基于Multisim11的饮水机制冷控制电路仿真设计

马颖

（四川信息职业技术学院 四川 广元 628040）

目前市场上常见的冷热型饮水机主要有半导体制冷饮水机和压缩机制冷饮水机，而同类型的压缩机制冷饮水机，其成本比半导体制冷饮水要高得多，因此家用可制冷饮水机多采用半导体制冷型[1]。作为半导体制冷饮水机主要控制部件的温控系统，其设计主要采用热敏电阻作为温控器件，但在传统的设计中，对热敏电阻的温度感应模型设计要求有较高的数学功底，比较难设计出性能优异的的半导体制冷饮水机。针对上述现象，文中结合NTC热敏电阻的温度特性利用Multisim11设计出了饮水机的半导体制冷控制电路，并对控制电路的温控系统进行了相应的参数扫描仿真分析，以验证饮水机电路在制冷时可根据水温变化自动控制半导体制冷片工作的功能。

图1 半导体制冷饮水机系统框图Fig.1 Block diagram of Semiconductor refrigeration dispenser system

1 总体系统设计

多功能饮水机的系统电路主要由加热温控电路，制冷温控电路，消毒控制电路组成。其中制冷控制电路部分，以NTC热敏电阻为核心温控器件，通过对市电进行降压、整流、滤波、直流稳压后，进入温控比较电路，然后输出驱动半导体制冷片及散热风扇电机工作。

2 NTC热敏电阻特性

热敏电阻器是对温度敏感元件的一类，其典型的特点是，在不同的温度下表现出不同的电阻值，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。本设计中采用的是TS系列的103-3435型负温度系数温度感测器（NTC）作为温控比较电路的核心器件，该热敏电阻在温度越高时电阻值越低，主要应用于空调、冰箱、热水器、饮水机等家用电器的温控系统中，居有灵敏度高、反应迅速，电阻值和B值精度高、一致性互换性好等特点。

根据NTC的温度特性公式：RT=RNexpB*（1/T-1/TN）[2]。代入TS103-3435热敏电阻的参数：标称值R25=10 kΩ，热敏指数B值=3 435，可以确定该热敏电阻在某个环境温度T（K）下的电阻值RT，得到其在0~50℃的电阻-温度特性图如图2所示。

图2 热敏电阻TS103－3435在0～50℃的电阻-温度特性图Fig.2 Resistance-temperature characteristics of the thermistor TS103－3435 at 0～50℃

一般半导体制冷饮水机的制冷温度为15℃，最低可到10℃。在文中设计饮水机的控制驱动温度就在10~15℃之间。因此，根据其电阻温度特性曲线可以得到：10℃时，RT=18.41 kΩ；15℃时，RT＝14.92 kΩ。

3 NTC热敏电阻仿真模型的建立

利用热敏电阻设计温控电路时，需要将其阻值转换为电压值，并将热敏电阻简化成其中的一个电平接口。问题是在仿真设计中，Multisim11没有热敏电阻的仿真模型，因此，如何利用系统自带的电阻温度系数设置并模拟仿真热敏电阻的非线性行为是一个需解决的问题。

在仿真软件Multisim11中，电阻温度系数的设置有3个参数：温度系数TC1、TC2，以及仿真标称温度。其中TC1和TC2都只能为正值，所以直接设置负温度系数的电阻在Multisim11是不能实现的，只有通过数学模型来近似设置仿真标称温度负增长一侧的电路参数，从而模拟NTC的负温度系数的情况[3]。

由电阻仿真模型参数经验公式：

可分析得到温度系数的近似值分别取：TC1＝0.008 8，TC2＝0.004 2。将这个NTC仿真模型用恒流源串联起来，根据对工作温度变化的扫描输出其两端电压的数值，就可得到0℃至常温25℃的热敏电阻模型的阻值仿真结果，如表1所示。

表1 NTC及其仿真模型的电阻-温度特性对照表Tab.1 Resistance-temperature characteristics comparison table of NTC and its simulation model

从表中可以看出，在制冷片驱动工作温度10～15℃之间，仿真结果与实际经验值的误差可以控制在2.5%以内，满足预期设计要求。

4 制冷温控电路设计

温控电路是制冷驱动电路的核心部分，根据饮水机工作原理，要求在常温（＞15℃）时，可驱动半导体制冷片制冷，当水温下降到10℃时，停止制冷，然后保持制冷工作状态，当水温上升到15℃时，自动开始重新制冷，如此一直往复循环，使水温控制在10～15℃之间，其工作特性如图3所示。

图3 温控比较电路工作特性图Fig.3 Characteristics diagram of temperature control comparison circuit

根据上述分析，选用HA17393构成具有双阈值的回差电压比较器来实现温控电路，整机仿真电路如图4所示[4]。

图4 半导体制冷饮水机仿真电路图Fig.4 Semiconductor refrigeration dispenser circuit simulation diagram

根据温控电路的原理，分别计算相关元器件的参数如下：

1）当制冷开关J3闭合，且水温＞15℃时，电压比较器输出高电平，D5截止无反馈，Q1导通并驱动半导体制冷片及散热风扇电机工作，同时制冷指示灯LED3亮。此时，比较器的同相输入端用R4、R5串联分压得到制冷工作时的比较电平：UTH+＝0.5Uz＝4.55 V。

2）当水温下降至10℃时，比较器输出低电平，D5导通有反馈，Q1截止制冷片停止工作，比较器的同相输入端除R4、R5外，还有R8和D5导通的共同作用，此时比较电平会下降至UTH－。由此，可得R6R7和反馈电阻R8的计算公式：

联立求解，得R8＝2.25 kΩ， 取标称值2.2 kΩ；R67＝14.92 kΩ，实际电路中R6、R7可分别用12 kΩ的固定电阻和6.8 kΩ的电位器串联代替，这样可方便进行手动温度补偿校正。在仿真系统中R67取值：R6+R7＝12+44%×6.8 kΩ＝14.992 kΩ。

5 系统仿真调试结果

连接好仿真电路并设置参数后，对系统电路应用Multisim11的参数扫描分析功能，针对热敏电阻RT进行工作温度参数扫描，设置从0℃启动，40℃停止，单步增量为1℃，得到HA17393的输出端电压Uo随RT温度变化的曲线[5]，如图5所示。

图5 制冷控制输出电压-温度参数扫描界面图Fig.5 Refrigeration control output voltage-temperature parameter scanning interface diagram

将扫描结果导出为EXCEL，得到如表2所示的仿真调试结果。

表2 RT温度与制冷控制输出电压的仿真结果Tab.2 Simulation results of RT temperature and refrigeration control output voltage

通过仿真结果可以看出，当NTC热敏电阻RT的环境温度大于15℃时，输出为15 V左右的高电平，能使Q1导通并驱动制冷片工作，较好地实现了设计预期目标。

6 结 论

Multisim11是一款功能强大的电子电路仿真软件，除了可以利用虚拟仪表直接观测电路的参数外，还提供了18种电路分析工具进行电路分析[6]。本设计主要利用其中的参数扫描分析工具，对建立的NTC热敏电阻模型进行饮水机温控电路的温度参数扫描分析，仿真运行的结果达到了预期的设计目标，即实现了饮水机电路在制冷时可根据水温变化自动控制半导体制冷片工作的功能。

[1]刘瑞屏.饮水机的种类、选购与使用[J].家用电器，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.非线性热敏电阻测温的线性处理[J].成都教育学院学报，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]卢超，尹继武.温度扫描分析在电路仿真中的应用[J].武汉大学学报，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消毒冰热饮水机电路图[J].家电检修技术，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]卢艳红，季峰，虞沧.基于Multisim10的电子电路设计、仿真与应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[6]雷跃.NI Multisim 11电路仿真应用[M].北京：电子工业出版社，2011.