KR101312671B1

KR101312671B1 - 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러

Info

Publication number: KR101312671B1
Application number: KR1020110051031A
Authority: KR
Inventors: 현순용
Original assignee: 현순용
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2013-09-27
Also published as: KR20120132726A

Abstract

본 발명은 전기의 인가시 발열하는 발열체의 발열 온도를 조절하는 컨트롤러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발열 온도에 따라 저항값이 달라지는 발열체의 저항값을 측정하고, 측정된 저항값에 따라 발열체로 인가되는 발열전원의 듀티비를 조절하여, 공급되는 전원의 크기가 변하더라도 발열체의 발열 온도가 설정온도에 맞게 일정하게 유지될 수 있도록 하는 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러에 관한 것이다.
본 발명에 따른 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러는 전원을 스위칭하여 발열체에 발열전원을 인가하는 스위칭부; 상기 발열체의 발열 온도에 따른 저항값을 측정하는 저항측정부; 상기 저항측정부에서 측정한 발열체의 저항값에 따라 상기 스위칭부의 스위칭을 제어하여 상기 발열체의 발열 온도가 설정 온도로 유지되도록 하는 제어부;를 포함하여 이루어진다.

Description

저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러{Temperature control device of heating element}

본 발명은 전기의 인가시 발열하는 발열체의 발열 온도를 조절하는 컨트롤러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발열 온도에 따라 저항값이 달라지는 발열체의 저항값을 측정하고, 측정된 저항값에 따라 발열체로 인가되는 발열전원의 듀티비를 조절하여, 공급되는 전원의 크기가 변하더라도 발열체의 발열 온도가 설정온도에 맞게 일정하게 유지될 수 있도록 하는 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러에 관한 것이다.

전기가 인가되면 발열되는 발열체는 면상 발열체와 선상 발열체로 구별될 수 있다.

면상 발열체는 명칭 그대로 넓은 면적과 얇은 뚜게를 갖는 발열체로서, 탄소 등을 표면에 입혀 사용되고, 선상 발열체는 명칭 그대로 가는 선의 형태로 된 발열체로서, 탄소 섬유나 얇은 구리선(전열선) 등을 한선 또는 다수를 꼬아서 사용되며, 면상 발열체와 선상 발열체는 공히 전류가 유입되는 때에 발열되는 성질을 이용하여 전기매트, 발열조끼, 발열방석, 발열복대, 발열깔창 등과 같은 전기발열장치에 주로 사용되고 있다.

이러한 발열체를 이용하여 발열하는 전기발열장치의 공급전원은 배터리나 아답터에서 출력되는 직류전원 또는 상용전원의 교류전원을 사용하고, 사용자의 편의를 위해 발열 온도를 조절할 수 있는 조절기(컨트롤러)를 대부분은 구비한다.

발열체의 발열온도는 발열체에 인가되는 발열전원의 세기에 따라 결정된다.

발열체로 인가되는 발열전원의 세기를 조절하는 방식으로는 직류전원을 발열전원으로 사용하면서 발열체로 인가하는 직류전압의 크기를 조절하는 방식과, 펄스전원을 발열전원으로 사용하면서 발열체로 인가하는 펄스전압의 크기는 고정시키고 펄스의 듀티(duty)비를 조절하는 방식이 주로 사용되고 있다.

전자의 방식은 배터리나 아답터 또는 상용전원 라인을 통해 입력되는 공급전원을 승압 또는 강압시켜 발열체로 인가되는 발열전원의 직류전압 크기를 발열체의 발열온도에 따라 수시로 변환하는 전압변환모듈을 컨트롤러가 구비하여야 한다. 전압변환모듈은 고가의 제품으로서 전기발열장치의 가격을 상승시키는 요인이 되고, 부피가 커서 휴대하여 소지하고 다니는 소형 전기발열장치에는 사용하기 곤란하다.

후자의 방식은 배터리나 아답터 등에서 직류전원이 공급전원으로 입력되는 경우에 입력되는 공급전원의 전압의 크기를 그대로 유지하면서 온오프 스위칭하여 펄스전원으로 변환시켜 발열전원으로 발열체에 인가하되, 발열체의 온도에 따라 스위칭을 제어하여 발열전원 펄스의 듀티비를 조절함으로써 발열전원의 평균전압 크기를 조절하는 방식으로서, 스위칭소자와 스위칭소자의 스위칭을 제어하는 기능을 컨트롤러가 구비한다. 스위칭소자는 저렴하고 스위칭을 제어하는 기능을 컨트롤러의 제어부에 프로그램으로 탑재하면 되므로, 부피가 작고 저렴한 장점이 있어 전기발열장치의 컨트롤러에 주로 사용되고 있다.

그런데 후자의 방식은 사용자가 입력하는 설정 온도로 발열체의 발열 온도가 유지되지 못하고, 발열 온도의 변화가 많은 문제가 있다.

듀티비 조절을 통해 발열 온도를 제어하는 후자의 방식은 공급전원으로서 직류전원의 전압 크기가 지속적으로 일정하게 유지되지 않는 상황이 발생하기 때문에 위와 같은 문제가 발생한다.

공급전원을 배터리가 공급하는 경우, 배터리의 공급할 수 있는 전원은 한정되어 있기 때문에 배터리의 방전이 계속되면 배터리가 출력하는 공급전원의 전압 크기는 떨어지게 되고, 아답터가 상용전원을 직류전원으로 변환하여 공급전원을 공급하는 경우, 아답터가 연결된 건물의 전력 소비가 적정 소비전력을 넘어서면 아답터가 출력하는 공급전원의 크기는 떨어진다.

이처럼 공급전원의 전압 크기가 변화되는 상황이 발생될 수 있음에도 불구하고, 공급전원의 전압 크기는 일정하게 유지되는 것으로 고정시켜 놓고 펄스의 듀티비를 조절하는 경우에는, 펄스전원으로 변환된 발열전원의 전압 크기가 의도와 다랄라지는 상황이 발생된다.

즉, 도1을 참조하면, 위의 도면과 같이 만충된 배터리가 초기에 공급하는 공급전원의 전압 크기는 높고, 이 공급전원 전압의 크기를 기준으로 듀티비를 조절한 때에는 펄스전원으로서 발열전원의 실질적인 전압인 평균 전압은 'a'의 크기를 가지만, 아래 도면과 같이 계속적인 사용으로 방전된 배터리가 공급하는 공급전원의 전압 크기가 감소되었음에도 불구하고 초기의 공급전원 전압 크기를 기준으로 듀티비를 조절한 때에는 펄스전원으로서 발열전원의 실질적인 전압인 평균 전압은 'b'의 크기를 갖는다.

따라서 'a' 크기의 전압을 발열전원으로 발열체에 인가하고자 듀티비를 조절하였음에도 'b' 크기의 전압이 발열전원으로 발열체에 인가되어, 발열체는 설정 온도로 유지되지 못하는 문제가 발생한다.

종래기술에서는 위와 같이 컨트롤러의 부피가 크고 고가이거나, 발열체의 발열 온도를 설정한 온도로 유지시키지 못하고 변화가 많은 문제가 있고,

나아가, 발열체의 발열 온도를 감지하기 위해 온도센서(일반적으로 NTC 또는 PTC 소자)를 사용하고 있는데, 이러한 온도센서는 고가의 반도체 소자로서 가격 상승의 요인이 되고, 수명 한계로 장기 사용시 감지하는 온도의 정확성(신뢰성)에 문제가 발생되어 사용자가 설정한 온도를 훨씬 벗어난 온도로 발열체를 발열시키는 문제가 있다.

본 발명은 위와 같이 종래기술에 따른 발열체의 발열온도를 조절하는 컨트롤러의 문제를 해결하기 위해 안출된 발명으로서, 회로 구성을 간소화하여 부피와 제조원가를 최소화하여 제품 경쟁력이 탁월하고,

공급전원 전압의 크기가 변화되더라도 발열체의 발열 온도를 설정 온도에 맞게 일정하게 유지시킬 수 있어 신뢰성이 높고,

발열체의 발열 온도를 감지하기 위해 별도의 온도센서를 사용하지 아니하고, 발열온도에 따라 저항값이 변화는 발열체의 저항값을 이용하여 발열온도를 감지하므로 발열 온도 감지에 수명 한계가 없어, 장기 사용 시에도 발열체의 발열 온도를 정확하게 측정할 수 있는 발열 온도 조절용 컨트롤러를 제공함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러는

전원을 스위칭하여 발열체에 발열전원을 인가하는 스위칭부;

상기 발열체의 발열 온도에 따른 저항값을 측정하는 저항측정부;

상기 저항측정부에서 측정한 발열체의 저항값에 따라 상기 스위칭부의 스위칭을 제어하여 상기 발열체의 발열 온도가 설정 온도로 유지되도록 하는 제어부;를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 제어부는 상기 스위칭부에서 출력되는 발열전원의 듀티비를 조절하여 상기 발열체의 발열 온도가 설정 온도로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하고,

상기 제어부는 상기 스위칭부를 오프시켜 발열전원의 공급을 차단한 상태에서 상기 저항측정부를 구동시켜 발열체의 저항값을 측정하는 것을 특징으로 하고,

발열전원을 공급하는 배터리;

상기 제어부에 설정 온도를 입력하는 입력부;

상기 배터리에 역기전력이 유입되는 것을 차단하고, 과방전되는 것을 방지하고, 순간적으로 고전원이 출력되는 것을 차단하는 보호부;

상기 배터리의 출력전원을 정전압화하여 상기 제어부에 구동전압을 공급하고, 상기 저항측정부에 저항값 측정을 위한 기준전압을 공급하는 정전압부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러는 구성이 간단하여 부피가 적고, 가격이 저렴하여 제품 경쟁력이 뛰어나고,

공급전원의 전압크기가 변화되더라도 발열체의 발열 온도를 설정 온도에 맞게 일정하게 유지시킬 수 있고,

발열체의 발열 온도를 측정하기 위해 별도의 온도센서를 사용하지 아니하므로 추가적인 비용발생이 없고, 발열체의 저항값을 이용하여 발열 온도를 측정하므로 수명 한계 없이 발열 온도를 영구적으로 정확히 측정할 수 있는 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러로서, 산업발전에 매우 유용한 발명이다.

도 1 은 공급전압의 크기가 변경되는 때에 발열전원의 실질적인 크기가 다른 것을 설명하기 위한 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 컨트롤러의 블럭 구성도.
도 3 은 본 발명에 따른 컨트롤러의 구체적인 회로도.
도 4 는 일례에 따른 발열체의 온도에 따른 저항값의 변화도.

이하, 도2 내지 도4를 참조하여 본 발명에 따른 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

도2에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 저항값 측정을 통한 발열체(H)의 발열 온도 조절용 컨트롤러는 스위칭부(10), 저항측정부(20), 제어부(U4), 입력부(S1), 보호부(50), 정전압부(40), 공급전원을 공급하는 전원공급부라고 하는 대 구성요소를 포함하여 이루어진다.

상기 전원공급부는 컨트롤러를 구동시키기 위한 전원과, 발열체(H)에 인가할 전원을 공급한다.

상기 전원공급부(B)는 배터리, 아답터, 파워서플라이 등이 사용될 수 있다. 휴대하고 다니면서 장소에 구애 없이 사용하기 위해서는 배터리를 전원공급부로 사용하는 것이 편리할 것이다. 그리고 배터리는 상용전원을 통해 충전되는 2차전지를 사용하는 것이 바람직하고, 2차전지 중에서는 소형이면서 용량이 큰 리튬 이온 전지를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 스위칭부(10)는 상기 전원공급부의 배터리(B)가 방전하여 출력하는 공급전원을 스위칭하여 펄스형태의 발열전원을 생성하여 상기 발열체(H)로 인가한다.

상기 스위칭부(10)는 상기 제어부(U4)에 의해 온오프 스위칭이 제어되어 펄스의 듀티비가 조절된다.

상기 스위칭부(10)는 도3에 도시된 바와 같이,

배터리(B)와 발열체(H)를 연결하는 전원라인에 구비되는 제1스위칭소자(U5)와,

상기 제1스위칭소자(U5)의 게이트단자와 제어부(U4)를 연결하여, 제어부(U4)의 제어신호에 따라 상기 제1스위칭소자(U5)를 온오프시키는 제2스위칭소자(Q1)를 포함하고,

제1스위칭소자(U5)와 제2스위칭소자(Q1)에 직렬 또는 병렬로 연결되어 안정적인 스위칭 동작이 이루어지도록 하는 저항(R14,15,16)을 포함하여 이루어진다.

상기 제1스위칭소자(U5)는 응답속도(스위칭속도)가 빠르고, 고전압에 적합하고, 스위칭 동작이 안정적인, 전압제어 소자인 FET 또는 IGBT를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 저항측정부(20)는 출력단에 연결되어 있는 상기 발열체(H)의 저항값을 측정하여, 발열체에서 발산되는 열의 온도를 감지하도록 하고, 측정된 발열체의 저항값을 상기 제어부(U4)로 전송한다. 그리하여 상기 제어부(U4)가 설정 온도에 맞도록 발열체의 발열 온도가 조절되도록 상기 스위칭부(10)의 스위칭을 제어하여, 발열전원 펄스의 듀티비를 조절한다.

상기 저항측정부(20)는 도3에 도시된 바와 같이,

발열체(H)가 비반전단자에 연결되어, 발열체(H)의 저항값을 이득율에 따라 증폭시키는 오피앰프(U7A)와,

상기 오피앰프(U7A)의 반전단자에 연결되어 이득율을 결정하는 두 저항(R26,27)과,

상기 정전압부(40)가 공급하며, 발열체(H)의 저항값을 측정하는데 사용되는 기준전압(VCC1)이 상기 오피앰프(U7A)에 공급되는 것을 제어하는 제1트랜지스터(U6)와,

상기 제어부(U4)에 의해 온오프가 제어되고, 상기 제1트랜지스터(U6)의 온오프를 제어하는 제2트랜지스터(Q3)를 포함하여 이루어진다.

상기 저항측정부(20)에서 측정되는 발열체(H) 저항값의 정확도를 높이기 위해, 저항값 측정 시에는 상기 제어부(U4)는 상기 발열체(H)로 인가되는 발열전원을 차단(즉, 상기 제1스위칭소자(U5)를 오프 상태로 유지시킴)하고, 상기 제2트랜지스터(Q3)를 온시켜 상기 제1트랜지스터(U5)가 도통되어 상기 정전압부(40)의 기준전압(VCC1)이 공급되도록 한다. 공급된 기준전압(VCC1)은 발열체(H)에 인가되어 발열체(H)의 저항값을 감지할 수 있도록 한다.

발열전원은 펄스형 전원이고, 또 본 발명은 발열체(H)에 인가되는 발열전원의 크기가 변하더라도 발열 온도를 설정 온도에 맞게 유지시키는 것을 과제로 하므로 발열전원의 정확한 크기를 제어부(U4)가 인지하지 못할 수 있으므로, 발열체(H)에 인가되는 발열전원으로부터 발열체(H)의 저항값을 측정하는 것은 오류가 있을 수 있다. 그래서 본 발명은 발열전원은 차단한 상태에서, 일정한 크기의 기준전압(VCC1)을 저항측정부(20)를 통해 발열체(H)에 인가하여 발열체(H)의 저항값을 측정한다.

발열체(H)의 저항값은 도4에서 일례로 도시한 바와 같이 발열 온도가 높아질수록 커진다. 온도에 따른 저항값의 상승률은 발열체(H)의 성분, 발열체(H)의 굵기, 길이 등에 따라 달라진다.

상기 제어부(U4)는 본 발명에 따른 컨트롤러는 전체적으로 제어한다. 보다 구체적으로 설명하면,

우선, 입력부(S1)을 통해 사용자가 조작하여 입력하는 명령신호를 입력받아 처리한다. 사용자가 입력하는 명령신호는 컨트롤러를 온 또는 오프시키는 전원신호와, 발열체(H)가 발열 온도를 희망하는 온도로 설정하는, 즉, 설정 온도신호 등이 있다.

다음으로, 상기 저항측정부(20)가 감지 측정하여 전송하는 발열체(H)의 저항값으로부터 발열체(H)의 발열 온도를 연산하고, 연산된 저항값에 따른 발열 온도와 기 설정된 설정 온도와 비교하고, 그 비교결과에 따라 상기 스위칭부(10)를 제어하여 발열전원의 펄스 듀티비를 조절하여, 발열체(H)의 발열 온도가 설정 온도를 유지하도록 한다. 이때, 상기 제어부(U4)는 내부적으로 A/D컨버터를 통해 상기 저항측정부(20)에서 전송하는 저항값의 아날로그신호를 디지털신호로 변환하고, 변환된 디지털신호를 가지로 발열 온도를 연산한다.

그리고 상기 저항측정부(20)를 통해 발열체(H)의 저항값을 감지 측정할 때에는 상기 스위칭부(10)의 제1스위칭소자(U5)를 오프시켜 발열전원을 차단하고, 상기 저항측정부(20)의 제1트랜지스터(U6)를 온시켜 상기 정전압부(40)의 기준전압이 공급되도록 한다.

그리고 무부하검출부(30)를 제어하여 출력단에 발열체(H)가 정상적으로 연결되어 있는지 여부를 검출하고, 검출 결과 발열체(H)가 연결되어 있지 아니한 때에는 발열전원이 발열체(H)에 인가되지 않도록 상기 스위칭부(10)를 오프시킨다.

참고로, 상기 무부하검출부(30)는 발열체(H)의 연결 여부를 검출하는 검출저항(R18)과, 상기 검출저항(R18)에의 전원공급을 제어하는 제3트랜지스터(Q2)와, 상기 검출저항(R18)이 검출한 결과를 상기 제어부(U4)로 전송하는 전송저항(R19)를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 제어부(U4)에는 작동상태를 사용자에 표시하여 알려주는 표시부로서, 발광다이오드(LED1,2)가 연결되어 있다.

상기 보호부(50)는 배터리(B)에 직접 연결되어, 배터리(B)가 출력하는 공급전원에서 서지와 같은 순간적인 고전원이 포함되어 있는 경우 이를 차단하여 그 뒤에 연결되는 정전압부(40), 제어부(U4) 등의 손상되는 것을 방지하여 보호하고, 후단에 연결되어 있는 정전압부(40)를 통해 역기전력이 배터리(B)로 인가되어 배터리(B)가 손상되는 것을 방지하여 보호하고, 배터리(B)가 기준치 이하로 방전된 경우 더 이상의 방전을 차단하여 배터리(B)를 보호한다.

상기 정전압부(40)는 상기 배터리(B)가 공급하는 공급전원을 정전압화하여, 상기 제어부(U4)에 구동전원을 공급하고, 상기 저항측정부(20)에 기준전압을 공급한다.

상기 정전압부(40)는 상기 배터리(B)에서 입력되는 공급전원을 정전압화하여 출력하는 레귤레이터(U3)와, 상기 레귤레이터(U3)의 출력전압을 구동전압(VCC)으로 하여 상기 제어부(U4)에 공급하는 캐패시터(C5)와, 상기 캐패시터의 전압을 전압분배하여 기준전압(VCC1)으로 상기 저항측정부(20)에 공급하는 두 분배저항(R6, R7)을 포함하여 이루어진다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 구성을 갖는 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

B : 배터리(전원공급부) H : 발열체
U1 : 제어부 10 : 스위칭부
20 : 저항측정부 30 : 무부하검출부
40 : 정전압부 50 : 보호부

Claims

발열체를 연결하는 전원라인에 구비되며, 전원을 스위칭하여 발열체에 발열전원을 인가하는 제1스위칭소자를 포함하는 스위칭부;
상기 발열체의 발열 온도에 따른 저항값을 측정하며, 상기 발열체의 저항값을 측정하는데 사용되는 기준전압이 공급되는 것을 제어하는 제1트랜지스터를 포함하는 저항측정부;
상기 저항측정부에서 측정한 발열체의 저항값에 따라 상기 스위칭부의 스위칭을 제어하여 상기 발열체의 발열 온도가 설정 온도로 유지되도록 하는 제어부;
정전압의 구동전압을 상기 제어부에 공급하고, 상기 저항측정부에 저항값 측정을 위한 기준전압을 공급하는 정전압부;를 포함하고,

상기 제어부는 상기 저항측정부에서 측정되는 발열체 저항값의 정확도를 높이기 위해,
저항값 측정 시에는 상기 스위칭부의 제1스위칭소자를 오프 상태로 유지하여 상기 발열체로 인가되는 발열전원을 차단하고, 상기 저항측정부의 제1트랜지스터를 도통시켜 상기 정전압부의 기준전압이 발열체에 인가되어 상기 저항측정부가 발열체의 저항값을 측정하도록 하는 것을 특징으로 하는 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 스위칭부에서 출력되는 발열전원의 듀티비를 조절하여 상기 발열체의 발열 온도가 설정 온도로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 저항측정부는
상기 발열체가 비반전단자에 연결되어, 발열체의 저항값을 이득율에 따라 증폭시키는 오피앰프와,
상기 오피앰프의 반전단자에 연결되어 이득율을 결정하는 두 저항과,
상기 정전압부가 공급하며, 발열체의 저항값을 측정하는데 사용되는 기준전압이 상기 오피앰프에 공급되는 것을 제어하는 제1트랜지스터와,
상기 제어부에 의해 온오프가 제어되고, 상기 제1트랜지스터의 온오프를 제어하는 제2트랜지스터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러.
제 3 항에 있어서,
발열전원을 공급하는 배터리;
상기 제어부에 설정 온도를 입력하는 입력부;
상기 배터리에 역기전력이 유입되는 것을 차단하고, 과방전되는 것을 방지하고, 순간적으로 고전원이 출력되는 것을 차단하는 보호부;
출력단에 상기 발열체의 연결 여부를 검출하는 검출저항과, 상기 검출저항에의 전원공급을 제어하는 제3트랜지스터와, 상기 검출저항이 검출한 결과를 상기 제어부로 전송하는 전송저항을 포함하여 이루어져, 상기 발열체가 출력단에 연결되어 있지 아니한 때에 상기 제어부가 상기 스위칭부를 오프시켜 발열전원이 발열체에 인가되지 않도록 하는 무부하검출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항값 측정을 통한 발열체의 발열 온도 조절용 컨트롤러.