ЦЕПЬ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ПРОВОДОМ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
CIRCUIT FOR HEATING CONDUCTOR CONTROL AND METHOD FOR HEATING ELEMENT CONTROL

Настоящее изобретение относится к цепи управления нагревательным проводом и способу управления нагревательным элементом при его применении в одеяле с электрическим обогревом или электрогрелке.
Известны различные примеры схем управления нагревательным проводом и соответствующие способы управления нагревательным проводником.
Патентный документ US 5861610 описывает нагревательный провод с интегральным датчиком и устройство управления для него. Нагревательный провод с интегральным датчиком в основном состоит из первого провода со спиральной намоткой, применяемого в качестве нагревательного элемента, второго провода со спиральной намоткой, расположенного коаксиально по отношению к первому проводу, применяемого как чувствительный элемент, и гибкого и теплопроводного электрического изолятора между двумя проводами. Второй провод имеет положительный температурный коэффициент (РСТ), следовательно, по мере повышения температуры увеличивается его сопротивление. В зависимости от сопротивления регулируется питание на нагревательный провод. В случае сильного перегрева гибкий теплопроводный электрический изолятор между двумя проводами разрушается, и два проводника будут иметь электрический контакт, который может быть обнаружен с помощью электронного блока управления, и прерывается подача питания.
В патентном документе US 6222162 описывается электрический нагревательный элемент и схема управления. Нагревательный элемент состоит из полимерного сердечника с проводом, спирально намотанным вокруг него. Провод используется в качестве нагревательного элемента. Благодаря положительному температурному коэффициенту (РТС) его сопротивление возрастает с увеличением температуры. Это изменение сопротивления нагревательного провода измеряется, и с помощью схемы управления регулируется подача питания на нагревательный провод.
В патентном документе US 6310332 описывается одеяло с электрическим обогревом с нагревательным элементом и электронным устройством регулирования. В основном нагревательный элемент состоит из первого провода для подачи тепла на одеяло, второго провода и расплавленного слоя между первым и вторым проводами. Расплавленный слой обладает отрицательным температурным коэффициентом (NTC), следовательно, сопротивление между двумя проводами уменьшается с повышением температуры. Только положительные или отрицательные полуволны питания переменного тока подводятся к нагревательному элементу при нормальной эксплуатации. Устройство регулирования определяет изменение сопротивления расплавленного слоя, регулирует подачу питания на нагревательный элемент и предотвращает разрушение нагревательного элемента.
Один главный недостаток известных нагревательных элементов и устройств управления нагревательным проводом состоит в том, что определяется только изменение постоянной или средней температур нагревательного провода. В случае перегрева малой части нагревательного провода вследствие пробивки или изгиба нагревательного элемента горячее пятно не определяется, что ведет к разрушению нагревательного провода.
Цель настоящего изобретения - устранить недостатки уже известных устройств.
Цепь управления нагревательным проводом для регулирования подачи питания от сети переменного тока к соединенному с ней нагревательному элементу согласно настоящему изобретению содержит средство прерывания подачи питания, имеющее, по меньшей мере, три коммутационных состояния по отношению к питанию переменного тока, подводимому к нагревательному элементу, например, подключение обеих полуволн питания, подключение положительной или отрицательной полуволны и отключение обеих полуволн, а также средство управления для определения температуры нагревательного элемента и выбора состояния средства прерывания при коммутации в зависимости от вышеупомянутой температуры и/или режимов нагрева, установленных пользователем.
В течение нормальной работы нагревательного элемента питание переменного тока, например, при прохождении обеих полуволн, полностью будет прикладываться к нагревательному элементу для его нагревания. Когда нагревательный элемент достигает определенного температурного уровня или на нагревательном элементе появляется горячее пятно, то подача питания будет уменьшена, например, за счет отключения положительной или отрицательной полуволны. Приложенное питание уменьшается, и нагревательный элемент охлаждается. Если требуется дальнейшее снижение питания, например из-за сильного перегрева, вызванного изгибом нагревательного элемента, то средство прерывания может отключить обе полуволны, обеспечивая полное охлаждение нагревательного элемента.
Для осуществления различных коммутационных состояний средство прерывания может содержать полупроводниковые переключатели. Также могут применяться механические, электромеханические переключатели и/или их комбинация.
Далее цепь управления нагревательным проводом может содержать триггер, чтобы включать средство прерывания для пропускания обеих отключенных полуволн при каждом положительном и/или отрицательном переходе через нуль питания переменного тока для данного промежутка времени T1 и/или пока напряжение во время подъема характеристики входного переменного напряжения ниже заданной пороговой величины, что дает возможность определять температуру нагревательного элемента с помощью средства управления.
Согласно настоящему изобретению другой вариант реализации цепи управления нагревательным проводом с целью регулирования питания переменного тока соединенного с ней нагревательного элемента, который может рассматриваться как самостоятельный или в комбинации с вышеописанным вариантом, содержит средство определения температуры нагревательного элемента на каждой положительной и/или отрицательной полуволне и регулирования подачи питания на нагревательный элемент в зависимости от заданной температуры.
Это средство может содержать управляющую схему и коммутационный элемент. Управляющая схема служит для остановки подачи питания на нагревательный элемент в зависимости от температуры нагревательного элемента, когда питание приложено. Также управляющая схема способна определять температуру нагревательного элемента путем измерения какой-либо электрической характеристики нагревательного элемента, которая имеет отношение к температуре, например, падение напряжения, ток или сопротивление.
Коммутационный элемент обеспечивает соединение между управляющей схемой и нагревательным элементом в течение заданного промежутка времени T1 и/или пока напряжение в течение подъема характеристики входного переменного напряжения ниже заданного порогового значения. Это соединение необходимо для того, чтобы измерять или определять температуру нагревательного элемента. Это соединение не имеет постоянного характера, а устанавливается периодически в течение определенного промежутка времени с помощью коммутационного элемента. Этот промежуток времени может являться либо заранее установленным временем T1, предпочтительно частью периода переменного тока, либо зависеть от продолжительности достижения входным переменным напряжением определенного заранее заданного порогового значения.
Началом отсчета времени T1 предпочтительно является каждое положительное и/или отрицательное пересечение нуля питанием переменного тока. Длительность времени T1 составляет менее 10%, предпочтительно от 0% до 5% и более предпочтительно от 0,25% до 1,5% от периода переменного тока. Заданное пороговое значение составляет менее 50%, предпочтительно от 0% до 30%, наиболее предпочтительно от 1,5% до 9,5% от сетевого переменного напряжения. Возможны другие величины для порогового напряжения и/или времени T1.
Регулярность определения температуры нагревательного элемента составляет один раз в каждом периоде переменного тока, предпочтительно начиная от перехода входного переменного напряжения через нуль.
В зависимости от температуры нагревательного элемента схема управления прекращает подачу питания к нагревательному элементу в течение оставшейся части положительной и/или отрицательной полуволны переменного питания после измерения.
В случае перегрева нагревательного элемента подача питания на нагревательный элемент будет немедленно прекращена.после измерения температуры. Поскольку измерение производится один раз в каждом периоде питания переменного тока, то питание можно постоянно уменьшать путем срезания полуволн, например, при незначительном перегреве требуется срезать только одну полуволну, в то время как при более высоких температурах необходимо срезать больше и/или последующие полуволны с целью уменьшения температуры до безопасного уровня.
Кроме того, схема управления нагревательным проводом может содержать устройство циклирования для установки продолжительности рабочего цикла, например, имеющего в своем составе фиксированное время включенного состояния в режиме подачи питания и изменяемое время выключенного состояния в режиме релаксации. В режиме подачи питания подача питания на нагревательный элемент зависит от температуры нагревательного элемента, как описано выше. В режиме релаксации не происходит подачи питания на нагревательный элемент, и нагревательный элемент будет охлаждаться. Длительность режима релаксации зависит от установленного пользователем температурного режима, который изменяется и может задаваться как «Высокий», «Средний» и «Низкий», что соответствует продолжительности режима релаксации, равной 8 с, 19 с и 38 с. Продолжительность режима подачи питания является величиной фиксированной и составляет 10 с. Возможны другие значения. Также возможно большее количество и/или другие выставляемые пользователем режимы нагрева и продолжительность режима релаксации.
В случае сильного перегрева нагревательного элемента режим релаксации, установленный пользователем, может быть отменен и увеличен до большей продолжительности, например, до 37 с при выставлении пользователем степени нагрева «Высокий». Эта особенность позволяет предотвратить разрушение нагревательного элемента вследствие перегрева на основании локального горячего пятна.
Более того, цепь управления нагревательным проводом может содержать таймер, который отключает питание переменного тока от нагревательного элемента по истечении заранее установленного времени, например, через 10 часов. Этот таймер будет запускаться в случае пролонгированного использования цепи управления нагревательным проводом и предотвращать ненужные потери электрической энергии, а также сокращать риск опасного повреждения нагревательного элемента и его окружения, когда пользователь забывает его выключить.
Цепь управления нагревательным проводом может содержать дополнительную меру безопасности в виде плавкого предохранителя. Этот плавкий предохранитель будет отключать цепь управления нагревательным проводом от источника питания переменного тока в случае короткого замыкания, предотвращая опасность возгорания или риск электрического удара.
Способ управления работой нагревательного элемента согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что температуру нагревательного элемента определяют на каждой положительной и/или отрицательной полуволне питания переменного тока, и подачу питания к нагревательному элементу устанавливают в зависимости от указанной температуры.
Температура нагревательного элемента может определяться на начальной части каждой положительной и/или отрицательной полуволны.
Способ управления работой нагревательного элемента содержит следующие этапы:
a) измерение температуры нагревательного элемента (21) на начальной части каждой положительной и/или отрицательной полуволны,
b) определение напряжения питания, требуемого для оставшейся полуволны в зависимости от заданной температуры,
c) установка питания, подаваемого на нагревательный элемент (21), в зависимости от указанной температуры и/или установки пользователя.
Согласно настоящему изобретению другой вариант реализации способа управления работой нагревательного элемента, который может рассматриваться как самостоятельный или в комбинации с вышеупомянутым вариантом, характеризуется тем, что обеспечивается соединение между цепью управления и нагревательным элементом для определения температуры нагревательного элемента, и подачу питания к нагревательному элементу прекращают с помощью управляющей схемы в зависимости от указанной температуры. Соединение между управляющей схемой и нагревательным элементом обеспечивается в течение заданного промежутка времени T1, начиная с T0, и/или пока подъем характеристики входного переменного напряжения ниже заданного порогового значения.
Предпочтительно, чтобы продолжительность промежутка времени T1 являлась частью периода питания переменного тока и составляла менее 10%, предпочтительно от 0% до 5% и наиболее предпочтительно от 0,25% до 1,5%. Начальная точка T0 для отсчета времени T1 предпочтительно находится в каждом положительном и/или отрицательном пересечении нуля питанием переменного тока. Если измерение обеспечивается за счет порогового значения, тогда пороговое значение входного переменного напряжения при подъеме его характеристики составляет менее 50%, предпочтительно от 0% до 30% и наиболее предпочтительно от 1,5% до 9,5% от сетевого переменного напряжения. Этот способ гарантирует, что по меньшей мере одно измерение осуществляется в течение каждого периода переменного тока. Допускаются другие значения времени T0, T1 и пороговой величины.
В дополнительном варианте реализации изобретения подача питания на нагревательный элемент устанавливается путем включения или отключения положительной и/или отрицательной полуволны оставшейся части периода питания переменного тока после каждого измерения.
В еще одном варианте настоящего изобретения управление нагревательным элементом осуществляется в разных рабочих циклах, содержащих:
a) режим подачи питания заданной продолжительности, в течение которого, по меньшей мере, частично питание подается на нагревательный элемент в зависимости от температуры нагревательного элемента, и
b) режим релаксации изменяемой продолжительности, в течение которого источник питания отключен.
Продолжительность режима подачи питания является фиксированной, например, до 10 с, в то время как продолжительность режима релаксации зависит от установленного пользователем режима нагрева, изменяющегося от «Высокого» до «Среднего» и «Низкого», что соответствует продолжительности режима релаксации в 8 с, 19 с и 38 с. Возможны большее количество и/или другие режимы нагрева, устанавливаемые пользователем, а также другая продолжительность режима релаксации.
В случае сильного перегрева нагревательного элемента режим релаксации, установленный пользователем, может быть отменен и его продолжительность увеличена, например, до 37 с при выставлении пользователем режима «Высокий». Это обстоятельство предотвращает разрушение нагревательного элемента из-за перегрева на основании локального горячего пятна.
Следующий вариант изобретения заключает в себе управление нагревательным элементом при нагревании в «Ускоренном начальном режиме» в течение заранее установленного времени. Во время нагревания в этом «Ускоренном начальном режиме» выполняется определение температуры нагревательного элемента и/или подвод питания к нагревательному элементу осуществляется с помощью средства прерывания или управляющей схемы аналогично нормальной работе в режиме подачи питания. Это обеспечивает быстрое нагревание до заданной установленной пользователем температуры после того, как нагревательный элемент был полностью охлажден, например, при первом использовании после хранения. Продолжительность нагревания в этом «Ускоренном начальном режиме» составляет от 1 до 5 минут, предпочтительно 2 минуты. Возможны другие значения.
Еще одна особенность изобретения заключает в себе управление нагревательным элементом, характеризуется тем, что подвод питания к нагревательному элементу отключается по истечении заранее установленного времени, предпочтительно спустя 10 часов.
Внутренний провод нагревательного элемента может иметь низкое сопротивление от 0,5 Ом/м до 1,0 Ом/м, предпочтительно 0,86 Ом/м. Внутренний провод может быть многожильным проводом, в частности, содержать несколько ленточных проводов из металлической фольги, предпочтительно заключая в себе по меньшей мере одну жилку из полиэфирного волокна с целью повышения прочности на растяжение внутреннего провода. Внутренний провод скручен так, чтобы получить оптимальные характеристики при изгибе. Нагревательный элемент может быть сконструирован в соответствии со стандартом UL AWM Style # 11019 с использованием в качестве основного материала ПВХ. Возможны другие материалы и конструкции провода.
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на варианты его реализации и сопроводительные чертежи, где
фиг.1 - нагревательный элемент;
фиг.2 - график зависимости сопротивления слоя с отрицательным температурным коэффициентом NTC нагревательного элемента от температуры;
фиг.3 - рабочий цикл в соответствии с различными установленными температурами;
фиг.4 - рабочий цикл во время самовосстановления;
фиг.5 - рабочий цикл во время самовосстановления в случае сильного перегрева;
фиг.6 - упрощенная блок-схема цепи управления нагревательным проводом;
фиг.7 - другая упрощенная блок-схема цепи управления нагревательным проводом;
фиг.8 - принципиальная электрическая схема управляющей цепи управления нагревательным проводом.
На фиг.1 показан гибкий нагревательный элемент 21 согласно настоящему изобретению. Элемент состоит из расположенного в центре внутреннего провода 22, первого изолирующего слоя 24 вокруг внутреннего провода 22, нагревательного провода 23 и второго изолирующего слоя 25, покрывающего нагревательный элемент 21. Внутренний провод 22 имеет низкое сопротивление, составляющее 0,86 Ом/м, и является многожильным, содержащим несколько ленточных проводов из металлической фольги, обмотанных полиэфирным волокном. Количество проводов из металлической фольги равно 4. Первый изолирующий слой 24 выполнен из ПХВ с примесями, имеющего отрицательный температурный коэффициент (NTC). Возможны разнообразные основные материалы с различными примесями. Толщина первого изолирующего слоя составляет 0,30 мм, диаметр внутренней изоляции составляет 1,06 мм. Нагревательный провод 23 намотан по спирали вокруг первого изолирующего слоя 24 с таким шагом намотки, что нагревательный провод 23 имеет требуемое сопротивление по всей длине нагревательного элемента 21. В представленном примере нагревательный провод имеет шаг 15 оборотов на дюйм, что обеспечивает сопротивление нагревательного провода 23 нагревательного элемента 21 в 54,5 Ом/м. Второй или внешний изолирующий слой 25 выполнен из ПХВ, имеет толщину 0,52 мм, что приводит к общему диаметру нагревательного элемента, равному 2,10 мм. Нагревательный элемент может быть сконструирован в соответствии со стандартом UL AWM Style #11019 с применением ПХВ в качестве основного материала. Также могут применяться другие материалы и другие размеры и/или конструкции.
При применении данной конструкции нагревательного элемента 21 и соединении внутреннего провода 22 и нагревательного провода 23 последовательно, как это показано на фиг.8, электромагнитное поле нагревательного элемента является очень низким, поскольку внутренний провод 22 служит обратной цепью для тока через нагревательный провод 23.
Фиг.2 представляет график зависимости сопротивления от температуры слоя с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) нагревательного элемента согласно настоящему изобретению. Сплошной линией показано сопротивление слоя с отрицательным температурным коэффициентом типового нагревательного элемента длиной 30 м, когда весь нагревательный элемент имеет одну и ту же температуру. Пунктирная линия представляет сопротивление слоя с отрицательным температурным коэффициентом 0,5 м нагревательного элемента, который находится под воздействием повышенной температуры. В случае если локальное горячее пятно, например, 0,5 м нагревательного элемента, имеет температуру около 140°C вследствие перегрева, вызванного образованием складок или сбиванием одеяла, то общее сопротивления слоя с отрицательным температурным коэффициентом будет вычисляться как параллельное соединение сопротивления в 30 м или 29,5 м материала с отрицательным температурным коэффициентом при нормальной температуре с сопротивлением в 0,5 м материала с отрицательным температурным коэффициентом при повышенной температуре. Температура локального горячего пятна, которая выше, чем средняя температура нагревательного элемента, становится преобладающим фактором при определении общего сопротивления.
Например, сопротивление слоя с отрицательным температурным коэффициентом составляет около 85 кОм, когда нагревательный элемент по всей длине имеет температуру 50°C. Когда локальное горячее пятно возникает в результате неправильного применения, температура нагревательного элемента примерно 0,5 м возрастает до 140°C, импеданс этого локального горячего пятна становится 25 кОм, что приводит к общему сопротивлению 19,3 кОм.
В случае установки максимальной степени нагрева, соответствующего выставлению режима «Высокий» согласно фиг.3, температура нагревательного элемента не должна быть выше 55°С, в результате сопротивление слоя с отрицательным температурным коэффициентом составляет 30 кОм. Низкое сопротивление 19,3 кОм из вышеприведенного примера будет определяться с помощью цепи управления нагревательным проводом, которая уменьшает питание, предотвращая разрушение нагревательного элемента в районе горячего пятна.
Фиг.3 представляет типичные рабочие циклы по отношению к температурным режимам «Низкий», «Средний», «Высокий» и «Ускоренный начальный режим». Каждый рабочий цикл в целом состоит из режима подачи питания, при котором к нагревательному элементу подается питание, а нагревательный провод выполняет функцию сопротивления, нагревающего нагревательный элемент, после чего следует режим релаксации, при котором питание не подается и происходит охлаждение. Для каждого из трех осуществляемых температурных режимов «Низкий», «Средний» и «Высокий» режим подачи питания длится точно 10 с, в то время как продолжительность режима релаксации изменяется от 38 с при температурном режиме «Низкий», до 19 с при «Среднем» и 8 с при «Высоком».
Когда цепь управления нагревательным проводом включается в первый раз после длительного времени неиспользования, соответственно после полного охлаждения, цепь управления нагревательным проводом автоматически подключается к «Ускоренному начальному режиму» в течение первых двух минут для быстрого нагревания. Во время этого «Ускоренного начального режима» питание подается непрерывно без осуществления режима релаксации. По истечении двух минут цепь управления нагревательным проводом настраивается на температурный режим, выбранный пользователем.
Способность цепи управления нагревательным проводом самовосстанавливаться в случае появления участка перегрева при обычных рабочих циклах в температурном режиме «Высокий» иллюстрируется на фиг.4. Для температур ниже 60°C соответственно во время нормальной работы рабочий цикл состоит из режима подачи питания продолжительностью 10 с, за которым следует режим релаксации продолжительностью 8 с, как изображено на фиг.4. Когда температура какой-либо части на нагревательном элементе возрастает выше 60°C, например, образовалось горячее пятно, то положительные полуволны в режиме подачи питания срезаются. Количество срезанных полуволн зависит от температуры на горячем пятне, соответственно. Чем выше температура горячего пятна или ниже сопротивление слоя с NTC на горячем пятне, тем больше полуволн срезаются с помощью цепи управления нагревательным проводом. В данном примере при температурах между 60°C и 80°C срезается каждая четвертая положительная полуволна. Когда температура находится между 80°C и 100°С, то каждая вторая полуволна исчезает, тогда как при температурах между 100°С и 120°С отрезаются три из четырех полуволн. Когда температура превышает 120°С, то блокируется каждая положительная полуволна. Представленные рабочие циклы являются только примерами, температура и количество срезанных полуволн может изменяться. Решение, срезать или нет положительную полуволну, принимается в начале каждой положительной полуволны.
Что касается установленного пользователем режима «Высокий», то рабочий цикл в случае сильного перегрева при температурах выше 150°C представлен на фиг.5. При температурах до 140°C питание уменьшается путем срезания все большего количества положительных полуволн, в крайней необходимости, каждой полуволны. Если температура не может быть уменьшена с помощью вышеописанного снижения питания и достигает 150°C или больше, то продолжительность режима релаксации рабочего цикла дополнительно увеличивается от 8 с до 37 с. Это значительно сокращает среднюю мощность, подаваемую на нагревательный элемент, и обеспечивает дополнительное охлаждение.
На фиг.6 представлена упрощенная блок-схема цепи 1 управления нагревательным проводом. Показанная цепь 1 управления нагревательным проводом содержит управляющую схему 35, переключающий элемент 36, блок 37 циклирования и таймер 33. Управляющая схема 35 служит для прекращения подачи питания на нагревательный элемент 21 в зависимости от температуры нагревательного элемента 21. Управляющая схема 35, кроме того, способна определять температуру нагревательного элемента 21.
Температура может определяться путем измерения какой-либо электрической характеристики нагревательного элемента 21, которая имеет отношение к температуре, например, падение напряжения, ток или сопротивление.
Чтобы определить температуру нагревательного элемента 21, требуется соединение управляющей схемы 35 с нагревательным элементом 21, которое создается при помощи переключающего элемента 36. Это соединение не является постоянным и осуществляется только в течение определенного времени. Это время предпочтительно устанавливать в начале каждого положительного и/или отрицательного прохождения через нуль переменного входного напряжения и его длительность является только частью периода питания переменного тока. Эта часть периода питания переменного тока меньше 10%, предпочтительно от 0% до 5%, наиболее предпочтительно от 0,25% до 1,5% от периода переменного тока. Температура нагревательного элемента 21 измеряется по меньшей мере один раз за период переменного тока.
В зависимости от температуры нагревательного элемента 21 управляющая схема 35 прекращает подачу питания на нагревательный элемент 21 в течение оставшейся части положительной и/или отрицательной полуволны питания переменного тока после измерения, если температура нагревательного элемента 21 является слишком высокой.
Цепь 1 управления нагревательным проводом также содержит блок циклирования 37, который в основном обеспечивает работу управляющей схемы 35 и нагревательного элемента 21 в рабочих циклах. Каждый рабочий цикл состоит из режима подачи питания и режима релаксации. В течение режима подачи питания питание переменного тока подается на нагревательный элемент 21, и температура нагревательного элемента 21 контролируется с помощью управляющей схемы 35 по меньшей мере один раз за период переменного тока. Продолжительность режима подачи питания является, как правило, величиной постоянной и устанавливается равной 10 с, но может также иметь другое значение и/или изменяться. Продолжительность режима релаксации находится в зависимости от установленного пользователем температурного режима, который изменяется между «Высоким», «Средним» и «Низким», в соответствии с продолжительностью режима релаксации, равной 8 с, 19 с и 38 с, соответственно. Возможно большее количество различных, устанавливаемых пользователем режимов и возможны различные величины продолжительности режима релаксации. В случае сильного перегрева нагревательного элемента 21 режим релаксации, установленный пользователем, может быть перенастроен, как описано при рассмотрении фиг.5, с целью предотвращения разрушения нагревательного элемента 21.
Таймер 33 является дополнительным средством обеспечения безопасности и отключает подачу питания на нагревательный элемент 21 после 10 часов непрерывного применения.
На фиг.7 представлена другая упрощенная блок-схема цепи управления 1 нагревательным проводом. В основном цепь управления 1 состоит из средства 31 прерывания и средства 32 управления. Средство 31 прерывания служит для регулирования подачи питания на соединенный с ним нагревательный элемент 21 за счет пропускания положительной и отрицательной полуволн питания переменного тока, пропускания только положительной или отрицательной полуволны, или не пропускания ни одной из двух полуволн. Один раз в каждом периоде питания переменного тока в течение малой части периода переменного тока измеряется сопротивление нагревательного элемента с помощью средства 32 управления. В зависимости от измеренного значения средство 32 управления выбирает, какое коммутационное состояние является подходящим для оставшейся части цикла, и в соответствии с этим устанавливает средство 31 прерывания. Точное определение времени измерения сопротивления нагревательного элемента осуществляется триггерным устройством 34. В данном примере измерительная часть цикла составляет не более 250 µс, и измерение начинается точно с момента положительного перехода через нуль цикла. Триггерное устройство 34 устанавливает средство 31 прерывания в состояние, при котором не подается полуволна на нагревательный элемент 21 в течение вышеупомянутых 250 µс, и измерение может осуществляться с помощью средства 32 управления.
По истечении заданного заранее времени работы таймер 33 устанавливает средство 31 прерывания постоянно в состояние, при котором никакая полуволна не подается на нагревательный элемент 21, с целью предотвращения ненужного потребления энергии. Это заранее заданное время устанавливается равным 10 часам, возможны и другие значения.
Фиг.8 представляет принципиальную электрическую схему цепи управления нагревательным проводом одеяла с электрическим обогревом согласно данному изобретению. Во время работы компаратор U1A 13 будет выдавать «высокий уровень», пока подъем положительной полуволны сетевого питания достигает такого напряжения, которое определяется делителем напряжения R9, R10. Сигнал «высокого уровня» на выходе компаратора U1A 13 в свою очередь включает симистор T2 15. Благодаря времени, необходимому для того, чтобы положительная полуволна сетевого питания переменного тока достигла установленного заранее значения напряжения делителя R9, R10, симистор T2 15 включается с определенной задержкой. Эта задержка по времени в данном примере составляет 250 µс, возможны другие значения. Симистор Т2 15 включается после временной задержки после каждого положительного прохождения через нуль сетевого питания переменного тока. В течение первых 250 µс, когда симистор Т2 15 еще выключен, однополупериодная схема 5 будет определять, включать или нет тиристор T1 14.
В течение нормальной работы нагревательного элемента, например, при температуре 60°С всего изолирующего слоя 24 с отрицательным температурным коэффициентом, ток утечки через изолирующий слой 24 с отрицательным температурным коэффициентом относительно малый. Сигнал напряжения на отрицательном входе компаратора U1B 8 будет меньше, чем сигнал на положительном входе, поступающий от делителя напряжения R3, R4. Следовательно, выход компаратора U1B 8 будет «высокого уровня», в результате тиристор T1 14 остается во включенном состоянии или включается. Таким образом, оставшаяся полуволна будет проходить через тиристор T1 14.
Во время нормальной работы нагревательного элемента схема периодически изменяется между режимом подачи напряжения и режимом релаксации. Продолжительность режима подачи напряжения определяется временем заряда конденсатора C7 17. Пока сигнал напряжения конденсатора C7 17, который прикладывается к отрицательному входу компаратора U1C 12, будет ниже опорного напряжения на положительном входе компаратора U1C 12, выход компаратора будет «высокого уровня». Время заряда конденсатора, в данном примере составляющее 10 с, может также выбираться другим. Пока конденсатор C7 17 заряжен и сигнал напряжения на отрицательном входе компаратора U1C 12 выше, чем опорный сигнал напряжения на его положительном входе, компаратор U1C 12 выдает сигнал «низкого уровня», выключая симистор T2 15 и тиристор T1 14 путем принудительного изменения напряжения на их управляющих электродах до «низкого уровня». С этого начинается режим релаксации. Продолжительность режима релаксации определяется разрядом конденсатора C1 17 через диод 19 и резисторы 20а, 20b и переменный резистор VR1 11. Пока напряжение конденсатора C7 17 ниже опорного сигнала напряжения на положительном входе компаратора U1C 12, его выход будет снова меняться к «высокому уровню», что дает возможность подключать режим подачи питания за счет включения симистора T2 15. В данном примере в зависимости от температурного режима - «Низкий», «Средний» или «Высокий», установленного с помощью переменного резистора VR1 11 или пользователем, продолжительность режима релаксации составляет 38 с, 19 с или 8 с. Возможны другие устанавливаемые режимы.
В случае перегрева части или целого нагревательного элемента 21, возникшего вследствие неправильного использования, например, образования складок или сбивания одеяла, сопротивление изолирующего слоя 24 с отрицательным температурным коэффициентом снижается, например, до упомянутого значения 19,3 кОм. Ток утечки через слой 24 с отрицательным температурным коэффициентом будет возрастать и, следовательно, формировать положительный сигнал на отрицательном входе компаратора U1B 8. Если этот входной сигнал становится больше, чем сигнал на положительном входе, поступающий от делителя напряжения R3, R4, то тогда компаратор U1B 8 имеет на выходе «низкий уровень», который выключает тиристор T1 14. При выключенном тиристоре T1 14 положительные полуволны не пропускаются.
Поскольку симистор Т2 15 может быть включен только после задержки по времени, равной 250 µс, в начале каждой положительной полуволны, это сравнение или измерение осуществляется на каждой положительной полуволне.
В случае если горячее пятно постоянно становится сильнее и температура возрастает до приблизительно 150°С, режим релаксации может быть продлен, как показано на фиг.6. Обусловленная сопротивлением изолирующего слоя 24 с отрицательным температурным коэффициентом, которое даже ниже вышеупомянутого значения 19,3 кОм, электрическая схема 6 режима релаксации принимает на входной положительный контакт компаратора U1D 10 сигнал выше, чем на отрицательный входной контакт. Следовательно, компаратор U1D 10 имеет на выходе «высокий уровень», чтобы зарядить конденсатор С7 17 напряжением Vcc. Пока конденсатор С7 17 еще не разрядился, компаратор U1C 12 имеет на выходе «низкий уровень», который будет удерживать симистор Т2 15 и тиристор T1 14 в выключенном состоянии. Время разряда конденсатора C7 17 при установленном пользователем режиме «Высокий» составляет около 37 с, но может также выбираться иначе. Время разряда при установлении пользователем режима «Средний» составляет 43,2 с. Хотя вероятность того, что горячее пятно будет создаваться при установленном пользователем режиме «Низкий», ничтожно мала, все же разряд в этом случае должен длиться около 52,8 с.
В случае полного выхода из строя нагревательного элемента 21, например короткого замыкания между внутренним и нагревательным проводом, резисторы R1 и R2 будут нагреваться в течение первых 250 µс положительной полуволны, и плавкий предохранитель 7 будет гореть до полного прерывания подачи сетевого питания. Хотя на принципиальной электрической схеме, изображенной на фиг.8, плавкий предохранитель 7 показан далеко от резисторов R1 и R2, в действительности плавкий предохранитель 7 находится очень близко или в непосредственном тепловом контакте по меньшей мере с одним, предпочтительно обоими резисторами R1 и R2.
При работе схемы в первый раз или после длительного хранения конденсатор C7 17 полностью разряжен. Следовательно, время в режиме подачи питания, необходимое для первоначальной зарядки и соответственно для достижения более высокого значения напряжения на отрицательном входе компаратора UC1 12, чем напряжение на положительном входе, будет больше времени, затраченного при нормальной работе. Это увеличение времени дает возможность нагрева в «Ускоренном первоначальном режиме», и в данном примере составляет приблизительно 2 мин. Хотя этот «Ускоренный начальный режим» длится дольше, чем обычный режим подачи питания, принцип действия точно такой же. Измерение осуществляется при каждом положительном переходе через нуль и определяется, следует или нет пропускать положительную полуволну. Такой режим работы может использоваться только при первом включении цепи управления нагревательным проводом после полного разряда конденсатора С7 17. Также возможны другие варианты использования «Ускоренного начального режима», например, когда нагревательный элемент 21 полностью охлажден.
Таймер 1C 16 измеряет время, прошедшее с момента включения цепи управления нагревательным проводом. По истечении заранее установленного времени, например 10 часов, таймер 1C 16 выводит «низкий уровень» на свой выходной контакт 18, который в свою очередь понижает напряжение на выходе компаратора U1C 12, который затем выключает тиристор T1 14 и симистор Т2 15. При отключенных тиристоре T1 14 и симисторе Т2 15 не будет происходить потребления энергии нагревательным элементом 21. Такой способ автоматического отключения является дополнительным средством для предотвращения выхода из строя цепи управления нагревательным проводом, а также предотвращения избыточного потребления электроэнергии.