KR200279280Y1 - 감온 히터의 온도 제어기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 발열도체와 직열로 전원에 접속하는 SCR과; 온도검출 도체에 유기되는 검출온도 전압과 온도설정부의 설정온도전압을 비교하여 온도제어신호를 제공하는 온도비교기와; 히터 구동전류의 전압 변동시 같은 소비전류로서 히터를 구동할 수 있도록 구동주기신호를 출력하는 구동주기제어부와; 상기 온도비교기의 출력신호와 상기 구동주기제어부의 출력신호를 종합하여 히터의 구동신호를 SCR의 트리거 신호로서 제공하는 앤드게이트;를 포함하여 구성하고, 온도제어기의 구동주기제어부는 교류전원으로부터 반파검출기와 주기검출기를 통하여 얻는 교류 주기신호와 전압검출부를 통해 얻는 검출전압을 비교연산하여 히터 구동전압 변동시 P=E²/R에 등가인 구동주기를 출력하도록 비교연산 앰프와 정궤환 콘덴서를 포함하는 단안정타이머를 포함하여 구성하고, 더하여 본 고안은 발열도체를 실드하는 온도검출 도체의 일측을 온도검출저항을 통해 뉴트럴 전위에 접속하여 발열도체에서 방출하는 전계노이즈를 뉴트럴전위에 방출하게 하고, 다이오드 D3과 저항 R4을 접속한 과열방지회로를 발열도체 N1의 양단에 접속한 것이 특징인 감온히터의 온도 제어기이다.

Description

감온 히터의 온도 제어기 {TEMPERATURE CONTROLLER FOR TEMPERATURE RESPONSE TYPE HEATER}

본 고안은 온도감응 히터의 온도제어기에 관한 것이다.

국내 특허출원 제10-2001-32324호에서 부온도특성을 가지는 나일론 수지를서미스터로서 채용한 감온히터가 제안되고 있다.

상기 감온히터는 발열도체를 나일론서미스터로서 포설하고 나일론서미스터의 외면에 온도검출도체를 접속하여 히터를 구성하고 있다.

상기 감온히터는 능동적인 온도 제어기능을 가지지 아니하므로, 전기매트, 전기장판이나 기타의 온열기구에 상기 감온히터를 설치하여 구동하자면 히터의 발열 온도를 검출하고 발열체에 공급되는 구동전류를 제어하는 온도제어기가 필요하게 되는 것이다.

본 고안은 상기 감온히터의 발열 온도를 검출하고 히터의 구동 전류를 제어하도록 하는 온도제어기를 제공함에 목적이 있다.

본 고안은 상기 히터의 발열 도체를 실드하는 온도 감지선을 뉴트럴 단자에 접속할 수 있게 구성하여 히터 구동시 방출되는 전계노이즈 밀도를 감소시키도록 하는 온도제어기를 제공함에 목적이 있다.

본 고안은 상기 히터의 구동전원은 프리볼트로 사용할 수 있게 하는 온도제어기를 제공함에 목적이있다.

본 고안은 상기 히터의 구동전원을 프리헬츠로 사용할 수 있게 하는 온도제어기를 제공함에 목적이있다.

본 고안에서 프리볼트라 함은 지역에따라 110v 또는 220v를 선택하는 상용전류에 공용하기 위한 것이고, 프리헬츠라 함은 지역에따라 50Hz 또는 60Hz의 주파수를 채용하는 상용전류에 공용하기 위한 것을 말한다.

도1은 온도감응 히터의 사시도

도2는 본 고안의 블록도

도3은 본 고안의 상세 회로도

도4는 회로 주요부의 출력파형도

<도면 주요 부호의 설명>

N1:발열 도체 N2:온도검출 도체 102:나일론서미스터 10:트리거신호발생부 11:앤드게이트 12:증폭부 13:온도비교부 14:구동주기제어부 15:전압설정부 16:정류부 17:온도설정부 18:온도검출신호증폭부 19:반파검출부 20:주기검출부 22:전압검출부

본 고안은 절연체코어에 권착된 발열 도체와, 발열 도체의 외면을 둘러싸는 나일론서미스터와, 나일론서미스터의 외면에 권착된 온도검출 도체를 포함하는 감온히터의 온도를 제어하기 위한 고안으로서,

발열도체와 직열로 전원에 접속하는 SCR과;

온도검출 도체에 유기되는 검출온도 전압과 온도설정부의 설정온도전압을 비교하여 온도제어신호를 제공하는 온도비교기와;

히터 구동전류의 전압 변동시 같은 소비전류로서 히터를 구동할 수 있도록 구동주기신호를 출력하는 구동주기제어부와;

상기 온도비교기의 온도제어신호와 상기 구동주기제어부의 구동주기신호를 종합하여 히터의 구동을 위한 SCR의 트리거 신호로서 제공하는 앤드게이트;를 포함하여 구성한 것이 특징인 감온 히터의 온도 제어기이다.

본 고안 상기 온도제어기의 구동주기제어부는 교류전원으로부터 반파검출기와 주기검출기를 통하여 얻는 교류 주기신호와 전압검출부를 통해 얻는 검출전압과 기준전압을 비교연산하여 히터 구동전압 변동시 P=E²/R에 등가인 구동주기를 출력하도록 비교연산 앰프와 정궤환 콘덴서를 포함하는 단안정타이머를 포함하여 구성한 것이 특징인 감온 히터의 온도 제어기이다.

더하여 본 고안은 발열도체를 실드하는 온도검출 도체의 일측을 온도검출저항을 통해 뉴트럴 전위에 접속하여 발열도체서 방출하는 전계노이즈를 뉴트럴전위에 방출하게 하고, 다이오드 D3과 저항 R4을 접속한 과열방지회로를 발열도체 N1의 양단에 접속한 것이 특징인 감온히터의 온도 제어기이다.

본 고안을 첨부도면에 따라서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도1에 인용된 감온히터는 유리섬유(glass yarn) 또는 폴리에스터사 절연체코어(101)에 권착된 발열도체 N1와, 발열 도체 N1의 외면을 둘러싸는 나일론서미스터(102)와, 나일론서미스터(102)의 외면에 권착된 온도검출 도체 N2와, 온도검출 도체 N2를 포설하는 절연체 수지 피복(103)으로 구성하고 있다.

상기 나일론서미스터(102)는 전기적 성질이 부온도특성(NTC)이므로 히터의 온도상승에 따라 전기저항이 감소하게 되며, 온도검출 도체 N2는 나이론서미스터(102)로부터 유기되는 전압을 검출하게 되는 것이다.

구체적으로 AC 전원전압은 단자 NUTRAL로부터 온도검출저항 R1, 온도검출도체 N2, 나이론서미스터(102), 발열도체 N1과 단자 HOT로 흐르는 전류를 발생시킨다. 상기 나이론서미스터는 부온도특성(NTC)을 가지므로 온도검출저항 R1에는 온도에 비례하는 온도전압이 유기된다. 이 저항 R1에 유기되는 전압은 온도증폭부(18)에 인가되고, 온도증폭부(18)에서 부(-)극성기간 동안 반전증폭되어 온도에 비례하는 정(+)극성의 온도 전압을 온도비교부(13)에 인가함으로써, 온도비교부(13)에서 검출온도전압과 온도설정전압을 비교하여 온도제어신호를 출력하게 된다. 즉, 온도비교부(13)에서 상기 온도검출전압이 온도설정전압 보다 높으면 앤드게이트(11)에 로우신호를 인가하여 SCR을 OFF시키고, 이와 반대로 낮으면 앤드게이트의 입력을 하이로 하여 SCR을 ON시킬수 있도록 하는 것이다.

상기 온도증폭부(18)의 증폭비는 저항 R9, R2로 결정되며 저항 R18은 온도검출도체 N2가 절단되는 등 오프 상태에서 온도증폭부(18)의 입력전압을 최대로 높여 SCR을 오프시켜 히터의 과열을 방지하게 되는 것이다.

상기 온도검출도체 N2는 상기 발열도체 N1을 포설하도록 나선상으로 권설됨으로써 발열도체 N1을 실드하며, 도체 N2의 일단을 접지와 동 전위인 뉴트럴전위에 접속함으로써 발열도체 N1에서 방출되는 전계노이즈 대부분을 뉴트럴 전위에 방출하게 되는 것이다.

도2에 온도제어를 위한 본 고안 블록도를 인용하고, 도3에 상세 회로도를 인용하였다. 도체 N1을 구동하기 위한 AC 전원전압은 단자 HOT과, 전류휴즈 SF와, 온도휴즈 TF와 전원 스위치 SW를 통하여 발열도체 N1에 인가된다. 이 결과 단자 NUTRAL과 발열도체 N1에 접속된 SCR이 트리거되는 동안 구동전류는 발열도체 N1에 인가된다.

상기 SCR의 트리거 신호는 트리거신호발생부(10)에서 SCR의 게이트단에 인가된다.

상기 트리거신호발생부(10)는 온도비교부(13)의 출력신호와구동주기제어부(14)의 출력신호를 종합하도록 설치한 앤드게이트(11)와 트리거신호 증폭부(12)로서 구성하였다.

구체적으로 앤드게이트(11)는 저항 R28과 다이오드 D14로서 구성되어 있고, 트리거신호 증폭부(12)는 저항 R17과 트랜지스터 Q1으로 구성되어있어 앤드게이트(11)는 상기의 두 입력 신호가 모두 하이신호인 경우에만 트랜지스터 Q1의 구동전류를 출력하는 것이다.

상기 온도비교부(13)는 온도설정전압과 검출온도전압을 비교하여 검출온도전압이 온도설정전압보다 낮을때에 하이신호를 출력한다. 구체적으로는 온도비교부의 비교기 U1B의 기준전압 입력단자(+)에 인가되는 온도설정전압보다 비교전압 입력단자(-)에 인가되는 전압이 낮을때에 출력단자 7의 출력 전압이 하이가 되는 것이다.

상기 온도설정전압은 단자 HOT의 전압을 강하시키는 전압설정부(15)와, 전압강하된 AC전류를 정류하는 정류부(16)와, 정류부(16)의 출력을 온도설정전압으로 설정하기 위한 온도설정부(17)로서 구성한다.

상기 전압설정부(15)는 저항 R26 및 R27로서 구성하고, 상기 정류부(16)는 다이오드 D6과 콘덴서 C7로서 구성하고, 상기 온도설정부(17)은 저항 R15, R16, R29와 가변저항 VR로서 구성하여 상기 온도설정부(17)의 출력 전압을 온도설정전압으로서 상기 온도비교부(13)에 제공한다.

상기 검출온도전압은 나일론서미스터(102)를 통하여 온도검출 도체 N2에 유기되고 온도검출저항(R1)의 일단에서 검출되는 전압을 증폭부(18)에서 증폭하여 검출온도전압으로서 상기 온도비교부(13)에 제공한다.

구체적으로 상기 증폭부(18)은 다이오드 D8, 콘덴서 C6과 반전증폭기 U1A로서 구성하였다.

상기 구동주기제어부(14)는 저항 R5와 R14에 의해 분압되어진 Vcc 전압을 저항 R19를 통하여 도4(A)의 레벨로 비교기 U2A에 기준전압(+)으로 공급되고, 도4(B)에 수평 전압레벨에 사인파형이 부가된 전압파형으로 표시되고 있는 전압검출부(22)의 검출전압이 비교기 U2A에 비교전압(-)으로 인가되고, 다시 상기 전압설정부(15)의 전압강하된 전압을 반파검출부(19)에 인가하여 반파를 검출하고, 반파검출부(19)의 출력을 주기검출부(20)에 인가하고, 주기검출부(20)의 출력을 비반전버퍼(21)를 통해 증폭하여 얻는 주기검출신호를 저항 R32를 통하여 구동주기제어부(14)의 비교기 U2A의 기준에 전압에 인가함으로써 구동주기신호를(도4(F))얻고, 이로써 구동주기신호(도4(F))를 앤드게이트(11)에 인가하는 것이다.

상기 검출전압 도4(B)의 파형을 설정하기 위한 전압검출부(22)는 저항 R11, R12, R13, R10과 다이오드 D2로 구성되어 구동주기제어부(14)에 도4의 검출전압(B)을 제공하고, 상기 구동주기제어부(14)는 비교기 U2A와 저항 R20, R5, R32, R19, R14, 콘덴서 C6, 다이오드 17로서 단안정멀티타이머를 구성하여, 비교기 U2A의 단자(-)에 도4(B)의 입력 파형에 의한 구동주기신호(도4(F))를 출력하게 한다.

상기 구동주기제어부(14)는 히터의 구동전류의 전압이 변동되더라도 히터의 구동전류를 같게 하여 히터와 제어회로를 보호도록 동작된다.

구체적으로 본 고안히터에 기본전압 (예 110v)보다 높은전압(예 170V이상의 전압)이 인가될시 전압검출부(22)를 통하여 도4(B)의 검출파형의 전압이 구동주기제어부(14)의 단안정 타이머 비교기 U2A의 단자(-)에 인가되고, 이 전압이 단자3(+)의 기준 전압을 넘으면 트리거되어 구동주기제어부(14)의 출력을 교류의 3사이클(50 또는 60ms)동안 로우상태로 하고 1사이클 동안에만 하이로한다. 따라서 교류의 1/4사이클 동안만 SCR을 트리거 할 수 있게 하는 것이고, 이로써 전력 인가시간을 1/4로 낮추어 표 1과 같이 정격 전원전압시의 히터 발열량과 같게 함은 물론, 히터 및 제어회로의 과열에 의한 파손을 방지하는 것이다.

<표 1>

일반식 P = E²/R에서 P는 소비전력, E는 전원전압, R은 히터저항 100Ω의 저항값인 경우 히터의 구동전류는 아래와 같다.

AC 110v일 때 ---- (110×110)/100 = 121(w)

AC 220v일 때 ---- (220×220)/100/4 = 121(w)

본 고안 구동주기제어부(14)는 구동전류의 주파수 50Hz와 60Hz간의 변동에 대하여 다음과 같이 동작된다.

구체적으로 전압설정부(15)의 저항 R26에서 전압강하된 교류 사인파 전류중 '+'반파는 전압 비교기 U2B와 콘덴서 C14로서 구성된 반파검출부(19)의 단자5(+)에 입력되어 단자5(+)의 반파사이클 동안 비교기 U2B의 출력은 오픈되어 저항 R26과 콘덴서 C14의 CR시정수에 의한 전압상승이 일어나고, 이와같은 반파시간이 18ms를 넘으면 비교기 U3A, 저항 R21, R30, R22, R31, 콘덴서 C12, C13으로 구성된 주기검출부(20)에 설정된 단자(-)의 기준전압을 넘게된다. 따라서 반파시간이 18ms 이상이 되면 주기검출부(20)의 출력이 로우가 되고, 반파검출부(19)의 출력시정수에 의해 로우 상태가 유지됨에 따라 구동주기제어부(14)의 비교기 U2A의 단자3(+)에 인가되는 기준전압이 낮게 조정되며, 이 결과 구동주기제어부(14)의 로우사이클이 표2와같이 길어지고(이 경우 교류의 주파수는 50Hz로 간주됨), 상기 반파시간이 18ms이하이면 상기 구동주기제어부(14)의 로우사이클이 짧아지게 되게된다. (이 경우 교류사이클은 60HZ로 간주됨)

<표 2>

60Hz ---- 16.66ns × 3사이클 = 49.98ms

50Hz ---- 20ms × 3사이클 = 60ms

본 고안은 다음과 같은 온도과승방지를 위한 기능을 포함한다.

먼저 본 고안은 전류휴즈 SF, 온도휴즈 TF, 스위치 SW를 모두 직렬로 접속하고 있어서, 이들중의 어느 하나라도 OFF시 HOT라인과 분리시켜 안전하게 됨과 동시에 조절기 및 본체로 부터 인체의 감전가능성이 없어 진다.

히터의 나일론서미스터(102)층이 녹은 경우 도체 N1과 N2가 접촉되면 전류는 단자 HOT, 도체 N1, 도체 N2, 저항 R1을 통해 단자 NUTRAL의 경로로 흐르게 된다. 이때 본 고안은 저항 R1이 높은 온도로 발열되고, 저항 R1의 발열은 함께 봉합된 온도휴즈 TF를 용단시켜 회로를 전원으로 부터 분리한다.

본 고안은 SCR이 파손된경우를 고려하여 다이오드 D3과 저항 R4을 접속한 과열방지회로를 발열도체 N1의 양단에 접속하였다. 따라서 SCR이 파손되어 에노우드와 캐소우드가 접속되면 전류는 단자 NUTRAL에 플러스 전압이 인가되는 시간동안 단자 NUTRAL, SCR, 다이오드 D3, 저항 R4, 단자 HOT의 경로로 흐르게되고 이때 저항 R4는 높은 온도로 발열되어 함께 봉합된 온도휴즈 TF를 용단하여 마찬가지로 전원으로부터 회로를 분리시는 것이다.

본 고안 제어회로에 포함된 회로전원부(30)는 조절기의 각 회로로 직류전원을 공급하는 전원회로로서 AC 100~270v의 전류를 일정한 DC전압을 각 회로에 공급하며, 단자 VT에는 콘덴서 C2의 진상전류에 의해 AC 전원 파형보다 90°앞선 AC전원 파형의 제로볼트 중심점에서 맥류전압을 발생시킨다. 이 결과 SCR의 제로 트리거시 회로 전원부에 리플을 일으키지 않게되고, 맥류전압의 "-"전압은 다이오드 D5의 순방향전압에 의해서 제한되고 "+"전압은 제너다이오드 ZD1의 제너전압에 의해서 제한되며 트리거 증폭부에 공급되어 SCR을 트리거 시키는 전원으로 사용된다.

본 고안의 저항 R17과 트랜지스터 Q1으로 구성된 트리거 증폭부(12)는 엔드게이트(11)의 출력을 전류증폭하여 SCR을 트리거 시키는 회로로이다. 이 회로는 단자 VT로부터 공급되는 맥류전압으로 SCR을 트리거하며, 트리거 전류는 인디케이터 LED D10을 경유 하므로 트리거시 LED를 점등시킨다. 또한 상기 맥류전압의 "+"전압은 사인파의 제로 점을 중심으로 16.66ms 주기내에서 약 8ms동안 SCR을 트리거 하므로 트리거시 EMI 발생이 없고 회로전원의 전류소모를 절감시키는 것이다.

본 고안 상기 설명에서 언급되지 않은 부호 L1은 네온램프, C8, C9은 콘덴서, R8, R9, R18, R23는 저항이다.

상기와 같이 본 고안은 상기 감온히터의 발열 온도를 검출하고 히터의 구동 전류를 제어하도록 하는 온도제어기를 제공하고, 상기 히터의 발열 도체를 실드하는 온도 감지선을 뉴트럴 단자에 접속할 수 있게 구성하여 히터 구동시 방출되는 전계노이즈 밀도를 감소시키고, 상기 히터의 구동전원은 프리볼트로 사용할 수 있고, 상기 히터의 구동전원을 프리헬츠로 사용할 수 있는 감온히터의 구동제어기를 제공하는 것이다.

Claims (3)

1. 절연체코어에 권착된 발열 도체와, 발열 도체의 외면을 둘러싸는 나일론서미스터와, 나일론서미스터의 외면에 권착된 온도검출 도체를 포함하는 감온히터의제어기에 있어서,

   발열도체와 직열로 전원에 접속하는 SCR과;

   온도검출 도체에 유기되는 검출온도 전압과 온도설정부의 설정온도전압을 비교하여 온도제어신호를 제공하는 온도비교기와;

   히터 구동전류의 전압 변동시 같은 소비전류로서 히터를 구동할 수 있도록 구동주기신호를 출력하는 구동주기제어부와;

   상기 온도비교기의 온도제어신호와 상기 구동주기제어부의 구동주기신호를 종합하여 히터의 구동을 위한 SCR의 트리거 신호로서 제공하는 앤드게이트;를 포함하여 구성한 것이 특징인 감온 히터의 온도 제어기.
2. 제1항에 있어서,

   구동주기제어부는 교류전원으로부터 반파검출기와 주기검출기를 통하여 얻는 교류 주기신호와 전압검출부를 통해 얻는 검출전압을 비교 연산하여 히터 구동전압 변동시 P=E²/R에 등가인 구동주기를 출력하도록 비교연산 앰프와 정궤환 콘덴서를 포함하여 단안정타이머로서 구성한 것이 특징인 감온 히터의 온도 제어기.
3. 제1항 또는 제2항의 어느 하나에 있어서,

   발열도체를 실드하는 온도검출 도체의 일측을 온도검출저항을 통해 뉴트럴 전위에 접속하여 발열도체서 방출하는 전계노이즈를 뉴트럴전위에 방출하게 하고,

   다이오드 D3과 저항 R4을 접속한 과열방지회로를 발열도체 N1의 양단에 접속한 것이 특징인 감온히터의 온도 제어기.