淺談陶瓷電加熱元件控制系統(tǒng)

電加熱系統(tǒng)走過(guò)了普通電熱絲、合金電熱絲、電熱膜、PTC加熱元件的漫長(zhǎng)過(guò)程，直至今天廣泛采用的氧化鋁陶瓷加熱芯（MCH）。所謂MCH氧化鋁陶瓷發(fā)熱片，是以高熱導(dǎo)率陶瓷——氧化鋁瓷為基體，通過(guò)直接在氧化鋁坯體上印刷耐熱難熔合金作為內(nèi)電極形成發(fā)熱電路，經(jīng)真空壓合，在1600℃左右的高溫將兩片氧化鋁生瓷片共燒，最后經(jīng)釬焊引出引線而制成。與傳統(tǒng)的電熱元件相比較，具有性能穩(wěn)定、使用使命長(zhǎng)、高效節(jié)能、表面溫度均勻，絕緣性能好等優(yōu)勢(shì)，且熱響應(yīng)時(shí)間短，熱慣性小，升溫速度快，加熱溫度最高可達(dá)700℃。無(wú)可見光的輻射，具有較好的表面發(fā)散率，安全環(huán)保，符合歐盟（ROHS及WEEE）的環(huán)保要求。故已經(jīng)完全取代了各種電熱絲和PTC加熱元件在新型小家電和美容護(hù)理產(chǎn)品上的應(yīng)用。

現(xiàn)在常見的產(chǎn)品規(guī)格為厚度1.2mm的片狀，如圖1和圖2，長(zhǎng)寬規(guī)格有70×7、70×10、70×15 、70×20、70×30等，常溫電阻通常有 40/60/80/120/150（Ω）等，根據(jù)廠家不同而有不同規(guī)格，工作溫度 100－300℃，最高工作溫度大于500℃。用于110/220V直接加熱時(shí)可在 7－10 秒內(nèi)達(dá)到 200 ℃ ,20秒左右達(dá)到最高溫。但是在用于卷發(fā)器、直發(fā)器(離子燙)等美容護(hù)理產(chǎn)品上時(shí)，因?yàn)橐话阋蠓€(wěn)定溫度在100℃－250℃范圍內(nèi)無(wú)級(jí)可調(diào)或分檔位調(diào)溫，加之要求溫度穩(wěn)定性高，因此一般都需要相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)。

最初的控溫系統(tǒng)一般采用NTC測(cè)量發(fā)熱體上的溫度，然后由MCU或?qū)Ｓ?a target="_blank">ASIC檢測(cè)NTC的阻值并控制可控硅輸出。這些電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高（NTC+ MCU）,因此很快就被淘汰，目前比較先進(jìn)的方案是利用MCH發(fā)熱頭內(nèi)部發(fā)熱元件的電阻隨溫度升高而變化的特性，直接測(cè)量發(fā)熱元件的電阻值來(lái)測(cè)量溫度，從而直接控制其穩(wěn)定溫度。該特性近似PTC特性，但是元件的居里點(diǎn)不同。例如某一款常溫電阻33Ω的發(fā)熱頭在120℃時(shí)電阻約上升至47Ω，而當(dāng)溫度達(dá)250℃時(shí)電阻約上升至61Ω。比較典型的分離元件方案是采用CD4017 + LM358或者甚至單獨(dú)一片LM358 、LM2903等。典型的一款控制電路如圖3所示：

R14A/B降壓D2D3穩(wěn)壓后由D4C3整流濾波后輸出24V左右的直流電壓供后面使用，Q4/Q5及其附屬電路組成交流電過(guò)零檢測(cè)電路用于驅(qū)動(dòng)Q3在每次交流電過(guò)零時(shí)輸出約100uS的脈沖，控制Q2向后面的由LM2903組成主控電路提供約100uS的脈沖式供電。U1A的正輸入端配合兩個(gè)電阻鏈用于調(diào)整設(shè)定溫度點(diǎn)，其中SVR1設(shè)定最高溫度，SVR2設(shè)定最低溫度（或者反過(guò)來(lái)也可以），VR1令U1A的正輸入端電壓在兩個(gè)極限之間無(wú)級(jí)可調(diào)，從而線性的調(diào)整設(shè)定溫度。因發(fā)熱頭與R15/R14經(jīng)D7串連，當(dāng)發(fā)熱頭溫度上升令其阻值上升時(shí)，經(jīng)D7正端取出的電壓升高，該電壓由D8輸入IC的兩個(gè)反向輸入端，由U1A判斷該電壓是否上升超過(guò)VR1的設(shè)定點(diǎn)，從而其輸出端控制D5/R8/C4回路是否向U1B的正極提供比較脈沖，用于驅(qū)動(dòng)U1B比較器從而控制SCR1單向可控硅的導(dǎo)通與否，達(dá)到穩(wěn)定溫度的目的。

該電路成本較低，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，電路各部分之間互相影響，控溫效果一般，特別是當(dāng)控溫電路失靈，例如任何一個(gè)可調(diào)電阻開路的時(shí)候，電路的輸出將令SCR持續(xù)導(dǎo)通，發(fā)熱頭的溫度劇烈升高，甚至可能超過(guò)500℃，因而燒毀發(fā)熱頭甚至發(fā)生危險(xiǎn)。去年就有數(shù)例因直發(fā)器燒壞客人頭發(fā)被投訴和索賠的案例。因此，各生產(chǎn)廠家需要更新穎，更簡(jiǎn)單，更安全的控制系統(tǒng)。

PT8A330x是一系列最新設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)集成電路，完全改進(jìn)了上述電路的弊端，該IC采用了脈沖方式觸發(fā)可控硅，觸發(fā)能力強(qiáng)，耗電極微，而且外圍電路非常簡(jiǎn)潔。特別是其輸出驅(qū)動(dòng)腳－引腳8－Gate，在IC內(nèi)部采用了許多特殊措施，以確保在IC無(wú)動(dòng)作或失效時(shí)此引腳被可靠拉低，關(guān)閉可控硅，這樣就不致引起安全問(wèn)題。典型應(yīng)用電路如圖4，這個(gè)電路可以直接工作在110V -240V的電壓范圍內(nèi)，由D2/R1/C1 /C2組成的半波整流電阻降壓電路為IC和附屬電路提供約5V的供電，LED1/LED2用于指示工作狀態(tài)，由R3/R4組成交流電過(guò)零檢測(cè)電路，用于給IC提供過(guò)零觸發(fā)訊號(hào)，同時(shí)用于檢測(cè)電路是處于110V供電還是220V供電，以便IC內(nèi)部切換不同的加熱控制速率。例如對(duì)于阻值較小的發(fā)熱頭，用于110V的環(huán)境下開機(jī)時(shí)，采用全火數(shù)加熱，而采用220V時(shí)則采用3/8或1/4火數(shù)加熱以保護(hù)加熱頭和系統(tǒng)不致因升溫太快而損壞。

該IC測(cè)溫的原理大致如下：VR1用于調(diào)整設(shè)定溫度，發(fā)熱頭電阻+R13+VR1左半邊組成惠司登電橋的一臂，VR1的右半邊和R12組成另一臂，這一條通路的平衡檢測(cè)由引腳2輸入內(nèi)部比較器一端，IC內(nèi)部提供另外兩臂并在內(nèi)部輸入比較器另一端，在測(cè)溫期間（由IC控制使得在加溫停止期間測(cè)溫），由VB引腳輸出接近VCC的電壓供電給電橋，由內(nèi)部高精度比較器檢測(cè)電橋的平衡情況從而判斷溫度及其誤差幅度，經(jīng)內(nèi)部近似PID運(yùn)算后控制引腳8輸出脈沖觸發(fā)訊號(hào)（過(guò)零觸發(fā)）控制可控硅的導(dǎo)通，從而精確控制系統(tǒng)的溫度。剛上電或者OFF時(shí)整個(gè)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，由輕觸開關(guān)SW1控制開/關(guān)系統(tǒng)加溫功能。

該方案的特點(diǎn)在于IC內(nèi)部采用了近似PID控制算法而不是像一般的系統(tǒng)采用ON/OFF控制，眾所周知目前在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，對(duì)于溫控系統(tǒng)而言，ON/OFF控制是在檢測(cè)到溫度下降到設(shè)定下限時(shí)開啟發(fā)熱頭加溫，而在溫度上升達(dá)到設(shè)定上限后停止加溫。因此其溫度總是在設(shè)定點(diǎn)附近上下擺動(dòng)。而PID控制器的輸出不僅與溫度偏移量（輸入誤差信號(hào)）成比例關(guān)系（比例控制），還同時(shí)與溫度偏移量的變化速度（微分）和溫度偏移量的時(shí)間累積（積分）成正比關(guān)系，這樣，因系統(tǒng)具有比例+微分控制，就能夠提前啟動(dòng)誤差抑制動(dòng)作，所以對(duì)有較大熱慣性或滯后的發(fā)熱頭，比例+微分（PD）控制器能顯著改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性；積分項(xiàng)是指溫度漂移對(duì)時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)發(fā)熱頭的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，采用比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。

對(duì)于PID調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，其比例關(guān)系和積分微分值的整定是非常關(guān)鍵的，PT8A330x綜合設(shè)計(jì)者多年對(duì)陶瓷發(fā)熱體的研究經(jīng)驗(yàn)，在IC內(nèi)部整定了幾套不同的針對(duì)性非常強(qiáng)的PID參數(shù)，從而產(chǎn)生了PT8A3300-3307等一系列型號(hào)，每款型號(hào)又分H/L等不同類別，分別針對(duì)各種性能的陶瓷發(fā)熱頭，在采用了上述措施以后，該系列IC的溫度控制曲線已經(jīng)非常完美，無(wú)論是溫度穩(wěn)定程度、升溫速度還是掉溫后的補(bǔ)溫速度，在目前業(yè)界都具有相當(dāng)明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，相信必將對(duì)提升電熱式個(gè)人護(hù)理器具和小家電的整體技術(shù)水平產(chǎn)生強(qiáng)烈的推動(dòng)作用。