CN103135630B - 室内取暖烘干装置的控制电路及所控的毛巾架和电热毯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种为室内低压直流加热装置提供安全、可靠和稳恒输出电压的自控电路及应用该电路的毛巾架和电热毯。该电路包括输入和输出电路，其负载为电热线，在输入与输出电路间设有为输出电路提供稳恒低压直流的脉宽调制稳定恒压电路，输出电路由位于室内的传感器构成的信号采集电路和控制输出电路与负载间导通或断开的开关电路组成，开关电路通过连接件分别与信号采集电路和负载相接。本发明为负载提供30－48V直流电压，其可在市电输入较大波动下自动调节输出电压，本发明使用高频隔离变压器，因此，其可确保220V输入电压与输出电路的有效隔离，保障了输出电压的安全性。本发明结构简单、安全可靠、成本低、耗能少且智能化程度高。

Description

室内取暖烘干装置的控制电路及所控的毛巾架和电热毯

技术领域

本发明涉及一种低压直流控制电路，特别涉及一种为居室内加热装置提供低压直流电能的控制电路及其所控制的产品。

背景技术

随着社会经济的飞速发展、个人收入的不断提高，人们对生活质量的要求也越来越高。

每到秋冬季节，家用取暖设施，如室内加热器、电热毯和暖手暖脚器等就备受人们欢迎，近期，在一些规模较大的星级宾馆的浴室内出现了一种加热烘干毛巾架，该毛巾架是由中空的金属导热管组装构成，其管内穿置有由220V市电直接供电的电热线，工作时，电热线将电能转换为热能，该热能再通过金属导热管向外散热并将搭在毛巾架上的湿毛巾、湿浴巾烘干。

虽然上述产品给人们带了许多温暖和快乐，但其存在如下不足：

1)安全系数较低

由于上述产品决大多数是通过220V市电供电，有的是将220V市电直接加在负载上，有的则是通过加热导热介质(如油或其它高储热液体)再向室内散热，因而，此类加热装置在使用过程中要特别注意，一旦操作不当造成该类装置些许损伤，极易造成漏电、漏油等安全事故。

2)无法实现自动控制

上述产品多数是通过开关直接控制电源与负载RL的通断，其不能根据设置的温度来自动控制电源与负载的通断，因此，其耗能也较高。

3)售价高

此类加热装置通常结构复杂、体积庞大，因此售价也较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为室内低压直流加热装置提供安全、可靠和稳定恒定输出电压的自动控制电路以及使用该控制电路的毛巾架和电热毯。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明的室内取暖烘干装置的控制电路，包括与市电相接的输入电路和与负载相接的输出电路，所述输入电路主要由全桥整流滤波电路构成，所述负载为电热线，在输入电路与输出电路之间还设有给输出电路提供稳定恒定低压直流的脉宽调制稳定恒压电路，所述输出电路包括由设置在室内环境中的传感器构成的信号采集电路和由信号采集电路控制输出电路与负载之间导通或断开的开关电路，其中，脉宽调制稳定恒压电路的输入端与全桥整流滤波电路的输出端相接，其输出端与输出电路中的开关电路相接，所述开关电路通过连接件分别与信号采集电路和负载相接。

所述脉宽调制稳定恒压电路包括开关器件、光电耦合器和高频隔离变压器，其中，

开关器件的D端与高频隔离变压器的原边线圈的“2”脚相接，开关器件的S端分别与高频隔离变压器第一副边线圈的“4”脚和输入电路中全桥整流的负极相接，开关器件的控制端C端与光电耦合器中光电三极管的发射极相接；

所述光电三极管的集电极通过第三二极管与高频隔离变压器的第一副边线圈的“3”脚相接，光电耦合器中的发光二极管的正极通过第四电阻和第五二极管与高频隔离变压器第三副边线圈的“6”脚，即输出电路基础电压输出端相接，光电耦合器中的发光二极管的负极与可控稳压管的负极相接，可控稳压管的正极与高频隔离变压器第三副边线圈的“7”脚相接，可控稳压管的控制端“5”脚通过第五电阻、第二扼流圈和第五二极管与高频隔离变压器第三副边线圈的“6”脚相接；

高频隔离变压器的原边线圈的“1”脚与输入电路的全桥整流输出端相接，其第二副边线圈“5”脚，即输出电路工作电压输出端，通过第四二极管和第二扼流圈与开关电路相接。

所述开关电路包括单片机、第一MOS管和第二MOS管，其中，

单片机供电脚分别与脉宽调制稳定恒压电路中高频隔离变压器第三副边线圈的“6”脚和第二MOS管的源极相接，同时通过连接件“2”脚与信号采集电路中的传感器供电端相接，单片机的接地脚与脉宽调制电路中高频隔离变压器第三副边线圈的“7”脚相接，同时通过连接件“3”脚与所述传感器的接地脚相接，单片机的输入脚通过连接件“4”脚与所述传感器的信号输出端相接，单片机的输出脚通过第七电阻与第二MOS管栅极相接；

第二MOS管的漏极与第一MOS管的栅极相接；

第一MOS管的漏极通过第二扼流圈和第四二极管与所述输出电路工作电压输出端相接，第一MOS管的源极通过连接件“1”脚与负载相接。

所述输出电路工作电压为30—48V。

所述输出电路工作电压为36V。

所述传感器为湿度传感器、温度传感器、光电传感器或红外传感器。

所述连接件为互相适配的防水插头和插座。

所述开关器件的型号为TOP248Y，所述光电耦合器的型号为LTV817A，所述高频隔离变压器的型号为TRAN_ISDN_12，所述可控稳压管的型号为TL431C，所述单片机型号为STC10F104，所述第二MOS管和第一MOS管的型号分别为MPF4224和AP03N70J。

本发明的毛巾架，包括构成挂搭或放置湿毛巾架子的中空金属管，在所述金属管内穿置设有由本发明的所述的室内取暖烘干装置的控制电路控制的电热线。

本发明的电热毯，包括内芯，在所述内芯中盘绕设有由本发明的所述的室内取暖烘干装置的控制电路控制的电热线。

与现有技术相比，本发明采用全桥整流滤波和脉宽调制稳定恒压电路对以电热线为负载的室内加热装置提供30－48V直流稳定恒压的输出电压，从而，使本发明在市电输入有较大波动的情况下(如用电高峰期和低谷期电压的变化)，自动进行调节，确保给负载提供的输出电压处于设定的电压范围内。本发明的脉宽调制稳定恒压电路中使用的变压器为高频隔离变压器，因此，其可确保220V输入电压与输出电路的有效隔离，保障了输出电压的安全性。另外，在输出电路中设置信号采集电路和开关电路，又使得本发明可以根据环境温湿度、光亮度或红外感应量的动态变化对电源与负载之间的导通和断开实行智能化控制。本发明结构简单、安全可靠、成本低、耗能少且智能化程度高。

附图说明

图1为本发明的电路框图。

图2为本发明的电路原理图。

图3为本发明的开关器件的控制端C端的电流与其占空比D的关系曲线图。

图4为本发明的光电耦合器中发光二极管正向电流与光电三极管集射电压的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

附图标记如下：

输入电路1、输出电路2、信号采集电路21、开关电路22、脉宽调制稳定恒压电路3、负载R_L、传感器X、温度传感器Rt、湿度传感器Rs、光电传感器Rg、红外传感器Rh、开关器件(又称占空比调节开关)Q1、光电耦合器Q2、第一MOS管Q3、第二MOS管Q4、高频隔离变压器T、原边线圈Ta、第一副边线圈Tb、第二副边线圈Tc、第三副边线圈Td、单片机MCU、连接件JP、插座JP1、插头JP2。

如图1所示，本发明的室内取暖烘干装置的控制电路，是用于对以电热线为发热源负载RL的家用、写字楼和宾馆内放置的取暖或烘干装置的开启或关闭进行自动控制的电路，该电路装置在机壳内，其输入端接于220V市交流电，经整流、滤波和变压后，为负载RL提供平均电压在30—48V的脉动直流输出电压，本发明优选输出电压为36V直流电压。

所述的取暖或烘干装置可以是家用暖手器、暖脚器或电热毯，也可以是烘干降低湿度用的米面储藏室、鞋柜烘干器或宾馆浴室用的毛巾架。

本发明的控制电路可以通过安装在家居室内的传感器X，诸如温度传感器Rt、湿度传感器Rs、光电传感器Rg或红外传感器Rh的感应量自动启动或关闭对负载RL的供电。

如图2所示，本发明的控制电路包括与市电相接的输入电路1和与负载RL相接的输出电路2、脉宽调制稳定恒压电路3，其中输出电路2包括开关电路22和信号采集电路21。

所述输入电路1包括起浪涌保护的保险装置FU、由第一扼流圈L1、全桥整流电路BR和第二滤波电容C2构成的整流滤波电路，其主要向下一级电路输送脉动直流电压。

所述脉宽调制稳定恒压电路3，设置在输入电路1与输出电路2之间，其输入端与输入电路1的全桥整流滤波电路的输出端相接，其输出端与输出电路2中的开关电路22相接，其主要作用是在市电波动较大(如85V—265V范围)的情况下(如用电高峰段或用电低谷段或其它意外情况下出现的较大电压波动)，仍然可以为输出电路2提供稳定恒定的输出电压，该输出电压的平均值可在30V—48V范围内调节。

所述脉宽调制稳定恒压电路3包括开关器件Q1、光电耦合器Q2、可控稳压管D6和高频隔离变压器T。

开关器件Q1的型号为TOP248Y，其工作频率为100K_HZ，其D端为漏极、S端为源极和C端为控制端，通过控制C端的电位Ucon的高低和流入该端的电流Ic的大小，来控制该开关器件Q1占空比D的大小，，通常，该开关器件Q1占空比D随流入其控制端C端电流的大小在1.7—67％之间变化(参见附图3)，由此改变高频隔离变压器T副边线圈输出电压的平均值。

光电耦合器Q2的型号为LTV817A，当其中的发光二极管两端的正向电流大于15mA时，其光电三极管完全导通(参见附图4)，此时，开关器件Q1控制端C端的电位即为高频隔离变压器T第一副边线圈Tb“3”脚电位。

可控稳压管D6的型号为TL431C，其稳压值为2.5V，内部基准电位值设定为2.5V，当其控制端“5”脚电位小于该基准电位时，可控稳压管D6截止，此时，光电耦合器Q2中的发光二极管也截止，当其控制端“5”脚电位大于该基准电位时且有微小变化时，通过可控稳压管D6的电流将从1mA到100mA，即流过发光二极管的电流也随之增大，与此同时，所述光电三极管中集极电流也随之增大直到完全导通。

高频隔离变压器T的型号为TRAN_ISDN_12，其可有效隔离输入电路1与输出电路2之间的布线连接，从而保障本发明控制电路输出电压的安全性。其原边线圈Ta与第二副边线圈Tc的变压比为8：1，在输入市电为220V时，其原边线圈Ta输入电压可达300V脉动直流电压，其第一副边线圈Tb的输出电压(下称开关电平电压)通常设置为5V，其第二副边线圈Tc输出电压(即输出电路供给负载RL的输出电压，下称工作电压)通常设置为36V，而其第三副边线圈Td输出电压(即输出电路供给其它元器件的工作电压，下称基础电压)通常设置为5V。

脉宽调制稳定恒压电路3的连接结构如下：

开关器件Q1的D端与高频隔离变压器T的原边线圈Ta的“2”脚相接，开关器件Q1的S端分别与高频隔离变压器T第一副边线圈Tb的“4”脚和全桥整流电路BR的负极相接，开关器件Q1的控制端C端与光电耦合器Q2中的光电三极管的发射极相接；

所述光电三极管的集电极通过第三二极管D3与高频隔离变压器T第一副边线圈Tb的“3”脚(即所述开关电平电压的输出端)相接，光电耦合器Q2的发光二极管的正极通过第四电阻R4和第五二极管D5与高频隔离变压器T第三副边线圈Td的“6”脚(即所述基础电压输出端)相接，发光二极管的负极与可控稳压管D6的负极相接，可控稳压管D6的正极与高频隔离变压器T第三副边线圈Td的“7”脚(即接地脚)相接，可控稳压管D6的控制端“5”脚通过第五电阻R5、第二扼流圈L2和第五二极管D5与高频隔离变压器T第三副边线圈Td的“6”脚相接；

高频隔离变压器T的原边线圈Ta的“1”脚与全桥整流电路BR的输出端相接，其第二副边线圈Tc“5”脚输出端(即所述工作电压的输出端)通过第四二极管D4和第二扼流圈L2与开关电路22相接。

所述输出电路2的开关电路22包括单片机MCU、第一MOS管Q3和第二MOS管Q4，所述单片机MCU型号为STC10F104，所述第二MOS管Q4和第一MOS管Q3的型号分别为MPF4224和AP03N70J，其连接方式为：

单片机MCU供电脚Vdd分别与脉宽调制稳定恒压电路3中所述的基础电压输出端和第二MOS管Q4的源极相接，同时通过连接件JP“2”脚与信号采集电路21中的所述传感器X供电端相接，单片机MCU的接地脚Vss与脉宽调制电路中高频隔离变压器T第三副边线圈Td的“7”脚(即接地脚)相接，同时通过连接件JP“3”脚与所述传感器X的接地脚相接，单片机MCU的输入脚IN通过连接件JP“4”脚与所述传感器X的信号输出端OP相接，单片机MCU的输出脚OU通过第七电阻R7与第二MOS管Q4栅极相接；

第二MOS管Q4的漏极与第一MOS管Q3的栅极相接；

第一MOS管Q3的漏极通过第二扼流圈L2、第四二极管D4与所述的输出电路2工作电压的输出端相接，第一MOS管Q3的源极通过连接件JP“1”脚与负载RL相接。

所述连接件JP为互相适配的具有四端口的防水插头JP2插座JP1。

所述输出电路2的信号采集电路21是由设置在室内环境中的所述的传感器X构成，将该传感器X的电压输出信号送往单片机MCU的输入端，单片机MCU以查表的方式与预先设定的门限电压进行比较后，由其输出端向第二MOS管Q4的栅极输出高电平或低电平，由此，使第二MOS管Q4导通或截止，继而使第一MOS管Q3导通或截止。当第一MOS管Q3导通后，第二MOS管Q4的栅极电位与所述基础电压相同，若为高电平时，第二MOS管Q4的漏极与源极之间导通，所述工作电压即通过所述连接件JP的“1”脚供给负载RL，同理，当第一MOS管Q3截止后，第二MOS管Q4也截止，由此使输出电路2断开与负载RL的连接。

所述湿度传感器Rs为深圳市实信电子有限公司生产的型号为HIH 3610的传感器。

所述温度传感器Rt为美国DALLAS公司生产的型号为DS18B20的传感器。

红外传感器Rh为德国海曼公司生产的型号为LHI958的传感器。

所述电热线为深圳市星光电热制品有限公司生产的型号为UL1330-14#的电热线。

一、本发明控制电路的脉宽调制稳定恒压电路3工作原理如下：

1)当市电输入电压较低时，通过整流滤波和高频隔离变压器T的变压后，所述的工作电压、基础电压和开关电平电压均处于较低电压值，与此同时，可控稳压管D6控制端电位Uref下降，致流过光电耦合器Q2中发光二极管的电流If下降(或者完全截止)继而导致光电三极管集极电位Uce升高，再致开关器件Q1控制端C端电位Ucon下降，由此使流入开关器件Q1控制端C端的电流Ic下降，最终，如前所述该开关器件Q1的占空比D(％)加大，使得高频隔离变压器T原边线圈Ta的导通时间增长(或者处于常通状态)，由此，提高了高频隔离变压器T副边线圈中输出的平均电压，即提高了所述的工作电压、基础电压和开关电平电压。

2)当市电输入电压较高时，通过整流滤波和高频隔离变压器T的变压后，所述的工作电压、基础电压和开关电平电压均处于较高电压值，与此同时，可控稳压管D6控制端电位Uref升高，致流过光电耦合器Q2中发光二极管的电流If升高(或者完全导通)继而导致光电三极管集极电位Uce下降，再致开关器件Q1控制端C端电位Ucon升高，由此使流入开关器件Q1控制端C端的电流Ic升高，最终，如前所述该开关器件Q1的占空比D(％)减小，使得高频隔离变压器T原边线圈Ta的导通时间缩短(或者处于常断状态)，由此，降低了高频隔离变压器T副边线圈中输出的平均电压，即降低了所述的工作电压、基础电压和开关电平电压。

通过对各元器件参数的合理设计，可以在市电输入波动较大的范围内，确保输出工作电压处于稳定恒定状态。

二、本发明控制电路的输出电路2自动控制通断的工作原理如下：

当信号采集电路21中的所述传感器X所感应的温度、湿度、光亮度或红外感应量达到预设值后，其输出端输出高电平，该高电平通过所述连接件JP给单片机MCU输入端输入高电平信号，单片机MCU以查表的方式与内设的参数比较后，给单片机MCU输出端输出高电平或低电平及持续的时间，如前所述，使得第一MOS管Q3和第二MOS管Q4的导通或截止，从而，起到控制输出电路2与负载RL的连接或断开。

本发明的毛巾架，包括内设有本发明的控制电路的电路盒，构成挂搭或放置湿毛巾架子的中空金属管，在所述金属管内穿置设有本发明的室内取暖烘干装置的控制电路控制的电热线，所述电路盒外观尺寸为：130mm(长)×60mm(宽)×30mm(厚)。所述的工作电压为36v±2v，温度控制在65℃±5℃。

本发明的电热毯，包括内设有本发明的控制电路的电路盒、电热毯内芯和褥面，在所述内芯中盘绕设有本发明的室内取暖烘干装置的控制电路控制的电热线，所述电路盒外观尺寸为：130mm(长)×60mm(宽)×30mm(厚)。所述的工作电压为36v±2v，温度控制在65℃±5℃。

本发明还有以下优点：

1)安全系数高：本专利是采用高频隔离变压器，无论原边线圈(高压端)出现任何情况(包括烧熔)，副边线圈中不可能有高压产生。因为该隔离变压器是两个完全独立的腔室绕线，相互之间可耐50000伏高压。反馈是采用光电耦合器连接，通过光的强弱线性反馈，没有电器元件的连接。即使开关器件完全烧坏，也不可能有高压通过光电耦合器产生漏电现象，另外，还采用悬空地线作更进一步的安全接法。

2)自动控制开启和关闭：

现有技术无法实现自动控制，其因无反馈电路，只有直接对负载供电的开启和关闭，需用时开启，不用时关闭，如此，不能精准把握开启和关闭的时间，既浪费电能，又有可能因疏忽在不使用时而忘记关闭。

本发明是采用主动型开关，利用传感器给单片机MCU提供设定的电压值，由灌入单片机MCU中的智能公式(该智能公式为本领域的公知常识)，根据“时间---湿度(温度)”的变化曲线作提前量进行关闭。不会多浪费一分钱(通常传感器、单片机和MOS管的反应时间都少于1毫秒)。

3)成本低且可防水防潮：现有技术是由市电直接对负载供电，而本发明采用低压直流供电，其所控制的电热线可直接浸入水中使用。

Claims (10)

1.一种室内取暖烘干装置的控制电路，包括与市电相接的输入电路(1)和与负载(RL)相接的输出电路(2)，其特征在于：所述输入电路(1)主要由全桥整流滤波电路构成，所述负载(RL)为电热线，在输入电路(1)与输出电路(2)之间还设有给输出电路(2)提供稳定恒定低压直流的脉宽调制稳定恒压电路(3)，所述输出电路(2)包括由设置在室内环境中的传感器(X)构成的信号采集电路(21)和由信号采集电路(21)控制输出电路(2)与负载(RL)之间导通或断开的开关电路(22)，其中，脉宽调制稳定恒压电路(3)的输入端与全桥整流滤波电路的输出端相接，其输出端与输出电路(2)中的开关电路(22)相接，所述开关电路(22)通过连接件(JP)分别与信号采集电路(21)和负载(RL)相接。

2.根据权利要求1所述的室内取暖烘干装置的控制电路，其特征在于：所述脉宽调制稳定恒压电路(3)包括开关器件(Q1)、光电耦合器(Q2)和高频隔离变压器(T)，其中，

开关器件(Q1)的D端与高频隔离变压器(T)的原边线圈(Ta)的“2”脚相接，开关器件(Q1)的S端分别与高频隔离变压器(T)第一副边线圈(Tb)的“4”脚和输入电路(1)中全桥整流的负极相接，开关器件(Q1)的控制端C端与光电耦合器(Q2)中光电三极管的发射极相接；

所述光电三极管的集电极通过第三二极管(D3)与高频隔离变压器(T)的第一副边线圈(Tb)的“3”脚相接，光电耦合器(Q2)中的发光二极管的正极通过第四电阻(R4)和第五二极管(D5)与高频隔离变压器(T)第三副边线圈(Td)的“6”脚，即输出电路(2)基础电压输出端相接，光电耦合器(Q2)中的发光二极管的负极与可控稳压管(D6)的负极相接，可控稳压管(D6)的正极与高频隔离变压器(T)第三副边线圈(Td)的“7”脚相接，可控稳压管(D6)的控制端“5”脚通过第五电阻(R5)、第二扼流圈(L2)和第五二极管(D5)与高频隔离变压器(T)第三副边线圈(Td)的“6”脚相接；

高频隔离变压器(T)的原边线圈(Ta)的“1”脚与输入电路(1)的全桥整流输出端相接，其第二副边线圈(Tc)“5”脚，即输出电路(2)工作电压输出端，通过第四二极管(D4)和第二扼流圈(L2)与开关电路(22)相接。

3.根据权利要求2所述的室内取暖烘干装置的控制电路，其特征在于：所述开关电路(22)包括单片机(MCU)、第一MOS管(Q3)和第二MOS管(Q4)，其中，

单片机(MCU)供电脚分别与脉宽调制稳定恒压电路(3)中高频隔离变压器(T)第三副边线圈(Td)的“6”脚和第二MOS管(Q4)的源极相接，同时通过连接件(JP)“2”脚与信号采集电路(21)中的传感器(X)供电端相接，单片机(MCU)的接地脚与脉宽调制电路中高频隔离变压器(T)第三副边线圈(Td)的“7”脚相接，同时通过连接件(JP)“3”脚与所述传感器(X)的接地脚相接，单片机(MCU)的输入脚通过连接件(JP)“4”脚与所述传感器(X)的信号输出端(OP)相接，单片机(MCU)的输出脚通过第七电阻(R7)与第二MOS管(Q4)栅极相接；

第二MOS管(Q4)的漏极与第一MOS管(Q3)的栅极相接；

第一MOS管(Q3)的漏极通过第二扼流圈(L2)和第四二极管(D4)与所述输出电路(2)工作电压输出端相接，第一MOS管(Q3)的源极通过连接件(JP)“1”脚与负载(RL)相接。

4.根据权利要求3所述的室内取暖烘干装置的控制电路，其特征在于：所述输出电路(2)工作电压为30—48V。

5.根据权利要求4所述的室内取暖烘干装置的控制电路，其特征在于：所述输出电路(2)工作电压为36V。

6.根据权利要求1—5中任一项所述的室内取暖烘干装置的控制电路，其特征在于：所述传感器(X)为湿度传感器(Rs)、温度传感器(Rt)、光电传感器(Rg)或红外传感器(Rh)。

7.根据权利要求1—5中任一项所述的室内取暖烘干装置的控制电路，其特征在于：所述连接件(JP)为互相适配的防水插头(JP2)和插座(JP1)。

8.根据权利要求3所述的室内取暖烘干装置的控制电路，其特征在于：所述开关器件(Q1)的型号为TOP248Y，所述光电耦合器(Q2)的型号为LTV817A，所述高频隔离变压器(T)的型号为TRAN_ISDN_12，所述可控稳压管(D6)的型号为TL431C，所述单片机(MCU)型号为STC10F104，所述第二MOS管(Q4)和第一MOS管(Q3)的型号分别为MPF4224和AP03N70J。

9.一种毛巾架，包括构成挂搭或放置湿毛巾架子的中空金属管，其特征在于：在所述金属管内穿置设有由权利要求1—8中任一项所述的室内取暖烘干装置的控制电路控制的电热线。

10.一种电热毯，包括内芯，其特征在于：在所述内芯中盘绕设有由权利要求1—8中任一项所述的室内取暖烘干装置的控制电路控制的电热线。