CN114980391A - 一种脉宽调制恒温加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉宽调制恒温加热装置，包括：稳压电路、加热控制装置以及加热器；所述稳压电路，与外部电源连接并为所述加热控制装置提供工作电源；所述加热控制装置包括脉宽调制电路，所述脉宽调制电路通过加热器接口与所述加热器连接，用于调节加热脉宽的宽度，以改变加热电压，进而调节加热器温度。本发明所述的脉宽调制恒温加热装置，用以缩短产品初始加热时间，电路工作过程中能够实现恒温控制，减少加热控制电路的复杂性，延长加热器寿命。

Description

一种脉宽调制恒温加热装置

技术领域

本发明属于温度控制技术领域，具体涉及一种脉宽调制恒温加热装置。

背景技术

电加热广泛用于生产、科研和试验等领域中，是目前对金属材料加热效率最高、速度最快，低耗节能环保型的加热方式。特别是在单晶和晶体管的制造、机械零件和表面淬火、铁合金的熔炼和人造石墨的制造等方面，都采用电加热方式。电加热工作原理是利用电流的焦耳效应将电能转变成热能以加热物体。与一般燃料加热相比，电加热可获得较高温度，易于实现温度的自动控制和远距离控制，并可根据加热的工艺要求，实现整体均匀加热或局部加热(包括表面加热)，容易实现真空加热和控制气氛加热。在电加热过程中，产生的废气、残余物和烟尘少，可保持被加热物体的洁净，不污染环境。

传统电加热电源，有的采用IGBT高频开关变换和波形闭环控制技术，有的采用温度传感器修正加热电压，这两种方式体积大，电路复杂或占用控制器资源多；有的采用直流加热电源的稳压方式加热，这种缺陷在于没有考虑加热器线路的影响和本身热阻的变化，既达不到效果、不能实现恒功率，又可能导致加热器寿命缩短。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种脉宽调制恒温加热装置，用以缩短产品初始加热时间，电路工作过程中能够实现恒温控制，减少加热控制电路的复杂性，延长加热器寿命。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种脉宽调制恒温加热装置，包括：稳压电路、加热控制装置以及加热器；

所述稳压电路，与外部电源连接并为所述加热控制装置提供工作电源；

所述加热控制装置包括脉宽调制电路，所述脉宽调制电路通过加热器接口与所述加热器连接，用于调节加热脉宽的宽度，以改变加热电压，进而调节加热器温度。

进一步的，所述脉宽调制电路包括：PWM发生器、桥驱动电路、变压器、整流电路；

所述PWM发生器采用SG3525芯片，PWM发生器的电源输入引脚接稳压电路的输出端，PWM发生器的OutputA引脚和Output B分别与桥驱动电路(10)中的两个开关管Q1、Q2的栅极连接，桥驱动电路中的两个开关管Q1、Q2的源极分别接变压器的初级线圈的两端，变压器的次级线圈的一端通过加热器接口接加热器，变压器的次级线圈的另一端接整流电路；变压器的初级线圈电源输入端接外部的供电电源。

进一步的，所述脉宽调制电路还包括：与所述PWM发生器连接的频率设置电路，用于设置PWM发生器的工作频率。

进一步的，所述加热器接口包括6个引脚，其中1号引脚、2号引脚分别与5号引脚连接，3号引脚、4号引脚分别与6号引脚连接，5号引脚、6号引脚分别连接加热器的两个电极；1号引脚接变压器的次级线圈的一端，为加热器供电，4号引脚接地。

进一步的，所述加热控制装置还包括信号反馈电路和取样电路；

所述取样电路通过加热器接口与所述加热器连接，用于进行加热温度变化取样以及加热线路阻抗取样；

所述信号反馈电路分别与脉宽调制电路和取样电路连接，获取取样电路的取样结果，并反馈至脉宽调制电路。即信号反馈电路的输出端接入PWM发生器的补偿引脚。

进一步的，所述取样电路，包括远程感应电阻、补偿电路、电流取样电路；

所述远程感应电阻的两端分别与变压器的输出端和加热器接口的2号引脚连接，且远程感应电阻与加热器接口的2号引脚的连接节点经过滤波电路后接入信号反馈电路的第一输入端；

电流取样电路的一端接加热器接口的3号引脚连接；

补偿电路的一端与脉宽调制电路输出端连接，补偿电路的另一端与电流取样电路的另一端连接且连接节点经过滤波电路接入信号反馈电路的第二输入端。

进一步的，所述信号反馈电路包括基于运算放大器实现的积分电路，运算放大器的负极输入端作为信号反馈电路的第一输入端，运算放大器的正极输入端作为信号反馈电路的第二输入端，运算放大器的输出端经电压转换后接入所述PWM发生器的补偿引脚。

进一步的，该装置还包括启停开关电路，所述启停开关电路与所述脉宽调制电路连接，通过外部输入，使能脉宽调制电路，进而控制加热装置开启或停止。即启停开关电路的输出端接PWM发生器的软启动引脚。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明所述的脉宽调制恒温加热装置，启动后可实现全功率快速加热，相对缩短了加热时间，同时在加热过程中可实现自动恒温控制，而且避免了因线束或电路板的改变而造成加热功率的改变，提高了产品的一致性和可靠性。

(2)本发明所述的脉宽调制恒温加热装置，较容易的实现了加热功率的调节，可延长加热器的使用寿命，同时在恒温加热的过程中，不需要加热控制辅助器件(如温度传感器等)，对于需要加热功能的传感器或需要局部加热功能的控制结构，可以省略温度传感器等反馈结构，减小了体积，减少占用控制器资源，有利于简化加热器产品的制作工艺，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的脉宽调制恒温加热装置整体结构框图；

图2为本发明实施例提供的脉宽调制恒温加热装置电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种脉宽调制恒温加热装置。该装置包括：稳压电路1、加热控制装置、加热器4、启停开关电路6，其中加热控制装置包括脉宽调制电路2、取样电路3、信号反馈电路5。

所述稳压电路1，与外部电源连接并为加热控制装置提供工作电源；

所述启停开关电路6，与所述脉宽调制电路2连接，通过外部输入，使能脉宽调制电路2，进而控制加热装置开启或停止；

所述脉宽调制电路2，分别与所述稳压电路1和加热器4连接，用于调解加热脉宽的宽度，以改变加热电压，进而调节加热器温度；

所述取样电路3，与所述加热器4连接，用于进行加热温度变化取样以及加热线路阻抗取样；

所述信号反馈电路5，分别与脉宽调制电路2和取样电路3连接，获取取样电路3的取样结果，并反馈至脉宽调制电路2。

具体的，该装置的电路原理图如图2所示，所述脉宽调制电路2包括：频率设置电路7、PWM发生器8、V1电源输出电路9、桥驱动电路10、供电电路11、变压器12、整流电路13、保护电路22；

所述PWM发生器8采用SG3525芯片。

PWM发生器8的电压输入引脚接稳压电路1的输出端。

PWM发生器8的软启动引脚接启停开关电路6的输出端。启停开关电路6由电阻R19、三极管Q3、极性电容C12构成，三极管Q3的基极接外部输入，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极接PWM发生器8的软启动soft-start引脚，电阻R19的一端接三极管Q3的基极，另一端接电压V1，极性电容C12的正极接三极管Q3的集电极、负极接地。

PWM发生器8的补偿引脚接信号反馈电路5的输出端。

PWM发生器8的OutputA引脚和OutputB分别经过电阻R15、R16与桥驱动电路10中的两个开关管Q1、Q2的栅极连接。

桥驱动电路10中的两个开关管Q1、Q2的源极分别接变压器12的初级线圈的两端。

变压器12的次级线圈的一端通过加热器接口15接加热器4的一个电极，另一端接整流电路13。

整流电路13由并联的二极管D3和极性电容C9构成，二级管D3的阳极与极性电容C9的正极连接后接变压器12的次级线圈。

频率设置电路7由电阻R13、R14和电容C5组成，电阻R13、电容C5、电阻R14串联，电阻R13的一端与PWM发生器8的RT引脚连接，另一端与电容C5的公共节点接地，电阻R13用于设置电容C5的充电时间，阻值越大充电时间越长，反之则越短；电容C5与电阻R14的公共节点与PWM发生器8的CT引脚连接，电阻R14的另一端与PWM发生器8的discharge引脚连接，电阻R14用于设置电容C5的放电时间，阻值越大放电时间越长，反之则越短，PWM发生器8的工作频率与电阻R13、R14和电容C5的关系式为：

供电电路11包括串联的起保护作用的熔断器R18和起滤波作用的电容C8，熔断器R18的另一端接外部供电电源，熔断器R18和电容C8的公共节点接变压器12的电源输入端。

保护电路22由一端接地的电阻R17构成，如图2所示，电阻R17的非接地的另一端连接PWM发生器8的

引脚和桥驱动电路10中两个开关管Q1、Q2的漏极。

加热器接口的主要功能是衔接加热器和控制电路，它可以是一块包含两个接插件的电路板，电路板上可以有6个引脚，1号2号引脚分别与5号引脚连接，3号4号引脚分别与6号引脚连接，5号6号引脚分别连接加热器4的两个电极；

所述取样电路3，包括远程感应电阻R12、补偿电路16、电压取样电路17；

所述远程感应电阻R12的两端分别与变压器的输出端和2号引脚的电压反馈线节点相连接，且远程感应电阻R12与加热器接口2号引脚电压反馈线的连接节点经过滤波电路后接入信号反馈电路5的第一输入端；

电流取样电路17由下拉电阻R7和可调电阻R8构成，电流取样电路17的输入端接加热器接口的3号引脚；可调电阻R8可调节反馈信号的大小。

补偿电路16补偿感应线的电流损耗，并提供电流采样信号线的驱动电流，其由Y型连接的三个电阻R9、R10、R11构成。其中电阻R11的另一端接VDD，电阻R10的另一端与脉宽调制电路2输出端(即变压器12的次节线圈的输出)连接，电阻R9的另一端与电压取样电路17的输出端连接且连接节点经过滤波电路接入信号反馈电路5的第二输入端。

所述信号反馈电路5包括基于运算放大器U1A实现的积分电路20，运算放大器的负相输入端作为信号反馈电路5的第一输入端，运算放大器U1A的正相输入端作为信号反馈电路5的第二输入端，运算放大器的输出端经电压转换电路21进行电压转换后接入所述PWM发生器8的补偿引脚compensation。

电源Vin上电后，稳压电路1输出稳定电压VDD，控制芯片SG3525开始工作。电阻R13、R14和电容C5提供PWM工作频率，Vref脚输出稳定电压V1，启停开关电路CON1脚等待输入启动信号，高电平启动，低电平则等待。当CON1脚输入高电平后，Soft-Start脚变成低电平，PWM发生器8工作，这时OutputA和Output B引脚输出电平正好相反的两路PWM方波，PWM刚开始工作时Compensation脚电压是最大值，所以此时PWM占空比最大，加热器可实现快速升温。Q1导通时，变压器T1输出正压，Q2导通时，T1输出负压，经由整流电路13，变压器输出也是波形平直的脉冲方波。如果Q1或Q2发生故障，流过R17的电流过大，

引脚超过允许电压，芯片SG3525的OutputA和Output B均输出低电平，PWM发生器8停止工作。

变压器输出的电流经过加热器接口流过加热器做功产生热量后，经过加热器接口流回变压器整流电路13的地，R12用于感应变压器到加热器之间的线路上的电压差，加热器接口3、4脚所连接的线路用于感应加热器电流的变化，加热器在温度较低时，阻值低，电流大，感应电压较高；随着温度的上升，加热器或感应装置阻值变大，电流减小，感应电压则会降低。

流过R11的电流之一经过R10补偿R12及加热器接口1脚传输线上的损耗，另一路经过R9提供了电流采样信号线的驱动电流。电阻R8可以调节电流取样值的大小。滤波电路18/19可以对取样电压进行平整滤波，避免反馈电压频繁波动而影响稳定系统。

运算放大器U1A实现的积分电路20输出电压为：

引发PWM发生器脉宽改变的是SG3525的Compensation引脚，其初始电压由R5、R6的分压决定。加热器开始工作后，积分电路20输出电压从初值零逐渐变小，Compensation引脚的电压随之减小，直到加热器达到设定的温度，这时感应获得的电压电流值达到稳定，PWM脉宽也不再改变。

调节电阻R8可以改变运放输出值，改变PWM脉宽，改变变压器输出电压值，从而改变加热功率。

本发明运用远程感应的技术，通过计算布线阻抗、加热丝线束阻抗以及加热丝本身随温度变化阻抗的变化，确保加热功率是正确的匹配，避免了因线束或电路板布线的不同而造成加热功率的差异，从而导致产品得一致性较差。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种脉宽调制恒温加热装置，其特征在于，包括：稳压电路(1)、加热控制装置以及加热器(4)；

所述稳压电路(1)，与外部电源连接并为所述加热控制装置提供工作电源；

所述加热控制装置包括脉宽调制电路(2)，所述脉宽调制电路(2)通过加热器接口(15)与所述加热器(4)连接，用于调节加热脉宽的宽度，以改变加热电压，进而调节加热器温度。

2.根据权利要求1所述的脉宽调制恒温加热装置，其特征在于，所述脉宽调制电路(2)包括：PWM发生器(8)、桥驱动电路(10)、变压器(12)、整流电路(13)；

所述PWM发生器(8)采用SG3525芯片，PWM发生器(8)的电源输入引脚接稳压电路(1)的输出端，PWM发生器(8)的OutputA引脚和OutputB分别与桥驱动电路(10)中的两个开关管Q1、Q2的栅极连接，桥驱动电路(10)中的两个开关管Q1、Q2的源极分别接变压器(12)的初级线圈的两端，变压器(12)的次级线圈的一端通过加热器接口(15)接加热器(4)，变压器(12)的次级线圈的另一端接整流电路(13)；变压器(12)的初级线圈电源输入端接外部的供电电源(11)。

3.根据权利要求2所述的脉宽调制恒温加热装置，其特征在于，所述脉宽调制电路(2)还包括：与所述PWM发生器(8)连接的频率设置电路，用于设置PWM发生器(8)的工作频率。

4.根据权利要求2所述的脉宽调制恒温加热装置，其特征在于，所述加热器接口(15)包括6个引脚，其中1号引脚、2号引脚分别与5号引脚连接，3号引脚、4号引脚分别与6号引脚连接，5号引脚、6号引脚分别连接加热器(4)的两个电极；1号引脚接变压器(12)的次级线圈的一端，为加热器(4)供电，4号引脚接地。

5.根据权利要求4所述的脉宽调制恒温加热装置，其特征在于，所述加热控制装置还包括信号反馈电路(5)和取样电路(3)；

所述取样电路(3)通过加热器接口(15)与所述加热器(4)连接，用于进行加热温度变化取样以及加热线路阻抗取样；

所述信号反馈电路(5)分别与脉宽调制电路(2)和取样电路(3)连接，获取取样电路(3)的取样结果，并反馈至脉宽调制电路(2)。

6.根据权利要求5所述的脉宽调制恒温加热装置，其特征在于，所述取样电路(3)，包括远程感应电阻、补偿电路、电流取样电路；

所述远程感应电阻的两端分别与变压器的输出端和加热器接口(15)的2号引脚连接，且远程感应电阻与加热器接口(15)的2号引脚的连接节点经过滤波电路后接入信号反馈电路(5)的第一输入端；

电流取样电路的一端接加热器接口(15)的3号引脚连接；

补偿电路的一端与脉宽调制电路(2)输出端连接，补偿电路的另一端与电流取样电路的另一端连接且连接节点经过滤波电路接入信号反馈电路(5)的第二输入端。

7.根据权利要求6所述的脉宽调制恒温加热装置，其特征在于，所述信号反馈电路(5)包括基于运算放大器实现的积分电路，运算放大器的负极输入端作为信号反馈电路(5)的第一输入端，运算放大器的正极输入端作为信号反馈电路(5)的第二输入端，运算放大器的输出端经电压转换后接入所述PWM发生器(8)的补偿引脚。

8.根据权利要求1所述的脉宽调制恒温加热装置，其特征在于，该装置还包括启停开关电路(6)，所述启停开关电路(6)与所述脉宽调制电路(2)连接，通过外部输入，使能脉宽调制电路(2)，进而控制加热装置开启或停止。

Images