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生活電器

取暖器方案設計開發


一、便攜式取暖器的簡介

隨著時代的進步,人們的生活水平也得到了明顯的提高,在以前寒冷的冬天里,人們只能在自己家里燒煤取暖,對人們的呼吸健康有一定的影響,屋里溫度有時也比較低。在現代,采暖方式多種多樣,人們只要交納采暖費就可以感受到屋內溫暖的溫度,對自身健康沒有任何影響。但是難免有采暖效果不如人意的情況發生,因此,取暖器被研發出來,幫助人們度過寒冷的冬天。便攜式取暖器體積小,分量輕,使用方便,深受廣大消費者的喜歡。

二、便攜式取暖器的分類

便攜式取暖器可以主要有六種類型的:懷爐、充電式熱水袋、充油式電暖器、PTC暖風機、對流暖器、電熱膜電暖器。

(1)懷爐:懷爐是什么?聽起來覺得只會在泛黃的書本上才會出現。懷爐又稱暖手爐,是體積最小的一種便攜式的取暖器,適用于暖手暖腳、神經痛、感冒、風濕及腰酸背痛的人群。懷爐主要靠油的燃燒產生熱量,爐身作為儲存油的容器,一些質量好的懷爐加上二兩油可以使用8小時不降溫,但在使用時也要小心防止漏油造成危險。

(2)充電式熱水袋:以前人們靠暖水袋進行取暖,每天睡覺前把暖水袋裝滿開水放進被窩,就可以使床更溫暖不在有冰涼的觸感了。充電式熱水袋的發明解決了普通暖水袋保溫時間短、依賴開水取暖的缺點。充電式熱水袋的主要以電熱絲式加熱為主要控制的方式,但是電熱絲式熱水袋如果不經過多層加工,做好其內膽的安全性,也容易出現漏電、爆炸等危險。

(3)充油式電暖器:充油式電暖器又稱電汀暖器,這種電暖器的體積不是很大。它是通電后通過熱導管將周圍的新型導熱油加熱,將熱量從熱管或者散片中散發出去,從而使溫度升高,當內部油溫達到85度時,它的溫度控制系統會自動的切斷電源,防止危險發生。由于這種便攜式電暖器安全系數高,使用壽命長,使用方便,所以適合家里住有老人、孩子的家庭使用。雖然充油式電暖器使用方便,不用更換導熱油,也因此它的散熱效果并不好,耗費的電量多。

(4)PTC暖風機:PTC暖風機,顧名思義,它可以吹出溫度高的風來增加空氣中的熱度。PTC是一種陶瓷電熱元件的簡稱。它的溫度系統是利用風機鼓動空氣流經PTC電熱元件強迫對流。PTC暖風機的內部裝有限溫器,風口被堵塞時,會自動切斷電源,有的也采用傾倒斷電的方式。PTC暖風機一般具有良好的防水功能,所以更適合在浴室使用。它的安全性能高,價格便宜,性價比高,是現代比較受歡迎的一種便攜式的取暖器。

(5)對流暖器:對流電暖器的上方為出氣口,下方為進氣口,插上電源后電熱管周圍的空氣被加熱,氣體上升從出氣口排除,同時周圍的冷空氣從進氣口進入補充,以此循環,就是對流暖氣的溫度系統設計的理念。它也具備一定的安全性,當出口堵塞導致溫度急速上升,溫控元件會自動斷電。這種電暖器的噪音很小,但是升溫速度慢。

(6)電熱膜電暖器:電熱膜電暖器是目前便攜式取暖其中工藝最先進的。它采用完全透明的電熱膜作為發熱的材料,內部運用熱風道的結構,采用強化對流的方式,溫度上升快,開機3分鐘即可達到100度以上。電熱膜電暖器一般體積小巧、使用壽命長、造型新穎、屬于熱銷的便攜式取暖器之一。

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三、便攜式取暖器的溫度控制系統設計

現今便攜取暖器的溫度控制系統主要可分為以下幾類。

(1)電熱絲發熱體:利用電熱絲發熱,再將所產生的熱量通過風扇散發出去,主要應用在暖風機里。經過產品的換代改革,有些便攜式的電暖器中運用反射的遠離將電熱絲產生的熱量進行散發,一般機身可以旋轉一定的角度,多方位的供暖,同時它也具備先進的安全性能,一般采用傾倒斷電或者溫度過高自動切斷電源的溫控系統。

(2)石英管發熱體:此類產品以密封式電熱元件、拋物面或者反射板、防護條等基本構成元件組成,以石英輻射管為主要的溫度控制元件,通過遠紅外線進行加熱的節能技術,使紅外線輻射發出的紅外線能被物體吸收,直接變為熱量,達到取暖的目的。由于這種技術很先進,且紅外線對人體能產生理療的作用,一直是受消費者們喜歡的便攜式電暖器之一。

(3)金屬管發熱體:同電熱絲發熱一樣,類似電扇。采用金屬管發熱的原理利用反射面將熱能進行發散,從而起到取暖的作用。這種溫度控制系統的設計比電熱絲發熱壽命更長、更具有安全性。但是它的缺點和電熱絲發熱一樣,需要持續工作,耗電大,斷電后溫度下降快。

(4)鹵素管發熱體:鹵素管是具有封閉性的一種發光發熱的導管,內部中間有鎢絲,充滿鹵族元素惰性氣體。鹵素管發熱不氧化、所以可使用的壽命長,發熱速度快,工作效率高。

(5)碳素纖維發熱體:它由碳素纖維制成管狀的發熱體,利用碳素纖維產生的熱量在反射面上進行擴散,實現取暖的目的。此類產品一般采用單管發熱,溫度上升快,效率高,但是相對其它便攜式產品來說,目前采用碳素纖維發熱的取暖器體積稍微有些偏大。

目前市面上還有導熱油發熱、陶瓷發熱等溫度控制系統,它們的發熱原理略有不同,在功能和實用價值上也有一定的差別。消費者可以結合自身需求選擇最為實用的便攜式取暖器。

四、節能型遙控電熱取暖器的設計

目前大量使用的電熱取暖器為手動控制,功率大,耗能高。本文介紹的節能型遙控電熱取暖器采用紅外遙控控制,按用戶要求設置了幾檔預置溫度值。當加熱時的室溫達到預置溫度時自動斷電,溫度下降后又自動加熱,從而達到節能、舒適的效果。控制系統由電源電路、主控電路、遙控發射電路、單閾值溫控電路、風機與余熱消散保護電路等組成。其整機電路如圖1所示。

圖1 電熱取暖器整體電路圖

4.1電熱取暖器的電源電路

220V電源電壓經過變壓器壓降后,由D1-D4橋式整流,C1濾波,產生大約19V左右的電壓,再經過N3(7812)三端穩壓器穩壓得到12V電壓,C2濾波,穩壓二極管D20穩壓值為5.6V,由于三極管V1的發射極與基級之間的電壓為0.6~0.7V左右,所以D5的陽極與V1的發射極之間的電壓降為5V,經過C3,C4的第一級濾波,R3,C5的第二級濾波供給主芯片N1,R4,C6的第二級濾波供給接收頭Z1。值得注意的是N1和Z1的5V供電均為懸浮供電,也就是說負極并不接到電源的地,而是負端2腳接7V,正端5腳接12V,壓差為5V,從而實現5V供電。

4.2節能取暖器的主控電路

該電路主要采用PT2128A-C31集成芯片進行控制。C7、C8、X1、N1構成455KHZ晶體振蕩器,產生芯片工作所需的時鐘信號。接收頭Z1接收到紅外遙控發射器的信號,放大、解調、解碼后送到PT2128A-C31的1腳,根據紅外遙控信號中溫度預置值的信息,PT2128A-C31的16腳、17腳、18腳中必有一個腳是低電平,其余兩腳為高電平。當18腳為低電平時,通過電阻R6,使三極管V3飽和導通,其飽和壓降為0.3V,二極管D10導通壓降為0.7V,所以D10負極電壓為11V,經R9與R15分壓后送往LM324的同名端10腳。同理當17腳為低電平時,同過電阻R7使三極管V4飽和導通,再經過二極管D11壓降,經R10和R15分壓送到LM324的10腳。當16腳輸出低電平時,通過R8,使三極管V5飽和導通,經二極管D12降壓,然后經R11與R15分壓送往LM324的10腳。這三種電壓是溫度設置的基準電壓。

當需要兩組加熱片一起加熱時,接收頭Z1接收紅外信號經放大、解調、解碼送到集成塊PT2128A-C31的1腳,PT2128A-C31的10腳輸出低電平,經R13使三極管V6飽和導通,繼電器J2吸合,PTC2通電加熱。

D6、D7、D8組成與門電路,只要有一個輸出的是低電平,V2就會導通,J3通有電流,開關閉合,風機就會轉動,將處于加熱狀態的PTC加熱元件的熱量送出,吹出熱風。

每當PT2128A-C31的1腳接收到接收頭Z1發出的指令,其6腳輸出一個低電平,蜂鳴器L1就會“嘀”地響一聲。

4.3取暖器的遙控發射電路

紅外遙控發射器由PT2268集成電路構成,發射的信號通過D2紅外發光二極管SE303發射編碼信號,每次發射兩次,其中一次是反相的,以防止接收器收到錯誤編碼。紅外遙控發射器電路如圖2所示。

圖2 紅外遙控發射器電路圖

4.4節能取暖器單閾值溫控電路

該電路主要由溫度取樣電路和比較控制電路組成。溫度取樣電路主要由R16、R17構成,其中R17為負溫度系數熱敏電阻,安裝在取暖器的進風口,對室內的溫度取樣。

比較電路由LM324構成,給取暖器設定了室內預置溫度后,LM324的10腳也就相應的設定了一個基準電壓。取樣電路所產生的取樣電壓送至LM324的9腳,當室內溫度未達到設定溫度時,LM324的10腳電壓大于9腳電壓,所以8腳輸出高電平,5腳、3腳輸出固定電平5.5V,所以7腳輸出低電平,1腳輸出高電平。第4個運放器接成射極跟隨器,所以14腳也輸出高電平。此時三極管V7導通,繼電器J1吸合,加熱片開始加熱。而當室內溫度到達設定溫度后,此時LM324的10腳電壓小于9腳電壓,14腳輸出低電平,三極管V7截止,繼電器斷開,加熱片就停止加熱。可當溫度稍有下降一點后,比較器翻轉,繼電器吸合,加熱片重新開始加熱,當溫度到達設定溫度后,比較器再次翻轉,繼電器斷開,加熱片停止加熱。如此短時間內繼電器不停的跳動,容易損壞。為此,設置了由R20和C9組成的RC延時電路,先通過實驗測試出房間內溫度下降2度所需的時間,然后根據時間的大小,選擇電阻和電容,設計出RC延時電路。把對溫度的控制轉換成了對時間的控制,這樣當室內溫度低于設定溫度2度后,比較器才翻轉,繼電器才開始跳到,從而減小了繼電器跳到的頻率,保證了繼電器的工作壽命,實現了單閾值溫度控制。

4.5電熱取暖器的風機與余熱消散保護電路

當接收頭接收到開機信號后,主芯片16、17、18腳中就有一個腳由高電平轉換成低電平,通過與門電路,三極管V2基極低電平,V2飽和導通,繼電器吸合,從而使風機開始工作。當接頭接收到關機信號后,主芯片16、17、18腳均為高電平,通過與門電路使三極管V2基極高電平,三極管處于截止狀態,繼電器斷開,風機停止工作。

二極管D6、D7、D8和電阻R5組成與門電路,使取暖器運行在低、中、高三個溫度中任一檔時,與門電路均輸出低電平,以保證風機電路的正確運行與工作。二極管D9是為了保護三極管V2的,因為當三極管V2由導通變為截止時,流經繼電器線圈的電流將迅速由最大值減小為零,由于電流的突變,線圈會產生很高的自感電動勢,與電源電壓疊加后在三極管V2的C、E兩級間,這樣可能使三極管擊穿,并聯上二極管D9后,可將線圈的自感電動勢鉗位于二極管的正向導通電壓,從而避免擊穿二極管。

余熱消散保護電路用RC延時電路來延遲風機的關閉,使取暖器在關閉后,風機仍能繼續工作一段時間,給取暖器的加熱片及其附近的塑料器進行散熱,防止它們由于過熱而損壞。當接收頭接收到關機信號后,主芯片16、17、18三個腳都由低電平轉為高電平,而C10由于兩端電壓不能突變,認為低電平,所以三極管V2的基極仍是低電平,三極管V2仍導通,這樣繼電器J3仍然吸合,風機繼續轉動,從而給取暖器的加熱片散熱。此時,三級管的發射極的12V電壓通過三極管V2的E、B極和電阻R22給C10充電,當電容C10充電飽和后,三極管V2截止,繼電器斷開,風機停止工作。風機延時運轉的時間長短由電阻R22和電容C10的時間常數決定,改變電容C10活電阻R22的數值可以改變延時時間的長短,加大電容C10和電阻R22的數值,延時時間變長,反之延時時間變短。

總結

節能型遙控電熱取暖器設計了溫度自動控制及保護系統,適用于普通型電熱取暖器的升級換代。溫度自動控制系統由遙控發射器設定控制溫度,傳感器采樣并與設置值比較、分析、判定取暖器的工作狀態,與傳統的雙閾值控制電路不一樣。該系統采用單閾值判定及溫度時間轉換電路來實現,優化、簡化了電路,保護系統的風機自動延時保護功能設計思路新穎、簡潔、方便,整機成本低、功能全,性能價格比高,有很高的實用價值。

在我國,小型家電的市場已經初具規模,消費者對于便攜式取暖器的需求明顯增加,因此,要加強對便攜式取暖器的創新和研究,生產出更安全有效、方便快捷的取暖產品。

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