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Die
Erfindung betrifft eine Kleinspannungsversorgungseinrichtung für elektrische
Geräte
insbesondere für
Kleinspannungselektrogeräte
wie Gas-Thermen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiter
betrifft die Erfindung eine Heizeinrichtung, insbesondere eine über eine
Thermensteuerung betriebene Gas-Thermen-Brenner-Heizeinrichtung,
nach Patentanspruch 9. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Minimierung einer
Verlustleistung von Kleinspannungsversorgungseinrichtungen, insbesondere
in deren Standby-Betrieb, nach Anspruch 10.
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Bei
elektrischen Geräten,
insbesondere bei Heizbrennern mit Gasthermen werden zur Energieversorgung
der Thermensteuerung Transformatoren eingesetzt, um die eingehende
Wechselspannung auf ein der Steuerung angepasstes Energieniveau
zu regeln. Aufgrund verschiedener Steuerungseinstellungen wie Tagschaltung,
Nachtschaltung, Urlaubsschaltung etc., ist die Anforderung seitens
des Brenners an die Energieversorgung variabel. Vor allem in Ruhezeiten,
in denen der Brenner nicht betrieben wird, oder allgemein bei geringen
Leistungsanforderungen sind Verlustleistungen in der Regel relativ hoch.
Herkömmliche
Transformatoren weisen insbesondere bei einer in Heizbrennern oftmals
erforderlichen Kleinspannungsversorgung, also bei kleinerer Leistungsabnahme
durch den Verbraucher, eine relativ hohe Verlustleistung auf, meist
verursacht durch Kupfer- und Eisenverluste, sodass das Brennersystem
in gewissen Betriebszuständen
nicht effizient und umweltschonend arbeitet. Weitere Verluste können aus
erhöhten
Leerlaufspannungen in Spannungsreglern für zum Beispiel Logik-, Ventil- und/oder
Reglerversorgung resultieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kleinspannungsversorgungseinrichtung,
eine Heizeinrichtung und ein Verfahren zu schaffen, bei denen die
Nachteile gemäß dem Stand
der Technik überwunden
werden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kleinspannungsversorgungseinrichtung,
eine Heizeinrichtung und ein Verfahren zu schaffen, bei welchen
auf einfache Weise die Verlustleistung, insbesondere bei kleiner
Leistungsaufnahme, verringert ist.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch die Gegenstände
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, des Patentanspruchs 9
und des Patentanspruchs 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die
erfindungsgemäße Kleinspannungsversorgungseinrichtung
für elektrische
Geräte,
insbesondere für
Kleinspannungselektrogeräte
wie Gas-Thermen, umfassend ein Leitungssystem, das eingangsseitig
mit einer Spannungsquelle und ausgangsseitig mit einem als Spannungssenke
fungierendem elektrischen Gerät
verbindbar ist, und einen Transformator mit einer Primärwicklung
und einer Sekundärwicklung,
um eine von der Spannungsquelle gelieferte Spannung auf die Kleinspannung
des elektrischen Geräts
zu transformieren, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator
mindestens eine schaltbare zweite Primärwicklung umfasst, um durch
Schalten der Primärwicklung
eine Adaption an eine Leistungsanforderung des elektrischen Geräts zu bewirken.
Als Kleinspannung, welche auch als Niedervolt oder Schwachstrom
bezeichnet wird, werden Wechselspannungen bis etwa 50 V Effektivwert und/oder
Gleichspannungen bis etwa 120 V bezeichnet. Die Kleinspannung ist
ein Teilbereich der Niederspannung. Bei den elektrischen Geräten handelt
es sich vorzugsweise um Geräte
der Brennertechnik, insbesondere Gas-Thermen oder Gas-Thermen-Steuerungen.
Das Schalten kann das Zu- und/oder Abschalten einer der Spulen umfassen,
wobei auch mehrere Primärwicklungen
in Kombination geschaltet werden können.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die schaltbare zweite Primärwicklung
in Reihe zu der Primärwicklung
angeordnet ist, sodass die Primärwicklungen
den Transformator in Serie betreiben.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Primärruhekontakt
primärwicklungsseitig
vorgesehen ist, um bei einem Einschalten die Primärwicklungen
in Serie zu schalten.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass sekundärwicklungsseitig
eine Steuereinrichtung mit einem Sekundärruhekontakt vorgesehen ist,
um bei einer vorbestimmten Spannung zu schalten.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sieht zudem vor, dass ein sekundärseitiges Relais
vorgesehen ist, das durch den Sekundärruheschalter mit diesem aktivierbar
gekoppelt ist.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Relais bei Aktivierung
mit den Primärwicklungen
gekoppelt ist, sodass die zweite Primärwicklung mit der Spannungsquelle
verbunden ist und die erste Primärwicklung
als Sekundärwicklung
fungiert.
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In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung einen aktivierbaren
Schalter zur Versorgung von weiteren elektrischen Einrichtungen
wie Pumpe und/oder Gebläse
aufweist, um die weiteren elektrischen Einrichtungen mit Netzleistung
zu versorgen.
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Zudem
sieht eine andere Ausführungsform der
Erfindung vor, dass die Sekundärwicklung
mindestens einen ersten Sekundärwicklungsabschnitt und
einen zweiten Sekundärwicklungsabschnitt
umfasst.
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Die
erfindungsgemäße Heizeinrichtung,
insbesondere eine über
eine Thermensteuerung betriebene Gas-Thermen-Brenner-Heizeinrichtung,
umfasst ein Gas-Heizbrennersystem, das über eine Thermensteuerung gesteuert
ist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass diese eine erfindungsgemäße Kleinspannungsversorgungseinrichtung
umfasst. Über
die Kleinspannungsversorgungseinrichtung lässt sich die Verlustleistung
in der Heizeinrichtung minimieren, wobei der Aufbau relativ einfach
ausgeführt
ist. Auf diese Weise lassen sich Heizeinrichtungen, insbesondere
mit Heizbrenner, Gastherme, Gasthermensteuerung und dergleichen,
umweltfreundlich ausbilden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Minimierung einer Verlustleistung von Kleinspannungsversorgungseinrichtungen,
insbesondere in deren Stand-by-Betrieb, umfasst den Schritt des
Bereitstellens einer Kleinspannung für einen Verbraucher über einen
Transformator. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass weiter die Schritte
umfasst sind: Erfassen einer IST-Leistungsanforderung eines mit
Kleinspannung versorgten Verbrauchers und Steuern eines Transformators,
sodass dieser entsprechend der IST-Leistungsanforderung eine entsprechende
Transformation einer Eingangsspannung realisiert, wobei das Steuern
durch ein Schalten zumindest einer ersten und/oder einer zweiten
Primärwicklung
in dem Transformator realisiert wird. Es können mehrere Primärwicklungen
vorgesehen sein, um eine optimierte Anpassung an mehrere Zustände der
Heizeinrichtung adaptiv zu realisieren. Bei wenigen Zuständen wie Tag-
und Nachtschaltung, Urlaubsschaltung etc. lässt sich ein effektiver Betrieb über zwei
Primärwicklungen
einfach realisieren.
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Weiter
ist in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Steuervorrichtung vorgesehen, um
den Transformator entsprechend der Leistungsanforderung gesteuert
zu schalten. Die Steuerung ist bevorzugt eine Gas-Thermen-Steuerung, welche
die Gas-Therme in
einem Brennersystem adaptiv, das heißt an den jeweiligen Verbrauch
angepasst, gesteuert einstellt oder schaltet. Bei einer weiteren
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Transformator
für eine
Primärspannung
oder Eingangsspannung im Bereich um die 230 V ausgelegt ist. Damit
ist der Transformator für
den Anschluss an das europäische
Versorgungsnetz ausgebildet. Es sind auch andere Eingangsspannungen
denkbar, sodass die Kleinspannungsversorgungseinrichtung auch an
andere Stromnetze als das europäische
Netz anschließbar ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Primärwicklungen
mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere mit unterschiedlichen
Leistungen und Impedanzen ausgebildet sind. Es können zudem mehr als zwei Primärwicklungen
vorgesehen sein, beispielsweise drei oder vier Primärwicklungen,
welche alle zueinander unterschiedlich ausgebildet sein können. Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sieht zudem vor, dass die Steuerung bei
kleinerer Leistungsanforderung ein Schalten auf eine höhere Impedanz
in den Primärwicklungen
bewirkt, um so eine Verlustleistung zu minimieren. Ein weiteres
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Steuerung bei größerer Leistungsanforderung
ein Schalten auf kleinere Impedanzen in den Primärwicklungen bewirkt, um eine
größere Energiemenge
bereitzustellen. Auf diese Weise ist die Kleinspannungsversorgungseinrichtung
für unterschiedliche
Leistungsanforderungen ausgebildet, wobei eine Verlustleistung jeweils
minimiert ist. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist vorgesehen, dass zum Schalten der Primärwicklungen eine Schalteinrichtung
vorgesehen ist, bevorzugt ausgewählt
aus der Gruppe umfassend einen Triac oder ein Relais. Über diese
Bauteile lässt
sich eine einfach aufgebaute Schalteinrichtung realisieren.
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Mit
der erfindungsgemäßen Kleinspannungsvorrichtung,
der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
und dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Die Energiebereitstellung
und der Energieverbrauch lassen sich adaptiv aufeinander einstellen,
wobei eine Verlustleistung auf einfache Weise minimiert ist. Somit
lassen sich Heizeinrichtungen effektiver betreiben und es lässt sich
Energie einsparen. Durch die zwei schaltbaren Primärwicklungen
können
diese analog zu der Leistungsanforderung des zu versorgenden Gerätes zu-
oder abgeschalten werden. Somit kann die Verlustleistung bei kleinerer
Leistungsanforderung durch Vorschalten der primären Vorwicklung erheblich verringert
werden. Im Betrieb dient die Vorwicklung zur Versorgung einer Flammendetektionsschaltung.
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Die
Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
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1 schematisch
ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
mit einer Kleinspannungsversorgungseinrichtung und
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2 schematisch
unterschiedliche Schaltungen der Primärwicklung.
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1 zeigt
schematisch ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung 1 mit
einer Kleinspannungsversorgungseinrichtung 2. Die Heizeinrichtung 1 umfasst
in der dargestellten Figur eine Thermensteuerung 3 sowie zwei über die
Thermensteuerung 3 angesteuerte Regelelemente 4,
nämlich
ein Gasventil 4a und einen externen Regler 4b.
Zudem ist mit der Thermensteuerung ein Gebläse 5 gekoppelt. Über die
Thermensteuerung 3 wird die Heizleistung der Heizeinrichtung 1 gesteuert.
Bei erforderlicher höherer
Heizleistung wird das Gasventil 4b geöffnet. Zudem wird das Gebläse 5 eingeschaltet.
Hierfür
ist eine entsprechende Energieversorgung erforderlich. Diese wird über die Kleinspannungsversorgungseinrichtung 2 bereitgestellt.
Die Kleinspannungsversorgungseinrichtung 2 umfasst ein
Leitungssystem 6, welches zumindest eine Leitung, bevorzugt
mehrere Leitungen 6a umfasst. Eingangsseitig ist die Kleinspannungsversorgungseinrichtung 2 über zwei
Leitungen 6a, eine N-Leitung und eine L-Leitung, mit einem
Energieversorgungsnetz, zum Beispiel dem öffentlichen Versorgungsnetz,
verbunden. Weiter umfasst die Kleinspannungsversorgungseinrichtung 2 einen
Transformator 7, welcher die Eingangsspannung der N- und L-Leitung
auf ein Kleinspannungsniveau transformiert. Hierzu weist der erfindungsgemäße Transformator 7 zwei
Primärwicklungen
prim1, oder auch primN für
die als Nennwicklung fungierende Wicklung, und prim2 oder auch primV
für die
als Vorwicklung fungierende Wicklung, und eine Sekundärwicklung
sek auf. Die Sekundärwicklung
sek umfasst einen erste Sekundärwicklungsabschnitt
sek9 und eine zweite Sekundärwicklung
sek25. Der Transformator 7 ist über mehrere als Schalter ausgebildete
Schalteinrichtungen S mit der L-Leitung und der N-Leitung sowie
die weiteren Komponenten wie Thermensteuerung 3 und Gebläse 5 wie
folgt verbunden:
Die eingehende L-Leitung verzweigt sich an
einem ersten Knotenpunkt K1 in eine L1-Leitung und eine L2-Leitung. Die L1-Leitung
führt direkt
zu der zweiten Primärwicklung
prim2, die auch als Nennwicklung bezeichnet wird. Die L2-Leitung
führt zu
einem Schalter S3, welcher über
eine Steuerleitung LS, die mit der Thermensteuerung 3 gekoppelt
ist, geschaltet wird. Über
eine L3-Leitung ist die L2-Leitung schaltbar mit dem Gebläse 5 verbunden.
Das Gebläse 5 selbst
ist über
eine Steuerleitung LS mit der Thermensteuerung 3 gekoppelt.
Bei geöffnetem
Schalter S3 ist die L2-Leitung bzw. die L3-Leitung unterbrochen.
Bei geschlossenem Schalter S3 führt
die L2-Leitung über die
L3-Leitung zu der N-Leitung. Zwischen der N-Leitung und der ersten
Primärwicklung
prim1, die auch als Vorwicklung bezeichnet wird, ist ein Schalter
S1b vorgesehen. Über
den Schalter S1b wird wahlweise eine Leitung L4 oder eine Leitung
L5 mit der N-Leitung verbunden. Die Leitung L4 führt zu dem Primärwicklung
prim1, die Leitung L5 verzweigt sich an einem Knotenpunkt K2, von
wo eine Leitung zu einem weiteren Schalter S1a führt, der eine schaltbare Verbindung
zu der Primärwicklung
prim1 herstellen kann. Die Leitung L6 vom Knotenpunkt K2 führt zu der
anderen Primärwicklung
prim2, sodass die beiden Primärwicklungen
prim1 und prim2 in Serie schaltbar angeordnet sind. Die Schalter
S1a und S1b sind über
Steuerleitungen LS mit einem Relais R1 der Thermensteuerung 3 gekoppelt.
Das Relais R1 ist über
eine weitere Steuerleitung LS mit den Regelelemente 4 gekoppelt.
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Die
Sekundärwicklung
sek umfasst zwei Sekundärwicklungsabschnitte
sek9 und sek25, wobei der Sekundärwicklungsabschnitt
sek9 der Nennwicklung prim2 und der Sekundärwicklungsabschnitt sek25 der
Vorwicklung prim1 zugeordnet ist. Die Sekundärwicklung sek ist je Sekundärwicklungsabschnitt
sek9, sek25 über
eine Diodeneinheit 9 mit der Thermensteuerung 3 gekoppelt,
welche so über
den Transformator 7 mit Energie versorgt wird. In anderen
Ausgestaltungen kann die erste Primärwicklung ebenfalls zu- und/oder
abschaltbar sein, sodass die erste und zweite Wicklung alternativ
und/oder zusammen schaltbar sind.
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Je
nach Schaltung ergibt sich so, betrachtet beginnend bei der L-Leitung,
einmal ein erster Kreislauf über
den Knoten K1 die Leitung L2 und Schalter S3 zum Gebläse 5 und
zurück
zur N-Leitung. Zum anderen ergibt sich ein zweiter Kreislauf beginnend bei
der L-Leitung über
Knoten K1 und die Leitung L1 zu den Wicklungen prim1 bzw. prim1
und prim2, je nach Stellung der Schalter S1 und weiter zur N-Leitung.
Ist der Schalter S1a geerdet, dann führt der Kreislauf über Leitung
L5 direkt zur N-Leitung, das heißt, die Vorwicklung primV ist
nicht in den Kreislauf geschaltet. Ist der Schalter zum Knoten K2
geschaltet und der Schalter S1b mit der entsprechenden Leitung weg
von der Vorwicklung primV geschaltet, so ist die Vorwicklung primV
in Serie zu der Nennwicklung primN geschaltet und somit in den Kreislauf
integriert.
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Die
Funktionsweise ist folgende: Der als Ruhekontakt ausgebildete Schalter
S1 sorgt beim Einschalten, das heißt L-Leitung und N-Leitung
stehen unter Spannung, dafür
dass beide Primärwicklungsteile
prim1 und prim2 in Serie beschaltet den Transformator 7 betreiben.
Sobald sich auf der Sekundärseite
des Transformators 7 ausreichend Spannung für den Betrieb
des Relais R1 aufgebaut hat, wird R1 über den als Ruhekontakt ausgebildeten
Schalter S2 aktiviert. Der Transformator 7 ist dann nur
mit der Nennwicklung prim2 am Netz und damit im Nennbetrieb. Die
Vorwicklung prim1 wird zur Nennwicklung oder Primärwicklung
prim2 und versorgt vorteilhaft die Flammüberwachungsschaltung lo. Das
Gerät ist dann
betriebsbereit. Die Thermensteuerung 3 aktiviert den Schalter
S3. Daraufhin werden die Pumpe und das Gebläse 5 mit Netz versorgt.
Der angesteuerte Brenner (hier nicht dargestellt) geht in den regulären Betrieb.
Sobald eine Gerätesteuerung
keinen dauerhaften Bedarf des Brenners mehr erkennt, wird das Relais
R1 von der Steuerung, durch Öffnen
von Schalter S2, deaktiviert. Die Vorwicklung prim1 (oder auch primV)
ist in Serie mit der Nennwicklung prim2 (oder auch primN) geschaltet.
Zudem werden über den
Schalter S3 die Pumpe und das Gebläse 5 vom Netz getrennt.
Die Einrichtung arbeitet jetzt im Standby-Betrieb mit geringerer
Leistung. Der Transformator 7 wird leistungsmäßig für den Betrieb
mit Nennwicklung prim2 ausgelegt. Mit einem Windungsverhältnis Nennleistung
prim1 = Nennleistung prim2/2 ergibt sich bei Standby-Betrieb eine
Spannungsabsenkung auf der Sekundärseite von etwa einem Drittel.
Die Schaltungen zu den Versuchen hinsichtlich der Spannungsabsenkung,
die zu den Ergebnissen geführt
haben, sind in 2 dargestellt.
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2 zeigt
schematisch unterschiedliche Schaltungen der Primärwicklung.
In 2A liegt die L-Leitung an der Nennwicklung
prim2 an und die N-Leitung liegt ebenfalls an der Nennwicklung prim2 an.
In 2B liegt die L-Leitung an der Nennwicklung
prim2 an und die N-Leitung liegt an der Vorwicklung prim1 an. Das
heißt,
in 2A ist ein Betrieb ohne Vorwicklung
prim1 dargestellt und in 2B ist eine
Betrieb mit Vorwicklung prim1 dargestellt.
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Die
folgende Tabelle zeigt für
die beiden dargestellten Betriebsmodi die gemessene Leistung in Watt
sowie die Spannungen an den zugeordneten Sekundärwicklungsabschnitten sek9
und sek25 in Volt:
| | Leistung P
in Watt | Spannung
sek9 in Volt | Spannung sek25
in Volt |
| Ohne
Vorwicklung (Fig. 2A) | 2,16 | 10,5 | 27 |
| Mit
Vorwicklung (Fig. 2B) | 0,93 | 5,5 | 15,3 |
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Zusammenfassend
lässt sich
festhalten, dass der Transformator 7 mindestens zwei Primärwicklungen
prim1, prim2, ..., primn mit unterschiedlichen Leistungen und/oder
Impedanzen aufweist. Angepasst an die Leistungsanforderung des zu
versorgenden Gerätes
oder der zu versorgenden Geräte werden
die Primärwicklungen
primn zugeschaltet und/oder abgeschaltet. Somit kann die Verlustleistung
bei kleiner Leistungsanforderung durch Schaltung auf eine Primärwicklung
mit höherer
Impedanz (z. B. bei prim1) wesentlich verringert werden. Vorteilhaft
können
auch weitere mit der Primärspannung (etwa
230 V) versorgte Lasten (z. B. das Gebläse 5) geschaltet werden,
wodurch auch deren Standby-Verlustleistung
vermieden oder zumindest reduziert wird. Wird die Netzspannung über L und
N angelegt, so wird die Gerätesteuerung
(Thermensteuerung 3) über
den Transformator 7 mit der geschalteten Leistung versorgt.
Das angeschlossene elektrisch betriebene Gerät arbeitet mit geringer Leistungsaufnahme.
Sobald die Steuerung einen erhöhten
Bedarf erkennt, werden über
den Schalter S weitere Wicklungen prim2, ... und das Gebläse 5 eingeschaltet,
sodass die Geräte
aktiv sind. In diesem Zustand kann der Transformator 7 mehr
Energie für
die Versorgung des Gasventils 4 liefern. Sobald die Gerätesteuerung
einen geringeren Bedarf erkennt, wird entsprechend geschaltet und
das entsprechende Gerät
arbeitet mit geringerer Leistungsaufnahme.