盧子忱馬永紅張宗寧孫洋洋劉瓏龍

（1.中國(guó)科學(xué)院云計(jì)算中心 2.東莞市凱恩電子科技有限公司 3.中國(guó)海洋大學(xué)）

兩路輸出的斷電復(fù)位溫控開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

盧子忱1,2馬永紅2張宗寧2孫洋洋2劉瓏龍3

（1.中國(guó)科學(xué)院云計(jì)算中心 2.東莞市凱恩電子科技有限公司 3.中國(guó)海洋大學(xué)）

基于雙金屬片受熱翻轉(zhuǎn)推動(dòng)與之垂直的推桿，帶動(dòng)與推桿相連的動(dòng)觸片動(dòng)作，進(jìn)而接通另一路電源，設(shè)計(jì)一款兩路輸出的斷電復(fù)位溫控保護(hù)開(kāi)關(guān)。為確保溫控開(kāi)關(guān)兩路輸出的可靠和負(fù)載用電安全，將第一路輸出端子的功率電阻替換為嵌入PTC發(fā)熱體，使負(fù)載電路因超溫過(guò)載斷開(kāi)后，只能手動(dòng)復(fù)位電路。

雙金屬片；溫控開(kāi)關(guān)；PTC；負(fù)載

0 引言

溫控開(kāi)關(guān)可將溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備[1-2]。當(dāng)電子設(shè)備的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過(guò)溫控開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)完成電路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)溫度保護(hù)及電子設(shè)備的正常工作。

現(xiàn)有的單路溫控開(kāi)關(guān)在動(dòng)作后，故障暫時(shí)排除，自動(dòng)復(fù)位，可能使故障再現(xiàn)而反復(fù)動(dòng)作，不能滿(mǎn)足某些安全設(shè)備的特殊需求；為避免反復(fù)動(dòng)作，需附加多個(gè)器件，不僅提高產(chǎn)品成本，又增加故障點(diǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)兩路輸出的斷電復(fù)位溫控開(kāi)關(guān)[3]，并且不會(huì)反復(fù)自動(dòng)復(fù)位，從而保證性能更加穩(wěn)定，電路也更加簡(jiǎn)單。

1 溫控開(kāi)關(guān)工作原理

在消毒柜[4-5]中的溫控電路，大都使用繼電器和單路輸出的溫控器作為電路控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)繼電器的閉合和斷開(kāi)而實(shí)現(xiàn)電路功能的切換，其典型的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。正常工作情況下，溫控器S2閉合，繼電器KJ1接通第一負(fù)載電路，電熱盤(pán)工作開(kāi)始消毒。當(dāng)電熱盤(pán)加熱至設(shè)定溫度時(shí)，溫控器S2斷開(kāi)，繼電器KJ1接通第二路負(fù)載電路，使電熱絲和風(fēng)機(jī)工作，進(jìn)行吹干，而電熱盤(pán)停止工作。工作一定時(shí)間后，通過(guò)時(shí)間定時(shí)器S1動(dòng)作而切斷整個(gè)電路電源，防止因溫控器 S2失靈或自動(dòng)復(fù)位而再次接通第一負(fù)載電路。

圖1 繼電器控制的消毒柜典型電路結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求其同一時(shí)刻只需一路電路工作，且達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，切換并一直保持在第二負(fù)載電路工作。如果利用現(xiàn)有的這種繼電器方案，不但需要設(shè)置時(shí)間定時(shí)器，還需要設(shè)置溫控器，從而使電路復(fù)雜，故障點(diǎn)多，成本增加。此外，環(huán)境溫度降低后，現(xiàn)有的這種電路結(jié)構(gòu)會(huì)使溫控器S2、繼電器KJ1 自動(dòng)復(fù)位至原始狀態(tài)，即與第一負(fù)載電路連通，故無(wú)法滿(mǎn)足使用需求。

2 兩路輸出的斷電復(fù)位溫控開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩路輸出的斷電復(fù)位溫控開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 兩路輸出的斷電復(fù)位溫控開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

兩路輸出的斷電復(fù)位溫控開(kāi)關(guān)通過(guò)雙金屬片感應(yīng)其表面溫度而發(fā)生翻轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)與之相垂直的推桿推動(dòng)彈片；動(dòng)彈片（即第一彈片）的自由端兩側(cè)表面上設(shè)有動(dòng)觸點(diǎn)，動(dòng)觸點(diǎn)可接通第一輸出端子或第二輸出端子的靜觸點(diǎn)，從而使第一負(fù)載電路或第二負(fù)載電路工作。

在第一輸出端設(shè)有 PTC發(fā)熱體，該發(fā)熱體經(jīng)第二彈片與所述第一彈片連接。當(dāng)負(fù)載的工作溫度在正常范圍時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)與第一輸出端子的靜觸點(diǎn)連接，第一負(fù)載電路正常工作，此時(shí) PTC發(fā)熱體不工作；當(dāng)雙金屬片檢測(cè)到負(fù)載的工作溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，雙金屬片推動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)與第二輸出端子的靜觸點(diǎn)接觸，第二負(fù)載電路正常工作，同時(shí) PTC發(fā)熱體與第一負(fù)載電路導(dǎo)通并持續(xù)發(fā)熱，使動(dòng)觸點(diǎn)一直與第二輸出端子的靜觸點(diǎn)接觸，保持第二負(fù)載電路持續(xù)接通工作。只有手動(dòng)切斷電源電路時(shí)，雙金屬片冷卻復(fù)位后，動(dòng)觸點(diǎn)才與第一輸出端子的靜觸點(diǎn)接觸而導(dǎo)通。從而避免了因環(huán)境溫度降低使雙金屬片復(fù)位，而導(dǎo)致再次接通第一負(fù)載電路的反復(fù)動(dòng)作。

3 電路設(shè)計(jì)

兩路輸出的斷電復(fù)位溫控開(kāi)關(guān)具有兩級(jí)輸出，實(shí)現(xiàn)兩路工作電路的溫度控制，可應(yīng)用于多種兩級(jí)輸出的應(yīng)用場(chǎng)所。具有接線(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，動(dòng)作后必須手動(dòng)復(fù)位，使其性能更穩(wěn)定，更安全方便。

兩路輸出的斷電復(fù)位溫控開(kāi)關(guān)應(yīng)用于消毒柜的實(shí)例如圖3所示。溫控開(kāi)關(guān)動(dòng)觸片e一端與電源N連接，另一端為動(dòng)觸片；第一輸出端子d與第一負(fù)載電路連接，即電熱盤(pán)所在的消毒電路；第二輸出端子c與第二負(fù)載電路連接，即由并聯(lián)的電熱絲和風(fēng)機(jī)組成的烘干電路。正常狀態(tài)下，e和d連接，接通第一負(fù)載電路，此時(shí) PTC發(fā)熱體短路不工作，第一負(fù)載電路正常工作，第二負(fù)載電路斷開(kāi)。當(dāng)電熱盤(pán)通電發(fā)熱至設(shè)定溫度時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)中的雙金屬片翻轉(zhuǎn)，接通第二負(fù)載電路，即e端與c端連通，電熱絲和風(fēng)機(jī)工作。此時(shí)第一負(fù)載電路中的電熱盤(pán)與 PTC發(fā)熱體串聯(lián)，由于 PTC的電阻遠(yuǎn)大于電熱盤(pán)的電阻，第一負(fù)載電路上流經(jīng)的電流極小，可視為不工作。而PTC發(fā)熱體因?qū)ǘ掷m(xù)產(chǎn)生熱量，使溫控開(kāi)關(guān)一直處于翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持e和c接通。此時(shí)，只有手動(dòng)切斷電源才能使 PTC發(fā)熱體因掉電而停止發(fā)熱，冷卻至一定溫度時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)中雙金屬片才會(huì)復(fù)位，使e和d接通，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的復(fù)位。若非人為切斷電源，PTC發(fā)熱體便不斷發(fā)熱，使電路保持在第二負(fù)載電路工作，第一負(fù)載電路不工作的狀態(tài)。

圖3 采用新型溫控開(kāi)關(guān)的消毒柜電路結(jié)構(gòu)

通過(guò)本溫控開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)時(shí)間定時(shí)器 S1、繼電器KJ1和溫控器S2的功能。由1個(gè)器件替換3個(gè)器件，使電路更加簡(jiǎn)單，產(chǎn)品成本更低。此外，本溫控開(kāi)關(guān)只有手動(dòng)斷電時(shí)才會(huì)復(fù)位，因此可靠性更強(qiáng)。

4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)

4.1 溫控開(kāi)關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試樣品24片，放入烤箱，設(shè)定溫度標(biāo)準(zhǔn)范圍為：動(dòng)作溫度（125±5）℃，復(fù)位溫度（50±5）℃，實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

表1 溫控開(kāi)關(guān)溫度性能測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 溫控開(kāi)關(guān)動(dòng)作溫度曲線(xiàn)圖

4.2 PTC電阻－溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

PTC電阻－溫度測(cè)試條件：交流220 V/50 Hz，室溫38℃，測(cè)試時(shí)間30 min。用溫度探頭測(cè)試PTC發(fā)熱膜表面溫度，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由于普通功率電阻體積較大，無(wú)法直接放入溫控開(kāi)關(guān)內(nèi)部，故選用體積小而功率大的PTC作為功率電阻，且只采用其電阻值突變前的較為穩(wěn)定的一段，PTC電阻－溫度曲線(xiàn)圖如圖5所示。

表2 PTC電阻－溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

5 分析

溫控開(kāi)關(guān)的動(dòng)作溫度在（125±5）℃范圍內(nèi)，復(fù)位溫度在（50±5）℃，符合設(shè)計(jì)要求。

PTC阻值在溫度160℃以上開(kāi)始跳變，電阻急劇增大。PTC阻值在130℃以下非常平穩(wěn)，保持在4 k Ω左右，可以作為高溫大功率電阻使用。電源為220 V時(shí)，PTC功率約為12 W。

與PTC串聯(lián)的電熱盤(pán)（220 V/500 W）阻值約96 Ω，其壓降可以忽略不計(jì)，相當(dāng)于短路，此時(shí)只有PTC保持工作，從而持續(xù)發(fā)熱使雙金屬片保持動(dòng)作狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

溫控開(kāi)關(guān)通過(guò)設(shè)置PTC發(fā)熱體使負(fù)載電路因超溫過(guò)載斷開(kāi)后，只有通過(guò)手動(dòng)方式才能使負(fù)載電路復(fù)位，從而保證了溫控開(kāi)關(guān)兩路輸出電流的工作可靠性及用電負(fù)載的安全性。相比于傳統(tǒng)技術(shù)，本設(shè)計(jì)通過(guò)一個(gè)溫控開(kāi)關(guān)便可實(shí)現(xiàn)繼電器、溫控器和時(shí)間定時(shí)器的功能，因此可降低產(chǎn)品成本，簡(jiǎn)化電路，減少故障點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中溫控開(kāi)關(guān)有可能在故障未消除時(shí)反復(fù)自動(dòng)復(fù)位的安全隱患。

[1] 仲高艷,林小藝,徐翔.用于電熱水壺的電子式溫控器的研制[J].電子器件,2006,29(3):808-812.

[2] 郭濤,李麗華,勞永建.一種非接觸式微加速度開(kāi)關(guān)的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2008,21(4):664-666.

[3] 盧子忱,馬永紅,鄭勸文,等. 可控制多負(fù)載電路的彈片式斷電復(fù)位溫控開(kāi)關(guān): 中國(guó), ZL201420457032.X[P]. 2014-12-31.

[4] 梁仲華.創(chuàng)大 ZTP63C食具消毒柜電路與維修[J].家庭電子,2003(11):22.

[5] 郭碩,朱陽(yáng)春,程貴亮.機(jī)械溫控器對(duì)冷柜耗電量的影響[J].電器,2013(S1):600-602.

A Power-Down Reset Thermostat Switch of Dual Outputs

Lu Zichen1,2Ma Yonghong2Zhang Zongning2Sun Yangyang2Liu Longlong3
(1. Cloud Computing Center, Chinese Academy of Sciences
2. Dongguan Kain Electronics Co., Ltd.
3. Ocean University of China)

The paper presents a design of power-down reset thermostat switch of dual outputs by using the bi-metallic strip heated and flipped to push a rod which is connected to a movable contact spring and moved, thereby connecting the other load circuit to finish circuit switching. And a PTC instead of the power resistance in the first output terminal is embedded, to continuously produce heat to make the double metal piece to keep heating turned state, so that the load circuit is disconnected due to over temperature overload, and is reset only by manual mode. Therefore the working reliability of the thermostat switch outputs and safety of the electricity load are guaranteed.

Bimetal; Thermostat; PTC; Load

盧子忱，男，1969年生，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：紅外電熱和紅外醫(yī)學(xué)。E-mail: luzichen@163.com