CN208028566U - 一种用于加热器的过温检测电路和过温保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于加热器的过温检测电路和过温保护电路。本申请的有益效果在于本文所述的过温检测电路和过温保护电路无需使用温度传感器，仅通过检测供电电压与加热器两端的电压之差就可判断加热器是否存在过温情况。此外，在仅需增加外部电路和保护开关的情况下，就能实现用于加热器的过温保护。这可以显著减少加热器体积的同时也不损失单一故障保护功能。在微型化加热器方面提供一种新颖的思路，具有很高的实用价值和经济价值。

Description

一种用于加热器的过温检测电路和过温保护电路

技术领域

本申请涉及电气工程技术领域，具体来说，涉及一种用于加热器的过温检测电路和过温保护电路。

背景技术

加热器温度控制在各个行业中被广泛采用。但是加热器的安全性问题也受到关注。

按照传统的安规要求，加热器在任何器件单一故障下，都不应该发生温度不受控一直上升甚至起火等现象。

传统的解决办法主要是在加热器供电回路中串入温度开关，用于检测加热器温度，当加热器温度达到某一限定值后，断开加热器供电。温度开关有两种形式，一种是自恢复型的，一种是非自恢复型的。不管采用哪种方式都有很多弊端，如热保护点取决于温度开关本身特性，外部不能再次调整；自恢复型的会造成加热器在过温保护温度临界点附近工作，依然偏离正常较高区间工作，长时间依旧会带来隐患，或者对周围的电子设备耐温提出更高要求；非自恢复型一旦保护就自行熔断，维修就必须更换保护器件，温度开关一般尺寸都比较大，在一些微型加热器中很难应用，并且温度开关通常费用较贵，对加热器成本控制不利。

还有就是传统方法对温度控制是依赖温度传感器的，温度传感器必须增加在加热器上，进一步增加了加热器体积以及加热电路成本。

为此，本领域迫切需要开发一种不使用温度传感器的一种用于加热器过温检测电路和过温保护电路。

实用新型内容

本申请之目的在于提供一种不使用温度传感器的用于加热器的过温检测电路，从而解决上述现有技术中的技术问题。具体来说，本申请的电路通过增加一个电压检测比较电路来判断加热器是否出现过温的情况。加热器通常为正温系数的加热器，即随着温度升高，电阻增加。本申请的过温检测电路通过恒流电路对加热器进行供电，然后通过电压比较器将供电电压与加热器两端的电压之差与设定的温度保护点电压进行比较，如果供电电压与加热器两端的电压之差低于温度保护点电压，则表明加热器存在过温情况。

本申请之目的还在于提供一种使用上述过温检测电路的用于加热器的过温保护电路。

为了实现上述目的，本申请提供下述技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种用于加热器的过温保护电路，所述用于加热器的过温保护电路包括加热器、向加热器供电的恒流电路、电压比较器、保护开关和第一电阻，所述电压比较器包括“+”端输入端，“-”端输入端和输出端，当加热器出现过温情况时，所述电压比较器的输出端输出过温信号；

其中所述保护开关和所述加热器串联；

其中所述第一电阻构造成与所述加热器并联；

其中所述电压比较器的“+”端输入端用于输入供电电压与加热器两端的电压之差，且电压比较器的“-”端输入端用于输入温度保护点电压；以及

所述电压比较器的输出端与所述保护开关电连通，且构造成在所述电压比较器的输出端输出过温信号时，断开所述保护开关。

在第一方面的一种实施方式中，所述加热器为正温系数的加热器。

在第一方面的另一种实施方式中，所述保护开关为CMOS器件和/或固态继电器。

在第一方面的另一种实施方式中，所述保护开关为CMOS器件，所述CMOS器件的栅极和所述电压比较器的输出端电连通，且所述用于加热器的过温保护电路还包括第二电阻，该第二电阻一端与所述CMOS器件的栅极电连通且另一端与所述电压比较器的输出端电连通。

在第一方面的另一种实施方式中，所述用于加热器的过温保护电路还包括数字模拟转换器、外部温控电路和微控制单元；

其中所述数字模拟转换器用于输出温度保护点电压；

其中所述微控制单元构造成接收所述电压比较器输出端的过温信号和提供外部温度控制输入信号；以及

其中所述外部温控电路构造成复位保护开关。

在第一方面的另一种实施方式中，所述用于加热器的过温保护电路还包括数字模拟转换器、外部启停电路和控制逻辑电路；

其中所述数字模拟转换器用于输出温度保护点电压；

其中所述外部启停电路用于提供固定脉宽输入信号，所述固定脉宽输入信号用于控制恒流电路的通断；

其中所述控制逻辑电路包括串联的CMOS与门器件以及至少一个施密特非门器件，所述至少一个施密特非门器件的一端与所述电压比较器的输出端电连通，且另一端与所述CMOS与门器件的输入端电连通；以及

其中所述固定脉宽输入信号与所述CMOS与门器件的输入端电连通，且所述CMOS与门器件的输出端与所述恒流电路电连通。

在第一方面的另一种实施方式中，当加热器出现过温情况时，所述电压比较器的输出端输出作为过温信号的低电平，所述保护开关断开。

在第一方面的另一种实施方式中，当加热器出现过温情况时，所述电压比较器的输出端输出作为过温信号的低电平，所述保护开关断开，所述微控制单元接收到过温信号后，通过所述外部温控电路使所述保护开关重新闭合。

在第一方面的另一种实施方式中，当加热器出现过温情况时，所述电压比较器的输出端输出作为过温信号的低电平，所述保护开关断开，所述外部温控电路在检测到加热器的温度降低到可接受的最高温度以下时，使所述保护开关重新闭合。

在第一方面的另一种实施方式中，当加热器出现过温情况时，所述电压比较器的输出端输出作为过温信号的低电平，所述保护开关断开，外部启停电路提供的下一次固定脉宽输入信号使恒流电路再次电连通，使保护开关再次闭合，且再次启动加热器。

在第二方面中，本申请提供一种用于加热器的过温检测电路，所述过温检测电路包括加热器、向加热器供电的恒流电路和电压比较器，所述电压比较器包括“+”端输入端、“-”端输入端和输出端，

其中所述电压比较器的“+”端输入端用于输入供电电压与加热器两端的电压之差，且电压比较器的“-”端输入端用于输入温度保护点电压。

在第二方面的一种实施方式中，当加热器出现过温情况时，所述电压比较器输出端输出低电平。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于本文所述的过温检测电路和过温保护电路无需使用温度传感器，仅通过检测供电电压与加热器两端的电压之差就可判断加热器是否存在过温情况，并在仅需增加外部电路和保护开关的情况下，就能实现自恢复型的或非自恢复型的用于加热器的过温保护，这可以显著减少加热器体积的同时也不损失单一故障保护功能。在微型化加热器方面提供一种新颖的思路，具有很高的实用价值和经济价值。

附图说明

图1示意性显示根据本申请的一个实施例的恒流电路。

图2示意性显示根据本申请的一个实施例的过温检测电路。

图3示意性显示根据本申请的一个实施例的过温保护电路。

图4示意性显示根据本申请的一个实施例的非自恢复型过温保护电路的原理图。

图5示意性显示根据本申请的另一个实施例的非自恢复型过温保护电路。

图6示意性显示根据本申请的一个实施例的温控电路的原理图。

图7示意性显示根据本申请的另一个具体实施例的温控电路。

具体实施方式

下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。

术语定义

如本文所使用，术语“温度保护点电压”指在利用恒流电路对加热器进行加热的情况下，当加热器处于可接受的最高温度下时供电电压与加热器两端的电压之差。温度保护点电压可大于零且小于恒流电路的供电电压。

如本文所使用，术语“过温信号”指在加热器出现过温情况时，电压比较器的输出端所输出的信号。通常情况下，过温信号指电压比较器的输出端输出的低电平。

在第一方面中，本申请提供一种用于加热器的过温保护电路，所述用于加热器的过温保护电路包括加热器、向加热器供电的恒流电路、电压比较器、保护开关和第一电阻，所述电压比较器包括“+”端输入端，“-”端输入端和输出端，当加热器出现过温情况时，所述电压比较器的输出端输出过温信号；

其中所述保护开关和所述加热器串联；

其中所述第一电阻构造成与所述加热器并联；

其中所述电压比较器的“+”端输入端用于输入供电电压与加热器两端的电压之差，且电压比较器的“-”端输入端用于输入温度保护点电压；以及

所述电压比较器的输出端与所述保护开关电连通，且构造成在所述电压比较器的输出端输出过温信号时，断开所述保护开关。

在第一方面的另一种实施方式中，所述用于加热器的过温保护电路还包括数字模拟转换器、外部温控电路和微控制单元；

其中所述数字模拟转换器用于输出温度保护点电压；

其中所述微控制单元构造成接收所述电压比较器输出端的过温信号；以及

其中所述外部温控电路构造成复位保护开关。

在第一方面的另一种实施方式中，所述用于加热器的过温保护电路还包括数字模拟转换器、外部启停电路和控制逻辑电路；

其中所述数字模拟转换器用于输出温度保护点电压；

其中所述外部启停电路用于提供固定脉宽输入信号，所述固定脉宽输入信号用于控制恒流电路的通断；

其中所述控制逻辑电路包括串联的CMOS与门器件以及至少一个施密特非门器件，所述至少一个施密特非门器件的一端与所述电压比较器的输出端电连通，且另一端与所述CMOS与门器件的输入端电连通；以及

其中所述固定脉宽输入信号与所述CMOS与门器件的输入端电连通，且所述CMOS与门器件的输出端与所述恒流电路电连通。

在第二方面中，本申请提供一种用于加热器的过温检测电路，所述过温检测电路包括加热器、向加热器供电的恒流电路和电压比较器，所述电压比较器包括“+”端输入端、“-”端输入端和输出端，

其中所述电压比较器的“+”端输入端用于输入供电电压与加热器两端的电压之差，且电压比较器的“-”端输入端用于输入温度保护点电压。

在一种具体实施方式中，本申请提供一种加热器过温保护电路，其特点包括：

不需要增加温度传感器或者温度开关；

适应与正温电阻系数的加热器；

使用恒流方式对加热器供电，同时该恒流源可由外部信号控制开关；

通过一个电压检测比较电路检测由加热器电阻变化带来的电压检测点的电压变化，并通过设定好的过温电压输出控制信号到保护开关；

保护开关断开加热器电流实现过温保护；

该电路一旦检测到过温，除非复位，否则会一直断开加热器电源，不会反复通断，造成温度保护实际只在过温边界反复升降的问题；

该电路可实现在线保护复位，即在不做任何断电操作的情况下，通过外部复位信号重置保护电路，让加热器可正常工作；

该保护电路不改变外部控制电路，不影响温控系统原有的外部温度闭环控制电路和控制方式方法或程序，只需要对加热器供电电路做改进即可实现；

在一种具体实施方式中，加热器应该为随着温度上升，内阻上升的加热器也就是正温系数的加热器。根据加热器材料特性而言，加热器应该都为正温系数。因为在原子层面上随着温度上升，参与热无序运动的电子越来越多，在电压控制下，呈现一个方向运动的电子越来越少，其实际效果就是电流减小，即电阻增大。所以实际上本专利应该适应于所有加热器。

在一种具体实施方式中，恒流电路可以通过外部的控制信号进行启停控制，在启动时候恒流控制，在停止时候，恒流电路不输出。使用这种方式提供给外部控制电路进行温度闭环控制的方式。

在一种具体实施方式中，恒流电流应小于加热器工作区间的最小电流，即加热器在正常工作时候，通电状态下电流应该是恒定不随加热器电阻变化而改变的；

在一种具体实施方式中，过温电压可以重新设定，甚至通过控制器和数模转换装置进行在线重新设定，从而达到设定不同保护温度的目的。

在一种具体实施方式中，本文所述的过温保护电路进入保护状态后，重新关闭启停信号，然后再打开，可以复位保护开关。在这种实施方式中，所述复位不需要更改任何原有软硬件，仅需要增加保护电路和保护开关即可。

在一种具体实施方式中，通过对第一方面所述的过温检测电路进行改进，可实现一种非自恢复型无温度传感器的温度控制电路，其特征在于，

没有温度传感器；

温度上升到某个设定点后自动断开，并不会恢复，外部电路可检测该断开状态，并判断是否需要继续持续控制温度；

通过第一方面所述的电压检测比较电路中温度保护点电压由外部数模电路在线设定，可以实现电路的任意温度控制；

在一种具体实施方式中，通过对第一方面所述的过温检测电路进行改进，可实现一种自恢复型无温度传感器的温度控制电路，其特征在于，

在恒流电路的控制前段增加逻辑判断，增加一个固定脉宽输入信号，并让电压检测比较电路中输出的过温信号参与控制；

在过温信号到来的时候，外部启停信号在任何状态，恒流电路都会停止工作，下一次脉宽信号会重新复位电路，加热器再次启动，过温后随即又使能保护，通过这种方式，变相的改变脉宽控制的脉宽达到温度控制的目的。

本文所述的过温保护电路首先需要一个受控的恒流电路供电。同时这个电路需要受控，可以由外部进行开启和关闭。参考图1，图1示意性显示根据本申请的一个实施例的恒流电路。如图所示，电流开闭可控的功能是通过Q2实现的。当控制输入为高电平时，Q1的电压为U1输出电压，U1的输出即为Q1的电流控制信号。恒流的功能是通过R1，Q1，U1，V1实现的。R1为电流采样电阻，V1为控制电压。当输出电流较小，U1的“-”端电压小于V1，U1放大器输出电压升高，当电流变大，U1的-端电压变大，慢慢的达到和V1相等的状态，U1的输出慢慢变小，直到进入一个稳定状态。R2为隔离电阻，以实现Q1的栅极电压可由Q2拉低。

该恒流电路有如下特征：1)该电路的受控端可以输入PWM控制信号，不需要更改任何原有控制电路和软件程序。2)V1可以更改为由DAC输出，电流输出可调整。

为便于控制，该恒流源应设计在电源负端，也就是通常说的地端。在另一种情况下，需要降低公共地阻抗时，本专利公布的方法中也能使用设计在正端的恒流源，只需要控制逻辑稍做修改并增加一个控制端自举电路。

本申请对加热器并没有严格限制，只需要是正温电阻系数即可。本专利公布的电路能实现无温度传感器或者温度开关就能实现温度保护的原理，也就是实现对加热器本身的阻值进行在线监测，当阻值大于一定值的时候，就切断该加热器供电，从而达到保护的目的。

接下来，将参考图2详细论述根据本申请的用于加热器的过温检测电路和过温检测方法。图2示意性显示根据本申请的一个实施例的过温检测电路。如图2所示，该过温检测电路包括加热器、为加热器供电的恒流电路以及电压比较器U2。U2的“+”端用于输入供电电压与加热器两端的电压之差Vp，“-”端用于输入温度保护点电压V2。

可通过检测电压比较器输出端的电压V0来判断加热器是否出现过温情况。下面将对该电路进行瞬态分析。当加热器刚启动时，电阻较小，所以加热器两端的电压较小，进而使得供电电压与加热器两端电压之差Vp大于温度保护点电压V2，电压比较器U2的输出端输出高电平，即V0处为高电平。随着加热器温度升高，Vp逐渐下降，直到小于V2，此时电压比较器U2的输出端输出低电平，即V0处为低电平。因此，可通过检测电压比较器U2的输出端的电压V0来判断加热器是否存在过温情况，而无需使用温度传感器。

下面将参考图3到图7详细描述根据本申请的用于加热器的过温保护电路以及用于加热器的过温保护方法。

图3示意性显示根据本申请的一个实施例的过温保护电路。如图3所示，Q3为保护开关，该保护开关可以用其它器件如固态继电器，触点继电器等替代。U2为电压比较器，U2和V2组成电压监控电路。

图3所示的过温保护电路有一个稳态，这是该电路能否复位的关键。下面将对该电路进行瞬态分析。在恒流电路关闭的情况下，如果Q3开启，那么Q3和加热器会使Vp直接等于供电电压(高电平)。如果Q3关闭，那么R4会把电压直接上拉到供电电压。也就是说，只要恒流电路关闭，无论Q3开启或关闭，Vp都等于供电电压。因为检测比较电压V2通常大于0且小于供电电压，所以U2比较器输出高电平。在恒流电路导通的一瞬间，由于寄生电容的存在，Q3的栅极电压有延迟，Q3的栅极对源极为高电平，该高电平可控制Q3保持开启状态。

由于Q3开启，Q3自身内阻可忽略或者可换算成固定的电阻，在恒流状态下，Vp只和加热器电阻有关。当加热器在温度不高的时候，加热器电阻较小，加热器两端电阻不高，Vp为电源供电电压减去加热器两端的小电压。随着加热器温度上升，加热器电阻上升，加热器两端电压升高，Vp越来越小。当加热器电阻大于一定值，Vp会低于V2，U2输出立即变成低电平。在这种情况下，Q3截止，由于恒流电路本身还处于开启状态，Q3截止后，Vp迅速下降，U2的输出保持不变。此时，电路进入稳态，加热器电源被切断，从而达到保护加热器之目的。

如上所述，不管Q3是否开启，只要把恒流电路关闭，然后再开启，Q3一定是处于开启状态。通过把恒流电路关闭之后再开启一次，就可以实现保护开关的复位。复位后，如果加热器温度低于保护温度，加热器开始正常工作。如果加热器温度高于保护温度，电路再次迅速进入保护状态，在未复位前一直切断加热器的供电。

该电路中的V2可以根据实际情况做校准整定，例如可以通过电阻分压的方式，使用滑动变阻器，把加热器的保护温度严格限制在某个温度点。

如果V2采用数字模拟转换器(DAC)来输出，配合微控制单元(MCU)的逻辑修改，可作为一种温度控制的手段，且不需要温度传感器的参与。具体参见图4和图5，图4示意性显示根据本申请的一个实施例的非自恢复型过温保护电路的原理图。在图4所示的原理图中，过温保护的原理与图3所示的保护电路相似，但多了外部温控电路。该外部温控电路可向恒流电路输入脉宽固定调制式(PWM)信号，从而控制恒流电路的通断。在一种具体实施方式中，外部温控电路可通过温度传感器来检测加热器的温度，在加热器的温度降低到可接受的温度范围以内时，再次启动加热器。

图5示意性显示根据本申请的另一个实施例的非自恢复型过温保护电路。在图5所示的电路中，控制温度通过DAC输出到U2，当温度过高，电压比较器U2将过温输出信号输出到MCU，MCU识别到该信号后，通过控制输入端重置电路，加热器重新继续加热。当加热器出现过温情况时，电压比较器U2继续输出过温信号，MCU再次复位控制。由于阻值变化信号来自于加热器的发热材料本身，其温度时延非常低，所以该温度可控性能比普通的加热器好，不需要PID控制也可以达到一定的控温精度。

如果对图3所述的过温保护电路的过温输出和控制信号进行逻辑更改，那么MCU参与温度控制过程也可以省略，只需要DAC输出和开关信号即可。具体参见图6和图7，其中图6示意性显示根据本申请的另一个具体实施例的温控电路的原理图。在图6所述的电路原理图中，在恒流电路前段增加了控制逻辑电路，从而使得电压检测比较电路的过温信号与外部启停电路的控制信号同时参与控制恒流电路的通断。

图7示意性显示根据本申请的另一个具体实施例的温控电路。与图5所示的非自恢复型过温保护电路相比，图7中所示的温控电路把电压检测比较电路中的电压比较器输出端的过温输出取反后和开关输入相与。当开关输入关闭的时候，电路处于复位状态。当开关打开后，加热器的温度上升到一定温度后，U2输出低电平，经U3A取反后，通过CMOS与门器件U4与开关输入相与，控制恒流电路关闭，并复位开关。在一种具体实施方式中，U3为CD40106。在一种具体实施方式中，U4为74HC08。开关正常工作后，加热器继续加热。如温度又超过保护温度，U2又立即输出过温信号，并关闭恒流电路并复位。如此达到温度在温控点上下浮动的效果。此处的U3采用施密特触发非门的目的是为了防止触发后一段时间内温度下降的时间不够，又继续被加热，导致温度继续上升，无法恒定。如果触发时间不够，可以多加串入几个施密特触发器，并可以视情况在这些施密特触发中增加电阻电容降低信号变化的速度从而防止降温时间不够。

图5和图7所示的电路都不需要温度传感器参与温度控制，更不需要温度开关参与，可以大大的减少加热器体积的同时也不损失单一故障保护功能。在微型化加热器方面提供一种新颖的思路，具有很高的实用价值和经济价值。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (7)

1.一种用于加热器的过温保护电路，其特征在于，所述用于加热器的过温保护电路包括加热器、向加热器供电的恒流电路、电压比较器、保护开关和第一电阻，所述电压比较器包括“+”端输入端，“-”端输入端和输出端；

其中所述保护开关和所述加热器串联；

其中所述第一电阻构造成与所述加热器并联；

其中所述电压比较器的“+”端输入端用于输入供电电压与加热器两端的电压之差，且电压比较器的“-”端输入端用于输入温度保护点电压；以及

所述电压比较器的输出端与所述保护开关电连通。

2.如权利要求1所述的用于加热器的过温保护电路，其特征在于，所述加热器为正温系数的加热器。

3.如权利要求1所述的用于加热器的过温保护电路，其特征在于，所述保护开关为CMOS器件和/或固态继电器。

4.如权利要求3所述的用于加热器的过温保护电路，其特征在于，所述保护开关为CMOS器件，所述CMOS器件的栅极和所述电压比较器的输出端电连通，且所述用于加热器的过温保护电路还包括第二电阻，该第二电阻一端与所述CMOS器件的栅极电连通且另一端与所述电压比较器的输出端电连通。

5.如权利要求1所述的用于加热器的过温保护电路，其特征在于，所述用于加热器的过温保护电路还包括数字模拟转换器、外部温控电路和微控制单元；

其中所述数字模拟转换器用于输出温度保护点电压；

其中所述微控制单元构造成接收所述电压比较器输出端的过温信号和提供外部温度控制输入信号；以及其中所述外部温控电路构造成复位保护开关。

6.如权利要求1所述的用于加热器的过温保护电路，其特征在于，所述用于加热器的过温保护电路还包括数字模拟转换器、外部启停电路和控制逻辑电路；

其中所述数字模拟转换器用于输出温度保护点电压；

其中所述外部启停电路用于提供固定脉宽输入信号，所述固定脉宽输入信号用于控制恒流电路的通断；

其中所述控制逻辑电路包括串联的CMOS与门器件以及至少一个施密特非门器件，所述至少一个施密特非门器件的一端与所述电压比较器的输出端电连通，且另一端与所述CMOS与门器件的输入端电连通；以及

其中所述固定脉宽输入信号与所述CMOS与门器件的输入端电连通，且所述CMOS与门器件的输出端与所述恒流电路电连通。

7.一种用于加热器的过温检测电路，其特征在于，所述过温检测电路包括加热器、向加热器供电的恒流电路和电压比较器，所述电压比较器包括“+”端输入端、“-”端输入端和输出端，

其中所述电压比较器的“+”端输入端用于输入供电电压与加热器两端的电压之差，且电压比较器的“-”端输入端用于输入温度保护点电压。