CN216087037U - 安全保护电路及配置该安全保护电路的电热毯 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是提供一种安全保护电路及配置该安全保护电路的电热毯，以提高电热毯的安全性。该安全保护电路能够检测关键元器件的工作状态，并能防止电热丝局部温度过高引起火灾。为了达到上述目的，采用了以下技术方案：一种安全保护电路，用于电热元件的电源控制，包括：第一开关元件，其耦接于所述电热元件的接地回路中，被配置为基于开关控制信号接通或断开所述电热元件的电源回路；熔断保护电路，包括加热电路和第二开关元件，以及耦接于所述电热元件电源回路中的温度保险丝，所述加热电路被配置为当第二开关元件导通时发热以熔断所述温度保险丝；以及控制器，被配置为输出开关控制信号控制所述第一开关元件或第二开关元件的通断。

Description

安全保护电路及配置该安全保护电路的电热毯

技术领域

本实用新型涉及电路控制技术领域，具体涉及一种安全保护电路及配置该安全保护电路的电热毯。

背景技术

电热毯是常见的家用电器，主要用于人们睡眠时提高被窝里的温度来达到取暖目的。它耗电量少、温度可调节、使用方便、用途广泛，已有100多年的历史。

初始时电热毯的质量并不好，有时会引发火灾或电击事件，造成人员伤亡、财产损失。随着技术的改进，电热毯的质量也在不断提高。但电热毯在长时间使用后如果维护不好还是有可能会发生漏电或起火现象，对使用人员造成生命威胁。发生类似情况通常是由于电热丝温度控制不精准，或者关键元件如电热丝或开关元件老化导致短路，使电热毯局部温度过高，此时若不能及时切断电源，极易引起火灾。

因此，本实用新型的发明人基于其多年的实践经验来努力解决这些问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种安全保护电路，以提高电热毯及类似电加热装置的安全性。该安全保护电路能够检测关键元器件的工作状态，并能防止电热丝局部温度过高引起火灾，以确保使用人员的生命、财产安全。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型的一个方面公开一种安全保护电路，用于电热元件的电源控制，包括：

第一开关元件，其耦接于所述电热元件的接地回路中，被配置为基于开关控制信号接通或断开所述电热元件的电源回路；

熔断保护电路，包括加热电路和第二开关元件，以及耦接于所述电热元件电源回路中的温度保险丝，所述加热电路被配置为当第二开关元件导通时发热以熔断所述温度保险丝；

以及控制器，被配置为输出开关控制信号控制所述第一开关元件或第二开关元件的通断。

在一些实施例中，所述加热电路包括两个并联的热电阻，两个热电阻的一端耦接所述温度保险丝的电流输出端，另一端经所述第二开关元件接地；所述温度保险丝安装于两个热电阻之间。

在一些实施例中，该安全保护电路还包括第一取样电路，所述第一取样电路耦接所述电热元件的接地端以采集电热元件接地端的电压；所述控制器还被配置为检测第一开关元件断开或关闭状态下所述第一取样电路采集的第一断路电压，若所述第一断路电压为高电平，则判定电热元件和第一开关元件正常，若所述第一断路电压为低电平，则判定电热元件或第一开关元件故障。

在一些实施例中，该安全保护电路还包括第二取样电路，所述第二取样电路耦接第一开关元件的接地端以采集第一开关元件接地端的电压；所述控制器还被配置为第一开关元件断开或关闭状态下检测到所述第一断路电压为低电平时，检测所述第二取样电路采集的第二断路电压并与设定值进行比较，若所述第二断路电压小于设定值，则判定电热元件故障，若所述第二断路电压大于设定值，则判定第一开关元件故障；所述控制器被配置为当判定所述第一开关元件故障时，控制所述第二开关元件导通。

在一些实施例中，所述第一取样电路包括耦接于所述电热元件的接地端和所述控制器一个信号输入端之间的至少一个限流电阻以及用于保护所述控制器的钳位电路。

在一些实施例中，所述第二取样电路包括耦接于第一开关元件接地端和电源地之间的取样电阻，耦接于第一开关元件接地端和控制器一个信号输入端之间的限流电阻，以及耦接于该控制器信号输入端和电源地之间的滤波电容。

在一些实施例中，该安全保护电路还包括温度感应元件，其具备PTC特性，用于感应电热元件的温度以产生温度电压；所述控制器根据所述温度电压产生并输出所述开关控制信号。

在一些实施例中，该安全保护电路还包括短路检测电路，所述短路检测电路耦接于所述温度感应元件接地端和第二开关元件控制信号输入端之间，被配置为采样所述温度感应元件与电热元件接触短路时的短路电流并转化为向所述第二开关元件持续或周期性发送的控制信号，使所述第二开关元持续或周期性地导通。

在一些实施例中，所述短路检测电路至少包括第二比较器和滤波整流电路，所述第二比较器采样所述短路电流与阈值电压进行比较并产生比较信号，所述滤波整流电路接收该比较信号并转化为向所述第二开关元件控制信号输入端发送的控制信号。

在一些实施例中，所述第二比较器的反向输入端通过一限流电阻耦接温度感应元件的接地端，并通过一分压电阻耦接低压直流电源，正向输入端耦接电源地；输出端耦接所述滤波整流电路，并配置有耦接低压直流电源的上拉电阻。

在一些实施例中，所述滤波整流电路包括同向串接的第一二极管和第二二极管，以及一端耦接于两个二极管之间另一端耦接电源地的滤波电容，其中第一二极管的正极耦接第二比较器的输出端，第二二极管的负极耦接第二开关元件的控制信号输入端，并通过一接地电阻耦接电源地。

在一些实施例中，所述第一开关元件和第二开关元件为TRIAC或SCR元件。

本实用新型的另一个方面还公开一种电热毯，包括：

毯子；

电热元件，其分布在所述毯子内；

以及如上述第一个方面所述的安全保护电路，其耦接所述电热元件，用于控制所述电热元件的电源通断。

在一些实施例中，所述电热元件为排布于所述毯子内的电热丝，所述温度感应元件为与所述电热丝并排布设的温敏线，两者之间通过绝缘柔性材料间隔。

在一些实施例中，所述电热丝和温敏线一体式集成设置，包括芯体，所述电热丝螺旋缠绕于所述芯体上，并于外部包覆有第一绝缘层，所述温敏线螺旋缠绕于所述第一绝缘层上，并于外部设有包覆所述温敏线的第二绝缘层。

本实用新型的安全保护电路，配置了关键元器件断路或短路侦测保护电路，以在电热丝局部温度过高或关键元器件断路/短路时及时切断电源，以防止火灾现象发生，确保使用人员的生命、财产安全。

附图说明

图1为本实用新型的安全保护电路一个示例性实施例的原理框图。

图2为本实用新型的安全保护电路一个示例性实施例中电源电路及与之耦接的电热元件和第一开关元件的电路示意图。

图3为本实用新型的安全保护电路一个示例性实施例中控制器的引脚示意图。

图4为本实用新型的安全保护电路一个示例性实施例中第一取样电路和第二取样电路的电路示意图。

图5为本实用新型的安全保护电路另一个示例性实施例的原理框图。

图6为本实用新型的安全保护电路一个示例性实施例中熔断保护电路和短路检测电路的电路示意图。

图7为本实用新型的配置安全保护电路的电热毯一个示例性实施例的示意图。

图8为本实用新型的配置安全保护电路的电热毯一个示例性实施例中电热丝和温敏线一体式设置结构示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述是为了说明本实用新型的一般原理而作出的，不应被认为是限制性的。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实用新型的说明书和权利要求书中的“耦接”包含直接连接，也包含间接连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中该电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容。还可包括在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

图1示出了本实用新型一个示例性实施例的安全保护电路的原理框图。参照图1，一种安全保护电路，用于电热元件10的电源控制，包括：第一开关元件14，其耦接于电热元件10的接地回路中，被配置为基于开关控制信号接通或断开所述电热元件的电源回路；熔断保护电路20，其包括加热电路21和第二开关元件22，以及耦接于电热元件10电源回路15中的温度保险丝(Thermal fuse) 150，其中第二开关元件20的控制信号输入端耦接控制器13的一个信号输出端，加热电路21被配置为当第二开关元件22导通时发热以熔断温度保险丝150；控制器13，被配置为输出开关控制信号控制第一开关元件14或第二开关元件22 的通断。

采用上述电路，控制器在正常情况下通过第一开关元件14控制电热元件10 的电源通断，在特殊情况下还可通过第二开关元件22控制加热电路21发热以熔断温度保险丝150，进而切断电热元件10的电源通断，使之具备双重安全保护。

作为进一步的优选方案，本示例性实施例中的安全保护电路还包括第一取样电路24，其耦接电热元件10的接地端以采集电热元件接地端的电压；以及第二取样电路25，其耦接第一开关元件14的接地端以采集第一开关元件接地端的电压。

本示例性实施例中，控制器13还被配置为检测第一开关元件14断开或关闭状态下第一取样电路24采集的第一断路电压，若该第一断路电压为高电平，则判定电热元件10和第一开关元件14状态正常，若该第一断路电压为低电平，则判定电热元件10或者第一开关元件14发生了故障。

作为进一步的优选方案，控制器13还被配置为在第一开关元件14断开或关闭状态下检测到上述第一断路电压为低电平时，检测第二取样电路25采集的第二断路电压并与设定值进行比较。若该第二断路电压小于设定值，则判定电热元件10故障(断路)，若该第二断路电压大于设定值，则判定第一开关元件 14故障(短路)。控制器13还被配置为当判定第一开关元件14故障(短路)时，输出控制信号控制第二开关元件导通，进而使加热电路21发热以熔断温度保险丝150。

下面结合示例性电路进行进一步说明。

参照图2，为本示出性实例中电热元件10的电源电路，其包括用于耦接外部电源的火线接线端子J2和零线接线端子J1，以及串接于火线接线端子J2之后的过流保险丝F1和温度保险丝(Thermal fuse)150，电热元件10的电源端P1 耦接于温度保险丝150之后。本示出性实例中，温度保险丝150的温度超过限定温度(如102℃)时即可发生熔断，进而切断电源电路中的电流。

在一些实施例中，第一开关元件14可选为双向可控硅或者晶闸管，基于控制信号输入端的控制信号打开或关闭。第一开关元件14的一个端子耦接电热元件10的接地端P2，另一个端子经电阻R3耦接电源地16。第一开关元件14的控制信号输入端耦接控制器，用于接收来自控制器的开关控制信号S140。另外，温度保险丝150之后还进一步设有由并联的电容C2和压敏电阻RV1组成的保护电路，以应对可能意外出现的过压过流情况。

在一些实施例中，控制器13可选为CPU、MCU或其它可编程器件。参照图3，在一个示出性实例中，控制器采用单片机(MCU)130，其具备多个信号输入/输出引脚(引脚1-20)，可通过信号输入引脚接收信号，并基于配置的程序通过相应的信号输出引脚输出信号。本示出性实例中，控制器13的引脚3(PC1) 耦接第一开关元件14的控制信号输入端，用于输出开关控制信号S140。

参照图4，在一个示出性实施例中，第一取样电路24包括耦接于电热元件 10的接地端P2和控制器13的引脚13(PA7)之间的限流电阻R25、R24，以及并联并接地的电容C3和电阻R29。控制器13的引脚13(PA7)一端还耦接有用于保护控制器的钳位电路，其包括钳位开关二极管D17。

参照图4，在一个示出性实施例中，第二取样电路25包括耦接于第一开关元件14接地端和电源地之间的取样电阻R3，耦接于第一开关元件14接地端和控制器13的引脚12(COM3)之间的限流电阻R38，以及耦接于该控制器13 的引脚12(COM3)和电源地之间的滤波电容C13。

下面结合上述示出性实施例对本实施例中的安全保护电路的工作原理作进一步说明：

当电热元件10工作时，第一取样电路24通过电阻R25、R24、R29及电容 C13采样电热元件10的接地端P2的电压。当第一开关元件14的控制信号输入端140接收到控制器的控制信号S140关闭时，第一取样电路24取样到第一断路电压信号S240，控制器13基于该第一断路电压信号S240判定电热元件10 和第一开关元件14的状态。若该第一断路电压信号S240为高电平，则判定电热元件10和第一开关元件14状态正常，若该第一断路电压信号S240为低电平，则判定电热元件10或者第一开关元件14发生了故障。此时，通过控制器接收的第二取样电路25取样的第二断路电压信号S250进行进一步判断：该第二断路电压信号S250小于设定值，则判定电热元件10故障，通常为电热元件10发生了断路，导致其接地端P2为低电平；若二断路电压信号S250大于设定值，则判定第一开关元件14故障，通常为第一开关元件14失效短路，导致其接地端产生电压。所述的设定值可根据实际情况设定。在控制器判定第一开关元件14故障(失效短路)时，即通过引脚4(PC2)输出控制信号控制第二开关元件 22导通，进而使加热电路21发热以熔断温度保险丝150，从而切断电热元件10 的电源，以达到保护目的。

图5示出了本实用新型另一个示例性实施例的安全保护电路的原理框图。参照图5，一种安全保护电路，用于电热元件10的电源控制，包括：第一开关元件14，其耦接于电热元件10的接地回路中，被配置为基于开关控制信号接通或断开所述电热元件的电源回路；熔断保护电路20，其包括加热电路21和第二开关元件22，以及耦接于电热元件10电源回路15中的温度保险丝(Thermal fuse) 150，其中第二开关元件20的控制信号输入端耦接控制器13的一个信号输出端，加热电路21被配置为当第二开关元件22导通时发热以熔断温度保险丝150；温度感应元件11，其具备PTC特性，用于感应电热元件的温度以产生温度电压；控制器13，被配置为根据该温度电压基于预设控制逻辑输出开关控制信号控制第一开关元件14的通断；以及短路检测电路23，其耦接于温度感应元件11的接地端和第二开关元件22的控制信号输入端之间，被配置为采样温度感应元件 11与电热元件10接触短路时的短路电流并转化为向第二开关元件22持续或周期性发送的控制信号，使第二开关元件22持续或周期性地导通，进而使加热电路21通电发热以熔断温度保险丝150。

参照图6，在一个示出性实施例中，加热电路21包括两个并联的热电阻R26、 R27，两个热电阻R26、R27的一端耦接温度保险丝150的电流输出端，另一端经第二开关元件22接地。需要说明的是，图7中，为了清楚起见，温度保险丝 150和两个热电阻R26、R27分开示出；在实际安装时，温度保险丝150安装于两个热电阻R26、R27之间，从而当两个热电阻R26、R27通电发热时，可对温度保险丝150加热，当温度保险丝150的温度达到熔断点(如102℃)时，即可发生熔断，进而切断电热元件及两个热电阻R26、R27的电源。

参照图6，在一个示出性实施例中，短路检测电路23至少包括第二比较器 230及耦接于其输出端的滤波整流电路。其中，第二比较器230的反向输入端通过限流电阻R33耦接温度感应元件11的接地端S2，并通过分压电阻R34耦接低压直流电源；另外，还分别通过二极管D8和二极管D7耦接低压直流电源VDD 和电源地，以构成钳位电路，起到保护第二比较器230的作用。第二比较器230 的正向输入端耦接电源地。第二比较器230的输出端耦接滤波整流电路，并配置有耦接低压直流电源VDD的上拉电阻R32。所述的滤波整流电路包括同向串接的第一二极管D9和第二二极管D10，以及一端耦接于两个二极管之间另一端耦接电源地的滤波电容C11，其中第一二极管D9的正极耦接第二比较器230的输出端，第二二极管D10的负极耦接第二开关元件22的控制信号输入端220，并通过一接地电阻R35耦接电源地。

在一个示出性实施例中，第二开关元件22为可控硅开关(SCR)，其控制信号输入端和接地端之间设有电容C10。

下面结合上述示出性实施例对本实施例中的安全保护电路的工作原理作进一步说明：

温度感应元件11正常工作时，由电阻R33、R34和耦接于温度感应元件11 的接地端S2和电源地之间的电阻R30组成分压电路，提供电压给供给第二比较器230的反向输入端。此时，第二比较器230的反向输入端电压高于正向输入端，输出端输出低电平，第二开关元件22不导通。

当温度感应元件11和加热元件10发生短路时，短路后的交流电压会经温度感应元件11的接地端S2施加到第二比较器230的反向输入端，此时第二比较器230的输出端会输出一连串的脉冲(PULSE)，再经过滤波整流电路(二极管D9、电容C11)整流后施加到第二开关元件22的控制信号输入端220，启动第二开关元件22导通，进而使两个热电阻R26、R27开始通电加热。当夹在两个热电阻R26、R27之间的温度保险丝(Thermal fuse)150感应到约102℃的温度时将发生熔断，进而断开电热元件及两个热电阻R26、R27的电源,从而达到保的目的。

图7示出了本实用新型另一个示例性实施例，为配置了上述一个或几个实施例中的安全保护电路的电热毯。该电热毯包括：

毯子1；电热线路2，其分布在毯子内；以及如上述一个或几个实施例中示出的安全保护电路，其主要部分配置于控制模块3内，通过插头5取电，并通过导线4耦接电热线路2，用于控制电热线路2的电源通断。

在一些实施例中，电热线路2包括排布于毯子内的电热丝，以及与电热丝并排布设的温敏线，两者之间通过绝缘柔性材料间隔。

参照图8，在一示出性实施例中，电热丝和温敏线一体式集成设置。其中，电热丝100螺旋缠绕于芯体101上，并于外部包覆有第一绝缘层102；温敏线 110螺旋缠绕于第一绝缘层102上，并于外部设有包覆温敏线110的第二绝缘层 111。可选的，芯体101为涤纶线。第一绝缘层102和第二绝缘层111由聚氯乙烯混合物(PVC)制成，且第一绝缘层102的熔点设置为低于第二绝缘层111，从而在局部温度过高时，优先熔断第一绝缘层102使得电热丝100与温敏线110 短路，进而由前述实施例中的安全保护电路熔断温度保险丝以切断电源。

需要说明的是，在一些实施例中，本实用新型所述的电热毯可以配置前述实施例中示出的某一种安全保护电路，也可以综合配置前述实施例中示出的几种安全保护电路，以实现更好的保护目的，达到更好的安全性。鉴于几种安全保护电路的实现方式及其工作原理已在前述实施例中详细说明，故不作再次说明。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种安全保护电路，用于电热元件的电源控制，其特征在于，包括：

第一开关元件，其耦接于所述电热元件的接地回路中，被配置为基于开关控制信号接通或断开所述电热元件的电源回路；

熔断保护电路，包括加热电路和第二开关元件，以及耦接于所述电热元件电源回路中的温度保险丝，所述加热电路被配置为当第二开关元件导通时发热以熔断所述温度保险丝；

以及控制器，被配置为输出开关控制信号控制所述第一开关元件或第二开关元件的通断。

2.如权利要求1所述的安全保护电路，其特征在于，所述加热电路包括两个并联的热电阻，两个热电阻的一端耦接所述温度保险丝的电流输出端，另一端经所述第二开关元件接地；所述温度保险丝安装于两个热电阻之间。

3.如权利要求1所述的安全保护电路，其特征在于，还包括第一取样电路，所述第一取样电路耦接所述电热元件的接地端以采集电热元件接地端的电压；所述控制器还被配置为检测第一开关元件断开或关闭状态下所述第一取样电路采集的第一断路电压，若所述第一断路电压为高电平，则判定电热元件和第一开关元件正常，若所述第一断路电压为低电平，则判定电热元件或第一开关元件故障。

4.如权利要求3所述的安全保护电路，其特征在于，还包括第二取样电路，所述第二取样电路耦接第一开关元件的接地端以采集第一开关元件接地端的电压；所述控制器还被配置为第一开关元件断开或关闭状态下检测到所述第一断路电压为低电平时，检测所述第二取样电路采集的第二断路电压并与设定值进行比较，若所述第二断路电压小于设定值，则判定电热元件故障，若所述第二断路电压大于设定值，则判定第一开关元件故障；所述控制器被配置为当判定所述第一开关元件故障时，控制所述第二开关元件导通。

5.如权利要求3所述的安全保护电路，其特征在于，所述第一取样电路包括耦接于所述电热元件的接地端和所述控制器一个信号输入端之间的至少一个限流电阻以及用于保护所述控制器的钳位电路。

6.如权利要求4所述的安全保护电路，其特征在于，所述第二取样电路包括耦接于第一开关元件接地端和电源地之间的取样电阻，耦接于第一开关元件接地端和控制器一个信号输入端之间的限流电阻，以及耦接于该控制器信号输入端和电源地之间的滤波电容。

7.如权利要求1-6任一项所述的安全保护电路，其特征在于，还包括温度感应元件，其具备PTC特性，用于感应电热元件的温度以产生温度电压；所述控制器根据所述温度电压产生并输出所述开关控制信号。

8.如权利要求7所述的安全保护电路，其特征在于，还包括短路检测电路，所述短路检测电路耦接于所述温度感应元件接地端和第二开关元件控制信号输入端之间，被配置为采样所述温度感应元件与电热元件接触短路时的短路电流并转化为向所述第二开关元件持续或周期性发送的控制信号，使所述第二开关元持续或周期性地导通。

9.如权利要求8所述的安全保护电路，其特征在于，所述短路检测电路至少包括第二比较器和滤波整流电路，所述第二比较器采样所述短路电流与阈值电压进行比较并产生比较信号，所述滤波整流电路接收该比较信号并转化为向所述第二开关元件控制信号输入端发送的控制信号。

10.如权利要求9所述的安全保护电路，其特征在于，所述第二比较器的反向输入端通过一限流电阻耦接温度感应元件的接地端，并通过一分压电阻耦接低压直流电源，正向输入端耦接电源地；输出端耦接所述滤波整流电路，并配置有耦接低压直流电源的上拉电阻。

11.如权利要求10所述的安全保护电路，其特征在于，所述滤波整流电路包括同向串接的第一二极管和第二二极管，以及一端耦接于两个二极管之间另一端耦接电源地的滤波电容，其中第一二极管的正极耦接第二比较器的输出端，第二二极管的负极耦接第二开关元件的控制信号输入端，并通过一接地电阻耦接电源地。

12.如权利要求1所述的安全保护电路，其特征在于，所述第一开关元件和第二开关元件为TRIAC或SCR元件。

13.一种电热毯，其特征在于，包括：

毯子；

电热元件，其分布在所述毯子内；

以及如权利要求1-12任一项所述的安全保护电路，其耦接所述电热元件，用于控制所述电热元件的电源通断。

14.如权利要求13所述的电热毯，其特征在于，所述电热元件为排布于所述毯子内的电热丝，所述电热丝并行布设有作为温度感应元件的温敏线，两者之间通过绝缘柔性材料间隔。

15.如权利要求14所述的电热毯，其特征在于，所述电热丝和温敏线一体式集成设置，包括芯体，所述电热丝螺旋缠绕于所述芯体上，并于外部包覆有第一绝缘层，所述温敏线螺旋缠绕于所述第一绝缘层上，并于外部设有包覆所述温敏线的第二绝缘层。

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