KR20120108508A - 전열 기기에서의 선형 온도조절기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전열 기기에 있어서 별도의 센서를 추가하지 않고 전열기기가 구동되는 전체 온도 범위에서 온도 제어가 가능한 선형 제어 온도조절기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선형 제어 온도조절기는 상기 발열선과 전원 사이에 직렬 접속되어 상기 발열선에 인가되는 전원을 단속하는 스위칭 수단과, 상기 발열선과 직렬로 접속된 전류 센싱 저항, 상기 전류 센싱 저항의 양단에 인가되는 전압을 검출하는 온도신호 검출부 및 상기 온도신호 검출부에 의해 검출된 전압의 변화를 근거로 상기 스위칭 수단을 제어함으로써 상기 발열선의 온도를 조절하는 제어수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

전열 기기에서의 선형 온도조절기{LINEAR TYPE THERMOREGURATOR FOR HEATING APPARATUS}

본 발명은 전기요, 전기장판, 전기매트 등의 전열 기기에 사용되는 온도조절기에 관한 것으로, 특히 전류센싱저항을 통해 온열기기의 온도를 측정하여 온도를 선형(linear)적으로 제어하는 온도조절기에 관한 것이다.

일반적으로 전기로 구동되는 온열기에는 사용자로 하여금 발열온도를 설정할 수 있도록 하고 온열기의 발열온도가 사용자에 의해 설정된 온도 범위내에서 유지되도록 하는 온도조절기가 포함되어 있다.

종래의 온열기용 온도조절기는 발열선 외에 온도센서나 감지선 등의 온도 검출장치를 이용하여 발열선의 온도를 검출하도록 된 것이 일반적이었다. 그 결과 온열기기의 부피가 증가하고 생산 원가도 증가하며, 온도 검출장치를 구성하고 있는 다수의 부품 가운데 어느 하나가 수명을 다하거나 손상되게 되면 이상 작동을 나타내는 문제가 있었다.

또한, 종래의 일부 온도조절기 가운데는 온도 검출장치를 장착하지 않고 온도조절기 내부에서 발열선에 흐르는 전류를 측정하여 간접적으로 온도를 제어하는 사례도 있었다.

한편, 포토커플러 및 다이오드를 이용한 온도조절기는 온열기가 구동되는 전체 온도 범위에 대한 제어가 불가능하고, 설정 온도 이상으로 올라가는 경우만 제어가 가능하다는 단점이 있다. 반면, 전류센서를 이용한 온도 측정은 전체 온도 범위에서의 제어가 가능하지만 센서의 크기 및 원가 상승 등의 문제가 있으며 전류의 급격한 변화에 따른 측정 전압의 변화가 크다는 단점이 있다.

발열선의 온도를 간접적으로 검출하는 온도조절기도 있다. 예컨대, 발열선과 직렬로 별도의 발열저항을 연결하고 이 발열저항과 인접한 NTC(Negative Temperature Coefficient) 써미스터를 이용하는 방법이다.

이 방법은 발열선이 발열되면서 발열저항의 온도도 같이 상승하게 되고, 이에 따라 써미스터의 저항성분에 있어서 임피던스 값이 바뀌는 원리를 이용한 것이다. 이 경우, 온열기가 구동될 수 있는 전체 온도 범위에 대한 제어는 가능하지만 별도로 추가된 발열저항에 의해 발열되는 열량, 즉 발열저항을 가열하는데 추가적인 전력 소모가 발생되고, 발열저항에 따라 발열량이 다르고 주변 온도에 영향을 많이 받는다는 단점이 있다.

한편, 발열선 외에 센서 선을 같이 사용하여 온도를 측정하는 경우도 있는데, 이 경우 발열선의 원가가 올라가는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 별도의 센서를 추가하지 않고 온열기기가 구동되는 전체 온도 범위에서 온도 제어가 가능하고 인체에 유해한 전자파를 발생시키지 않는 선형 자계 상쇄 온도조절기를 제공함에 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전열 기기에서의 선형 온도조절기는, 발열선과 퓨즈가 구비된 전열장치의 온도조절기에 있어서, 상기 발열선과 전원 사이에 직렬 접속되어 상기 발열선에 인가되는 전원을 단속하는 스위칭 수단과, 상기 발열선과 직렬로 접속된 전류 센싱 저항, 상기 전류 센싱 저항의 양단에 인가되는 전압을 검출하는 온도신호 검출부 및 상기 온도신호 검출부에 의해 검출된 전압의 변화를 근거로 상기 스위칭 수단을 제어함으로써 상기 발열선의 온도를 조절하는 제어수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 온도조절기에서의 상기 제어수단은 상기 온도신호 검출부를 통해 상기 발열선의 온도 변화를 모니터링하는 마이컴과 상기 마이컴의 제어에 따라 상기 스위칭 수단의 구동을 제어하는 트리거 신호 발생부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 선형 온도조절기에서, 상기 스위칭 수단은 실리콘 제어 정류기(SCR), 트랜지스터, 릴레이 가운데 어느 하나를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 선형 온도조절기에 있어서, 상기 전류 센싱 저항은 0.1Ω ~ 5Ω의 범위내의 값을 갖도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 선형 온도조절기에 있어서, 상기 퓨즈는 온도퓨즈로 구현된 것임을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 온도센서를 별도로 사용할 필요가 없고, 스위칭 소자를 제어하기 위한 별도의 복잡한 회로가 필요하지 않기 때문에 구조가 간단하고, 그에 따라 내구성이 향상되며, 제조원가를 낮출 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 온열기기가 구동되는 전체 온도 범위의 측정이 가능하여 발열선 전체 온도와 국부적인 과열을 검출할 수 있게 되어 안전성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 1실시예에 따른 온도조절기의 회로 연결 및 작동 개념을 설명하기 위한 전체 구성도,
도 2는 도1에 도시된 구성 가운데 제로 크로스 검출부의 상세 구성을 예시한 도면,
도 3은 도1에 도시된 구성 가운데 온도 신호 검출부의 상세 구성을 예시한 도면,
도 4는 도1에 도시된 구성 가운데 전압 측정부의 상세 구성을 예시한 도면,
도 5는 도1에 도시된 구성 가운데 트리거 신호 발생부의 상세 구성을 예시한 도면,
도 6은 도1에 도시된 구성 가운데 이상동작 제어부의 상세 구성을 예시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 온도조절기에 있어서, 발열선의 발열전과 발열후의 각 상태에서 발열선과 전류센싱저항에 걸리는 전압의 크기 변화를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명에 따른 온도조절기의 온도에 따른 온도 제어의 범위를 종래의 온도조절기와 비교 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 온도조절기의 주변 환경변화에 따른 온도 변화의 특성을 종래의 온도조절기와 비교하여 도시한 도면.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

각 도면에서, 다른 도면에 도시된 참조 번호와 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 서로 유사한 참조 번호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 1실시예에 따른 온도조절기의 회로 연결 및 작동 개념을 설명하기 위한 전체 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 온도조절기(100)는 퓨즈(12), 스위칭 소자(20), 전류 센싱저항(30), 트리거 신호 발생부(40), 온도 신호 검출부(50), 제로 크로스 검출부(60), 전압측정부(70), 마이컴(80) 및 이상동작 제어부(90)를 포함하는 구성으로 이루어진다.

상기 구성 가운데 마이컴(80)은 상기 트리거 신호 발생부(40), 상기 온도 신호 검출부(50), 상기 제로 크로스 검출부(60), 상기 전압측정부(70), 상기 이상동작 제어부(90)의 동작을 각각 제어한다.

본 발명에서는 내부 발열선(10)과 외부 발열선(11)의 각 단부를 연결하여 전류가 흐를 때, 각각의 발열선에서 발생되는 자계가 서로 상쇄되도록 구성하였다.

상기한 구성으로 된 장치의 동작을 설명한다.

도 2에 도시된 제로 크로스 검출부(60)의 상세 구성을 참조하면, 회로에 인가된 교류전압은 정류기능을 수행하는 다이오드(61)에 의해 교류전압의 (+)전압만이 인가된다. 인가된 (+)전압은 분할 저항(62,63)에 의해 분압되어 마이컴(80)에는 5V에 가까운 전압이 인가되고, 마이컴(80)은 이를 통해 교류전압의 제로점을 확인하게 된다. 제로 크로스를 검출하는 것은 발열선의 온도를 안정적으로 획득하기 위함이고, 제너 다이오드(64)를 사용한 것은 과전압으로부터 마이컴(80)을 보호하기 위한 것이다.

상기 제로 크로스 검출부(60)는 마이컴(80)과 연결되어 마이컴(80)에 의해 그 동작이 제어된다.

도 3은 온도신호 검출부(50)의 상세 구성을 예시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 1실시예에 따른 온도조절기(100)에서는 스위칭 소자(20)로서 SCR(Silicon controlled Rectifier)(20a)를 사용하고 있다. 또한, 상기 전류 센싱 저항(30)은 0.1Ω ~ 5.0Ω의 값을 갖는 저항이 사용되도록 한다.

제로점을 확인하면, 온도신호 검출부(50)는 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 전류 센싱 저항(30)에서 발열선(10,11)의 온도에 상응하는 신호를 검출하고, 검출된 신호는 역전압 보호 다이오드(51)와 노이즈 제거 캐패시터(52)를 거쳐 마이컴(80)의 ADC(Analog-Digital Converter; 아날로그-디지털 컨버터)(81)로 인가된다. 마이컴(80)의 ADC(81)은 인가된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하게 되고, 마이컴(80)은 이를 근거로 약정된 제어 알고리즘에 따라 상기 트리거 신호 발생부를 제어함으로써 발열선의 온도를 제어하게 된다.

도 4는 전압측정부(70)의 상세구성을 예시한 도면이다.

회로에 교류전압이 인가되면 정류기능을 하는 다이오드(71)에 의해 교류전압의 (+)전압만이 인가되게 된다. 인가된 (+)전압은 분할저항(72,73)에 의해 분압되어 상기 마이컴(80)의 ADC(81)에 인가되고, 마이컴(80)은 교류전압의 현재 전압을 확인하게 된다.

현재의 전압을 측정하는 것은 교류전압의 변화에 따라 발열선의 온도를 안정적으로 제어하기 위함이고, 제너 다이오드(74)가 사용된 것은 과전압으로부터 마이컴(80)을 보호하기 위한 것이다.

도 5는 본 발명의 1실시예에 따른 트리거 신호 발생부(40)의 상세 구성을 예시한 도면이다.

마이컴(80)으로부터 트리거 신호 발생부(40)에 제어신호가 인가되면, 인가된 제어신호는 전류 제한 저항(42)을 거쳐 역전압 보호 다이오드(41)를 통해 SCR(20a)를 턴 온(Turn On) 시키게 된다.

풀다운 저항(43)은 마이컴(80)에서 트리거 신호 발생부(40)로 신호가 인가되지 않을 때 상기 SCR(20a)이 턴 온(Turn On) 되지 않도록 그라운드 레벨을 유지시켜 준다.

도 6은 이상동작 제어부(90)의 상세 구성을 예시한 도면이다.

온도조절기의 이상 동작이 감지되면 마이컴(80) 및 보조 마이컴(96)은 SCR(93,94)에 각각 온(ON) 신호를 보낸다.

그 결과, 교류전원이 정류 다이오드(91)를 거쳐 발열 저항(92)에 발열을 유도하게 되고, 저항의 온도가 상승하게 된다.

상승한 온도는 퓨즈(12)를 동작시켜 전원을 차단하게 된다. 저항(95)은 SCR(93,94)의 이상동작 유무를 확인하여 안전성을 높이는데 이용된다.

한편, 온도 검출 알고리즘에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

발열선(10,11)이 구동되어 발열이 시작되면 발열선(10,11)의 임피던스가 증가하고, 교류전압이 발열선(10,11), SCR(20a), 전류 센싱저항(30)을 지나가는 직렬회로의 전체 임피던스가 증가한다.

하지만, 직렬회로에 인가되는 교류전압의 크기는 변화가 없기 때문에 발열선(10,11)에 인가되는 전압은 증가하고, 전류 센싱저항(30)에 걸리는 전압은 낮아지게 된다.

이와 같이, 온도에 따른 발열선(10,11)의 임피던스를 알게 되면, 전류 센싱저항(30)에 걸리는 전압을 알게 되어 정확한 온도 제어가 가능하게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 온도조절기에 있어서 발열 전과 발열 후의 상태에서 발열선과 전류 센싱저항에 인가되는 전압을 나타낸 것으로, 도 7의 (a)는 발열 전의 상태, (b)는 발열 후의 상태를 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이, 발열선(10,11)에 발열이 시작된 후, 발열선(10,11)에 걸리는 전압은 증가하고, 전류 센싱저항(30)에 걸리는 전압은 낮아짐을 알 수 있다.

이와 같은 원리로 전류 센싱저항(30)을 이용하여 실시간으로 온열기 구동에 따른 전체 온도 범위의 검출이 가능하다.

도 8은 본 발명에 따른 온도조절기의 온도에 따른 동작 유무를 종래의 온도조절기와 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 8의 (a)는 종래의 온도조절기의 경우이고, (b)는 본 발명에 따른 온도조절기의 경우를 나타낸 것이다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 포토커플러와 다이오드를 이용한 기존의 온도조절기는 특정 설정온도(예컨대 60℃~70℃) 이상이 되면 온도를 감지하여 온열기의 온도가 더 이상 올라가지 않게 제어를 하고, 설정온도 이하에서는 주변환경에 관계없이 실험을 통해 얻어진 일정한 파형의 형태를 갖도록 제어하게 되며, 그 결과 설정온도 이하에서는 주변환경에 따른 적응을 하지 못하는 결과를 낳는다.

그러나, 본 발명에 따른 온도조절기는 전류 센싱저항을 이용하여 온열기가 구동되는 전체 온도 범위에 대한 온도를 검출함으로써 주변 환경이 변하더라도 사용자가 원하는 온도를 유지하도록 제어할 수 있다.

도 9는 주변 환경변화에 따른 온도조절기의 온도 변화를 도시한 그래프로서, 도 9의 (a)는 종래의 온도조절기의 경우이고, (b)는 본 발명에 따른 온도조절기에 있어서의 온도변화를 나타낸 것이다.

상기 도면에서 실선은 사용자가 원하는 온도이고, 점선은 온열기의 온도를 나타낸 것이다.

종래 온도조절기의 경우, 최고 설정 온도 이상으로 온도가 상승하지는 않지만 주변 환경의 변화에 따라 온열기의 온도 변화가 크게 나타남을 알 수 있는 반면, 본 발명에 따른 온도조절기에 있어서는 주변환경의 변화에 상관없이 온도의 변화가 크지 않음을 볼 수 있으며, 선형(linear)성을 높일 수 있음을 알 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 바, 상기 실시예에 있어서는 스위칭 소자로서 SCR을 사용한 예를 설명하였으나, SCR을 대체하여 예컨대 모스펫(MOSFET), 또는 BJT 트랜지스터를 포함하는 정류회로 또는 트라이악, 트랜지스터, 릴레이 등의 스위칭 소자를 써서 구현할 수도 있으며, 이때에도 동일한 기능을 발휘할 수 있다.

10, 11: 발열선 12: 퓨즈(Fuse)
20: 스위칭 소자 30: 전류 센싱저항
40: 트리거 신호 발생부 41,51: 역전압 보호 다이오드
42,43,62,63,72,73,95: 저항 50: 온도 신호 검출부
52: 캐패시터 60: 제로 크로스 검출부
61,71,91: 정류 다이오드 64,74: 과전압 보호 다이오드
70: 전압측정부 80: 마이컴
81: ADC(Analog Digital Converter) 90: 이상동작 제어부
92: 발열 저항 93,94: SCR(실리콘 제어 정류기)
96: 보조 마이컴

Claims (5)

1. 발열선과 퓨즈가 구비된 전열장치의 온도조절기에 있어서,
   상기 발열선과 전원 사이에 직렬 접속되어 상기 발열선에 인가되는 전원을 단속하는 스위칭 수단과,
   상기 발열선과 직렬로 접속된 전류 센싱 저항,
   상기 전류 센싱 저항의 양단에 인가되는 전압을 검출하는 온도신호 검출부 및
   상기 온도신호 검출부에 의해 검출된 전압의 변화를 근거로 상기 스위칭 수단을 제어함으로써 상기 발열선의 온도를 조절하는 제어수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전열 기기에서의 선형 온도조절기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어수단은 상기 온도신호 검출부를 통해 상기 발열선의 온도 변화를 모니터링하는 마이컴과
   상기 마이컴의 제어에 따라 상기 스위칭 수단의 구동을 제어하는 트리거 신호 발생부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전열 기기에서의 선형 온도조절기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 스위칭 수단은 실리콘 제어 정류기(SCR), 트랜지스터, 릴레이 가운데 어느 하나를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전열 기기에서의 선형 온도조절기.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 전류 센싱 저항은 0.1Ω ~ 5Ω의 범위내의 값을 갖도록 된 것을 특징으로 하는 전열 기기에서의 선형 온도조절기.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 퓨즈는 온도퓨즈로 구현된 것임을 특징으로 하는 전열 기기에서의 선형 온도조절기.
   

Images