基于Multisim11的飲水機制冷控制電路仿真設計

馬穎

（四川信息職業技術學院 四川 廣元 628040）

目前市場上常見的冷熱型飲水機主要有半導體制冷飲水機和壓縮機制冷飲水機，而同類型的壓縮機制冷飲水機，其成本比半導體制冷飲水要高得多，因此家用可制冷飲水機多采用半導體制冷型[1]。作為半導體制冷飲水機主要控制部件的溫控系統，其設計主要采用熱敏電阻作為溫控器件，但在傳統的設計中，對熱敏電阻的溫度感應模型設計要求有較高的數學功底，比較難設計出性能優異的的半導體制冷飲水機。針對上述現象，文中結合NTC熱敏電阻的溫度特性利用Multisim11設計出了飲水機的半導體制冷控制電路，并對控制電路的溫控系統進行了相應的參數掃描仿真分析，以驗證飲水機電路在制冷時可根據水溫變化自動控制半導體制冷片工作的功能。

圖1 半導體制冷飲水機系統框圖Fig.1 Block diagram of Semiconductor refrigeration dispenser system

1 總體系統設計

多功能飲水機的系統電路主要由加熱溫控電路，制冷溫控電路，消毒控制電路組成。其中制冷控制電路部分，以NTC熱敏電阻為核心溫控器件，通過對市電進行降壓、整流、濾波、直流穩壓后，進入溫控比較電路，然后輸出驅動半導體制冷片及散熱風扇電機工作。

2 NTC熱敏電阻特性

熱敏電阻器是對溫度敏感元件的一類，其典型的特點是，在不同的溫度下表現出不同的電阻值，按照溫度系數不同分為正溫度系數熱敏電阻器（PTC）和負溫度系數熱敏電阻器（NTC）。本設計中采用的是TS系列的103-3435型負溫度系數溫度感測器（NTC）作為溫控比較電路的核心器件，該熱敏電阻在溫度越高時電阻值越低，主要應用于空調、冰箱、熱水器、飲水機等家用電器的溫控系統中，居有靈敏度高、反應迅速，電阻值和B值精度高、一致性互換性好等特點。

根據NTC的溫度特性公式：RT=RNexpB*（1/T-1/TN）[2]。代入TS103-3435熱敏電阻的參數：標稱值R25=10 kΩ，熱敏指數B值=3 435，可以確定該熱敏電阻在某個環境溫度T（K）下的電阻值RT，得到其在0~50℃的電阻-溫度特性圖如圖2所示。

圖2 熱敏電阻TS103－3435在0～50℃的電阻-溫度特性圖Fig.2 Resistance-temperature characteristics of the thermistor TS103－3435 at 0～50℃

一般半導體制冷飲水機的制冷溫度為15℃，最低可到10℃。在文中設計飲水機的控制驅動溫度就在10~15℃之間。因此，根據其電阻溫度特性曲線可以得到：10℃時，RT=18.41 kΩ；15℃時，RT＝14.92 kΩ。

3 NTC熱敏電阻仿真模型的建立

利用熱敏電阻設計溫控電路時，需要將其阻值轉換為電壓值，并將熱敏電阻簡化成其中的一個電平接口。問題是在仿真設計中，Multisim11沒有熱敏電阻的仿真模型，因此，如何利用系統自帶的電阻溫度系數設置并模擬仿真熱敏電阻的非線性行為是一個需解決的問題。

在仿真軟件Multisim11中，電阻溫度系數的設置有3個參數：溫度系數TC1、TC2，以及仿真標稱溫度。其中TC1和TC2都只能為正值，所以直接設置負溫度系數的電阻在Multisim11是不能實現的，只有通過數學模型來近似設置仿真標稱溫度負增長一側的電路參數，從而模擬NTC的負溫度系數的情況[3]。

由電阻仿真模型參數經驗公式：

可分析得到溫度系數的近似值分別取：TC1＝0.008 8，TC2＝0.004 2。將這個NTC仿真模型用恒流源串聯起來，根據對工作溫度變化的掃描輸出其兩端電壓的數值，就可得到0℃至常溫25℃的熱敏電阻模型的阻值仿真結果，如表1所示。

表1 NTC及其仿真模型的電阻-溫度特性對照表Tab.1 Resistance-temperature characteristics comparison table of NTC and its simulation model

從表中可以看出，在制冷片驅動工作溫度10～15℃之間，仿真結果與實際經驗值的誤差可以控制在2.5%以內，滿足預期設計要求。

4 制冷溫控電路設計

溫控電路是制冷驅動電路的核心部分，根據飲水機工作原理，要求在常溫（＞15℃）時，可驅動半導體制冷片制冷，當水溫下降到10℃時，停止制冷，然后保持制冷工作狀態，當水溫上升到15℃時，自動開始重新制冷，如此一直往復循環，使水溫控制在10～15℃之間，其工作特性如圖3所示。

圖3 溫控比較電路工作特性圖Fig.3 Characteristics diagram of temperature control comparison circuit

根據上述分析，選用HA17393構成具有雙閾值的回差電壓比較器來實現溫控電路，整機仿真電路如圖4所示[4]。

圖4 半導體制冷飲水機仿真電路圖Fig.4 Semiconductor refrigeration dispenser circuit simulation diagram

根據溫控電路的原理，分別計算相關元器件的參數如下：

1）當制冷開關J3閉合，且水溫＞15℃時，電壓比較器輸出高電平，D5截止無反饋，Q1導通并驅動半導體制冷片及散熱風扇電機工作，同時制冷指示燈LED3亮。此時，比較器的同相輸入端用R4、R5串聯分壓得到制冷工作時的比較電平：UTH+＝0.5Uz＝4.55 V。

2）當水溫下降至10℃時，比較器輸出低電平，D5導通有反饋，Q1截止制冷片停止工作，比較器的同相輸入端除R4、R5外，還有R8和D5導通的共同作用，此時比較電平會下降至UTH－。由此，可得R6R7和反饋電阻R8的計算公式：

聯立求解，得R8＝2.25 kΩ， 取標稱值2.2 kΩ；R67＝14.92 kΩ，實際電路中R6、R7可分別用12 kΩ的固定電阻和6.8 kΩ的電位器串聯代替，這樣可方便進行手動溫度補償校正。在仿真系統中R67取值：R6+R7＝12+44%×6.8 kΩ＝14.992 kΩ。

5 系統仿真調試結果

連接好仿真電路并設置參數后，對系統電路應用Multisim11的參數掃描分析功能，針對熱敏電阻RT進行工作溫度參數掃描，設置從0℃啟動，40℃停止，單步增量為1℃，得到HA17393的輸出端電壓Uo隨RT溫度變化的曲線[5]，如圖5所示。

圖5 制冷控制輸出電壓-溫度參數掃描界面圖Fig.5 Refrigeration control output voltage-temperature parameter scanning interface diagram

將掃描結果導出為EXCEL，得到如表2所示的仿真調試結果。

表2 RT溫度與制冷控制輸出電壓的仿真結果Tab.2 Simulation results of RT temperature and refrigeration control output voltage

通過仿真結果可以看出，當NTC熱敏電阻RT的環境溫度大于15℃時，輸出為15 V左右的高電平，能使Q1導通并驅動制冷片工作，較好地實現了設計預期目標。

6 結 論

Multisim11是一款功能強大的電子電路仿真軟件，除了可以利用虛擬儀表直接觀測電路的參數外，還提供了18種電路分析工具進行電路分析[6]。本設計主要利用其中的參數掃描分析工具，對建立的NTC熱敏電阻模型進行飲水機溫控電路的溫度參數掃描分析，仿真運行的結果達到了預期的設計目標，即實現了飲水機電路在制冷時可根據水溫變化自動控制半導體制冷片工作的功能。

[1]劉瑞屏.飲水機的種類、選購與使用[J].家用電器，1998（8）：10－11.LIU Rui-ping.Type，purchase and use of water dispenser[J].Household Appliance，1998（8）：10－11.

[2]王行迅.非線性熱敏電阻測溫的線性處理[J].成都教育學院學報，2005（11）：75－76.WANG Xing-xun.Linear processing of nonlinear thermistor temperature measurement[J].Journal of Chengdu College of Education，2005（11）：75－76.

[3]盧超，尹繼武.溫度掃描分析在電路仿真中的應用[J].武漢大學學報，2005，（S2）：099－101.LU Chao，YIN Ji-wu.Applications of temperature sweep analysis in circuit simulation[J].Journal of Wuhan University，2005（2）：99－101.

[4]李城.名果皇YLG－50BD消毒冰熱飲水機電路圖[J].家電檢修技術，2012，（12）：35.LI Cheng.MingGuo huang YLG-50BD disinfection ice hot water dispenser circuit diagram[J].Technology for Overhauling Electrical Home Appliance，2012，（12）：35.

[5]盧艷紅，季峰，虞滄.基于Multisim10的電子電路設計、仿真與應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[6]雷躍.NI Multisim 11電路仿真應用[M].北京：電子工業出版社，2011.