馬穎

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628040）

目前市場上常見的冷熱型飲水機(jī)主要有半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)和壓縮機(jī)制冷飲水機(jī)，而同類型的壓縮機(jī)制冷飲水機(jī)，其成本比半導(dǎo)體制冷飲水要高得多，因此家用可制冷飲水機(jī)多采用半導(dǎo)體制冷型[1]。作為半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)主要控制部件的溫控系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)主要采用熱敏電阻作為溫控器件，但在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對熱敏電阻的溫度感應(yīng)模型設(shè)計(jì)要求有較高的數(shù)學(xué)功底，比較難設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的的半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)。針對上述現(xiàn)象，文中結(jié)合NTC熱敏電阻的溫度特性利用Multisim11設(shè)計(jì)出了飲水機(jī)的半導(dǎo)體制冷控制電路，并對控制電路的溫控系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)掃描仿真分析，以驗(yàn)證飲水機(jī)電路在制冷時(shí)可根據(jù)水溫變化自動(dòng)控制半導(dǎo)體制冷片工作的功能。

圖1 半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of Semiconductor refrigeration dispenser system

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能飲水機(jī)的系統(tǒng)電路主要由加熱溫控電路，制冷溫控電路，消毒控制電路組成。其中制冷控制電路部分，以NTC熱敏電阻為核心溫控器件，通過對市電進(jìn)行降壓、整流、濾波、直流穩(wěn)壓后，進(jìn)入溫控比較電路，然后輸出驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片及散熱風(fēng)扇電機(jī)工作。

2 NTC熱敏電阻特性

熱敏電阻器是對溫度敏感元件的一類，其典型的特點(diǎn)是，在不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。本設(shè)計(jì)中采用的是TS系列的103-3435型負(fù)溫度系數(shù)溫度感測器（NTC）作為溫控比較電路的核心器件，該熱敏電阻在溫度越高時(shí)電阻值越低，主要應(yīng)用于空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機(jī)等家用電器的溫控系統(tǒng)中，居有靈敏度高、反應(yīng)迅速，電阻值和B值精度高、一致性互換性好等特點(diǎn)。

根據(jù)NTC的溫度特性公式：RT=RNexpB*（1/T-1/TN）[2]。代入TS103-3435熱敏電阻的參數(shù)：標(biāo)稱值R25=10 kΩ，熱敏指數(shù)B值=3 435，可以確定該熱敏電阻在某個(gè)環(huán)境溫度T（K）下的電阻值RT，得到其在0~50℃的電阻-溫度特性圖如圖2所示。

圖2 熱敏電阻TS103－3435在0～50℃的電阻-溫度特性圖Fig.2 Resistance-temperature characteristics of the thermistor TS103－3435 at 0～50℃

一般半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)的制冷溫度為15℃，最低可到10℃。在文中設(shè)計(jì)飲水機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)溫度就在10~15℃之間。因此，根據(jù)其電阻溫度特性曲線可以得到：10℃時(shí)，RT=18.41 kΩ；15℃時(shí)，RT＝14.92 kΩ。

3 NTC熱敏電阻仿真模型的建立

利用熱敏電阻設(shè)計(jì)溫控電路時(shí)，需要將其阻值轉(zhuǎn)換為電壓值，并將熱敏電阻簡化成其中的一個(gè)電平接口。問題是在仿真設(shè)計(jì)中，Multisim11沒有熱敏電阻的仿真模型，因此，如何利用系統(tǒng)自帶的電阻溫度系數(shù)設(shè)置并模擬仿真熱敏電阻的非線性行為是一個(gè)需解決的問題。

在仿真軟件Multisim11中，電阻溫度系數(shù)的設(shè)置有3個(gè)參數(shù)：溫度系數(shù)TC1、TC2，以及仿真標(biāo)稱溫度。其中TC1和TC2都只能為正值，所以直接設(shè)置負(fù)溫度系數(shù)的電阻在Multisim11是不能實(shí)現(xiàn)的，只有通過數(shù)學(xué)模型來近似設(shè)置仿真標(biāo)稱溫度負(fù)增長一側(cè)的電路參數(shù)，從而模擬NTC的負(fù)溫度系數(shù)的情況[3]。

由電阻仿真模型參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：

可分析得到溫度系數(shù)的近似值分別?。篢C1＝0.008 8，TC2＝0.004 2。將這個(gè)NTC仿真模型用恒流源串聯(lián)起來，根據(jù)對工作溫度變化的掃描輸出其兩端電壓的數(shù)值，就可得到0℃至常溫25℃的熱敏電阻模型的阻值仿真結(jié)果，如表1所示。

表1 NTC及其仿真模型的電阻-溫度特性對照表Tab.1 Resistance-temperature characteristics comparison table of NTC and its simulation model

從表中可以看出，在制冷片驅(qū)動(dòng)工作溫度10～15℃之間，仿真結(jié)果與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值的誤差可以控制在2.5%以內(nèi)，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 制冷溫控電路設(shè)計(jì)

溫控電路是制冷驅(qū)動(dòng)電路的核心部分，根據(jù)飲水機(jī)工作原理，要求在常溫（＞15℃）時(shí)，可驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片制冷，當(dāng)水溫下降到10℃時(shí)，停止制冷，然后保持制冷工作狀態(tài)，當(dāng)水溫上升到15℃時(shí)，自動(dòng)開始重新制冷，如此一直往復(fù)循環(huán)，使水溫控制在10～15℃之間，其工作特性如圖3所示。

圖3 溫控比較電路工作特性圖Fig.3 Characteristics diagram of temperature control comparison circuit

根據(jù)上述分析，選用HA17393構(gòu)成具有雙閾值的回差電壓比較器來實(shí)現(xiàn)溫控電路，整機(jī)仿真電路如圖4所示[4]。

圖4 半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)仿真電路圖Fig.4 Semiconductor refrigeration dispenser circuit simulation diagram

根據(jù)溫控電路的原理，分別計(jì)算相關(guān)元器件的參數(shù)如下：

1）當(dāng)制冷開關(guān)J3閉合，且水溫＞15℃時(shí)，電壓比較器輸出高電平，D5截止無反饋，Q1導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片及散熱風(fēng)扇電機(jī)工作，同時(shí)制冷指示燈LED3亮。此時(shí)，比較器的同相輸入端用R4、R5串聯(lián)分壓得到制冷工作時(shí)的比較電平：UTH+＝0.5Uz＝4.55 V。

2）當(dāng)水溫下降至10℃時(shí)，比較器輸出低電平，D5導(dǎo)通有反饋，Q1截止制冷片停止工作，比較器的同相輸入端除R4、R5外，還有R8和D5導(dǎo)通的共同作用，此時(shí)比較電平會(huì)下降至UTH－。由此，可得R6R7和反饋電阻R8的計(jì)算公式：

聯(lián)立求解，得R8＝2.25 kΩ， 取標(biāo)稱值2.2 kΩ；R67＝14.92 kΩ，實(shí)際電路中R6、R7可分別用12 kΩ的固定電阻和6.8 kΩ的電位器串聯(lián)代替，這樣可方便進(jìn)行手動(dòng)溫度補(bǔ)償校正。在仿真系統(tǒng)中R67取值：R6+R7＝12+44%×6.8 kΩ＝14.992 kΩ。

5 系統(tǒng)仿真調(diào)試結(jié)果

連接好仿真電路并設(shè)置參數(shù)后，對系統(tǒng)電路應(yīng)用Multisim11的參數(shù)掃描分析功能，針對熱敏電阻RT進(jìn)行工作溫度參數(shù)掃描，設(shè)置從0℃啟動(dòng)，40℃停止，單步增量為1℃，得到HA17393的輸出端電壓Uo隨RT溫度變化的曲線[5]，如圖5所示。

圖5 制冷控制輸出電壓-溫度參數(shù)掃描界面圖Fig.5 Refrigeration control output voltage-temperature parameter scanning interface diagram

將掃描結(jié)果導(dǎo)出為EXCEL，得到如表2所示的仿真調(diào)試結(jié)果。

表2 RT溫度與制冷控制輸出電壓的仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of RT temperature and refrigeration control output voltage

通過仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)NTC熱敏電阻RT的環(huán)境溫度大于15℃時(shí)，輸出為15 V左右的高電平，能使Q1導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)制冷片工作，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié) 論

Multisim11是一款功能強(qiáng)大的電子電路仿真軟件，除了可以利用虛擬儀表直接觀測電路的參數(shù)外，還提供了18種電路分析工具進(jìn)行電路分析[6]。本設(shè)計(jì)主要利用其中的參數(shù)掃描分析工具，對建立的NTC熱敏電阻模型進(jìn)行飲水機(jī)溫控電路的溫度參數(shù)掃描分析，仿真運(yùn)行的結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)了飲水機(jī)電路在制冷時(shí)可根據(jù)水溫變化自動(dòng)控制半導(dǎo)體制冷片工作的功能。

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[5]盧艷紅，季峰，虞滄.基于Multisim10的電子電路設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[6]雷躍.NI Multisim 11電路仿真應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.