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Die Erfindung betrifft ein Leistungssteuergerät für die steuerbare Zuführung von Wechselstrom in Leistungsimpulsen zu einem Verbraucher, mit einem Leistungsschalter und einem in Abhängigkeit von der geschalteten Leistung in Parallelschaltung zu dem Verbraucher beheizten Bimetall, mit einer mechanisch die Einwirkung des Bimetalls auf den Leistungsschalter verändernden Einstellwelle und einer der Bimetallbeheizung vorgeschalteten Diode.
Aus der DE-OS 2310867 ist bereits eine Schaltung mit einem Leistungssteuergerät bekanntgeworden, bei dem der Steuerbeheizung des Leistungssteuergerätes eine Diode vorgeschaltet ist. Diese Diode setzt die der Steuerheizung zugeführte Leistung stets auf die Hälfte herab, wodurch es möglich wird, für die Steuerheizwiderstände etwas stärkeres Widerstandsmaterial zu verwenden.
Dieses Steuergerät ist für eine Kochplatte mit zwei Heizleitern vorgesehen, von denen in einem unteren Leistungsbereich ein Verbraucher abgeschaltet ist. Das Leistungssteuergerät quantelt dann nur die Leistung dieses Verbrauchers mit geringer Leistung, so dass eine Ansteuerung auch geringer Leistungen noch möglich ist. Allerdings sind dazu Kochplatten mit zwei Heizleitern zwingend erforderlich und es ist bei der Drehung der Einstellwelle ein Punkt vorhanden, an dem die Umschaltung einer höheren Leistung erfolgen muss. An dieser Stelle muss also durch eine entsprechende Verrastung oder Sprungschaltung ein Sektor vorhanden sein, der eine Unstetigkeit im Drehverhalten der Einstellwelle darstellt, damit nicht versehentlich der Leistungskontakt zur Abschaltung des zweiten Verbrauchers halb geöffnet oder halb geschlossen stehen bleibt.
In der DE-OS 1615231 ist in Fig. 8 ein Temperaturregler dargestellt, der mit einem beheizten Bimetall arbeitet. Dort wird unter der Wirkung eines temperaturempfindlichen Organs, d. h. einer Ausdehnungsdose, ein Vorwiderstand eingeschaltet bzw. überbrückt, der die Leistung der Steuerbeheizung für das Bimetall erhöht oder erniedrigt. Ein solcher Vorwiderstand erzeugt in jedem Falle eine starke Aufheizung des Regelgerätes. Insbesondere bei hoher Leistungseinstellung, in der die relativen Einschaltzeiten gross sind, ist daher die Heizung des Reglers unzulässig gross, was grosse Schwierigkeiten mit der Kompensation und bei der Reglerausführung brachte. Dies geht auch aus dem der genannten Offenlegungsschrift entsprechenden DE-PS Nr. 1615231 hervor.
Diese Lösung konnte also in Richtung auf einen gut kompensierbaren und leicht zu bauenden Schalter nicht weiterführen. Ausserdem geht es hier um einen Temperaturregler, bei dem der Vorwiderstand temperaturabhängig geschlossen wird.
Es ist ferner aus der US-PS Nr. 3, 610, 886 bekanntgeworden, die Leistung von Verbrauchern durch die Einschaltung von Dioden in die Hauptstromzuführung stufig zu verändern. Hiezu sind jedoch teure Leistungsdioden notwendig. Dadurch ist auch kein ausreichend fein einstellbares Leistungssteuergerät zu schaffen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungssteuergerät der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit dem auch geringe Teilleistungen leicht ansteuerbar sind, das mit geringer Baugrösse und geringem Bauaufwand herstellbar ist und eine gute Reproduzierbarkeit der Leistungseinstellungen gewährleistet. Dazu gehört es, dass die Umgebungstemperatur sich gut kompensieren lässt.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Gleichrichterdiode durch einen von der Einstellwelle des Leistungsschaftes betätigbaren Schalter nur im oberen Leistungsbereich des Leistungssteuerungsgerätes der Bimetallbeheizung vorgeschaltet und im unteren Leistungsbereich abgeschaltet ist.
Es kann also eine relativ gross dimensionierte und daher auch von der Drahtstärke leichter zu beherrschende Bimetallbeheizung vorgesehen sein. Im unteren Leistungsbereich ist diese Beheizung voll wirksam, so dass eine schnelle Aufheizung des Bimetalls erfolgt, woraus eine schnelle Abschaltung der Gesamtleistung resultiert. Die sich dadurch ergebende geringe relative Einschaltdauer hält auch die Erwärmung des Schalters in Grenzen, da die Bimetallsteuerbeheizung auch nur während der Einschaltung des Verbrauchers eingeschaltet ist. Im oberen Leistungsbereich dagegen, der beispielsweise bei 20% relativer Einschaltdauer beginnen kann, wird die Diode der Bimetallbeheizung vorgeschaltet. Dadurch bekommt die Beheizung des Bimetalls jeweils nur eine Halbwelle des Wechselstroms und somit nur die halbe Leistung.
Dementsprechend ist auch die Wärmeentwicklung geringer und die höheren Leistungen sind leichter anzusteuern. In diesem Bereich
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die gesamte Schaltererwärmung bleibt gering, so dass sich auch die Kompensation der Umgebungstemperatur vorteilhaft vornehmen lässt.
Schaltungsmässig lässt sich der Gegenstand der Erfindung besonders gut dadurch verwirklichen, dass die Gleichrichterdiode im unteren Leistungsbereich des Leistungssteuerungsgerätes von dem Schalter überbrückbar ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Gleichrichterdiode an der bedienungsfernen Rückseite des Gehäuses des Leistungssteuergerätes neben dem sie überbrückenden Schalter angeordnet ist.
Eine solche Ausführung hält den Aufwand für die Anordnung und Schaltung der Gleichrichterdiode sehr gering und die Gleichrichterdiode ist im kühlen Aussenbereich des Schalters angeordnet. Der die Gleichrichterdiode schaltende Schalter kann ein einfacher kriechend arbeitender Schalter sein, der keinen Sprungmechanismus in der Einstellwelle benötigt.
Bei einer vorteilhaften Ausführung ist das Gerät so ausgebildet, dass der die Steuerkurve tragende Steuerkörper einen angeformten Lagerzapfen besitzt, der in einer Öffnung des bedienungsfernen Gehäuseteiles geführt ist, und dass die Einstellwelle in die hinten geschlossene Zentralbohrung der Steuerkurve hineinragt und das zweite Lager für den Steuerkörper bildet, der an seinem Lagerzapfen den Schaltnocken für die Gleichrichterdiode trägt. Dies ergibt einen vereinfachten und durch die Anordnung der Gleichrichterdiode kaum aufwendigeren Geräteaufbau.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Leistungssteuerungsgerätes nach der Erfindung, von der Bedienungsseite her gesehen, mit abgenommenem Abschlussdeckel, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. l, Fig. 3 eine Rückansicht des Leistungssteuerungsgerätes in Fig. 2 von links gesehen, und Fig. 4 ein schematisches Schaltbild des Leistungssteuerungsgerätes nach den Fig. 1 bis 3.
In den Fig. 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Leistungssteuerungsgerätes --11-- darge- stellt. Es besitzt einen bedienungsfernen oder hinteren Gehäuseteil --12-- aus Kunststoff, der die Form eines rechteckigen oder vorzugsweise quadratischen Blockes mit einer inneren Ausnehmung - besitzt. Diese Ausnehmung ist durch einen zur Bedienungsseite hin gelegenen plattenförmigen Deckel --13-- abgeschlossen, der Zentrierzapfen --17-- besitzt, die in Zentrierausnehmun- gen --16-- am Gehäuseteil --12-- eingreifen. Am Deckel --13-- ist eine Gewindebuchse --14-befestigt, durch die eine Einstellwelle --15--, die einen in Fig. 4 angedeuteten Einstellknopf --60-trägt, ragt.
Die Einstellwelle --15-- ragt in ein Mittelloch --23-- eines Steuerkörpers --18-- hinein, der aus Isoliermaterial besteht und an seinem Aussenumfang eine Steuerkurve --19-- und einen Schaltnocken --20-- trägt. An seinem bedienungsfernen Ende besitzt der Steuerkörper --18-- einen Lagerzapfen --21--, der durch eine Öffnung --24-- des hinteren Gehäuseteils --12-- hin- durchragt und an der Rückseite des Gehäuseteils --12-- einen weiteren Schaltnocken --22-- aufweist.
Mit der Steuerkurve --19-- wirkt ein Kompensationsbimetall-26-- in Form eines Übertragungshebels zusammen, der durch eine Feder --34-- mit seinem vorderen abgebogenen Ende an die Steuerkurve --19-- angedrückt wird. Das relativ dicke und steife Kompensationsbimetall ist an dem Ende, an dem es nicht an der Steuerkurve --19-- anliegt, mittels einer Schwenkachse - schwenkbar gelagert. An diesem Ende ist das Kompensationsbimetall mit einem Schalterträger --29-- eines Schnappschalters --27-- verbunden, so dass das Kompensationsbimetall zu dem Schalterträger --29-- in geringem Abstand parallel verläuft. Die Einheit Schnappschalter/Kompensationsbimetall ist also zusammen um die Achse --28-- schwenkbar.
An dem Schalterträger --29-- ist eine Schnappfeder angebracht, die sich in üblicher Weise mit einer ausgebogenen unter Knickspannung stehenden Federzunge an einem Stützlager abstützt.
Die Schnappfeder trägt an ihrem freien Ende ihren Kontakt --31--, der mit einem festen Gegenkontakt --32-- zusammenarbeitet und ist an ihrem entgegengesetzten Ende durch eine Justierschraube --33-- festgelegt, die eine umlaufende Einkerbung besitzt, in die das gabelartig ausgebildete Ende der Schnappfeder eingesteckt ist. Durch Anschweissen eines zur elektrischen Zuleitung --35-führenden Anschlussendes ist die Schnappfeder elektrisch mit dem Abgang bzw. Zugang --68-- des Verbrauchers --70-- verbunden.
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Der Schnappschalter-27-- wird von einem Bimetallglied --36-- betätigt, das eine L-förmige Gestalt hat. Dieses L besteht vollständig aus Bimetall, und im inneren Winkel des L ist eine Achse - befestigt, die, ebenso wie die Achse --28--, vorteilhaft dadurch festgelegt ist, dass jeweils in dem Gehäuseteil --12-- und dem Deckel --13-- Ausnehmungen sind, die beim Zusammensetzen der beiden Gehäuseteile die Achsen aufnehmen.
Der lange, beheizte Schenkel --38-- des Bimetallgliedes --36-- trägt eine Heizwicklung --39-- in Form einer Heizwicklung oder Heizspule, die über zwei Zuleitungen mit Strom versorgt wird. An seinem freien Ende ist in den beheizten Schenkel --38-- eine Justierschraube --40-eingeschraubt, die von einer Feder --41-- gegen eine innere Zwischenwand --42-- des Gehäuses - 12-- gedrückt wird.
Der kurze Schenkel --43-- des Bimetallgliedes --36-- besitzt an seinem Ende eine Abbiegung --44--, die auf den Betätigungspunkt der Schnappfeder --30-- drückt.
Der beheizte Schenkel --38-- des Bimetallgliedes --36-- liegt in einem von der Zwischenwand --42-- teilweise abgeschlossenen, durch Lüftungsschlitze --45-- belüfteten Raum --71--.
Es ist zu erkennen, dass die Einheit Schnappschalter/Kompensationsbimetall einerseits und das Bimetallglied-36-andererseits winkelförmig angeordnet sind und zwischen sich den Steuer- körper --18-- einschliessen. In der diesem Winkel entgegengesetzten Ecke der Ausnehmung --25-ist ein mechanischer Schalter angeordnet, der einen Schaltschieber --50-- besitzt, der von dem Schaltnocken --20-- betätigt wird. Dieser aus Kunststoff bestehende Schaltschieber hat die Form eines rechteckigen Stabes, dessen eine Stirnseite zum Zusammenwirken mit dem Schaltnocken --20-abgerundet ist und auf dessen anderer Stirnseite eine Druckfeder --54-- einwirkt.
Der Schaltschie- ber --50-- verläuft etwa diagonal, so dass er bei kleinstem Platzbedarf die grösstmögliche Länge haben kann.
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beiden Seiten über ihn hinausragen. Der Schaltschieber --50-- besteht vorzugsweise aus einem Isolierteil, um die Kontaktarme aufschieben und durch Aufschnappen festlegen zu können. Jeder Kontaktarm trägt an seinen beiden Enden je einen Kontakt.
Der Schaltschieber --50-- ist von Führungen --55-- geführt, die die Form von aus dem Boden des Gehäuseteils --12-- hervorragenden quer zum Schaltschieber gerichteten Metallplatten haben. Es sind vier Führungen --55-- vorgesehen, von denen je zwei einander gegenüberliegen, den Schaltschieber führen und ihn teilweise übergreifen. Diese Führungen --55-- tragen zum Teil Festkontakte --56-- und ragen durch den Boden des Gehäuseteils --12-- hindurch und bilden auf der Rückseite Anschlussfahnen nach Art von AMP-Steckfahnen.
Aus Fig. 3 ist die Rückseite des Leistungssteuerungsgerätes --11-- zu erkennen. Man sieht dort, dass der Schaltnocken --22-- mit einem sehr klein und leicht ausgebildeten Schalter --61-in Form einer Kontaktfeder zusammenarbeitet, die zum Kurzschliessen einer Diode --62-- ausgebildet ist. Dabei ist die Diode mit ihren Anschlüssen --63, 64-- direkt an den zugehörigen Anschlussstecker bzw. die Kontaktfeder gelötet und die Kontaktfeder greift vom Anschluss --63-- herum und kann die Diode --62-- durch Berührung ihres Anschlusses --64-- kurzschliessen.
Das Leistungssteuerungsgerät arbeitet wie folgt :
In Fig. 1 ist der ausgeschaltete Zustand dargestellt, bei dem der Schaltnocken --20-- den Schaltschieber --50-- entgegen der Kraft der Druckfeder --54-- zurückgedrückt hat und somit den Kontaktarm --52-- für den Signalkontakt und den Kontaktarm --53-- für die Abschaltung des zweiten Anschlusspoles von den entsprechenden Festkontakten abgehoben hat. In dieser Stellung des Steuerkörpers --18-- bzw. der Einstellwelle liegt das Kompensationsbimetall --26-- in einer Vertiefung der Steuerkurve --19--, so dass sich dadurch eine Rast ergibt.
Beim Einschalten des Energiereglers (Drehung des Steuerkörpers --18-- im Uhrzeigersin) gibt zuerst der Steuernocken --20-- den Steuerschieber --50-- frei, der unter der Kraft der Feder - seine zumindest zum Teil federnden Kontaktarme --52, 53-- so gegen die Führungen --55-- anlegt, dass sie überbrückt sind. Damit ist einerseits die Signalkontaktleitung 67-- geschlossen und anderseits der eine Pol des Verbrauchers --70--, beispielsweise der Beheizung einer Elektrokochplatte.
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Unter der Wirkung der Feder --34-- schwenkt die Einheit Kompensationsbimetall/Schnappschalter in ihre der jeweiligen Stellung der Steuerkurve --19-- entsprechende Lage. Die Kontakte --31 und 32-- sind geschlossen, so dass das Bimetallglied --36-- von seiner Beheizung --39-- beheizt wird. Der Schalter --61-- ist im unteren Leistungsbereich geschlossen, beispielsweise bei einer Stellung der Einstellwelle, die Leistungswerten zwischen 5 und 20% der Gesamtleistung entspricht.
Bei einer niedrigen eingestellten Leistung ist also die Diode --62-- überbrückt, so dass die volle Heizleistung der Beheizung --39-- wirksam ist.
Deswegen biegt sich der Schenkel --38-- des Bimetallgliedes relativ schnell aus und drückt über den kurzen Schenkel --43-- und die Abbiegung --44-- auf den Schnappschalter im Ausschaltsinne, so dass dieser nach relativ kurzer Zeit wieder geöffnet wird.
Nach dem Abkühlen des Bimetallgliedes schaltet der Schnappschalter --27-- wieder ein und das Arbeitsspiel beginnt wieder. Im oberen Arbeitsbereich ist einerseits die Einheit Kompensationsbimetall/Schnappschalter stärker entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt und anderseits die Diode infolge Öffnung des Schalters --61-- wirksam. Die Beheizung --39-- wird also nur mit jeweils einer Halbwelle des Wechselstroms, d. h. mit der halben Heizleistung, betrieben. Das Bimetallglied braucht also wesentlich länger, um so weit ausgelenkt zu sein, dass es den Schnappschalter öffnen und damit die Leistungszufuhr zum Verbraucher --70-- abschalten kann. Bei den dabei recht hohen Temperaturen am Bimetall geht dann auch die Abkühlung schneller vor sich, so dass eine höhere relative Einschaltdauer gewährleistet ist.
Das Leistungssteuergerät nach der Erfindung hat zahlreiche Vorteile : Es ist trotz seines klaren und zuverlässigen Aufbaues mit relativ geringem Bauaufwand herstellbar und arbeitet mit relativ grossen Wegen und Kräften zum Schalten. Besonders die hohen Kräfte sind wesentlich. Sie werden durch eine ziemlich starke Bimetallbemessung erreicht. Infolge des günstigen Aufbaues kann das Arbeitsbimetall ziemlich lang und das Kompensationsbimetall ziemlich kurz und kräftig sein.
Durch die Federn --34, 41-- wird das gesamte System kraftschlüssig in eine bestimmte Lage bewegt, so dass nur ein Punkt vorhanden ist, an dem ein Spiel auftreten kann, nämlich der Berührungspunkt zwischen der Schnappfeder-30-- und der Biegung --44-- des Arbeitsbimetalls --36--.
Die Ausbildung des Bimetallgliedes --36-- als L-förmiges Glied aus Bimetallmaterial hat noch einen weiteren Vorteil. Normalerweise ist die Kompensation eines solchen Steuergerätes durch ein Kompensationsbimetall sehr schwierig, weil die beiden Bimetalle in unterschiedlichen Temperaturbereichen arbeiten. Der Ausbiegeweg eines Bimetalls je Temperatureinheit nimmt aber mit steigender Temperatur ab, so dass die Kompensation stets nur für einen Arbeitsbereich genau stimmen kann.
Das hier beschriebene Bimetallglied hat jedoch sozusagen eine doppelte Beheizung. Der kurze Schen- kel --43-- läuft in relativ geringem Abstand parallel zur Schnappfeder --30--. Diese wird über die Zuleitung --35-- mit Strom versorgt und ist relativ dünn. Sie heizt sich daher, wenn Strom durch sie fliesst, auch in gewissem Masse auf. Diese Wärme beheizt zusätzlich den kurzen Schenkel - -43--, jedoch in merklicher Weise nur bei höheren Leistungsstufen, weil andernfalls die Schnappfeder kaum über die Raumtemperatur kommt. Dadurch wird jedoch der negative Effekt des mit der Temperatur degressiven Ausbiegeweges kompensiert bzw. dieser negativen Erscheinung entgegengewirkt.
Dagegen ist das Kompensationsbimetall von der Temperatur möglichst weitgehend abgeschirmt. Es steht senkrecht zu dem Arbeitsbimetall und hat eine leitende Verbindung mit diesem.
Durch die Zwischenwand --42-- ist es auch weitgehend gegenüber dem heissen Raum abgeschirmt.
Gegen die von der Schnappfeder erzeugte Temperatur ist es durch den Schalterträger --29-- ge- schützt. Diese Anordnung sorgt also dafür, dass das Kompensationsbimetall wirklich das machen kann, wozu es bestimmt ist, nämlich eine Kompensation der unterschiedlichen Umgebungstemperatur vorzunehmen und muss nicht in einer gegenüber der Umgebung wesentlich erhöhten Temperatur arbeiten.
Das Arbeitsbimetall und die Einheit Kompensationsbimetall/Schnappschalter nehmen zwei Seiten des Schaltergehäuses ein, so dass eine Ecke für den Schalter --50 bis 56-- völlig frei bleibt. Die Anordnung dieses sehr klein bauenden Schalters in der gleichen radialen Ebene wie die übrigen Teile des Leistungs. steuerungsgerätes ermöglicht es, dieses mit sehr geringer Baugrösse herzustellen. Die Tiefe in Richtung der Einstellwelle kann beispielsweise weniger als 25 mm betragen, so
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dass ein Einbau mit senkrechter Welle auch in sehr flache Kochmulden möglich ist.
Durch die Diode --62-- wird das Verhalten des Leistungssteuerungsgerätes sehr positiv beeinflusst. Der mittlere Leistungsbereich ist für derartige Steuergeräte selten eine Schwierigkeit. Die wirkliche Schwierigkeit liegt im oberen und vor allem aber im unteren Leistungsbereich. Bei heutigen Kochplatten mit relativ hoher Leistung ist aber gerade der untere Leistungsbereich dann kritisch, wenn man auf der Kochplatte auch wärmen will. Es müssen dort Leistungen bis zu 5% der Gesamtleistung und darunter (100 W bei einer 2000 W Kochplatte) sicher angesteuert werden. Das erfordert aber sehr hohe Leistungen auf dem Bimetall, weil dieses sehr schnell reagieren muss.
Diese hohen Leistungen würden aber im höheren Leistungsbereich nicht nur das Gerät sehr stark erwärmen und Energie brauchen, sondern auch die Temperaturen am Bimetall unzulässig hochtreiben. Durch die vorteilhafte verlustlose und damit verlustwärmefreie Herunterregelung der Bimetallbeheizungsleistung mittels der Diode kann dieses Problem einfach gelöst werden. Die hohe Leistung, für die die Bimetallbeheizung ausgelegt ist, ist kein Nachteil, weil diese nur im unteren Leistungsbereich überhaupt zum Einsatz kommt und dort die relativen Einschaltzeiten ja nur sehr gering sind. Die Aufheizung des Steuergerätes durch die Beheizung --39-- ist also sehr gering. Umgekehrt wird im hohen Leistungsbereich die Leistung durch die Diode begrenzt, so dass bei den dort relativ langen Einschaltzeiten die Schaltererwärmung ebenfalls in Grenzen bleibt.
Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass man die Beheizung --39-- einfach ausführen kann. Wollte man die Leistung geringer auslegen, so hätte man Schwierigkeiten, weil die Widerstandsdrähte für die geringen Leistungen bei Netzspannung und insbesondere im Falle von höheren Netzspannungen, sehr dünn werden würden, worunter auch die Betriebssicherheit leiden würde.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Leistungssteuerungsgerät für die steuerbare Zuführung von Wechselstrom in Leistungsimpulsen zu einem Verbraucher, mit einem Leistungsschalter und einem in Abhängigkeit von der geschalteten Leistung in Parallelschaltung zu dem Verbraucher beheizten Bimetall, mit einer mechanisch die Einwirkung des Bimetalls auf den Leistungsschalter verändernden Einstellwelle und einer der Bimetallbeheizung vorgeschalteten Diode, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterdiode (62) durch einen von der Einstellwelle (15) des Leistungsschaftes betätigbaren Schalter (61) nur im oberen Leistungsbereich des Leistungssteuerungsgerätes (11) der Bimetallbeheizung (39) vorgeschaltet und im unteren Leistungsbereich abgeschaltet ist.