两路输出的断电复位温控开关设计

卢子忱马永红张宗宁孙洋洋刘珑龙

（1.中国科学院云计算中心 2.东莞市凯恩电子科技有限公司 3.中国海洋大学）

两路输出的断电复位温控开关设计

卢子忱1,2马永红2张宗宁2孙洋洋2刘珑龙3

（1.中国科学院云计算中心 2.东莞市凯恩电子科技有限公司 3.中国海洋大学）

基于双金属片受热翻转推动与之垂直的推杆，带动与推杆相连的动触片动作，进而接通另一路电源，设计一款两路输出的断电复位温控保护开关。为确保温控开关两路输出的可靠和负载用电安全，将第一路输出端子的功率电阻替换为嵌入PTC发热体，使负载电路因超温过载断开后，只能手动复位电路。

双金属片；温控开关；PTC；负载

0 引言

温控开关可将温度控制在规定范围内，广泛应用于各种电子设备[1-2]。当电子设备的温度达到设定值时，通过温控开关的触点闭合或断开完成电路的通断，从而实现温度保护及电子设备的正常工作。

现有的单路温控开关在动作后，故障暂时排除，自动复位，可能使故障再现而反复动作，不能满足某些安全设备的特殊需求；为避免反复动作，需附加多个器件，不仅提高产品成本，又增加故障点。为此，本文设计两路输出的断电复位温控开关[3]，并且不会反复自动复位，从而保证性能更加稳定，电路也更加简单。

1 温控开关工作原理

在消毒柜[4-5]中的温控电路，大都使用继电器和单路输出的温控器作为电路控制开关，通过继电器的闭合和断开而实现电路功能的切换，其典型的电路结构如图1所示。正常工作情况下，温控器S2闭合，继电器KJ1接通第一负载电路，电热盘工作开始消毒。当电热盘加热至设定温度时，温控器S2断开，继电器KJ1接通第二路负载电路，使电热丝和风机工作，进行吹干，而电热盘停止工作。工作一定时间后，通过时间定时器S1动作而切断整个电路电源，防止因温控器 S2失灵或自动复位而再次接通第一负载电路。

图1 继电器控制的消毒柜典型电路结构

产品设计要求其同一时刻只需一路电路工作，且达到设定温度时，切换并一直保持在第二负载电路工作。如果利用现有的这种继电器方案，不但需要设置时间定时器，还需要设置温控器，从而使电路复杂，故障点多，成本增加。此外，环境温度降低后，现有的这种电路结构会使温控器S2、继电器KJ1 自动复位至原始状态，即与第一负载电路连通，故无法满足使用需求。

2 两路输出的断电复位温控开关结构设计

两路输出的断电复位温控开关结构如图2所示。

图2 两路输出的断电复位温控开关结构

两路输出的断电复位温控开关通过双金属片感应其表面温度而发生翻转，同时带动与之相垂直的推杆推动弹片；动弹片（即第一弹片）的自由端两侧表面上设有动触点，动触点可接通第一输出端子或第二输出端子的静触点，从而使第一负载电路或第二负载电路工作。

在第一输出端设有 PTC发热体，该发热体经第二弹片与所述第一弹片连接。当负载的工作温度在正常范围时，动触点与第一输出端子的静触点连接，第一负载电路正常工作，此时 PTC发热体不工作；当双金属片检测到负载的工作温度达到设定值时，双金属片推动动触点与第二输出端子的静触点接触，第二负载电路正常工作，同时 PTC发热体与第一负载电路导通并持续发热，使动触点一直与第二输出端子的静触点接触，保持第二负载电路持续接通工作。只有手动切断电源电路时，双金属片冷却复位后，动触点才与第一输出端子的静触点接触而导通。从而避免了因环境温度降低使双金属片复位，而导致再次接通第一负载电路的反复动作。

3 电路设计

两路输出的断电复位温控开关具有两级输出，实现两路工作电路的温度控制，可应用于多种两级输出的应用场所。具有接线简单的特点，动作后必须手动复位，使其性能更稳定，更安全方便。

两路输出的断电复位温控开关应用于消毒柜的实例如图3所示。温控开关动触片e一端与电源N连接，另一端为动触片；第一输出端子d与第一负载电路连接，即电热盘所在的消毒电路；第二输出端子c与第二负载电路连接，即由并联的电热丝和风机组成的烘干电路。正常状态下，e和d连接，接通第一负载电路，此时 PTC发热体短路不工作，第一负载电路正常工作，第二负载电路断开。当电热盘通电发热至设定温度时，温控开关中的双金属片翻转，接通第二负载电路，即e端与c端连通，电热丝和风机工作。此时第一负载电路中的电热盘与 PTC发热体串联，由于 PTC的电阻远大于电热盘的电阻，第一负载电路上流经的电流极小，可视为不工作。而PTC发热体因导通而持续产生热量，使温控开关一直处于翻转状态，保持e和c接通。此时，只有手动切断电源才能使 PTC发热体因掉电而停止发热，冷却至一定温度时，温控开关中双金属片才会复位，使e和d接通，实现整个电路的复位。若非人为切断电源，PTC发热体便不断发热，使电路保持在第二负载电路工作，第一负载电路不工作的状态。

图3 采用新型温控开关的消毒柜电路结构

通过本温控开关可实现时间定时器 S1、继电器KJ1和温控器S2的功能。由1个器件替换3个器件，使电路更加简单，产品成本更低。此外，本温控开关只有手动断电时才会复位，因此可靠性更强。

4 实验及数据

4.1 温控开关测试数据

测试样品24片，放入烤箱，设定温度标准范围为：动作温度（125±5）℃，复位温度（50±5）℃，实测结果见表1，对应的曲线见图4。

表1 温控开关温度性能测试数据

图4 温控开关动作温度曲线图

4.2 PTC电阻－温度测试数据

PTC电阻－温度测试条件：交流220 V/50 Hz，室温38℃，测试时间30 min。用温度探头测试PTC发热膜表面温度，测试数据见表2。

由于普通功率电阻体积较大，无法直接放入温控开关内部，故选用体积小而功率大的PTC作为功率电阻，且只采用其电阻值突变前的较为稳定的一段，PTC电阻－温度曲线图如图5所示。

表2 PTC电阻－温度测试数据

5 分析

温控开关的动作温度在（125±5）℃范围内，复位温度在（50±5）℃，符合设计要求。

PTC阻值在温度160℃以上开始跳变，电阻急剧增大。PTC阻值在130℃以下非常平稳，保持在4 k Ω左右，可以作为高温大功率电阻使用。电源为220 V时，PTC功率约为12 W。

与PTC串联的电热盘（220 V/500 W）阻值约96 Ω，其压降可以忽略不计，相当于短路，此时只有PTC保持工作，从而持续发热使双金属片保持动作状态。

6 结语

温控开关通过设置PTC发热体使负载电路因超温过载断开后，只有通过手动方式才能使负载电路复位，从而保证了温控开关两路输出电流的工作可靠性及用电负载的安全性。相比于传统技术，本设计通过一个温控开关便可实现继电器、温控器和时间定时器的功能，因此可降低产品成本，简化电路，减少故障点，解决了传统技术中温控开关有可能在故障未消除时反复自动复位的安全隐患。

[1] 仲高艳,林小艺,徐翔.用于电热水壶的电子式温控器的研制[J].电子器件,2006,29(3):808-812.

[2] 郭涛,李丽华,劳永建.一种非接触式微加速度开关的研究[J]. 传感技术学报, 2008,21(4):664-666.

[3] 卢子忱,马永红,郑劝文,等. 可控制多负载电路的弹片式断电复位温控开关: 中国, ZL201420457032.X[P]. 2014-12-31.

[4] 梁仲华.创大 ZTP63C食具消毒柜电路与维修[J].家庭电子,2003(11):22.

[5] 郭硕,朱阳春,程贵亮.机械温控器对冷柜耗电量的影响[J].电器,2013(S1):600-602.

A Power-Down Reset Thermostat Switch of Dual Outputs

Lu Zichen1,2Ma Yonghong2Zhang Zongning2Sun Yangyang2Liu Longlong3
(1. Cloud Computing Center, Chinese Academy of Sciences
2. Dongguan Kain Electronics Co., Ltd.
3. Ocean University of China)

The paper presents a design of power-down reset thermostat switch of dual outputs by using the bi-metallic strip heated and flipped to push a rod which is connected to a movable contact spring and moved, thereby connecting the other load circuit to finish circuit switching. And a PTC instead of the power resistance in the first output terminal is embedded, to continuously produce heat to make the double metal piece to keep heating turned state, so that the load circuit is disconnected due to over temperature overload, and is reset only by manual mode. Therefore the working reliability of the thermostat switch outputs and safety of the electricity load are guaranteed.

Bimetal; Thermostat; PTC; Load

卢子忱，男，1969年生，硕士研究生，高级工程师，研究方向：红外电热和红外医学。E-mail: luzichen@163.com