CN1898618A - 用于防止加热元件过热的电路装置、加热装置和用于保护加热装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明讲述一种用于防止加热元件(1)过热的电路装置，所述加热元件的电阻值是其温度的函数，其中所述电路装置具有以下特征：与所述加热元件(1)相耦合的电源，用于通过开关工具(2)向所述加热元件(1)提供电流；具有输出端(34)的用于控制所述开关工具(2)的开关控制电路(3)，其中所述开关工具(2)在所述开关控制电路(10)处于第一状态时被切换为导通，在所述开关控制电路(3)处于第二状态时被切换为不导通；与所述加热元件(1)相耦合的电流传感工具(4)，在该电流传感工具的输出端(41)上可以提取一个与流过所述加热元件(1)的电流成比例的信号；第一定标工具(5)，在其输出端(51)上可以提取一个与所述加热元件(1)的供电电压成比例的信号；第一检测工具(6)，其具有与所述电流传感工具(4)的以及所述第一定标工具(5)的输出端(41，51)相耦合的相应输入端(62，63)，并且在该第一检测工具的输出端(66)上可以提取一个由所述电流传感工具(4)的和所述定标工具(5)的信号形成的差电压；以及一个分析电路(7；8；9；10)，利用该分析电路可以将由所述第一检测工具(6)求出的差电压与一个参考信号进行比较，并且所述开关控制电路(3)根据结果可以通过所述分析电路(3)从第一状态被置为第二状态。

Description

用于防止加热元件过热的电路装置、 加热装置和用于保护加热装置的方法

本申请涉及一种用于防止加热元件过热的电路装置，所述加热元件的电阻值是其温度的函数。本申请还涉及一种用于液体的加热装置和一种用于保护这种加热装置不被损坏的方法。

在加热设备中被用于加热液体的加热元件可能在该加热设备的干燥过程中和在水被过煮时被永久地损坏。为了使家用电器(例如煮水器、咖啡机、洗碗机、洗衣机)中的水升温，除了别的之外还采用基于厚膜技术的电气电阻加热作为加热元件。对该加热元件提出某些安全性要求。例如必须对加热元件提供保护以防火、防漏和防电压击穿。尤其是，电压击穿根据有效的标准不能通过已有的机壳或外壳安全装置来进行保护。为了满足该要求，通常采用检测液体存在的热保护开关、压力开关，或采用熔丝，在干燥过程以及此时出现的加热元件持续变热的情况下，所述熔丝达到熔断并分开加热回路。

但这些保护具有明显的缺点。上述压力开关具有相对惰性的动作特性。熔丝在触发时会导致加热回路被不可逆地分开，由此加热装置带有缺陷，并由此导致一种产生高成本的客服情况。

因此，一种简单、快速和廉价地并且与可能存在的设备控制器无关地保护上述那种加热装置的保护系统是值得追求的。

EP 0845119B1公开了一种用于调节加热元件温度的电路装置，所述加热元件的电阻值是其温度的函数。对此，所述电路装置具有一个与所述加热元件相耦合的电流传感工具，其在输出端上提供一个依赖于流过加热元件的交流电流的交流电压。该信号和一个由用户预给定的参考值被输入到第一检测工具。当所述加热元件的温度超过用户所设置的温度时，该检测工具提供一个输出信号。然后通过一个开关控制电路根据“脉冲-暂停-原理”控制一个与所述加热元件串联的开关工具。

US 4035692另外公开了一种用于保护拖动电机内的刹车电阻的电路装置。该电路装置具有一个与该刹车电阻相耦合的电源，以便通过一个开关工具给所述刹车电阻提供电流。一个与所述刹车电阻相耦合的电流传感工具(在其输出端上可以提取一个与流过刹车电阻的电流成比例的信号)以及一个第一定标工具(其形式为一个电位计和与之串联的电阻，在该电阻输出端上可以提取一个与刹车电阻的供电电压成比例的信号)被输送到一个差动放大器，该差动放大器提供一个与温度相对应的电压值。该信号被用来通过断开开关工具来防止刹车电阻过热。

因此本发明的任务在于提供一种用于防止加热元件过热的电路装置，其简单、快速而廉价。另外还应提供一种防止过热的加热装置以及一种用于保护这种装置的方法。

该任务利用具有权利要求1的特征的电路装置、具有权利要求11的特征的加热装置、以及具有权利要求12的特征的方法来解决。优选扩展方案由从属权利要求给出。

根据本发明，用于防止加热元件-其电阻值是其温度的函数-过热的电路装置具有以下特征：

与所述加热元件相耦合的电源，用于通过开关工具向所述加热元件提供电流；

具有输出端的用于控制所述开关工具的开关控制电路，其中所述开关工具在所述开关控制电路处于第一状态时被切换为导通，在所述开关控制电路处于第二状态时被切换为不导通；

与所述加热元件相耦合的电流传感工具，在该电流传感工具的输出端上可以提取一个与流过所述加热元件的电流成比例的信号；

第一定标工具，在其输出端上可以提取一个与所述加热元件的供电电压成比例的信号；

第一检测工具，其具有与所述电流传感工具的以及所述第一定标工具的输出端相耦合的相应输入端，并且在该第一检测工具的输出端上可以提取一个由所述电流传感工具的和所述定标工具的信号形成的差信号；

一个分析电路，利用该分析电路可以将由所述第一检测工具求出的差信号与一个参考信号进行比较，并且所述开关控制电路根据结果可以通过所述分析电路从第一状态被置为第二状态。

因此本发明基于以下认识：加热元件的电阻具有一种特征性的温度特性。根据加热元件的实施，该电阻可以上升、下降或保持不变。在前两种情形下，可以通过监视加热元件的电阻间接地监视加热元件的温度。如果加热元件的电阻高于或低于某个值，则出现过热。

直接测量加热元件的电阻是不可能的，因为该加热元件在运行时被施加有供电电压。因此电阻必须间接地通过测量穿过加热元件的电流和加热元件上的电压来计算。

为此必须根据欧姆定律求出电压与电流之比。这虽然是可能的，但是耗费的。替而代之，本发明通过泰勒级数展开而采用求比例(除法)的近似，并在第二项之后中断该展开。由此该除法通过减法来代替，该减法在电路技术上可以非常简单地通过第一检测工具来实现。这意味着，从除法的双曲线变成下降的直线。如果在电压和电流的模拟减法之前将该两项标准化到相同的量，那么这里所产生的误差对于电路装置的功能基本没有什么意义。这一方面通过标准化电压的第一定标工具来进行。加热元件的工作电压可以借助于分压器被降低到所希望的值。所述分压器由此表现为第一定标工具。通过加热元件的电流流过一个分路器，在该分路器上施加有一个与电流成比例的电压。在该第一检测工具中优选地设有另一定标工具，其相应地标准化有所述电流传感工具所提供的信号。

优选地，所述电流传感工具和所述定标工具被如此配置，使得在其输出端上可提取的信号在所述加热元件的标称电阻时具有相同的大小。由此，所述分压器和所述分路器优选地被设计使得在加热元件的标称电阻时两个电压是相同大小的。

如果现在所述加热元件的工作电压变化某个百分比，那么流经加热元件的电流也因此变化该百分比。因此，借助于第一定标工具或电流传感工具所获得的测量电压会变化相同的百分比，因此它们的差继续保持为0。但如果加热元件的电阻依赖于温度变化，那么在第一检测工具的输出端上会产生一个可由分析电路检测出的信号。该信号可以与参考信号进行比较，由此可以推断加热元件的过热。在该情形下，通过用开关工具分开电连接可以防止加热元件被损坏。为此目的，所述分析电路与所述开关控制电路相连，该开关控制电路从第一状态切换到第二状态并从而断开所述开关工具。

所述电路装置因此被优选地如此实施，使得所述差电压在所述分析电路中与一个固定的阈值进行比较。在该情形下，当供电电压超过标称电压时，保护电路在更小的电阻变化时动作。反之，这也相应地在电压低于标称电压时适用。

于是，如果加热元件的电阻偏离其标称电阻，则在第一检测工具的输出端上出现一个电压。该差电压的绝对值取决于工作电压。这是因为在第二项之后中断泰勒级数而产生的误差。因此有益的是，所述分析电路具有带有两个输入端和一个输出端的第二检测工具，其中可向一个输入端输入所述第一检测工具的输出信号，向另一输入端输入所述参考信号，并且其中所述第二检测工具的输出端构成所述分析电路的输出端。

为了调节所述参考信号，所述分析电路优选地具有一个第二定标工具。在一种非常有利的扩展方案中，所述第二定标工具与给所述加热元件供电的供电电压相耦合，以便从所述供电电压推导出所述参考信号。也即，如果采用一个可以借助于定标工具从电网电压获得的阈值作为参考信号，则由此可以补偿所述第一检测工具的工作电压灵敏性。

有益地，在另一种优选扩展方案中，所述第二检测工具的输出端被反馈到一个输入端上。所述分析电路由此被设有一个滞后，以便在故障情况下通过开关控制电路的控制来快速而可靠地切换开关工具。在该情形下，开关工具中断通往加热元件的连接。从而所述电路装置有效地被看作为一个具有无限大欧姆电阻的加热装置。但这一点恰好是触发条件，使得所述电路装置继续保持在所述加热元件的加热回路被分开的状态。所述电路装置因此具有自保持特征。

在另一扩展方案中规定，所述加热元件的电源是一个交流电源，并且在所述第一和第二检测工具之间连接一个整流装置和一个平滑电路，其构成所述分析电路的一部分。当所述电路装置利用交流电压工作时，在所述第一检测工具的输出端上出现一个交流电压，其大小取决于电阻偏差。相位给出了电阻是否大于或小于标称电阻。当加热元件基本呈现欧姆特性时就是如此。为了进一步分析，该交流电压必须被整流和低通滤波。如果采用相选的整流，那么保留关于超过或低于的信息。否则可以在整流之后不再区分是否存在加热元件电阻的超过或低于。

另外规定，所述开关工具是继电器，其在所述加热元件的有序工作时通过所述开关控制电路的第一状态被吸合。这意味着，出于安全性原因，该继电器被如此连接，使得其在有序的加热工作时被吸合。

交流电压工作用的低通滤波器应被如此设计，使得其捕获在接通和断开加热时在第一检测工具的输出端上所出现的尖峰，并由此避免在接通加热元件时就已经出现所述的“自保持状态”。

需要通过本发明的电路装置监视的加热元件优选地是一个尤其由厚膜膏制成的具有PTC特性的电气电阻加热器，其中电阻随温度升高而增加。这种类型的加热元件极易受到过热的影响，并因此需要非常快的保护装置。这通常不能利用迄今所采用的熔丝来保证。

本发明的液体加热装置具有用于防止加热元件过热的本发明的电路装置。该液体加热装置也具有同样的优点，正如上面已经结合本发明的电路装置进一步所阐述的那样。

与普通安全预防措施(其中加热装置利用热-机械保护、通常是熔丝来实施)相反，本发明的用于保护具有加热元件的液体加热装置不被损坏的方法首次采用了电子保护。在该方法中，所述加热元件的电阻是其温度的函数，并且检测电阻值的变化以及与一个参考信号进行比较。必要时根据该比较通过开关工具断开加热回路。

下面结合单个附图来详细讲述本发明，该附图示出了本发明电路装置的电路技术实现。

被实施为电气电阻加热器的加热元件1与一个开关工具2和一个分路器形式的电流传感工具4被串联在第一供电端子VA1和第二供电端子VA2之间。在供电端子VA1、VA2之间施加一个输入电压U_E。

继电器形式的开关工具2可以通过开关控制电路3进行控制。在图中，所述开关控制电路3具有一个第二状态，所述开关在该状态下被切换为不导通。与此相对，当开关控制电路3处于第一状态时，开关工具2被切换为导通。开关控制电路3具有一个晶体管32，其以第一主端子与继电器33连接。晶体管32的另一主端子形成开关控制电路3的输出端36，并与供能器200相连。在该供能器上还通过开关控制电路3的另一输出端子35连接了所述继电器。

供能器200(下面不再进一步讲述)主要具有一个整流电路，该整流电路对被施加在供电端子VA1、VA2上的交流电压信号或交流电流信号进行整流并变换到相应的能级，以便给开关控制电路3和稍后要讲述的其它电路元件提供能量。

在加热元件1和电流传感工具4之间形成的节点形成了电流传感工具的输出端41。在输出端41和供电端子VA2之间施加电压Us。输出端41与第一检测工具6的输入端63相耦合。准确地说，输出端41通过电阻64与第一检测工具6的比较器61的倒相输入端63相连。第一检测工具6的第二输入端与一个第一定标工具5相连，该定标工具通过一个由电阻51、52组成的分压器构成。定标工具5被连接在第一供电端子VA1和参考电位端子BP之间。在电阻51、52之间形成的节点53与第一检测工具6的第二输入端相连。准确地说，在节点53和比较器61的非倒相输入端62之间存在一个连接。在电阻53上存在电压UV，该电压被输入到比较器的非倒相输入端62。比较器61的输出端66同时构成第一检测工具6的输出端。该输出端通过电阻65与比较器61的输入端63电连接。电阻64、65形成电流传感工具4的定标工具。

当加热元件2利用交流电压进行工作时，在比较器或差动放大器的输出端66上同样施加一个交流电压，该交流电压的大小取决于电阻偏差。为了进一步分析该交流电压信号，通过一个由二极管构成的整流装置7和一个被构造为低通滤波器的平滑电路8来分析它。平滑电路8具有一个与整流装置7串联的电阻81。在平滑电路的输出端84和参考电位端子之间连接另一个电阻83和一个电荷存储器82。所有设有附图标记BP的参考电位端子可以相互具有电连接。

平滑电路8的输出端84与第二检测工具10的输入端102相连。该输入端被连接到比较器101的倒相输入端。第二检测工具10的第二输入端与第二定标工具9相耦合。该第二定标工具又由具有电阻91、92的分压器组成。第二定标工具9被连接在参考电位端子BP和供能器200之间。电阻91、92之间的节点被连接到第二检测工具10的第二输入端或比较器101的非倒相输入端103。该非倒相输入端103通过电阻104与比较器101的输出端106相连，所述输出端106同时相当于第二检测工具的输出端，或相当于由第一检测工具6、整流装置7、平滑电路8、第二定标工具9和第二检测工具10构成的分析电路的输出端。输出端106与开关控制电路3相耦合。开关控制电路3的输入端子31在这里通过晶体管32的控制端子构成。第二检测工具被设有滞后，其通过电阻104来实现。该滞后确保了在故障情况下快速而可靠地切换位于开关控制电路3中的继电器。该继电器中断从加热元件1到供电端子VA1、VA2的连接，并将开关控制电路3从第一状态切换到第二状态。

在图1所示的这种情形下，电路装置看起来是一个具有无限大电阻的加热元件。这相当于本发明电路装置的触发条件，由此该电路装置继续保持在可靠状态。因此简单地实现了自保持特征。

利用本电路装置可以提供一种非常可靠的液体加热装置，其中在干燥过程的情况下排除了加热装置的机械损坏，这在迄今所使用的熔丝的情况下就是如此。

附图标记清单

1     加热元件

2     开关工具

3     开关控制电路

31    输入端子

32    晶体管

33    继电器

34    输出端

35    输出端子

36    输出端子

4     电流传感工具

41    输出端

5     定标工具

51    电阻

52    电阻

53    输出端

6     检测工具

61    比较器

62    输入端

63    输入端

64     电阻

65     电阻

66     输出端

7      整流装置

8      平滑电路

81     电阻

82     电荷存储器

83     电阻

84     输出端

9      定标工具

91     电阻

92     电阻

93     输出端

10     检测工具

101    比较器

102    输入端

103    输入端

104    电阻

106    输出端

200    供能器

U_E    输入电压

Us     电压

Uv     电压

VA1    供电端子

VA2    供电端子

BP     参考电位端子

Claims (12)

1.用于防止加热元件(1)过热的电路装置，所述加热元件的电阻值是其温度的函数，其中所述电路装置具有以下特征：

与所述加热元件(1)相耦合的电源，用于通过开关工具(2)向所述加热元件(1)提供电流；

具有输出端(34)的用于控制所述开关工具(2)的开关控制电路(3)，其中所述开关工具(2)在所述开关控制电路(10)处于第一状态时被切换为导通，在所述开关控制电路(3)处于第二状态时被切换为不导通；

与所述加热元件(1)相耦合的电流传感工具(4)，在该电流传感工具的输出端(41)上可以提取一个与流过所述加热元件(1)的电流成比例的信号；

第一定标工具(5)，在其输出端(51)上可以提取一个与所述加热元件(1)的供电电压成比例的信号；

第一检测工具(6)，其具有与所述电流传感工具(4)的以及所述第一定标工具(5)的输出端(41，51)相耦合的相应输入端(62，63)，并且在该第一检测工具的输出端(66)上可以提取一个由所述电流传感工具(4)的和所述定标工具(5)的信号形成的差信号；

以及一个分析电路(7；8；9；10)，利用该分析电路可以将由所述第一检测工具(6)求出的差信号与一个参考信号进行比较，并且所述开关控制电路(3)根据结果可以通过所述分析电路(3)从第一状态被置为第二状态。

2.如权利要求1所述的电路装置，其特征在于：

所述电流传感工具(4)和所述第一定标工具(5)被如此配置，使得在其输出端(41，51)上可提取的信号在所述加热元件(1)的标称电阻时具有相同的大小。

3.如权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于：

通过所述第一检测工具(6)只能在加热工具(1)的电阻变化时检测到差电压。

4.如上述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于：

所述分析电路具有带有两个输入端(101，102)和一个输出端(106)的第二检测工具(10)，其中可向一个输入端(101)输入所述第一检测工具(6)的输出信号，向另一输入端(102)输入所述参考信号，并且其中所述输出端(106)构成所述分析电路的输出端。

5.如上述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于：

所述分析电路具有一个用于调节所述参考信号的第二定标工具(9)。

6.如权利要求5所述的电路装置，其特征在于：

所述第二定标工具(9)与给所述加热元件(1)供电的供电电压相耦合，以便从所述供电电压推导出所述参考信号。

7.如权利要求4-6之一所述的电路装置，其特征在于：

所述第二检测工具(10)的输出端(106)被反馈到一个输入端(102)上。

8.如上述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于：

所述加热元件的电源是一个交流电源，并且在所述第一和第二检测工具(6；10)之间连接一个整流装置(7)和一个平滑电路(8)。

9.如上述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于：

所述开关工具(2)是继电器，其在所述加热元件(1)的有序工作时通过所述开关控制电路(3)的第一状态被吸合。

10.如上述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于：

所述加热元件(1)是一个尤其由厚膜膏制成的具有PTC特性的电气电阻加热器，其中电阻随温度升高而增加。

11.液体加热装置，其特征在于：设有如上述权利要求之一所述的用于防止加热元件(1)过热的电路装置。

12.用于保护具有加热元件的液体加热装置不被损坏的方法，其中所述加热元件的电阻是其温度的函数，并且检测电阻值的变化以及与一个参考信号进行比较，以便在必要时能通过开关工具断开加热回路。