏。因此，该电压远低于电源的常规电压。
当三端双向可控硅开关元件3的底部达到特定温度时，微控制器在低电平上检测到由NTC 4发射的电信号。NTC4因此配置成传递三端双向可控硅开关元件3的底部的温度的特征信号。
因此，NTC 4属于电子系统1的信息部分。
处理装置配置成当由温度传感器(在本示例中为NTC 4)传递的特征信号超过预定阈值时，中断向三端双向可控硅开关元件3的供电。
该预定阈值被认为是临界阈值，超过该阈值则认为组件可能受损和/或使用者处于危险中。通过自动切断超过临界阈值的三端双向可控硅开关元件的电源，可以控制这些风险。
当达到临界阈值时，处理装置还可以致动与三端双向可控硅开关元件3并联连接的附加继电器。三端双向可控硅开关元件3因此被短路，但是加热体12可以持续被供电。然而，由三端双向可控硅开关元件3的底部上的温度的估算允许的精细的温度调节不再可能。
为了良好地测量三端双向可控硅开关元件3的温度，NTC 4放置在三端双向可控硅开关元件3附近。
三端双向可控硅开关元件3连接到电子卡2的第一面2A。
NTC 4就其本身而言，连接到电子卡2的第二面2B。因此，电子卡2形成了一个插入三端双向可控硅开关元件3和NTC 4之间的层。
根据优选的变型，NTC 4在垂直于电子卡2的方向D上设置成与三端双向可控硅开关元件3排成直线，也就是说，存在四个平行于方向D并且与三端双向可控硅开关元件3的边缘相切的空间平面，从而限定了空间的一部分，在该空间中包含了完整的三端双向可控硅开关元件3，并且还包含了至少一部分NTC 4。
因此，NTC 4在方向D上至少部分地与三端双向可控硅开关元件3重叠。
因此，根据该优选的变型，NTC 4靠近三端双向可控硅开关元件3。三端双向可控硅开关元件3的温度变化，特别是三端双向可控硅开关元件3的底部的温度变化，迅速导致NTC4的温度变化。
在家用电器的用电安全方面满足现行的法规要求，而不必将功率部件和温度传感器布置在彼此之间的距离大于5毫米的同一面上是可能的。
在该示例中，第一个优点是确保功率部件，更精确地是三端双向可控硅开关元件的底部的温度的测量可靠且迅速。实际上，没有必要将功率部件和温度传感器彼此分开超过5毫米。因此，温度传感器可以设置在更靠近功率部件的位置。
第二个优点是将由功率部件和温度传感器形成的整体的延展减小，该功率部件和温度传感器未放置在电子卡的同一面上，彼此分开超过5毫米。
就三端双向可控硅开关元件3和NTC 4布置在电子卡2的两个不同面上而言，三端双向可控硅开关元件3和NTC 4彼此电隔离。三端双向可控硅开关元件3和NTC 4之间的空间的最小距离不必大于5毫米。
优选地，三端双向可控硅开关元件3连接到第一面2A的高压轨道，并且NTC 4连接到第二面2B的低压轨道。
在3000伏下结合对电子卡2的材料热性质评估的介电强度测试，显示出电子卡2内的功率部件和温度传感器之间令人满意的电绝缘。在运行测试期间，电子卡2的温度的升高平均不超过75开氏度，并且在任何情况下都保持在120开氏度以下。
无论如何，电子系统1内的电绝缘在家用电器的用电安全方面符合法规要求。
优选地，电子基板的材料，这里指电子卡2的材料，具有良好的导热性。电子卡2的材料优选地是热固性聚合物，此处是环氧树脂。
优点是使三端双向可控硅开关元件3底部的温度变化在NTC 4处更迅速地被感知。
优选地，基板的厚度，在这里是基本上平行的在第一面2A和第二面2B之间的电子卡2的厚度e，并且在方向D上小于5毫米。
优选地，电子卡在方向D上的厚度e在1毫米至5毫米之间，甚至更优选在1毫米至3毫米之间。
这里认为电子卡的厚度是均匀的，在使用厚度不均匀的电子基板的情况下，电子基板在方向D上的最大厚度优选地选择为小于5毫米。
由于功率部件和温度传感器之间的基板厚度减小，因此与功率部件和温度传感器放置在基板的同一面上，彼此之间的距离大于5毫米的情况相比，功率部件的温度测量的精度和反应性得到提升。
为了符合欧洲标准EN 60335对家用电器的规定，在第一面2A和/或第二面2B上存在高压区和低压区的情况下，高压区和低压区在第一面2A和/或第二面2B上隔开至少等于5毫米的距离。
这从而防止了连接到低压区的轨道的电子部件(通常是由TBTS电压供电的部件)暴露于高压(通常是230伏的交流电源电压下)。
如图3所示，NTC 4在电子卡2上沿方向D的投影表面优选地小于三端双向可控硅开关元件3在电子卡2上沿方向D的投影表面。此外，NTC 4在电子卡2上沿D方向的投影完全包含在三端双向可控硅开关元件3在电子卡2上沿D方向的投影内。
换句话说，三端双向可控硅开关元件3在电子卡2的第一面2A的第一区域上延伸，并且NTC 4在电子卡2的第二面2B的第二区域上延伸，第一区域与第二区域相对，并且第二区域的表面优选地小于第一区域的表面。
优点是，NTC 4与三端双向可控硅开关元件3完全对齐，并且对三端双向可控硅开关元件3的温度的变化更可靠和更快速地做出反应。
根据一种可能的变型，将NTC 4设置在热基座上。插在电子卡2和第二面2B上的NTC4之间的热基座由具有高导热率的材料制成。因此，NTC 4对三端双向可控硅开关元件3的温度的变化的反应得到进一步改善。
尽管已经结合特定实施例和应用描述了本发明，但是显而易见的是，本发明绝不限于此。
在不背离本发明的保护范围的前提下，特别是从各种元件的布置和构造，或者通过技术等同物的替换的观点来看，修改仍然是可能的。
因此，尽管符合欧洲标准，本发明可以完美地应用于除欧洲以外的应用其他用电标准的地区，特别是有关电网的电压值方面。
Claims (10)
1.一种用于控制热饮料分配机器的加热体(12)的电子系统(1)，所述电子系统包括：
-电子基板(2)，其包括第一面(2A)和第二面(2B)，两面被壁分隔，分隔壁的厚度足以承受在最大使用发热基础上增加50开尔文的3000V的介电测试，
-电子系统(1)的至少一个操作部分，其包括功率部件(3)，所述功率部件配置成控制所述加热体(12)的供电，所述功率部件在运行期间由高压电流穿过，
-电子系统的至少一个信息部分，其包括温度传感器(4)，所述温度传感器配置成产生所述功率部件(3)的观测温度的特征信号，
-用于处理所述温度传感器(4)产生的信号的处理装置，所述处理装置还配置成当所述信号超过预定阈值时，中断对所述功率部件(3)的供电，
其特征在于，所述功率部件(3)布置在所述电子基板(2)的第一面(2A)上，所述温度传感器布置在所述电子基板(2)的第二面(2B)上。
2.根据权利要求1所述的电子系统(1)，其特征在于，所述温度传感器(4)是热敏电阻。
3.根据权利要求1或2所述的电子系统(1)，其特征在于，所述功率部件(3)是三端双向可控硅开关元件。
4.根据权利要求1或2所述的电子系统(1)，其特征在于，所述功率部件(3)覆盖所述电子基板(2)的第一面(2A)的第一区域，所述温度传感器(4)覆盖所述电子基板的第二面(2B)的第二区域，所述第一区域与所述第二区域相对。
5.根据权利要求4所述的电子系统(1)，其特征在于，所述第二区域的表面小于所述第一区域的表面。
6.根据权利要求1或2所述的电子系统(1)，其特征在于，所述第一面(2A)与所述第二面(2B)基本平行，并且所述电子基板(2)的厚度在1毫米至5毫米之间。
7.根据权利要求1或2所述的电子系统(1)，其特征在于，所述第一面(2A)和所述第二面(2B)分别包括操作部分和信息部分，所述电子系统(1)的每个操作部分与所述电子系统(1)的每个信息部分相距至少5毫米。
8.根据权利要求1或2所述的电子系统(1)，其特征在于，所述高压电流的电压为230伏。
9.根据权利要求2所述的电子系统(1)，其特征在于，所述热敏电阻为负温度系数类型的热敏电阻。
10.一种热饮料分配机器(10)，所述机器包括：
-用于储存液体的水箱(11)，
-用于加热从水箱(11)抽取的一部分液体的加热体(12)，
-用于向加热体(12)供电的电源，
-根据权利要求1至9中任一项所述的电子系统(1)，所述电子系统(1)配置成控制所述加热体(12)的供电。
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