KR101410670B1

KR101410670B1 - 발열체의 온도감지 및 제어방법

Info

Publication number: KR101410670B1
Application number: KR1020130027620A
Authority: KR
Inventors: 조영창; 윤성업
Original assignee: 조영창; 에이스전자 기술(주)
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-07-02

Abstract

발열체에 교류전원을 입력시키는 반도체 스위칭 소자의 최소 동작전압 이하의 낮은 전압부분의 전압과 시간을 활용하여 정확한 온도변화에 따른 저항 값을 추출하여 발열히터의 온도를 감지하고 제어하는 발열체의 온도감지 및 제어방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 기존의 센서를 이용한 제어방식보다 정확하며 경제적이면서도 반파측정/반파제어 방식에 비해 원하는 온도까지의 최초도달시점도 2배 빠르게 도달할 수 있는 이점이 있다.

Description

발열체의 온도감지 및 제어방법{A method of heating unit temperature sensing and control}

본 발명은 발열체의 온도감지 및 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발열체에 교류전원을 입력시키는 반도체 스위칭 소자의 최소 동작전압 이하의 낮은 전압부분의 전압과 시간을 활용하여 정확한 온도변화에 따른 저항 값을 추출하여 발열히터의 온도를 감지하고 제어하는 발열체의 온도감지 및 제어방법에 관한 것이다.

전기 에너지를 열에너지를 변환시키는 발열체는 전기히터 및 전기다리미, 전기장판 등에 두루 사용되고 있다. 전기 에너지를 열에너지로 변환시킬 때는 전열기기 내부의 전기 저항체를 이용하여 전기 에너지를 열에너지로 변환시키는데, 이때 발열체의 온도를 제어하기 위해서는 발열체의 온도를 감지할 수 있는 수단을 마련해야 하고, 상기 발열체에 온도를 감지하는 센서를 설치하는 것은 고온내구성의 센서부품이 필요하여 비경제적일 뿐 아니라 설치위치에 따른 제어오차가 커서 설치가 용이하지 못한 문제가 발생되었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 온도가 높아짐에 따라 저항 값이 증가하는 발열체의 특성을 이용하여 온도의 증가에 따른 저항 값의 증가량을 직접 측정하여 상기 발열체의 온도를 측정하는 방법이 개발되었다.

상기와 같이 온도의 증가에 따른 저항 값의 증가량을 직접 측정하여 상기 발열체의 온도를 측정하는 방법이 등록실용신안 20-0435494 및 공개특허공보 10-2004-0099016호에 개시되어 있다. 하지만 상기의 등록실용신안 및 공개특허공보에서 개시되는 발열체의 온도 측정법은 몇 가지 문제점이 있으며, 이하에서는 상기 등록실용신안 및 공개특허공보에서 사용하고 있는 발열체의 온도 측정 방법과 이에 따른 문제점에 대해 설명한다.

도 1은 상기 온도 증가에 따른 저항 값의 증가량을 직접 측정하는 발열체의 교류입력 파형 그래프이다. 도 1의 교류입력 파형 그래프(10)에서, 측정구간(12)은 상기 교류입력 파형 그래프(10)의 빗금 친 '-'부분이며, 제어구간(13)은 상기 교류입력 파형 그래프(10)의 나머지 '+'부분이다.

상기 교류입력 파형 그래프(10)를 보다 자세히 설명하자면, 상기 그래프(10)의 교류전압(11)이 해당 교류전원에 연결된 발열체에 입력되어 상기 발열체의 온도를 증가시키고, 이에 따라 저항 값이 증가하게 되는데 여기서 온도에 따른 변화에서 상기 발열체의 온도를 직접 검지하기 위해서는 회로적으로 분압된 전압을 취해야 한다. 하지만 상기 발열체는 상기 교류전압(11)의 제어에 따라 ON/OFF모드가 반복되므로 안정된 저항을 취할 수 없는 문제가 생긴다.

상기의 문제를 극복하기 위하여, 상기 그래프(10)의 교류전압(11)의 반파인 '+구간을 제어구간(13)으로써 발열체에 인가하여 발열의 기능을 수행하도록 하고, 나머지 빗금 친 '-' 구간을 측정구간(12)으로써 상기 발열체의 온도를 검지하여 상기 발열체의 온도를 측정할 수 있도록 하는 것이다.

하지만 상기의 반파측정/반파제어 방식은 실제로 기능해야 하는 발열기능에는 입력되는 교류전압(11)의 절반밖에 사용하지 못하고, 나머지 절반을 측정에 사용해야 함으로써 발열 능력을 절반밖에 사용하지 못하고 원하는 온도까지의 최초도달시점과 도달된 온도를 빼앗겼을 경우에 그 온도로의 복구시점이 두 배의 시간이 걸린다는 단점이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여, 발열체의 교류전원을 입력시키는 반도체 스위칭 소자의 최소 동작전압 이하의 낮은 전압부분의 전압과 시간을 활용하여 정확한 온도변화에 따른 저항 값을 추출하여 발열히터의 온도를 감지하고 제어하는 발열체의 온도감지 및 제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여,

상기 발열체에 입력되는 상기 교류전원의 파형 일측의 양단에서의 저항을 측정하여 상기 발열체의 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 발열체의 온도감지 및 제어방법을 제공한다.

상기에서, 상기 파형의 일측은 상기 교류전원의 파형 중 '+'파형 또는 '-'파형 둘 중 어느 한 쪽을 사용하도록 한다.

상기와 방법으로 양쪽을 모두 사용할 수도 있으나, 60Hz 상용전원경우에 반파는 8.3ms 정도의 짧은 시간이고 반파 당 2번검지를 할 수 있으며 그 두번은 전파 경우에 비하여 거의 일정한 간격의 고른 시간이어서 검지의 정확도에 문제되지 않도록 함이 바람직하다.

상기에서, 상기 파형 일측의 양 단의 측정전압 범위는 0V~5V정도로 사용하도록 함이 바람직하다.

상기 발열체의 온도감지 및 제어를 실시하는 회로의 구성은 타이밍생성부; 전압추출부; 교류제어부; 추출시간검출기 구성되도록 한다.

상기에서, 상기 발열체의 온도감지 및 제어를 실시하는 회로의 구성에는 수동저항조절부가 더 포함될 수도 있다.

본 발명에 의하면, 발열체에 입력되지 않는 반도체 스위칭 소자의 최소 동작전압 이하의 낮은 전압부분의 전압과 시간을 추출하여 이를 이용하여 상기 발열체의 정확한 온도를 감지할 수 있으므로 실질적으로 이용되지 않는 전압을 사용하기 때문에 기존의 센서를 이용한 제어방식보다 정확하며 경제적이면서도 반파측정/반파제어 방식에 비해 원하는 온도까지의 최초도달시점도 2배 빠르게 도달할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 온도 증가에 따른 저항 값의 증가량을 직접 측정하는 발열체의 교류입력 파형 그래프.
도 2는 본 발명의 발열체의 온도감지 및 제어방법을 사용하는 발열체의 교류입력 파형 그래프.
도 3은 본 발명의 발열체의 온도감지 및 제어방법을 실현하기 위한 회로의 계통도.
도 4는 본 발명의 발열체의 온도감지 및 제어방법이 적용된 헤어고데기의 회로도.
도 5a는 종래의 헤어고데기의 시간 대비 온도상승(12~100℃)을 나타낸 그래프.
도 5b는 본 발명의 온도감지 및 제어방법을 적용한 헤어고데기의 시간 대비 온도상승을 나타낸 그래프.
도 6a는 종래의 헤어고데기의 시간 대비 온도상승(13~180℃)을 나타낸 그래프.
도 5b는 본 발명의 온도감지 및 제어방법을 적용한 헤어고데기의 시간 대비 온도상승(13~180℃)을 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 이해와 실시를 돕기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 이하의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능함을 이해할 것이다.

도 2는 본 발명의 발열체의 온도감지 및 제어방법을 사용하는 발열체의 교류입력 파형 그래프(20)이다. 도 2의 교류입력 파형 그래프(20)에서, 빗금 친 부분이 상기 발열체의 측정구간(22)이며, 나머지 부분은 제어구간(23)이다.

상기 교류입력 파형 그래프(20)를 보다 자세히 설명하자면, 상기 그래프(20)의 교류전압(21)이 해당 교류전원에 연결된 발열체에 입력되어 상기 발열체의 온도를 증가시키고, 이에 따라 저항 값이 증가하게 되는데 정확히는 상기의 교류전압(21)이 완전히 발열체에 인가되지 못하고 양 단이 약간 잘린 펄스파의 형태가 상기 발열체에 인가되는데, 이는 상기 발열체에 연결된 반도체 스위칭 소자(TRIAC, SCR등의 thyristor류)의 최소 동작전압이 필요하기 때문에 교류전압(21)의 입력 전압 중 약 5V~15V의 낮은전압구간(21a)은 상기 발열체에 통전시키지 못하기 때문이다.

여기서 본 발명은 상기 낮은전압구간(21a) 중에서도 0V~5V의 전압구간을 측정구간(22)으로 하여 상기 발열체의 온도를 검지하여 상기 발열체의 온도를 측정할 수 있도록 하고 나머지 전체 구간을 제어구간(23)으로써 발열체에 인가하여 발열의 기능을 수행하도록 한다.

도 3은 상기 본 발명의 발열체의 온도감지 및 제어방법을 실현하기 위한 회로의 계통도이다. 본 발명을 실현하기 위한 회로는 크게 전원을 공급하기 위한 교류전원(POW), 입력전원전압의 0V~5V 이하의 구간을 추출하는 타이밍생성부(TPG), 발열체의 입력전압이 인가되지 않는 시간 내에 발열체의 저항에 비례하여 전압을 추출하는 전압추출부(RSA), 교류전압을 제어하는 교류제어부(C), 추출시간을 감지하는 추출시간검출기(ETC), 전기 에너지를 열에너지로 변경하는 발열체(H)로 이루어지며 여기에 사용자가 직접 온도를 제어할 수 있는 수동저항조절부(MCV)가 상기 교류제어부(C)에 추가로 연결될 수 있다.

상기의 계통도에 대해 간략히 설명하자면, 교류전원(POW)에서 교류전력을 회로 전체에 공급하게 되면, 상기 타이밍생성부(TPG)에서 교류입력 전압 파형 중 5V 이내의 시간만을 추출하여 발열체(H)의 저항값을 방해없이 추출하도록 한다. 또한 상기 전압추출부(RSA)는 발열체(H)에 인가되는 전력의 유무와 상관없이 상기 타이밍생성부(TPG)에서 전달하는 시간 값만을 추출하여 적당한 크기로 상기 교류전력을 증폭하게 된다. 그리고 상기 교류제어부(C)는 종래의 주기제어나 위상제어 또는 PWM 등의 방법으로 교류를 제어하게 되며, 상기 추출시간검출기(ETC)는 전압을 추출하는 시간을 검출하여 사용할 수 있도록 한다.

또한 수동저항조절부(MCV)는 사용자가 직접 온도를 제어할 수 있도록 하는 부분인데 가변저항을 이용하여 사용자가 직접 손으로 상기 가변저항을 조절하여 온도를 제어하거나 Micom 등의 종래의 기술을 사용할 수 있다.

상기의 발열체(H)는 다양한 종류가 있을 수 있으며 아래에서는 상기의 발열체(H) 중 여성들이 미용에 사용하는 헤어 고데기에 본 발명이 적용된 예시에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 발열체의 온도감지 및 제어방법이 적용된 헤어고데기회로(1000)를 도시한 것이다. 상기 회로(1000)에서, 제어를 담당하는 IC칩(100)의 왼편의 회로는 제로크로스 전원제어회로(200)로써, 상기 IC칩(100)의 9번 단자에 연결된 AVCL단자(109)에 0~5V까지 제어전압을 받게 되면 0V의 경우 부하에 전력공급을 하지 않고 인가전압에 따라 증가하다가 5V가 상기 AVCL단자(109)를 통해 인가되면 최대로 전원을 공급하게 되는 주기제어를 담당하며 종래의 방법으로 구성한 것이다.

또한 상기 IC칩(100)의 우측 상단의 회로는 DC전원 안정화회로(300)로, 상기 헤어고데기회로(1000)의 교류전원을 안정하게 만들어주는 역할을 수행하며 종래의 방법으로 구성한 것이다.

상기 IC회로의 우측으로 상기 타이밍생성부(TPG) 및 전압추출부(RSA) 역할을 수행하는 타이밍생성회로(400), 전압추출 및 증폭회로(500)가 배치된다.

상기 헤어고데기회로(1000)의 동작에 대해 간략히 설명하면, 상기 헤어고데기회로(1000)의 교류전원(600)은 상기 교류전원(600)에 연결된 스위치(601)가 사용자에 의해 닫히면 상기 헤어고데기회로(1000) 전체에 교류전원을 공급하게 된다. 상기 교류전원이 상기 타이밍생성회로(400)에 입력되면, 상기 타이밍생성회로(400)의 F1트랜지스터(401)에서 5V 이하의 전압에서는 상기 타이밍생성회로(400)의 F2트랜지스터(402)와 Q1트랜지스터(403)에 부하저항 값을 인가하고 5V이상에서는 상기 F2트랜지스터(402)와 Q1트랜지스터(403)의 작동을 정지시켜 부하단의 전력 인가여부와 상관없이 부하저항값을 R14저항(404)에 보내게 되고 상기 도 3의 수동저항조절부(MCV) 역할을 하는 수동조절저항(503)을 통하여 사용자가 원하는 온도를 조절하게 된다.

그리고 상기 부하저항 값은 상기 타이밍생성회로(400)의 R14저항(404) 하단에 연결되어 생산 시에 조절되는 가변저항인 설정저항(405)과 연결된 R16저항(901)과 D7다이오드(902)를 통하여 C8캐패시터(903)에 부하 값을 적분하여 안정된 직류전압으로 변화하여 상기 전압추출 및 증폭회로(500)의 F3트랜지스터(501)와 F4트랜지스터(502)를 통하여 증폭되어 상기 IC칩(100) 및 제로크로스 전원제어회로(200)로 연결되어 있는 AVCL단자(109)로 보내어져 부하에서 원하는 온도로 발열을 하게 된다.

또한 상기 전압추출 및 증폭회로(500)의 우측 하단의 써미스터(701) 및 가변저항(702) 등으로 구성된 온도보상회로(700)는 전체 회로가 주위환경온도에 따라 변동되는 정도를 보상하기 위한 회로로 종래의 방법을 이용할 수 있다.

하기에서는 상기 도 4의 본 발명의 발열체의 온도감지 및 제어방법을 적용한 헤어고데기와 종래의 헤어고데기의 시간 대비 온도상승 그래프를 통해 본 발명의 효과에 대해 설명한다.

도 5a는 종래의 헤어고데기의 시간 대비 온도상승을 나타낸 그래프이며 도 5b는 본 발명의 온도감지 및 제어방법을 적용한 헤어고데기의 시간 대비 온도상승을 나타낸 그래프이다.

도 5a와 도 5b의 x축(X1, X'1)은 상기 각각의 헤어고데기의 온도를 나타내며, y축(Y1, Y'1)은 상기 각각의 헤어고데기를 작동시킨 후의 시간을 나타낸다. 도 5a와 도 5b에서의 헤어고데기의 온도는 모두 약 12℃에서 약 100℃까지 상승된 것을 알 수 있다. 상기 도 5a와 도 5b의 각각의 헤어고데기가 작동하여 온도가 상승하였을 당시의 그래프를 확인해 보면 상기 각각의 헤어고데기 둘 다 12℃에서 약 100℃까지 상승하였을 때의 시간 폭(a, b)가 상기 도 5a의 종래의 헤어고데기의 시간폭(a)보다 상기 도 5b의 본 발명의 온도감지 및 제어방법을 적용한 헤어고데기의 시간폭(b)이 상기 도 5a의 시간폭에 비해 3/5수준으로 줄어들어 있는 것을 확인할 수 있다.

도 6a는 종래의 헤어고데기의 시간 대비 온도상승을 나타낸 그래프이며 도 6b는 본 발명의 온도감지 및 제어방법을 적용한 헤어고데기의 시간 대비 온도상승을 나타낸 그래프로, 상기 도 5a 및 5b에서의 그래프보다 좀 더 높은 온도까지 올린 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6a와 도 6b의 x축(X2, X'2)은 상기 각각의 헤어고데기의 온도를 나타내며, y축(Y2, Y'2)은 상기 각각의 헤어고데기를 작동시킨 후의 시간을 나타낸다. 도 6a와 도 6b에서의 헤어고데기의 온도는 모두 약 13℃에서 약 180℃까지 상승된 것을 알 수 있다. 상기 도 6a와 도 6b의 각각의 헤어고데기가 작동하여 온도가 상승하였을 당시의 그래프를 확인해 보면 상기 각각의 헤어고데기 둘 다 13℃에서 약 180℃까지 상승하였을 때의 시간 폭(c, d)가 상기 도 6a의 종래의 헤어고데기의 시간폭(a)보다 상기 도 6b의 본 발명의 온도감지 및 제어방법을 적용한 헤어고데기의 시간폭(b)이 상기 도 6a의 시간폭에 비해 절반 수준으로 줄어들어 있는 것을 확인할 수 있다.

10 : 종래의 반파제어/반파측정 방식의 발열체의 교류입력 파형 그래프.
20 : 본 발명의 발열체의 온도감지 및 제어방법을 사용하는 발열체의 교류입력 파형 그래프.
POW, 600 : 교류입력전원. TPG : 타이밍생성부. RSA : 전압추출부.
C : 교류제어부. H : 발열체. ETC : 추출시간검출기.
MCV : 수동저항조절부. 100 : IC칩. 109 : AVCL 단자.
200 : 제로크로스 전원제어회로. 300 : DC전원 안정화회로.
400 : 타이밍생성회로. 401 : F1트랜지스터. 402 : F2트랜지스터.
403 : Q1트랜지스터. 404 : R14저항. 500 : 전압추출 및 증폭회로.
501 : F3트랜지스터. 502 : F4트랜지스터. 503 : 수동조절저항.
601 : 스위치. 700 : 온도보상회로. 701 : 써미스터. 702 : 가변저항.
1000 : 헤어고데기회로.

Claims

교류전원을 사용하는 발열체의 온도감지 및 제어에 있어서,
상기 발열체에 입력되는 상기 교류전원의 파형 일측 양단에서의 저항을 측정하여 상기 발열체의 온도를 감지하기 위하여 교류전파를 통전 제어함에 무관하도록 제어되지 않는 낮은전압구간을 이용하며, 상기 발열체의 온도감지 및 제어를 실시하는 회로의 구성은 타이밍생성부; 전압추출부; 교류제어부; 추출시간검출기로 구성됨을 특징으로 하는 발열체의 온도감지 및 제어방법을 특징으로 하는 발열체의 온도감지 및 제어방법.
제 1항에 있어서,
상기 파형의 일측은 상기 교류전원의 파형 중 '+'파형 또는 '-'파형 중 한 쪽 이상임을 특징으로 하는 발열체의 온도감지 및 제어방법.
제 1항 또는 2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파형 일측의 양 단의 측정전압 범위는 0V~5V임을 특징으로 하는 발열체의 온도감지 및 제어방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 발열체의 온도감지 및 제어를 실시하는 회로의 구성에는 수동저항조절부가 더 포함됨을 특징으로 하는 발열체의 온도감지 및 제어방법.