一种用于PTC/NTC发热线的温度控制及保护装置的制作方法

本实用新型涉及电加热器技术领域，具体地说是一种用于PTC/NTC发热线的温度控制及保护装置。

背景技术：

PTC材料是一种具有正温度系数的半导体电阻，超过居里温度时，其电阻值随着温度的升高而显著增大。

NTC材料是一种具有负温度系数的半导体电阻，超过居里温度时，其电阻值随着温度的升高而显著减小。

PTC/NTC发热线，则是在PVC绝缘层外壳内设置一层检测线、一层PTC加热线，并在检测线和PTC发热线之间填充一层NTC绝缘材料。现有的发热毯、电热毯、宠物垫、发热靴、按摩发热垫、人体局部发热产品，暖胎垫、餐盘加热垫及其它物品保温、加热系列产品中的发热元件经常采用PTC/NTC发热线。

但是，目前国内外的传统发热垫、电热毯等电热产品，采用普通发热线加热、温控器控温，其控温精度误差较大，恢复时间较长，温度平稳度不好，在不同的使用环境下发热效果相差明显，在环境温度很低的时候使用者会感觉不够热，舒适度不佳，且这些产品非正常使用时，无任何安全保护功能。而对于采用单纯PTC加热线或单纯PTC测温的温度控制产品在安全方面也不能对产品局部或单点过温、过热进行保护，非正常使用仍有安全隐患，产品失效可能对使用者产生危害。而另有一类电热产品，尽管采用PTC/NTC发热线，具有利用NTC特性对产品局部或单点过温过热进行保护的功能，但其利用NTC特性对产品局部或单点过温过热进行保护的原理却是通过判断NTC绝缘材料因局部高温形成较大漏电流在取样电阻上产生的压降是否达到主控芯片的输入高电平的方式来实现的，而高电平的数值却会因主控芯片之间的差异一般可达±10%的直流供电电压、主控芯片的直流供电电压的差异一般可达±0.5V等因素，导致对产品局部或单点过温过热进行保护的温度点相差悬殊，一般可达±10’C，不足之处显而易见。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供一种用于PTC/NTC发热线的温度控制及保护装置，具有温度误差较小、平稳度较好、非正常使用的安全保护功能齐全、并能对产品局部或单点过温过热进行精确保护的特点。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于PTC/NTC发热线的温度控制及保护装置，包括装置壳体和设置在装置壳体内的控制电路，控制电路设有与交流电源相连接的交流输入模块，以及与PTC/NTC发热线相连接的加热模块。控制电路还包括主控芯片模块，主控芯片模块具有用于控制加热模块工作的主控芯片；加热模块包括串联在加热支路中的第一双向可控硅和第一双向可控硅；主控芯片具有发送控制信号的第9脚，第9脚连接有向第一双向可控硅和第二双向可控硅发送触发控制脉冲的触发模块。

为优化上述技术方案，本实用新型还包括以下改进的技术方案。

上述的主控芯片具有用于模数信号转换的第6脚，第6脚连接有用于生成断线检测信号和NTC检测信号的NTC及断线检测模块。

上述的NTC及断线检测模块包括能在触发模块关闭加热模块后形成检测回路的第三分压电阻、第四分压电阻和第五分压电阻；第三分压电阻的第一端连接熔断器的输出端，第三分压电阻的第二端与PTC/NTC发热线中的检测线、第四分压电阻和第五分压电阻相串联并接零线端；主控芯片的第6脚连接在第四分压电阻和第五分压电阻之间。

上述的触发模块包括相并联的第一限流电阻和第二限流电阻，以及与第一双向可控硅的门极相连接的第一耦合电容、与第二双向可控硅的门极相连接的第二耦合电容和抗干扰电阻；第一限流电阻与第二限流电阻的并联支路的第一端与主控芯片的第9脚连接，并联支路第二端与第一耦合电容及第二耦合电容的第一端相连接；抗干扰电阻跨接于第二双向可控硅的门极与第一主电极之间。

上述的主控芯片具有用于输入加热模块检测电流的第7脚，第7脚连接有电流检测模块；电流检测模块包括取样电阻和隔离电阻；取样电阻的第一端和隔离电阻的第一端分别与第二双向可控硅的第一主电极相连接，取样电阻的第二端与主控芯片的第7脚相连接。

上述的交流输入模块通过短路保护模块、EMC模块，并经直流稳压模块转换为直流电后连接主控芯片的第16脚；短路保护模块包括与交流输入模块的火线端串联的熔断器。

上述的EMC模块包括压敏电阻、X电容和第一电阻构成的并联支路，并联后的第一端与熔断器的输出端相连接，并联后的第二端与交流输入模块的零线端相连接。

上述的直流稳压模块包括依次串联在熔断器输出端和零线端之间的降压电容和第二电阻；第二电阻的第二端连接第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阴极，第二整流二极管的阳极连接零线端；第一整流二极管的阴极连接稳压二极管(ZD1)的阴极、电解电容的正极、瓷片电容的第一端和第三电阻的第一端；稳压二极管的阳极、电解电容的负极、瓷片电容的第二端和第三电阻的第二端连接零线端。

上述的主控芯片具有输入电压采样值的第14脚，第14脚连接有电压检测模块；电压检测模块包括第一分压电阻和第二分压电阻串联的分压电路；第一分压电阻的第一端连接熔断器的输出端，第一分压电阻第二端和第二分压电阻第一端以及主控芯片的14脚连接，第二分压电阻第二端连接零线端。

上述的主控芯片具有输入与交流电源相位相反且电压幅值最大为+5V同步信号的第15脚，第15脚连接有取样同步信号的同步模块；同步模块包括第四电阻和稳压管构成的取样电路，以及NPN型三极管构成的整形电路；第四电阻的第一端连接熔断器的输出端，第四电阻的第二端连接稳压管的阴极和NPN型三极管的基极，稳压管的阳极和NPN型三极管的发射极均接零线端，NPN型三极管的集电极连接上拉电阻的第二端和主控芯片的第15脚，上拉电阻的第一端连接直流稳压模块的+5V输出端。

与现有技术相比，本实用新型的一种用于PTC/NTC发热线的温度控制及保护装置，由于采用PTC控温，所以温度控制精确，误差小于±3摄氏度，避免了机械温控器的回滞温度区间大的弊端，具有平稳度较好的优点。在产品局部或单点过温过热保护方面，因主控芯片模块采用12Bits模拟-数字转换器，使产品局部或单点过温过热而在NTC绝缘层中生成的漏电流经NTC取样电阻转换而成的漏电压降的分辨率可达819级/伏，所以可对产品局部或单点过温过热进行精确保护，误差也可小于±3摄氏度，并可以实现短路保护、抗干扰能力强、骚扰度小、电网浪涌抑制、断线保护、防双向可控硅误触发、防单个双向可控硅短路、防主控芯片失效或触发引脚损坏、防用户程序跑飞等安全保护功能。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电路模块结构示意图；

图2为本实用新型实施例的电路原理示意图；

图3为本实用新型实施例的同步及触发波形示意图；

图4为NTC及断线检测功能原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述。

图1至图4所示为本实用新型的结构示意图。

其中的附图标记为：其中的附图标记为：交流输入模块1、短路保护模块2、EMC模块3、直流稳压模块4、同步模块5、主控芯片模块6、档位指示模块7、操作模块8、电压检测模块9、电流检测模块10、NTC及断线检测模块11、触发模块12、加热模块13、火线端L、零线端N、熔断器F1、压敏电阻RV1、X电容C1、第一电阻R1、降压电容C2、第二电阻R2、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、稳压二极管ZD1、电解电容C3、瓷片电容C4、第三电阻R3、第四电阻R4、上拉电阻R5、稳压管ZD2、NPN型三极管Q1、第一分压电阻R6、第二分压电阻R7、取样电阻R8、隔离电阻R9、主控芯片U1、第一双向可控硅T1、第二双向可控硅T2、第三分压电阻RX1、第四分压电阻R10、第五分压电阻R11、第一限流电阻R12第二限流电阻R13、第一耦合电容C5、第二耦合电容C6、抗干扰电阻R14、第三限流电阻R15、第四限流电阻R16、第五限流电阻R17、红色发光二极管DS1、黄色发光二极管DS2、绿色发光二极管DS3。

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述。

本实用新型的PTC/NTC发热线的温度控制及保护装置由交流输入模块1、短路保护模块2、EMC模块3、直流稳压模块4、同步模块5、主控芯片模块6、档位指示模块7、操作模块8、电压检测模块9、电流检测模块10、NTC及断线检测模块11、触发模块12、加热模块13构成。所有模块的元器件均焊接在一块印刷线路板上，再装配进一套含上壳、下壳、按键帽等零部件的塑胶组件内，形成一个完整的控制器。

交流输入模块1是一根带插头的电源线，插头端直接插入交流市电插座，另一端焊接于印刷线路板的火线端L、零线端N焊盘，作用是给温度控制及保护装置供电。

短路保护模块2由熔断器F1组成，熔断器F1的第一端连接于火线端L，熔断器F1的输出端连接EMC模块3的第一端。短路保护模块2的作用是当温度控制及保护装置的电路中出现异常大电流时迅速熔断，防止高温乃至火灾或爆炸事故的发生，从而确保产品安全。

温度控制及保护装置所需的交流电源通过交流输入模块1的电源线引入，经过接于火线端L的熔断器F1后，交由EMC模块3进行装置抗扰能力的提升、装置骚扰度的降低和交流电源浪涌电压的抑制等处理，使交流电源质量变得纯净，再供直流稳压模块4、同步模块5、主控芯片模块6、电压检测模块9、NTC及断线检测模块11和加热模块13使用。

EMC模块3由压敏电阻RV1、X电容C1、第一电阻R1并联构成，并联后的第一端连接于熔断器F1的第二端，并联后的第二端连接于零线端N。X电容C1和第一电阻R1的作用是既要提高装置自身的抗干扰能力以达到安规认证的要求，又要降低装置对电网的骚扰度以达到安规认证的要求，压敏电阻RV1的作用是抑制交流电源的浪涌电压对该PTC/NTC发热线的温度控制及保护装置的冲击。

直流稳压模块4为阻容降压、整流、稳压、滤波的电路结构，作用是将交流市电转换成稳定的5V直流电源，给同步模块5、主控芯片模块6、档位指示模块7等低压电路供电。降压电容C2的第一端连EMC模块3的第一端，降压电容C2的第二端连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端连接第一整流二极管D1的阳极和第二整流二极管D2的阴极，第二整流二极管D2的阳极连接零线端N，第一整流二极管D1的阴极连接稳压二极管ZD1的阴极、电解电容C3的正极、瓷片电容C4的第一端、第三电阻R3的第一端，稳压二极管ZD1的阳极、电解电容C3的负极、瓷片电容C4的第二端、第三电阻R3的第二端连接零线端N。交流电源负半周期间，电能经过零线端N、第二整流二极管D2、第二电阻R2、降压电容C2、熔断器F1回到火线端L，将正半周期间降压电容C2的储存电能放掉。交流电源正半周期间，电能经过火线端L、熔断器F1、降压电容C2、第二电阻R2、第一整流二极管D1、稳压二极管ZD1、电解电容C3、瓷片电容C4、第三电阻R3回到零线端N，给降压电容C2充电的同时，在稳压二极管ZD1、电解电容C3、瓷片电容C4、第三电阻R3并联的两端得到稳定的5V直流电源，极性为与零线端N相连的一端为GND，与电解电容C3正极相连的一端为+5V。

同步模块5由取样和整形电路组成，取样电路包括第四电阻R4和稳压管ZD2，整形电路包括NPN型三极管Q1，作用是将交流电源的正弦波电压转换成与之相位相反、电压幅值最大+5V的同步信号，供主控芯片U1使用。同步模块5中第四电阻R4的第一端连接熔断器F1的输出端，第四电阻R4第二端连接稳压管ZD2的阴极和NPN型三极管Q1的基极，稳压管ZD2的阳极和NPN型三极管Q1的发射极均接GND，即零线端N；NPN型三极管Q1的集电极连接上拉电阻R5的第二端和主控芯片U1的15脚，上拉电阻R5的第一端连接直流稳压模块4的+5V输出端。正半周时，交流电源的正弦波电压经火线端L、熔断器F1、第四电阻R4、稳压管ZD2和NPN型三极管Q1的be结至GND，NPN型三极管Q1的be结由于正向偏置而导通，其集电极，也就是主控芯片U1的第15脚始终为0。负半周时，交流电源的正弦波电压经GND、稳压管ZD2、第四电阻R4、熔断器F1、火线端L，NPN型三极管Q1的be结由于反向偏置而截止，NPN型三极管Q1的集电极，也就是主控芯片U1的第15脚始终为1，如图3所示。

主控芯片模块6为PTC/NTC发热线的温度控制及保护装置的核心所在，主控芯片U1是一款SOP16封装、2K*14BitsFLASHROM、208BytesRAM、12*12BitsADC、8M/4M内振、3个内部+2个外部中断源、8级堆栈、内置WDT定时器的高性价比的微控制器。主控芯片U1的引脚配置如下：第1脚连接GND；第16脚连接+5V；第2、3、4、5脚配置为推挽输出口，悬空不用；第6脚配置为模拟输入口，接收NTC及断线检测信号；第7脚配置为模拟输入口，接收电流检测信号；第8脚配置为带内部上拉电阻的输入口，连接操作按键；第9脚配置为推挽输出口，连接可控硅触发电路；第10脚配置为推挽输出口，悬空不用；第11脚配置为推挽输出口，连接高档LED指示灯；第12脚配置为推挽输出口，连接中档LED指示灯；第13脚配置为推挽输出口，连接低档LED指示灯；第14脚配置为模拟输入口，接收电压检测信号；第15脚配置为外部中断输入口，接收同步信号。

档位指示模块7由高、中、低三个档位LED显示电路构成。三条档位显示电路均为第三限流电阻R15、第四限流电阻R16和第五限流电阻R17分别串联红色发光二极管DS1、黄色发光二极管DS2和绿色发光二极管DS3的阳极，红色发光二极管DS1、黄色发光二极管DS2和绿色发光二极管DS3的阴极分别连接主控芯片U1的档位指示驱动脚第11、12和13脚。第三限流电阻R15、第四限流电阻R16和第五限流电阻R17另一端均连接+5V。档位指示模块7的作用是指示所述装置的当前工作档位或工作状态。其工作原理是，主控芯片U1的档位指示驱动脚第11、12或13脚输出电平如为1，则对应LED熄灭，输出电平如为0，则对应LED点亮。

操作模块8为一个轻触按键，一端接主控芯片U1的第8脚，另一端接GND。作用是将按压与释放的按键操作转换为分别对应主控芯片U1的8脚上的低电平或高电平信号，供主控芯片U1检测。温度控制及保护装置的工作状态只能由该轻触按键设定，根据轻触按键的操作次数，可以设定装置的待机状态及低档、中档或高档工作状态。

电压检测模块9为第一分压电阻R6和第二分压电阻R7串联的分压电路，第一分压电阻R6第一端连接熔断器F1的输出端，第一分压电阻R6的第二端和第二分压电阻R7的第一端以及主控芯片U1的第14脚连接，第二分压电阻R7的第二端连接GND，作用是从熔断器F1输出端与GND端之间获取交流电源，将幅值很高的交流电压以线性关系降低为幅值5V以内的交流电压，供给主控芯片U1的第14脚，进行模拟与数字转换，转换后的电压采样值作为温度判断的依据之一。

电流检测模块10为一种小阻值电阻取样电路，包括取样电阻R8和隔离电阻R9。取样电阻R8的第一端和隔离电阻R9的第一端连接加热模块13中第二双向可控硅T2的第一主电极，取样电阻R8第二端连接零线端N，隔离电阻R9的第二端连接主控芯片U1的第7脚。电流检测模块10的作用是在加热模块13中的第一双向可控硅T1和第二双向可控硅T2均开通后，交流电源将在火线端L、熔断器F1、PTC加热线、第一双向可控硅T1、第二双向可控硅T2、取样电阻R8、零线端N的回路中产生加热电流Ih，此加热电流Ih流过取样电阻R8，即得到一个对应的电压，大小等于Ih与取样电阻R8阻值的乘积，此电压经隔离电阻R9供给主控芯片U1的第7脚，进行模拟与数字信号转换，转换后电流采样值作为温度判断的依据之二。

NTC及断线检测模块11为一种电阻串联分压电路，包含第三分压电阻RX1、PTC/NTC发热线的NTC绝缘层、检测线、第四分压电阻R10、第五分压电阻R11。第三分压电阻RX1第一端连接熔断器F1的输出端，第三分压电阻RX1的第二端与PTC/NTC发热线中的检测线、第四分压电阻R10和第五分压电阻R11相串联并接零线端N。第四分压电阻R10的第二端连接主控芯片U1的6脚和第五分压电阻R11的第一端，第五分压电阻R11的第二端连接GND。

NTC及断线检测模块11的作用是生成断线检测信号和NTC检测信号，通过主控芯片U1的6脚，供主控芯片U1的模拟与数字信号转换器采集。

本实施例中，NTC及断线检测模块11的工作原理是，在交流电源的每17个周期的第一个周期的正半周，关断加热模块13的第一双向可控硅T1和第二双向可控硅T2，交流电源首先将在火线端L、熔断器F1、第三分压电阻RX1、第四分压电阻R10、第五分压电阻R11、零线端N的回路中产生一个恒定的断线检测电流Ib，如图4所示，除非该回路断线开路，其次在火线端L、熔断器F1、PTC加热线、NTC绝缘层、检测线、第四分压电阻R10、第五分压电阻R11、零线端N的回路中产生一个随发热线温度变化而同向变化的NTC检测电流In。恒定的断线检测电流Ib和随发热线温度变化而同向变化的NTC检测电流In共同作用，在第五分压电阻R11上将产生电压降，通过主控芯片U1的第6脚，进入主控芯片U1的模拟与数字转换器转换，转换后的数据称为断线及NTC采样值，作为断线保护和发热主体局部过热的判断依据。当该回路断线开路时，在第五分压电阻R11上产生的电压降会低于主控芯片U1内程序中固化的断线保护判断基准值，主控芯片U1将关断加热模块13的第一双向可控硅T1和第二双向可控硅T2，同时黄色LED指示灯闪烁，避免发热主体非正常发热，从而确保产品安全。当该回路未断线开路且发热线温度较低时，NTC检测电流In极小，只有断线检测电流Ib在第五分压电阻R11上产生电压降，此电压降会高于主控芯片U1内程序中固化的断线保护判断基准值，但低于主控芯片U1内程序中固化的发热主体局部过热的判断基准值，断线保护功能和发热主体局部过热保护功能均不起作用，整个装置将按设定档位正常工作，黄色LED指示灯也不会闪烁。当该回路未断线开路且发热线局部温度过热时，NTC检测电流In较大，此时断线检测电流Ib和随发热线温度变化而同向变化的NTC检测电流In共同作用，在第五分压电阻R11上产生的电压降既高于主控芯片U1内程序中固化的断线保护判断基准值，又高于主控芯片U1内程序中固化的发热主体局部过热的判断基准值，断线保护功能不起作用，黄色LED指示灯不闪烁，但发热主体局部过热保护功能生效，主控芯片U1将关断加热模块13的第一双向可控硅T1和第二双向可控硅T2，避免发热主体非正常发热，从而确保产品安全。

触发模块12采用电阻限流、电容耦合的方式传输触发脉冲至双向可控硅，由第一限流电阻R12、第二限流电阻R13、第一耦合电容C5、第二耦合电容C6、抗干扰电阻R14组成。第一限流电阻R12、第二限流电阻R13并联后，第一端连接主控芯片U1的第9脚，第二端连接第一耦合电容C5的第一端和第二耦合电容C6的第一端，第一耦合电容C5的第二端连接第一双向可控硅T1的门极，第二耦合电容C6的第二端连接第二双向可控硅T2的门极，抗干扰电阻R14跨接于第二双向可控硅T2的门极与第一主电极之间。触发模块12简单可靠，一方面抗干扰电阻R14可防止第一双向可控硅T1和第二双向可控硅T2的误触发，另外，即使主控芯片U1失效或其触发脉冲输出口损坏，一直保持高电平或低电平，都会因电容的隔直通交作用被第一耦合电容C5和第二耦合电容C6所隔断，第一双向可控硅T1和第二双向可控硅T2得不到触发脉冲电流而无法导通，避免发热主体非正常发热，从而确保产品安全。

加热模块13由PTC/NTC发热线中的PTC加热线和两个无触点、小电流可控的功率开关元件串联组成。所述PTC/NTC发热线包括一层检测线、一层PTC加热线和一层介于检测线和PTC加热线之间的NTC绝缘层。PTC加热线的第一端通过熔断器F1接于交流市电的火线，PTC加热线的第二端接于第一双向可控硅T1的第二主电极，第一双向可控硅T1的第一主电极连接第二双向可控硅T2的第二主电极，第二双向可控硅T2的第一主电极连接电流检测模块10中取样电阻R8的第一端，取样电阻R8的第二端连接GND，即零线端N，第一双向可控硅T1的门极接至触发电路中第一耦合电容C5的第二端，第二双向可控硅T2的门极接至触发电路中第二耦合电容C6的第二端。

加热模块13的作用是在交流电源过零点且接受触发脉冲后，功率开关元件导通，PTC加热线两端得到交流电源而产生热量，而没有触发脉冲时，功率开关元件关断，PTC加热线两端得不到交流电源而停止加热。在加热模块13中，由于采用两个功率元件的串联，避免了采用单一功率元件时因功率元件的短路损坏而导致的发热主体非正常发热，从而确保产品安全。

主控芯片模块6由直流稳压模块4输出的+5V供电，完成初始化后，即循环运行用户程序的主程序。

主控芯片模块6的主控芯片U1在运行用户程序的主程序过程中，通过第8脚接收操作模块8的按键信号，根据按键指令输出档位指示信号，点亮对应的档位LED指示灯。

主控芯片模块6中主控芯片U1在运行用户程序的主程序过程中，通过第15脚还接收同步模块5的同步信号。一旦该同步信号出现从“0”到“1”的上升沿或从“1”到“0”的下降沿，主控芯片U1立即中断主程序的运行，转而执行中断服务程序。在中断程序内，主控芯片U1根据该装置目前的工作状态和检测的实时温度，控制加热模块13中第一双向可控硅T1和第二双向可控硅T2的开通与关断，同时启动对应交流电源过零点至波峰点的4.167mS或5mS的定时子程序，为下次温度检测或NTC及断线检测做准备。

主控芯片模块6的主控芯片U1在运行用户程序的主程序过程中，一旦上述已启动的对应交流电源过零点至波峰点的4.167mS或5mS的定时子程序执行完毕，立即对当前通过第14脚和第7脚接收的电压检测模块9的电压信号和电流检测模块10的电流信号进行采集和模拟与数字转换，转换完成后，将电压数据除以电流数据，根据欧姆定律算出对应PTC发热线的当前阻值，也就对应PTC发热线的当前实时温度，此结果即参与对加热模块13中第一双向可控硅T1和第二双向可控硅T2的开通与关断的控制。

对应PTC发热线的当前阻值越大，说明当前温度越高，一旦高于档位设定的阻值时，主控芯片U1会关断第一双向可控硅T1和第二双向可控硅T2，断开发热线的供电电源。延时一段时间后，重新接通发热线的供电电源，再次检测PTC发热线的阻值，重新判断PTC发热线的阻值是否降低到档位设定的阻值范围内，是则说明温度降低了，需要加热。如果PTC发热线的阻值仍然高于档位设定的阻值，则继续断开发热线的供电电源。如此循环检测、判断和控制，即可达到温度自动精确控制的目的。

主控芯片模块6的主控芯片U1在运行用户程序的主程序过程中，通过第6脚还接收NTC及断线检测模块11的NTC及断线检测信号。一旦上述已启动的对应交流电源过零点至波峰点的4.167mS或5mS的定时子程序执行完毕，立即对当前通过6脚接收的NTC及断线检测模块11的NTC及断线检测信号进行采集和模拟与数字转换，依据模拟与数字转换的结果，判断发热主体当前状态是正常状态，还是断线状态、或发热主体局部过热状态，进而分别执行正常加热或停热功能、断线保护功能和发热主体局部过热保护功能。

本实用新型的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本实用新型的范围。