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陶瓷电热元件控制系统技术参数设计

文章出处:yaxun88 人气:发表时间:2019-11-30 17:06

电加热系统经历了长时间的普通电热丝,合金电热丝,电热膜,PTC加热元件和当今广泛使用的氧化铝陶瓷加热芯(MCH)的过程。所谓的MCH氧化铝陶瓷加热片是基于高导热陶瓷-氧化铝陶瓷。通过将耐热耐火合金直接印刷在作为内部电极的氧化铝体上来形成发热电路。真空压制后,将两片氧化铝生片在约1600°C的高温下共烧,最后取出钎焊引线。与传统的电加热元件相比,具有性能稳定,使用寿命长,效率高,节能,表面温度均匀,绝缘性能好等优点。热响应时间短,热惯性小,加热速度快,加热温度高达700°C。无可见光辐射,表面发散率好,安全环保,符合欧盟(ROHS和WEEE)环保要求。因此,它已完全取代了各种加热丝和PTC加热元件在新型小家电和美容产品中的应用。

陶瓷电加热元件

现在常见的产品规格是片材厚度为1.2mm,如图1和图2所示,长度和宽度规格为70×7、70×10、70×15、70×20、70×30等。常温电阻通常为40/60/80/120/150(Ω)。根据制造商的不同,规格也不同,工作温度为100-300°C,最高工作温度大于500°C。直接加热110 / 220V,可在7-10秒内达到200°C,并在约20秒内达到最高温度。但是,当用于卷发器和直发器(离子烫)等美容产品时,通常要求温度稳定在100°C -250°C范围内,可无级调节或分段调节温度。另外,需要高温稳定性,因此通常需要相应的温度控制系统。

初始温度控制系统通常使用NTC来测量加热元件上的温度,然后MCU或专用ASIC检测NTC的电阻并控制晶闸管的输出。这些电路结构复杂且成本高(NTC + MCU),因此可以快速消除。目前,更先进的解决方案是利用MCH加热头内部加热元件的电阻随温度变化的特性,直接测量加热元件的电阻值来测量温度,从而直接控制稳定温度。 。此功能近似于PTC特性,但组件的居里点不同。例如,一个具有正常温度电阻的33Ω加热器在120°C时升至约47Ω,而在温度达到250°C时升至约61Ω。一个更典型的分离元件方案是CD4017 + LM358甚至是单个LM358,LM2903等。典型的控制电路如图3所示:

陶瓷电热元件控制电路图

R14A / B降压型D2D3稳压器经过D4C3滤波,然后输出约24V的DC电压供以后使用。 Q4 / Q5及其辅助电路构成一个用于驱动Q3的交流过零检测电路。每当交流电流过零时,都会输出大约100 uS的脉冲,并且控制Q2向由LM2903组成的主控制电路提供大约100 uS的脉冲电源。 U1A的正输入与两个电阻器链匹配以调节设定温度点,其中SVR1设定最高温度,SVR2设定最低温度(反之亦然)。 VR1允许U1A的正输入电压在两个极限之间无级调节,从而线性调节设定温度。因为加热头和R15 / R14通过D7串联连接,所以当加热头的温度升高并且电阻升高时,通过D7的正极取出的电压也升高,并且该电压输入到两个反相输入由D8制成的IC。由U1A判断电压是否上升到VR1的设定点以上。因此,输出端控制D5 / R8 / C4回路是否向U1B的正极提供比较脉冲,以驱动U1B比较器,以控制SCR1单向晶闸管的导通以达到稳定的温度。

该电路成本较低,但结构较为复杂,电路的各个部分相互影响,温度控制效果一般,尤其是当温度控制电路发生故障时。例如,当任何可调电阻开路时,电路的输出将使SCR持续导通,并且加热头的温度将急剧上升,甚至可能超过500°C,从而烧毁加热头,甚至烧毁。危险的。去年,有几起因直发器而抱怨和声称头发的案件。因此,制造商需要更新,更简单,更安全的控制系统。

PT8A330x是一系列新设计的家用集成电路,可以完全改善上述电路的缺点。该集成电路使用脉冲模式来触发晶闸管,该晶闸管具有强大的触发能力,较低的功耗以及非常简单的外围电路,尤其是其输出驱动器的引脚为8引脚。 IC内部已采取了许多特殊措施,以确保当IC处于非活动状态或发生故障时,该引脚可靠地被拉低,并且晶闸管被关断,从而不会引起安全问题。典型的应用电路如图4所示。该电路可以直接在110V-240V的电压范围内工作。由D2 / R1 / C1 / C2组成的半波整流电阻降压电路向IC和辅助电路提供大约5V的电压,LED1 / LED2用于指示工作状态。交流过零检测电路由R3 / R4组成,用于向IC提供过零触发信号,并用于检测电路是由110V还是220V供电,以便IC可以切换在不同的加热控制速率之间。例如,对于电阻值较小的加热头,在110V环境中打开电源时,将使用全火数进行加热。当使用220V电压时,使用3/8或1/4火数加热来保护加热头和系统,以免因加热太快而损坏。
PT8A330x控制陶瓷电加热元件系统

IC温度测量的原理如下:VR1用于调节设定温度。加热头电阻+ R13 + VR1的左侧形成惠斯通电桥的一个臂。 VR1和R12的右半部分构成另一个手臂。该路径的平衡检测通过引脚2输入到内部比较器端。IC在内部提供了两个附加臂,并在内部输入了比较器的另一端。在温度测量期间(由IC控制以在加热停止期间测量温度)。 VB引脚向电桥输出接近VCC的电压,内部高精度比较器检测电桥的平衡,以确定温度及其误差容限。在内部近似PID操作之后,控制引脚8输出脉冲触发信号(过零触发)以控制晶闸管的导通,从而精确地控制系统温度。当打开或关闭电源时,整个系统处于待机状态,并且通过轻触开关SW1控制开/关系统加热功能。

该方案的特点是,IC使用近似PID控制算法代替一般系统的ON / OFF控制。众所周知,在工程实践中,最广泛使用的调节器控制定律是比例,积分,微分控制,称为PID控制,也称为PID调节。简而言之,对于温度控制系统,ON / OFF控制开关在检测到温度下降到设定的下限时打开加热头加热,并在温度上升到设定的上限后停止加热。因此,其温度始终在设定点附近上下波动。 PID控制器的输出不仅与温度偏移(输入误差信号)成比例(比例控制)。它也与温度偏移的变化率(微分)和温度偏移的时间累积(积分)成正比。因此,由于系统具有比例+微分控制,因此可以提前开始误差抑制操作,从而使用具有大的热惯性或磁滞的发热头。比例+导数(PD)控制器可以在调节过程中显着改善系统的动态特性;积分项是指温度随时间变化的积分,并且积分项随时间增加而增加。因此,即使误差很小,积分项也随时间增加,这促使加热器头的输出增加,并进一步减小了稳态误差,直到它等于零为止。因此,使用比例+积分(PI)控制器可使系统在进入稳态后不会出现稳态误差。

对于PID调节,比例关系和积分微分值的设置非常关键。 PT8A330x集成设计师在陶瓷加热元件方面拥有多年研究经验,并在IC中设置了几套不同的高度针对性的PID参数。 因此,已经产生了一系列模型,例如PT8A3300-3307,并且每种模型被划分为不同的类别,例如H / L,它们分别用于各种性能的陶瓷加热头。 在采取了上述措施之后,该系列IC的温度控制曲线已趋于完美。 无论是温度稳定性,加热速率还是冷却后的温度,它在行业中都具有相当明显的领先优势。 可以肯定的是,这肯定会提高电加热个人护理用具和小型家用电器的整体技术水平。

此文关键字:陶瓷电热元件

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