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生活电器

取暖器方案设计开发


一、便携式取暖器的简介

随着时代的进步,人们的生活水平也得到了明显的提高,在以前寒冷的冬天里,人们只能在自己家里烧煤取暖,对人们的呼吸健康有一定的影响,屋里温度有时也比较低。在现代,采暖方式多种多样,人们只要交纳采暖费就可以感受到屋内温暖的温度,对自身健康没有任何影响。但是难免有采暖效果不如人意的情况发生,因此,取暖器被研发出来,帮助人们度过寒冷的冬天。便携式取暖器体积小,分量轻,使用方便,深受广大消费者的喜欢。

二、便携式取暖器的分类

便携式取暖器可以主要有六种类型的:怀炉、充电式热水袋、充油式电暖器、PTC暖风机、对流暖器、电热膜电暖器。

(1)怀炉:怀炉是什么?听起来觉得只会在泛黄的书本上才会出现。怀炉又称暖手炉,是体积最小的一种便携式的取暖器,适用于暖手暖脚、神经痛、感冒、风湿及腰酸背痛的人群。怀炉主要靠油的燃烧产生热量,炉身作为储存油的容器,一些质量好的怀炉加上二两油可以使用8小时不降温,但在使用时也要小心防止漏油造成危险。

(2)充电式热水袋:以前人们靠暖水袋进行取暖,每天睡觉前把暖水袋装满开水放进被窝,就可以使床更温暖不在有冰凉的触感了。充电式热水袋的发明解决了普通暖水袋保温时间短、依赖开水取暖的缺点。充电式热水袋的主要以电热丝式加热为主要控制的方式,但是电热丝式热水袋如果不经过多层加工,做好其内胆的安全性,也容易出现漏电、爆炸等危险。

(3)充油式电暖器:充油式电暖器又称电汀暖器,这种电暖器的体积不是很大。它是通电后通过热导管将周围的新型导热油加热,将热量从热管或者散片中散发出去,从而使温度升高,当内部油温达到85度时,它的温度控制系统会自动的切断电源,防止危险发生。由于这种便携式电暖器安全系数高,使用寿命长,使用方便,所以适合家里住有老人、孩子的家庭使用。虽然充油式电暖器使用方便,不用更换导热油,也因此它的散热效果并不好,耗费的电量多。

(4)PTC暖风机:PTC暖风机,顾名思义,它可以吹出温度高的风来增加空气中的热度。PTC是一种陶瓷电热元件的简称。它的温度系统是利用风机鼓动空气流经PTC电热元件强迫对流。PTC暖风机的内部装有限温器,风口被堵塞时,会自动切断电源,有的也采用倾倒断电的方式。PTC暖风机一般具有良好的防水功能,所以更适合在浴室使用。它的安全性能高,价格便宜,性价比高,是现代比较受欢迎的一种便携式的取暖器。

(5)对流暖器:对流电暖器的上方为出气口,下方为进气口,插上电源后电热管周围的空气被加热,气体上升从出气口排除,同时周围的冷空气从进气口进入补充,以此循环,就是对流暖气的温度系统设计的理念。它也具备一定的安全性,当出口堵塞导致温度急速上升,温控元件会自动断电。这种电暖器的噪音很小,但是升温速度慢。

(6)电热膜电暖器:电热膜电暖器是目前便携式取暖其中工艺最先进的。它采用完全透明的电热膜作为发热的材料,内部运用热风道的结构,采用强化对流的方式,温度上升快,开机3分钟即可达到100度以上。电热膜电暖器一般体积小巧、使用寿命长、造型新颖、属于热销的便携式取暖器之一。

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三、便携式取暖器的温度控制系统设计

现今便携取暖器的温度控制系统主要可分为以下几类。

(1)电热丝发热体:利用电热丝发热,再将所产生的热量通过风扇散发出去,主要应用在暖风机里。经过产品的换代改革,有些便携式的电暖器中运用反射的远离将电热丝产生的热量进行散发,一般机身可以旋转一定的角度,多方位的供暖,同时它也具备先进的安全性能,一般采用倾倒断电或者温度过高自动切断电源的温控系统。

(2)石英管发热体:此类产品以密封式电热元件、抛物面或者反射板、防护条等基本构成元件组成,以石英辐射管为主要的温度控制元件,通过远红外线进行加热的节能技术,使红外线辐射发出的红外线能被物体吸收,直接变为热量,达到取暖的目的。由于这种技术很先进,且红外线对人体能产生理疗的作用,一直是受消费者们喜欢的便携式电暖器之一。

(3)金属管发热体:同电热丝发热一样,类似电扇。采用金属管发热的原理利用反射面将热能进行发散,从而起到取暖的作用。这种温度控制系统的设计比电热丝发热寿命更长、更具有安全性。但是它的缺点和电热丝发热一样,需要持续工作,耗电大,断电后温度下降快。

(4)卤素管发热体:卤素管是具有封闭性的一种发光发热的导管,内部中间有钨丝,充满卤族元素惰性气体。卤素管发热不氧化、所以可使用的寿命长,发热速度快,工作效率高。

(5)碳素纤维发热体:它由碳素纤维制成管状的发热体,利用碳素纤维产生的热量在反射面上进行扩散,实现取暖的目的。此类产品一般采用单管发热,温度上升快,效率高,但是相对其它便携式产品来说,目前采用碳素纤维发热的取暖器体积稍微有些偏大。

目前市面上还有导热油发热、陶瓷发热等温度控制系统,它们的发热原理略有不同,在功能和实用价值上也有一定的差别。消费者可以结合自身需求选择最为实用的便携式取暖器。

四、节能型遥控电热取暖器的设计

目前大量使用的电热取暖器为手动控制,功率大,耗能高。本文介绍的节能型遥控电热取暖器采用红外遥控控制,按用户要求设置了几档预置温度值。当加热时的室温达到预置温度时自动断电,温度下降后又自动加热,从而达到节能、舒适的效果。控制系统由电源电路、主控电路、遥控发射电路、单阈值温控电路、风机与余热消散保护电路等组成。其整机电路如图1所示。

图1 电热取暖器整体电路图

4.1电热取暖器的电源电路

220V电源电压经过变压器压降后,由D1-D4桥式整流,C1滤波,产生大约19V左右的电压,再经过N3(7812)三端稳压器稳压得到12V电压,C2滤波,稳压二极管D20稳压值为5.6V,由于三极管V1的发射极与基级之间的电压为0.6~0.7V左右,所以D5的阳极与V1的发射极之间的电压降为5V,经过C3,C4的第一级滤波,R3,C5的第二级滤波供给主芯片N1,R4,C6的第二级滤波供给接收头Z1。值得注意的是N1和Z1的5V供电均为悬浮供电,也就是说负极并不接到电源的地,而是负端2脚接7V,正端5脚接12V,压差为5V,从而实现5V供电。

4.2节能取暖器的主控电路

该电路主要采用PT2128A-C31集成芯片进行控制。C7、C8、X1、N1构成455KHZ晶体振荡器,产生芯片工作所需的时钟信号。接收头Z1接收到红外遥控发射器的信号,放大、解调、解码后送到PT2128A-C31的1脚,根据红外遥控信号中温度预置值的信息,PT2128A-C31的16脚、17脚、18脚中必有一个脚是低电平,其余两脚为高电平。当18脚为低电平时,通过电阻R6,使三极管V3饱和导通,其饱和压降为0.3V,二极管D10导通压降为0.7V,所以D10负极电压为11V,经R9与R15分压后送往LM324的同名端10脚。同理当17脚为低电平时,同过电阻R7使三极管V4饱和导通,再经过二极管D11压降,经R10和R15分压送到LM324的10脚。当16脚输出低电平时,通过R8,使三极管V5饱和导通,经二极管D12降压,然后经R11与R15分压送往LM324的10脚。这三种电压是温度设置的基准电压。

当需要两组加热片一起加热时,接收头Z1接收红外信号经放大、解调、解码送到集成块PT2128A-C31的1脚,PT2128A-C31的10脚输出低电平,经R13使三极管V6饱和导通,继电器J2吸合,PTC2通电加热。

D6、D7、D8组成与门电路,只要有一个输出的是低电平,V2就会导通,J3通有电流,开关闭合,风机就会转动,将处于加热状态的PTC加热元件的热量送出,吹出热风。

每当PT2128A-C31的1脚接收到接收头Z1发出的指令,其6脚输出一个低电平,蜂鸣器L1就会“嘀”地响一声。

4.3取暖器的遥控发射电路

红外遥控发射器由PT2268集成电路构成,发射的信号通过D2红外发光二极管SE303发射编码信号,每次发射两次,其中一次是反相的,以防止接收器收到错误编码。红外遥控发射器电路如图2所示。

图2 红外遥控发射器电路图

4.4节能取暖器单阈值温控电路

该电路主要由温度取样电路和比较控制电路组成。温度取样电路主要由R16、R17构成,其中R17为负温度系数热敏电阻,安装在取暖器的进风口,对室内的温度取样。

比较电路由LM324构成,给取暖器设定了室内预置温度后,LM324的10脚也就相应的设定了一个基准电压。取样电路所产生的取样电压送至LM324的9脚,当室内温度未达到设定温度时,LM324的10脚电压大于9脚电压,所以8脚输出高电平,5脚、3脚输出固定电平5.5V,所以7脚输出低电平,1脚输出高电平。第4个运放器接成射极跟随器,所以14脚也输出高电平。此时三极管V7导通,继电器J1吸合,加热片开始加热。而当室内温度到达设定温度后,此时LM324的10脚电压小于9脚电压,14脚输出低电平,三极管V7截止,继电器断开,加热片就停止加热。可当温度稍有下降一点后,比较器翻转,继电器吸合,加热片重新开始加热,当温度到达设定温度后,比较器再次翻转,继电器断开,加热片停止加热。如此短时间内继电器不停的跳动,容易损坏。为此,设置了由R20和C9组成的RC延时电路,先通过实验测试出房间内温度下降2度所需的时间,然后根据时间的大小,选择电阻和电容,设计出RC延时电路。把对温度的控制转换成了对时间的控制,这样当室内温度低于设定温度2度后,比较器才翻转,继电器才开始跳到,从而减小了继电器跳到的频率,保证了继电器的工作寿命,实现了单阈值温度控制。

4.5电热取暖器的风机与余热消散保护电路

当接收头接收到开机信号后,主芯片16、17、18脚中就有一个脚由高电平转换成低电平,通过与门电路,三极管V2基极低电平,V2饱和导通,继电器吸合,从而使风机开始工作。当接头接收到关机信号后,主芯片16、17、18脚均为高电平,通过与门电路使三极管V2基极高电平,三极管处于截止状态,继电器断开,风机停止工作。

二极管D6、D7、D8和电阻R5组成与门电路,使取暖器运行在低、中、高三个温度中任一档时,与门电路均输出低电平,以保证风机电路的正确运行与工作。二极管D9是为了保护三极管V2的,因为当三极管V2由导通变为截止时,流经继电器线圈的电流将迅速由最大值减小为零,由于电流的突变,线圈会产生很高的自感电动势,与电源电压叠加后在三极管V2的C、E两级间,这样可能使三极管击穿,并联上二极管D9后,可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压,从而避免击穿二极管。

余热消散保护电路用RC延时电路来延迟风机的关闭,使取暖器在关闭后,风机仍能继续工作一段时间,给取暖器的加热片及其附近的塑料器进行散热,防止它们由于过热而损坏。当接收头接收到关机信号后,主芯片16、17、18三个脚都由低电平转为高电平,而C10由于两端电压不能突变,认为低电平,所以三极管V2的基极仍是低电平,三极管V2仍导通,这样继电器J3仍然吸合,风机继续转动,从而给取暖器的加热片散热。此时,三级管的发射极的12V电压通过三极管V2的E、B极和电阻R22给C10充电,当电容C10充电饱和后,三极管V2截止,继电器断开,风机停止工作。风机延时运转的时间长短由电阻R22和电容C10的时间常数决定,改变电容C10活电阻R22的数值可以改变延时时间的长短,加大电容C10和电阻R22的数值,延时时间变长,反之延时时间变短。

总结

节能型遥控电热取暖器设计了温度自动控制及保护系统,适用于普通型电热取暖器的升级换代。温度自动控制系统由遥控发射器设定控制温度,传感器采样并与设置值比较、分析、判定取暖器的工作状态,与传统的双阈值控制电路不一样。该系统采用单阈值判定及温度时间转换电路来实现,优化、简化了电路,保护系统的风机自动延时保护功能设计思路新颖、简洁、方便,整机成本低、功能全,性能价格比高,有很高的实用价值。

在我国,小型家电的市场已经初具规模,消费者对于便携式取暖器的需求明显增加,因此,要加强对便携式取暖器的创新和研究,生产出更安全有效、方便快捷的取暖产品。

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