TWI394022B - 發熱線的控溫電路及其控溫方法 - Google Patents

Description

發熱線的控溫電路及其控溫方法

本發明係有關一種控溫電路，尤指一種發熱線的控溫電路及其控溫方法，適用於電熱爐、熱敷毯等發熱裝置使用者。

諸如熱敷墊之類的發熱裝置在目前市面上已被廣泛的使用，而讓發熱線在加熱到使用者所設定的溫度之後自動中斷，則可讓發熱裝置保持在預定的加熱範圍內，以提供諸如熱敷之類的功能，並確保使用安全。

為了有效達到控溫的效果，美國第5,861,610號專利案係以正溫度係數(Positive Temperature Coefficient,PTC)元件做為偵測線，以感測溫度的變化，並同時搭配發熱線以進行控溫加熱。其中，當偵測線的溫度隨著發熱線的溫度上升，或因高溫使得偵測線的電阻改變時，都將經由控制器內的比較電路進行比對，再以比對結果調整輸入發熱線的電流量，以控制發熱溫度在使用者所設定的範圍內。

上述技術在美國第6,300,597號、第6,310,322號及第6768086號專利案中已同時被揭露。而美國第7,180,037號專利案則揭示了另一種PTC元件或負溫度係數(Negative Temperature Coefficient,NTC)元件的應用例，其與前述各習用技術的最大不同處在於：偵測一AC功率信號的零交叉(zero crossing)所響應產生的第一零交叉信號，偵測一PTC元件或NTC元件因溫度所導致電阻變化而產生的相移AC功率信號的零交叉所響應產生的 第二零交叉信號，並藉由時間差確定器電路持續量測第一零交叉信號及第二零交叉信號的相移時間後，由控制器持續運算並輸出控制信號以控制電路的導通或斷路，達到定溫加熱的效果。

上述美國第7,180,037號專利案的整體電路結構相當複雜，尤其必須藉由時間差確定器電路及控制器同時的偵測運算，才能達到控溫的效果，如此一來，將會增加生產製造的成本，尚有待改進的空間。

有鑑於此，為了改善上述缺點，並提供另一種有別於上述電路結構的發熱線控溫電路及控溫方法，使不僅能有效進行控溫，且能使元件的組成簡單，以節省生產製造成本，創作人積多年的經驗及不斷的研發改進，遂有本創作之產生。

本創作之主要目的在提供一種發熱線的控溫電路及其控溫方法，藉由輸入一第一正向方波訊號、一反向方波訊號及一可依溫度改變而變化的第二正向方波訊號進入及閘，並在及閘判斷後，輸出訊號以控制發熱線的加溫或降溫的電路及方法，俾能在低溫時持續加熱，而在高溫時停止繼續加熱，以保持在使用者所設定的工作溫度範圍內。

本創作之次要目的在提供一種發熱線的控溫電路及其控溫方法，藉由輸入一第一正向方波訊號、一可調整的反向方波及一可依溫度改變而變化的第二正向方波訊號進入及閘，並在及閘判斷後，輸出訊號以控制發熱線的加溫或降溫的電路及方法，俾能讓使用者能彈性調整工作溫度的高低。

為達上述發明之目的，本創作所設的發熱線的控溫電路之發熱線包括一加熱線、一感測線、一介於加熱線及感測線之間的絕緣可熔層及一包覆於感測線及絕緣可熔層外周緣的披覆層。該加熱線的一端耦合電源的一個極性 ，加熱線的另一端連接一開關，該開關耦合電源的相反極性；而控溫電路係包括一第一正向方波訊號產生電路、一反向方波訊號輸出電路、一第二正向方波訊號產生電路、一及閘以及一觸發電路。該第一正向方波訊號產生電路供輸出第一正向方波訊號。該反向方波訊號輸出電路包括第一RC電路、第一電壓比較器及電壓調整電路，該第一RC電路串聯第一正向方波訊號產生電路，該第一RC電路與第一正向方波訊號產生電路之間設有第一節點，該第一RC電路的電阻與電容之間設有第二節點；該第一電壓比較器的非反向輸入端與電壓調整電路相耦合，供輸入調整後的電壓，第一電壓比較器的反向輸入端與第二節點相耦合，供輸出反向方波。該第二正向方波訊號產生電路包括一電容及第二電壓比較器，該電容與感測線串聯，該感測線與電容之間設有第三節點，而第二電壓比較器的非反向輸入端與第三節點相耦合，供輸出第二正向方波訊號。該及閘設有三個輸入端，該等輸入端分別連接第一電壓比較器的輸出端、第一節點及第二電壓比較器的輸出端。而觸發電路分別連接及閘的輸出端及開關。

藉此，當及閘的三個輸入端同時輸入為邏輯高時，即可以觸發電路觸發開關，以加熱加熱線；而及閘的三個輸入端非同時輸入為邏輯高時，觸發電路則不會觸發開關，以停止加熱線繼續加熱。

本創作所設的發熱線的控溫電路之控溫方法係包括下列步驟：a.以第一正向方波訊號產生電路輸出第一正向方波訊號；b.將第一正向方波訊號輸入到及閘的第一輸入端，並將第一正向方波訊號訊號的分流在充放電之後與一調整後的電壓相比較，在比較後輸出反向方波到及閘的第二輸入端；c.讓通過感測線的訊號在經過第二電壓比較器的比較後，輸出第二正向方波訊號至及閘的第三輸入端；以及d.在及閘的三個輸入端同時輸入為邏輯高時，以觸發電路觸發開關，以加熱加熱線，而在溫度上升使第二電壓比較 器所輸出的第二正向方波訊號移動，並使及閘的三個輸入端非同時輸入為邏輯高時，則不觸發開關，以停止加熱線繼續加熱。

為便於對本發明能有更深入的瞭解，茲詳述於後：

1‧‧‧發熱線

11‧‧‧芯材

12‧‧‧加熱線

13‧‧‧絕緣可熔層

14‧‧‧感測線

15‧‧‧披覆層

16‧‧‧電源

2‧‧‧開關

3‧‧‧控溫電路

31‧‧‧第一正向方波訊號產生電路

32‧‧‧反向方波訊號輸出電路

321‧‧‧第一RC電路

322‧‧‧電壓調整電路

33‧‧‧第二正向方波訊號產生電路

34‧‧‧及閘

35‧‧‧觸發電路

P1~P8‧‧‧第一~八節點

R1~R5‧‧‧第一~五電阻

D1~D4‧‧‧第一~四二極體

VR1‧‧‧可變電阻

U1A、U2A、U3A、U4A‧‧‧第一、二、三、四電壓比較器

第1圖係為本創作之發熱線之立體外觀圖。

第2圖係為本創作之控溫電路之電路方塊示意圖。

第3圖係為本創作之控溫電路之第一實施例之電路圖。

第4圖係為本創作之第一正向方波訊號產生電路及反向方波訊號產生電路之輸出波形變化示意圖。

第5圖係為本創作之第二正向方波訊號產生電路之輸出波形變化示意圖。

第6圖係為決定開關導通及不導通狀態時之第一正向方波訊號、反向方波訊號及第二正向方波訊號之變化狀態示意圖。

第7圖係為本創作之控溫電路之第二實施例之電路方塊示意圖。

第8圖係為本創作之控溫電路之第二實施例之電路圖。

第9圖係為本創作之控溫電路之第三實施例之電路方塊示意圖。

第10圖係為本創作之控溫電路之第四實施例之電路方塊示意圖。

本創作之發熱線的控溫電路之控溫方法係包括下列步驟：

a.以第一正向方波訊號產生電路輸出第一正向方波訊號。

b.將第一正向方波訊號輸入到及閘的第一輸入端，並將第一正向方波訊號訊號的分流在充放電之後與一調整後的電壓相比較，在比較後輸出反向方波到及閘的第二輸入端。

c.讓通過感測線的訊號在經過第二電壓比較器的比較後，輸出第二正向方波訊號至及閘的第三輸入端。以及

d.在及閘的三個輸入端同時輸入為邏輯高時，以觸發電路觸發開關呈導通狀態，以加熱加熱線，而在溫度上升使第二電壓比較器所輸出的第二正向方波訊號移動，並使及閘的三個輸入端非同時輸入為邏輯高時，則不觸發開關使呈斷路狀態，以停止加熱線繼續加熱。

其中，各方波訊號所界定的「正向」及「反向」皆為零電位以上的波形，所述的「反向」係指：當正向方波訊號在高電位(high)時，反向方波訊號在低電位(low)，而當正向方波訊號在低電位(low)時，反向方波訊號在高電位(high)。

如第1、2圖所示，該發熱線1包括一芯材11、一捲繞於芯材11外周緣的加熱線12、一包覆加熱線12及芯材11的絕緣可熔層13、一捲繞於絕緣可熔層13外周緣的感測線14及一包覆於感測線14及絕緣可熔層13外周緣的披覆層15。該加熱線12的一端耦合電源16的一個極性，加熱線12的另一端連接一開關2，該開關2耦合電源16的相反極性，藉以使加熱線12、開關2與電源16串聯，形成可加熱加熱線12的一回路。其中，該加熱線12係為正溫度係數(Positive Temperature Coefficient,PTC)導線，所述的加熱線12亦可為負溫度係數(Negative Temperature Coefficient,PTC)導線。而該控溫電路3分別連接感測線14及開關2，以控制對加熱線12持續加熱或停止對加熱線12加熱。

依據上述控溫方法，本創作之控溫電路3包括一第一正向方波訊號產生電路31、一反向方波訊號輸出電路32、一第二正向方波訊號產生電路33、一及閘34以及一觸發電路35。該第一正向方波訊號產生電路31供輸出第一正向方波訊號，該反向方波訊號輸出電路32供輸出充放電後的反向方波訊號，該第二正向方波訊號產生電路33供輸出具變化的正向方波訊號，而及閘34則是在輸入三個方波訊號後，再輸出訊號給觸發電路35，以控制觸發電路 35是否觸發開關2，決定是否要讓加熱線12加熱。

請參閱第3圖所示，其為本創作之控溫電路3之第一實施例之電路圖，其中，該電源16係為AC電源，供輸出110伏60Hz的正弦波訊號，該電源16的一個極性與加熱線12之間設有一第六節點P6，而感測線14的一端與第六節點P6相耦合。

該第一正向方波訊號產生電路31包括串聯的電阻R5及二極體D4，該電阻R5的一端耦合電源16的一個極性，該二極體D4的一端接地，電阻R5及二極體D4之間設有第七節點P7，而第三電壓比較器U3A的非反向輸入端耦合第七節點P7，第三電壓比較器U3A的反向輸入端接地，藉以將正弦波訊號轉換為第一正向方波訊號。

該反向方波訊號輸出電路32包括第一RC電路321、電壓調整電路322及第一電壓比較器U1A，該第一RC電路321的電阻R1連接第三電壓比較器U3A的輸出端，且輸出端與電阻R1之間設有第一節點P1，而第一RC電路321的電阻R1與電容C1之間設有第二節點P2。該電壓調整電路322包括串聯的電阻R2、R3及可變電阻VR1，該電阻R2、R3之間設有第八節點P8。而第一電壓比較器U1A的非反向輸入端與第八節點P8相耦合，第一電壓比較器U1A的反向輸入端與第二節點P2相耦合。如第4圖所示，當第三電壓比較器U3A的輸出端輸出方波訊號，經由第一RC電路321的充放電，再輸入第一電壓比較器U1A後，將輸出反向的方波訊號。而由第一電壓比較器U1A的非反向輸入端所輸入的分壓，則是由電壓調整電路322所提供，讓使用者在調整可變電阻VR1後，做為第一電壓比較器U1A輸出前的比較參考電壓。

該第二正向方波訊號產生電路33包括電容C2及第二電壓比較器U2A，該電容C2與感測線14串聯，該感測線14與電容C2組合為第二RC電路，因此，當感測線14隨著加熱溫度的變化而改變電阻時，將使得第二RC電路的RC時間 常數改變。另，該感測線14與電容C2之間設有第三節點P3，該第二電壓比較器U2A的非反向輸入端與第三節點P3相耦合，該第二電壓比較器U2A的反向輸入端接地。如第5圖所示，藉由感測線14及電容C2所組成的第二RC電路的RC時間常數特性，將使得電源16輸入的弦波訊號產生延遲，並在經過第二電壓比較器U2A的電壓比較後，輸出第二正向方波訊號。

該及閘34包括並聯的第一二極體D1、第二二極體D2及第三二極體D3，該第二二極體D2的一端連接第二電壓比較器U2A的輸出端，第二二極體D2的另一端連接電源16的一個極性，且第二二極體D2與電源之間設有第四節點P4及第五節點P5。該第一二極體D1的兩端分別耦合第一電壓比較器U1A的輸出端及第四節點P4，第三二極體D3的兩端分別耦合第一節點P1及第五節點P5。實施時，所述的及閘34亦可以具有相同功能的微處理器取代，而該觸發電路35係分別連接及閘34的輸出端及開關2的閘極，該開關2係為矽控整流器(SCR)，所述的開關2亦可為雙向閘流體(TRIAC)之類的閘流體。

請參閱第6圖所示，係顯示發熱線12在導通及不導通狀態時之第一正向方波訊號、反向方波訊號及第二正向方波訊號之波形變化狀態。其中，電壓調整電路322將參考電壓設為2.5伏時，開關2為不導通(off)，而當參考電壓調整為2.8伏時，開關2開始導通(on)。實施時，所述的參考電壓亦可依使用者的需要而調整，以控制加熱線12的加熱溫度。

如第3、6圖所示，該第一正向方波訊號產生電路31係經由第一節點P1將第一正向方波訊號輸出至第三二極體D3，第二正向方波訊號產生電路33係經由第二電壓比較器U2A的輸出端將第二正向方波訊號輸出至第二二極體D2，反向方波訊號輸出電路32係經由第一電壓比較器U1A的輸出端將反向方波訊號輸出至第一二極體D1。藉此，當第一正向方波訊號、第二正向方波訊號及反向方波訊號同時在邏輯高的狀態時，三個二極體(D1、D2、D3)即同 時不導通，此時電源16的電流即會經由觸發電路35觸發開關2，讓加熱線12開始加熱並保持一小段時間。而當加熱線12的溫度上升，使得感測線14的電阻改變時，則會改變第二正向方波訊號的各方波之間的時間。而當第二正向方波訊號持續改變，使得第一正向方波訊號、反向方波訊號及第二正向方波訊號非同時在邏輯高的狀態時，即無法讓觸發電路35觸發開關2。亦即，當第一正向方波訊號及反向方波訊號同時在邏輯高的狀態，而第二正向方波訊號在邏輯低的狀態時，第二二極體D2即會導通，使第四節點P4呈現邏輯低之狀態，而無法讓觸發電路35觸發開關2，從而停止加熱線12繼續加熱。

請參閱第7、8圖所示，其為本創作發熱線的控溫電路之第二實施例。其中，該第一正向方波訊號產生電路31更包括第四電壓比較器U4A，該第四電壓比較器的非反向輸入端與第七節點P7相耦合，該第四電壓比較器U4A的反向輸入端接地，且第四電壓比較器U4A的輸出端與感測線14的一端相耦合。藉此，電源16的正弦波訊號經由第四電壓比較器U4A輸出為正向方波訊號，並在經過感測線14與第二電容C2所組成的第二RC電路的充放電之後，再輸入第二電壓比較器U2A，同樣可以輸出第二正向方波訊號。

請參閱第9圖所示，其為本創作發熱線的控溫電路之第三實施例。其中，該第一正向方波訊號產生電路31係與感測線14的一端相耦合。該第一正向方波訊號產生電路31係為方波訊號產生器，供直接輸出第一正向方波訊號。此時，該電源16係為AC電源，該開關2係為矽控整流器(SCR)，所述的開關2亦可為TRIAC之類的閘流體。實施時，該電源16亦可為DC電源，而該開關係為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。

而如第10圖所示係為本創作發熱線的控溫電路之第四實施例。其與第三實 施例不同之處在於：該電源16的一個極性與加熱線12之間設有第六節點P6，該感測線14的一端與第六節點相耦合，同樣可經由第二電壓比較器U2A輸出第二正向方波訊號。

因此，本發明具有以下之優點：

1、本發明係藉由及閘的結構及概念以判斷是否要讓加熱線加熱，而習用的發熱結構則是要藉由控制器的持續運算，以控制電路的導通或斷路，達到定溫加熱的效果。因此，本發明在結構上相當簡單，可有效降低生產成本。

2、本發明可依需要而調整電壓調整電路的參考電壓，以輸出不同的反向方波，因此，能提供使用者設定溫度的機制，以符合實際使用的需求。

綜上所述，依上文所揭示之內容，本創作確可達到發明之預期目的，提供一種不僅能有效進行控溫，且能使元件的組成簡單，以節省生產製造成本之發熱線的控溫電路及其控溫方法，極具產業上利用之價值，爰依法提出發明專利申請。

12‧‧‧加熱線

14‧‧‧感測線

16‧‧‧電源

2‧‧‧開關

3‧‧‧控溫電路

31‧‧‧第一正向方波訊號產生電路

32‧‧‧反向方波訊號輸出電路

33‧‧‧第二正向方波訊號產生電路

34‧‧‧及閘

35‧‧‧觸發電路

Claims (13)

1. 一種發熱線的控溫電路，該發熱線包括一加熱線、一感測線、一介於加熱線及感測線之間的絕緣可熔層及一包覆於感測線及絕緣可熔層外周緣的披覆層，該加熱線的一端耦合電源的一個極性，加熱線的另一端連接一開關，該開關耦合電源的相反極性；而該控溫電路包括：一第一正向方波訊號產生電路，供輸出第一正向方波訊號；一反向方波訊號輸出電路，包括一第一RC電路、一第一電壓比較器及一電壓調整電路，該第一RC電路係串聯第一正向方波訊號產生電路，該第一RC電路與第一正向方波訊號產生電路之間設有一第一節點，該第一RC電路的電阻與電容之間設有一第二節點；該第一電壓比較器的非反向輸入端與電壓調整電路相耦合，供輸入一調整後的電壓，而第一電壓比較器的反向輸入端與第二節點相耦合，供輸出反向方波；一第二正向方波訊號產生電路，包括一電容及一第二電壓比較器，該電容與感測線串聯，該感測線與電容之間設有一第三節點，而該第二電壓比較器的非反向輸入端與第三節點相耦合，供輸出第二正向方波訊號；一及閘，係設有三個輸入端，該等輸入端分別連接第一電壓比較器的輸出端、第一節點及第二電壓比較器的輸出端；以及一觸發電路，係分別連接及閘的輸出端及開關，供及閘的三個輸入端同時輸入為邏輯高時，觸發開關使呈導通狀態，以加熱加熱線，而在及閘的三個輸入端非同時輸入為邏輯高時，則不觸發開關，以停止加熱線繼續加熱。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發熱線的控溫電路，更包括一芯材，該加熱線係捲繞於芯材的外周緣。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發熱線的控溫電路，其中，該加熱線係為正溫度係數(Positive Temperature Coefficient,PTC)導線或負溫度係數(Negative Temperature Coefficient,PTC)導線其中之一種。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發熱線的控溫電路，其中，該電源係為AC電源，該第一正向方波訊號產生電路包括一第三電壓比較器，該第三電壓比較器的非反向輸入端耦合電源的一個極性，該第三電壓比較器的反向輸入端接地，該第三電壓比較器的輸出端與第一節點相耦合。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發熱線的控溫電路，其中，該AC電源的一個極性與加熱線之間設有一第六節點，該感測線的一端與第六節點相耦合。
6. 如申請專利範圍第4項所述之發熱線的控溫電路，更包括一第四電壓比較器，該第四電壓比較器的非反向輸入端耦合電源的一個極性，該第四電壓比較器的反向輸入端接地，該第四電壓比較器的輸出端與感測線的一端相耦合。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發熱線的控溫電路，其中，該第一正向方波訊號產生電路係為一方波訊號產生器。
8. 如申請專利範圍第7項所述之發熱線的控溫電路，其中，該電源的一個極性與加熱線之間設有一第六節點，該感測線的一端與第六節點相耦合。
9. 如申請專利範圍第7項所述之發熱線的控溫電路，其中，該方波訊號產生器與該感測線的一端相耦合。
10. 如申請專利範圍第4、8或9項所述之發熱線的控溫電路，其中，該電源係為AC電源，該開關係為一閘流體。
11. 如申請專利範圍第8或9項所述之發熱線的控溫電路，其中，該電源係為DC電源，該開關係為一金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET) 。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發熱線的控溫電路，其中，該及閘包括一第一二極體、一第二二極體及一第三二極體，該第二二極體的一端連接第二電壓比較器的輸出端，第二二極體的另一端連接電源的一個極性，且第二二極體的另一端與電源的一個極性之間設有一第四節點及一第五節點；而第一二極體的兩端分別耦合第一電壓比較器的輸出端及第四節點，第三二極體的兩端分別耦合第一節點及第五節點。
13. 一種發熱線的控溫電路之控溫方法，該發熱線包括一加熱線、一感測線、一介於加熱線及感測線之間的絕緣可熔層及一包覆於感測線及絕緣可熔層外周緣的披覆層，該加熱線的一端耦合電源的一個極性，加熱線的另一端連接一開關，該開關耦合電源的相反極性；而該控溫電路分別連接感測線及開關，該控溫電路之控溫方法包括：a.以第一正向方波訊號產生電路輸出第一正向方波訊號；b.將第一正向方波訊號輸入到及閘的第一輸入端，並將第一正向方波訊號訊號的分流在充放電之後與一調整後的電壓相比較，在比較後輸出反向方波到及閘的第二輸入端；c.讓通過感測線的訊號在經過第二電壓比較器的比較後，輸出第二正向方波訊號至及閘的第三輸入端；以及d.在及閘的三個輸入端同時輸入為邏輯高時，以觸發電路觸發開關使呈導通狀態，以加熱加熱線，而在溫度上升，使第二電壓比較器所輸出的第二正向方波訊號移動，並使及閘的三個輸入端非同時輸入為邏輯高時，則不觸發開關，以停止加熱線繼續加熱。