CN113446624B - 一种单针点火兼检火二合一的电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单针点火兼检火二合一的电路及控制方法，其中单针点火兼检火二合一的电路，包括点火模块、检火模块和点/检火切换模块，所述点火模块和检火模块共用一个放电针和高压包TR21，所述放电针和高压包TR21适于通过点/检火切换模块接地并与点火模块形成点火回路；所述放电针和高压包TR21适于通过点/检火切换模块与检火模块电连接并形成检火回路。本发明通过设置点/检火切换模块，仅用一根放电针即可实现点火和检火功能，电路简洁，成本低，性能稳定，同时能够简化整机产品的结构，具有较高的实用价值和性价比。

Description

一种单针点火兼检火二合一的电路及控制方法

技术领域

本发明涉及燃气点火技术领域，尤其涉及一种单针点火兼检火二合一的电路及控制方法。

背景技术

在绝大多数燃气或燃油发热器具中（如灶具、热水器、锅炉等），都配置有高压脉冲点火装置和火焰检测装置，用于点火和熄火保护等工作逻辑。

通常情况下，点火电路都采用高压脉冲点火方式。由振荡源产生40K~400KHz左右的波形，经高压包升压，变成高压送至点火针，击穿点火针对地（燃烧器本体）间隙的空气形成回路，产生高温电弧，从而点燃燃料。点燃后，关闭点火脉冲，由火焰本身维持燃烧。由于空气的击穿场强约30KV/cm（即击穿1cm空气需要30KV电压, 击穿1mm需要3KV），为了达到较好的点火效果，一般都采用8K~20KV电压范围，如商用灶具大都采用15KV电压。对于这种数KV至数十KV的高压，常规的较低成本电路很难控制，如不慎引入检火电路的运放、比较器等回路，将对这些元件造成永久性的损害。因此，大多数设备都做成点火电路和检火电路分开，各自接点火针和检火针，两个电路独立工作。这样会导致设备电路成本较高，且不利于安装，更不利于设备小型化等。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处而提出一种单针点火兼检火二合一的电路及控制方法，仅用一根放电针即可实现点火和检火功能，其检火部分利用火焰等离子体的单向导电特性，采用一种无须变压器的新型电路，利用放电针和燃烧器本体在有火、无火或有污染时形成的等效电路作为同相放大器的接地端电阻的一部分进而准确检验出有火、无火或有污染状态。本发明电路简洁，成本低，性能稳定，同时能够简化整机产品的结构，具有较高的实用价值和性价比。

实现本发明目的技术方案是：

一种单针点火兼检火二合一的电路，包括点火模块、检火模块和点/检火切换模块，所述点火模块和检火模块共用一个放电针和高压包TR21，所述放电针和高压包TR21适于通过点/检火切换模块接地并与点火模块形成点火回路；所述放电针和高压包TR21适于通过点/检火切换模块与检火模块电连接并形成检火回路。

进一步地，所述点/检火切换模块包括与点火模块依次电连接的电阻R21、三极管Q21和继电器RL21；所述继电器RL21得电吸合时，所述放电针、高压包TR21和点火模块形成点火回路；所述继电器RL21断电释放时，所述放电针、高压包TR21的次级线圈和检火模块形成检火回路。

进一步地，所述点火模块包括控制器和驱动模块；所述控制器、驱动模块和高压包TR21的初级线圈的高端依次电连接；所述高压包TR21的初级线圈的低端连接有电容C22，电容C22的另一端接地；所述高压包TR21的次级线圈的高端和低端分别连通放电针和点/检火切换模块。

进一步地，所述驱动模块包括MOSFET驱动器U21以及与MOSFET驱动器U21电连接MOS管M21和MOS管M22；所述MOSFET驱动器U21适于驱动MOS管M21和MOS管M22带动高压包TR21的初级线圈。

进一步地，所述驱动模块还包括自举电路，所述自举电路包括二极管D21和电容C21，所述二极管D21的正极接外部电源，所述二极管D21的负极接电容C21，所述电容C21的另一端接高压包TR21的初级线圈的高端。

进一步地，所述检火模块包括依次电连接的振荡信号模块、信号放大模块和信号判断模块；所述信号放大模块与点/检火切换模块相连并适于将振荡信号模块传输的信号进行同相放大后传输至信号判断模块；所述信号判断模块适于将接收的信号处理后与基准电压比较后输出电平信号进而判断是否有火焰或污染。

进一步地，所述信号放大模块包括运放U1、反馈电阻R2以及接地电阻Rg，所述反馈电阻R2两端分别与运放U1的输出端和IN-端电连接；所述运放U1的IN+端与振荡信号模块电连接；所述运放U1的IN-端与接地电阻Rg电连接。

进一步地，所述接地电阻Rg包括包括基于火焰等离子体的单向导电特性由放电针和燃烧器本体在有火、无火或有污染时形成的等效电路、以及高压包TR21的次级线圈的电阻（直流电阻+交流感抗）、电阻R1；所述电阻R1通过点/检火切换模块与高压包TR21的次级线圈的低端电连接，所述TR21的次级线圈的高端接放电针。

一种如上所述的单针点火兼检火二合一的电路的控制方法，包括以下步骤：

S1：若控制器输出高电平，点/检火切换模块打开，高压包TR21的次级线圈的低端和地接通，与放电针形成点火回路，则进行步骤S2；若控制器输出低电平，点/检火切换模块关闭，高压包TR21的次级线圈的低端和检火模块接通，与放电针形成检火回路，则进行步骤S3；

S2:控制器输出波形，并输出高电平使能驱动模块，驱动模块带动高压包TR21的初级线圈，经TR21变压后，送至放电针，产生电弧点火；

S3：控制器关闭波形输出，并输出低电平关闭驱动模块，TR21的次级线圈作为电阻串联在检火回路上；

S4：振荡源WG产生的直流方波信号经处理后转换为交流方波信号；

S5：信号放大模块接收步骤S4的信号，经处理后输送至信号判断模块；

S6：信号判断模块将接收的步骤S5的信号处理后与基准电压比较后输出电平信号进而判断是否有火焰或污染。

进一步地，所述步骤S1中，控制器输出高电平，通过电阻R21驱动三极管Q21导通，继电器RL21得电吸合，其常开触点接通，点/检火切换模块打开，反之点/检火切换模块关闭。

进一步地，所述步骤S5，当有火时、无火时以及有污染时，接地电阻Rg的大小不同，从而为信号放大模块提供三种不同的放大特性，导致输入信号放大模块的外部振荡信号经放大后输出三种不同的信号至信号判断模块。

采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

（1）本发明通过设置点/检火切换模块用来切换点火回路和检火回路，点火回路和检火回路共用一个放电针和高压包TR21，当切换成点火回路时，高压包TR21作为升压元件使用，当切换成检火回路时，高压包TR21的次级线圈作为电阻串联在检火回路中，不影响检火回路的使用。本发明仅用一根放电针即可实现点火和检火功能，电路简洁，成本低，性能稳定，同时能够简化整机产品的结构，具有较高的实用价值和性价比。

（2）本发明点/检火切换模块包括继电器RL21，通过继电器RL21的得电吸合和断电释放，实现了点火回路和检火回路的切换，成本低，性能稳定。

（3）本发明点火模块包括控制器和驱动模块，驱动模块包括MOSFET驱动器U21、MOS管M21、MOS管M22和自举电路。利用控制器使能MOSFET驱动器U21，从而驱动MOS管M21和MOS管M22带动高压包TR21的初级线圈，经高压包TR21变压后，送至点火、检火针，产生电弧点火，实现点火功能。

（4）本发明检火模块通过设置振荡信号模块产生交流方波信号，经信号放大模块放大处理后传输至信号判断模块，信号判断模块将接收的信号处理后与基准电压比较后输出电平信号，从而判断是否有火焰或污染。

（5）本发明信号放大模块包括接地电阻，接地电阻包括由放电针和燃烧器组成的等效电路以及高压包TR21的次级线圈和电阻R1，电阻R1通过点/检火切换模块与高压包TR21的次级线圈的低端电连接，当点/检火切换模块关闭时，TR21的次级线圈作为电阻与电阻R1串联，由于TR21的次级线圈的电阻（直流电阻+交流感抗）。一般均在1~5K欧姆左右，而等效电路的电阻最小为数兆至数十兆欧姆数量级，因此TR21的次级线圈的电阻在检火回路中完全可忽略不计，不会对检火功能造成影响，从而实现检火功能。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的电路逻辑框图；

图2为本发明的电路图；

图3为本发明放电针和燃烧器本体的等效电路图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

（实施例1）

如图1至图3所示单针点火兼检火二合一的电路，包括点火模块、检火模块和点/检火切换模块，点火模块和检火模块共用一个放电针和高压包TR21，放电针和高压包TR21适于通过点/检火切换模块接地并与点火模块形成点火回路；放电针和高压包TR21适于通过点/检火切换模块与检火模块电连接并形成检火回路。当切换成点火回路时，高压包TR21作为升压元件使用，当切换成检火回路时，高压包TR21的次级线圈作为电阻串联在检火回路中，不影响检火回路的使用。本发明仅用一根放电针即可实现点火和检火功能，电路简洁，成本低，性能稳定，同时能够简化整机产品的结构，具有较高的实用价值和性价比。

具体地，点火模块包括控制器和驱动模块，控制器采用单片机MCU，驱动模块包括自举电路、MOSFET驱动器U21以及与MOSFET驱动器U21电连接MOS管M21和MOS管M22，MOSFET驱动器U21的型号为ADP3110或类似兼容型号，MOS管M21和MOS管M22均为N沟道MOS管，自举电路包括二极管D21和电容C21。

点/检火切换模块包括电阻R21、三极管Q21和继电器RL21，三极管Q21为NPN型。

检火模块包括依次电连接的振荡信号模块、信号放大模块和信号判断模块。振荡信号模块包括包括振荡源WG和电容C1；信号放大模块包括运放U1、反馈电阻R2以及接地电阻Rg，接地电阻Rg包括高压包TR21的次级线圈电阻、电阻R1以及由由放电针和燃烧器本体在有火、无火或有污染时形成的等效电路。信号判断模块包括火焰信号判断模块和污染信号判断模块。

单片机MCU的口线IO-1与MOSFET驱动器U21的2脚相连，用于输出40K~400KHz左右的方波；口线IO-2与MOSFET驱动器U21的3脚相连，用于使能MOSFET驱动器U21工作；口线IO-3与电阻R21相连，电阻R21的另一端与三极管Q21的基极相连，三极管Q21的集电极和发射极分别接继电器RL21和地，用于驱动继电器RL21。

外部电源的输出端接有电容C20，作为电源的去耦电容，一端接地，另一端接MOSFET驱动器U21的4脚，MOSFET驱动器U21的4脚同时接外部电源，二极管D21的正极和负极分别接MOSFET驱动器U21的4脚和1脚，电容C21的两端分别接MOSFET驱动器U21的1脚和7脚。

MOS管M21的G极和S极分别接MOSFET驱动器U21的8脚和7脚，D极接外部电源，MOS管M22的G极和D极分别接MOSFET驱动器U21的5脚和7脚，S极接地。同时MOSFET驱动器U21的7脚接高压包TR21的初级线圈的高端，高压包TR21的初级线圈的低端接有电容C22，电容C22的另一端接地。高压包TR21的次级线圈的高端接放电针，低端接继电器RL21的中心触点。

振荡源WG的一端接地，另一端通过电容C1接运放U1的IN+端，运放U1的IN-端接电阻R1，电阻R1的另一端通过继电器RL21与高压包TR21的次级线圈的低端相连。反馈电阻R2的两端分别接运放U1的IN-端和输出端。运放U1的IN-端同时与信号判断模块相连。

如图3所示，等效电路包括开关SW1、二极管Df（即由火焰的单向导电特性所致）、电阻Rf（火焰内阻，数兆至数十兆欧姆量级）、开关SW2和电阻Rp（污染物阻值，数千至数十千欧姆量级，Rp<<Rf）。开关SW1的一端接地，另一端与二极管Df的负极电连接，二极管Df的正极与电阻Rf串联；开关SW2的一端接地，另一端串联电阻Rp；电阻Rf的另一端和电阻Rp的另一端均与高压包TR21的次级线圈的高端相连（当点/检火切换模块关闭即切换至检火时）。无火时，开关SW1和开关SW2均断开，接地电阻无穷大；有火时，开关SW1接通、开关SW2断开，对交流方波信号的正半周而言，接地电阻的大小为电阻R1、Rf和高压包TR21的次级线圈的电阻（直流电阻+交流感抗）的和，对负半周而言，仍为无穷大；有污染时，接地电阻的大小为污染的阻值大小Rp、电阻R1和高压包TR21的次级线圈的电阻的和。

火焰信号判断模块包括第一反相比例积分放大电路、第一分压电路、电压比较器U3和光耦OP1。第一反相比例积分放大电路包括运放U2、电阻R3、电阻R4和电容C2，第一分压电路包括电阻R5和电阻R6。电阻R3的一端接运放U1的输出端，另一端接运放U2的IN-端，运放U2的IN+端接地，电阻R4和电容C2并联后分别接运放U2的IN-端和输出端。电阻R5的一端接运放U2的输出端，另一端与电阻R6和电压比较器U3的IN+端均连接，R6的另一端接地；电压比较器U3的IN-端接基准电压VR1；电压比较器U3的输出端接光耦OP1。

污染信号判断模块包括第二分压电路、半波精密整流电路、第二反相比例积分放大电路、第三分压电路、电压比较器U6和光耦OP2。第二分压电路包括电阻R8和电阻R9。半波精密整流电路包括电阻R10、运放U4、二极管D1、二极管D2和电阻R11。第二反相比例积分放大电路包括运放U5、电阻R12、电阻R13和电容C3。第三分压电路包括电阻R14和电阻R15。电阻R8的一端接运放U1的输出端，电阻R9的一端接地，电阻R8的另一端与电阻R9的另一端接电阻R10的同一端，电阻R10的另一端接运放U4的IN-端。运放U4的IN+端接地，二极管D1的正极接运放U4的IN-端，负极接运放U4的输出端。电阻R11的两端分别接运放U4的IN-端和二极管D2的负极。二极管D2的正极接运放U4的输出端，负极接电阻R12，电阻R12的另一端接运放U5的IN-端，运放U5的IN+端接地。电容C3和电阻R13并联后分别接运放U5的IN-端和输出端。电阻R14的一端接运放U5的输出端，另一端接比较器U6的IN+端。电阻R15的一端接地，另一端接比较器U6的IN+端。电压比较器U6的IN-端接基准电压VR2；电压比较器U6的输出端接光耦OP2。

本实施例的单针点火兼检火二合一的电路的控制方法，包括以下步骤：

S1：若控制器的口线IO-3输出高电平，通过电阻R21驱动三极管Q21导通，继电器RL21得电吸合，其常开触点接通，点/检火切换模块打开，高压包TR21的次级线圈的低端和地接通，与放电针形成点火回路，则进行步骤S2；若控制器的口线IO-3输出低电平，通过电阻R21驱动三极管Q21截止，继电器RL21断电释放，其常闭触点接通，点/检火切换模块关闭，高压包TR21的次级线圈的低端和检火模块接通，与放电针形成检火回路，则进行步骤S3；

S2:控制器的口线IO-1输出波形，口线IO-2输出高电平使能MOSFET驱动器U21，MOSFET驱动器U21驱动MOS管M21和MOS管M22带动高压包TR21的初级线圈，经高压包TR21变压后，送至放电针，产生电弧点火；

S3：控制器的口线IO-1关闭波形输出，口线IO-2输出低电平关闭驱动模块，此时高压包TR21的次级线圈作为电阻串联在检火回路上；

S4：振荡源WG产生的直流方波信号经处理后转换为交流方波信号；

S5：信号放大模块接收步骤S4的信号，经处理后输送至信号判断模块；具体地，当有火时、无火时以及有污染时，接地电阻Rg的大小不同，从而为信号放大模块提供三种不同的放大特性，导致输入信号放大模块的外部振荡信号经放大后输出三种不同的信号至信号判断模块；

S6：信号判断模块将接收的步骤S5的信号处理后与基准电压比较后输出电平信号进而判断是否有火焰或污染，具体步骤如下：

S61：火焰信号判断模块将接收的步骤S5的信号的交流分量滤除并对直流分量取出后反相放大（此过程即反相比例积分放大，由第一反相比例积分放大电路完成），再经过分压后与基准电压比较，当输出低电平时则为有火状态，反之为无火状态；

S62：污染信号判断模块将接收的步骤S5的信号波形的负半周进行整流并反相放大，同时对正半周的信号进行隔断后输出（此过程即半波精密整流，由半波精密整流电路完成）；

S63：将S62输出的信号的交流分量滤除，对直流分量取出后反相放大（此过程亦为反相比例积分放大，由第二反相比例积分放大电路完成），再经过分压后与基准电压比较，当输出低电平时则为有污染状态，反之为无污染状态。

由于小型继电器的触点间隙一般不足1mm，远小于炉具的点火间隙，本实施例利用一个低成本的小型继电器RL21在高压包TR21的次级线圈接地端(低端)切换，而不是将放电针接在继电器RL21的中心触点后，将放电针本身分别切换到点火回路和检火回路上，从而避免了高压在继电器的内部触点间放电打火的后果。

当需要点火时，继电器RL21得电吸合，其常开触点接通，高压包TR21的次级线圈的低端和地接通，与放电针形成点火回路，此时高压包TR21作为升压元件使用。当需要检火时，继电器RL21断电释放，其常闭触点接通，高压包TR21的次级线圈的低端和电阻R1接通，与放电针形成检火回路，此时高压包TR21的次级线圈作为电阻与电阻R1串联，由于高压包TR21的次级线圈的电阻（直流电阻+交流感抗）一般均在1~5K欧姆左右，而放电针和燃烧器组成的等效电路的电阻最小为数兆至数十兆欧姆数量级，因而高压包TR21的次级线圈的电阻在检火回路中可忽略，不会对检火功能造成影响。

本实施例采用一个小型的低成本继电器RL21在高压包TR21的次级线圈接地端切换，使高压包TR21在点火回路中作为升压元件使用，在检火回路中作为电阻使用，并且高压包TR21的次级线圈的电阻在检火回路中可忽略不计，从而实现利用一个放电针实现点火和检火功能，整体电路简洁，成本低，性能稳定，同时能够简化整机产品的结构，具有较高的实用价值和性价比。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单针点火兼检火二合一的电路，其特征在于：包括点火模块、检火模块和点/检火切换模块，所述点火模块和检火模块共用一个放电针和高压包TR21，所述点火模块包括控制器和驱动模块；所述控制器、驱动模块和高压包TR21的初级线圈的高端依次电连接；所述高压包TR21的初级线圈的低端连接有电容C22，电容C22的另一端接地；所述高压包TR21的次级线圈的高端和低端分别连通放电针和点/检火切换模块；所述点/检火切换模块包括与点火模块依次电连接的电阻R21、三极管Q21和继电器RL21，所述继电器RL21的中心触点接高压包TR21；所述继电器RL21得电吸合时，所述放电针、高压包TR21的次级线圈和点火模块形成点火回路；所述继电器RL21断电释放时，所述放电针、高压包TR21和检火模块形成检火回路。

2.根据权利要求1所述的一种单针点火兼检火二合一的电路，其特征在于：所述驱动模块包括MOSFET驱动器U21以及与MOSFET驱动器U21电连接MOS管M21和MOS管M22；所述MOSFET驱动器U21适于驱动MOS管M21和MOS管M22带动高压包TR21的初级线圈。

3.根据权利要求1所述的一种单针点火兼检火二合一的电路，其特征在于：所述驱动模块还包括自举电路，所述自举电路包括二极管D21和电容C21，所述二极管D21的正极接外部电源，所述二极管D21的负极接电容C21，所述电容C21的另一端接高压包TR21的初级线圈的高端。

4.根据权利要求1所述的一种单针点火兼检火二合一的电路，其特征在于：所述检火模块包括依次电连接的振荡信号模块、信号放大模块和信号判断模块；所述信号放大模块与点/检火切换模块相连并适于将振荡信号模块传输的信号进行同相放大后传输至信号判断模块；所述信号判断模块适于将接收的信号处理后与基准电压比较后输出电平信号进而判断是否有火焰或污染。

5.根据权利要求4所述的一种单针点火兼检火二合一的电路，其特征在于：所述信号放大模块包括运放U1、反馈电阻R2以及接地电阻Rg，所述反馈电阻R2两端分别与运放U1的输出端和IN-端电连接；所述运放U1的IN+端与振荡信号模块电连接；所述运放U1的IN-端与接地电阻Rg电连接。

6.根据权利要求5所述的一种单针点火兼检火二合一的电路，其特征在于：基于火焰等离子体的单向导电特性，所述接地电阻Rg包括- 由放电针和燃烧器本体在有火、无火或有污染时形成的等效电路以及高压包TR21的次级线圈的电阻、以及电阻R1；所述电阻R1通过点/检火切换模块与高压包TR21的次级线圈的低端电连接，所述高压包TR21的次级线圈的高端接放电针。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的单针点火兼检火二合一的电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：若控制器输出高电平，点/检火切换模块打开，高压包TR21的次级线圈的低端和地接通，与放电针形成点火回路，则进行步骤S2；若控制器输出低电平，点/检火切换模块关闭，高压包TR21的次级线圈的低端和检火模块接通，与放电针形成检火回路，则进行步骤S3；

S2:控制器输出波形，并输出高电平使能驱动模块，驱动模块带动高压包TR21的初级线圈，经TR21变压后，送至放电针，产生电弧点火；

S3：控制器关闭波形输出，并输出低电平关闭驱动模块，TR21的次级线圈作为电阻串联在检火回路上；

S4：振荡源WG产生的直流方波信号经处理后转换为交流方波信号；

S5：信号放大模块接收步骤S4的信号，经处理后输送至信号判断模块；

S6：信号判断模块将接收的步骤S5的信号处理后与基准电压比较后输出电平信号进而判断是否有火焰或污染。

8.根据权利要求7所述的一种单针点火兼检火二合一的电路的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，控制器输出高电平，通过电阻R21驱动三极管Q21导通，继电器RL21得电吸合，其常开触点接通，点/检火切换模块打开，反之点/检火切换模块关闭。

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