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BESCHREIBUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur frühzeitigen Detektion eines möglichen Eintretens eines seriellen Störlichtbogens an einem schmiegsamen Wärmegerät und ein schmiegsames Wärmegerät zur Erwärmung eines menschlichen oder tierischen Körpers.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es ist bekannt, dass Kabel von schmiegsamen Wärmegeräten, insbesondere von Wärmedecken, von Wärmekissen oder von Wärmeunterbetten teilweise von Kunden unsachgemäß behandelt werden. Insbesondere scharfes Knicken und eine Nichteinhaltung von Biegeradien können vorkommen. Ein derartiger unsachgemäßer Gebrauch kann zu Litzenbrüchen/ Litzen-/ Aderunterbrechungen (auch als Kabelbruch bezeichnet) in Kabeln führen. Kabel- oder Litzenbrüche bzw. Drahtbrüche in Heizkordeln/ Heizelementen können zu seriellen Störlichtbögen mit Plasmabildung führen. Derartiges Plasma kann eine sehr hohe Temperatur aufweisen, wodurch sich eine Brandgefahr ergibt. Je höher der Energieinhalt (Strom/ Spannung) an der Bruchstelle mit serieller Lichtbogenbildung ist, umso größer ist die Brandgefahr. Die Stromversorgung der schmiegsamen Wärmegeräte mit Störlichtbogenschutzschaltung kann aus einem Wechsel- und/ oder Gleichspannungsnetz bestehen.
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Die
DE 603 12 398 T2 zeigt eine Heizdecke mit Ansteuerung eines Notfallschalters. Die
WO 2013/ 135 280 A1 zeigt ein schmiegsames Wärmegerät mit einer separaten Sensorleitung zur Detektion von Unterbrechungen.
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Die
DE 10 2006 006 201 A1 zeigt ein Wärmegerät mit einem schmiegsamen Heizkörper, das die Isolierung zweier Heizleiter überprüfen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe ist daher, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine serielle Störlichtbogenbildung verhindert bzw. bei deren Auftreten den Störlichtbogen zügig beendet, um eine Brandgefahr ausschließen zu können. Parallele Störlichtbogen-Bildungen wie Sie z. B. bei Kurzschlüssen zwischen einzelnen Kabellitzen (Kabeladern) auftreten können werden bereits durch Geräteüberstromsicherungen, Sicherungswiderstände, Haushaltssicherungen, Haushaltssicherungsautomaten odgl. gefahrlos eliminiert.
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Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie zur Verfügung gestellt
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Die Abschaltung der Energiezufuhr kann indirekt auch durch Dauerheizen bis zum Ansprechen einer Geräte-/ Sicherheitseinrichtung (z. B. Schmelzen einer Isolierschicht [Layer] im Heizelement durch Übertemperaturbetrieb mir Ansprechen des lokalen Hot-Spot- Schutzsystems kurz OHP oder Over Heat Protection- System genannt) und/oder direkt durch Ansteuerung der Geräte-/ Sicherheitseinrichtung aufgrund der Störlichtbogen- Detektion mittels Mikrocontrollers odgl. und/ oder diskreten Schaltungsteilen erfolgen. Die Energiezufuhr kann daher direkt oder indirekt sein.
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Direkte Sicherheitsabschaltung siehe Beispiel 10 Schaltungszweig Lastwiderstand RP, Triac T1, Gerätesicherung F1 und Ansteuerung T1 durch Mikrocontroller (8) mit Störlichtbogen- Detektionsschaltung.
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Eine abhängige zeitliche und/oder temperatur-/ leistungsbedingte Rückschaltung von einer höheren Schaltstufe/ Soll-/Istwerttemperatur und deren typischen Leistungsaufnahme auf eine der niedrigeren Schaltstufen/ Soll-/ Istwerttemperatur und deren typischen Leistungsaufnahme manuell und/ oder automatisch wird meist zur Einhaltung einer dauerverträglichen Temperaturbelastung verwendet. D. h. die Komforteigenschaft erlaubt es innerhalb kurzer Zeit den anfangs erhöhten Wärmebedarf zu erreichen und zeit-, temperatur- und leistungsabhängig auf eine Dauerbehaglichkeitstemperatur abzusenken/ zu wechseln,. Diese Vorgehensweise/ Eigenschaft führt zu einer gewissen Geräte-/ Heizleistungs- Absenkung, jedoch zu keiner Eliminierung einer brandgefährlichen Störlichtbildung, da keine Unterbrechung oder Wackelkontakt odgl. detektiert wird bzw. vorliegt. Mittels eines sehr geringen Hilfsstroms zur Detektion von Leitungs-/ Kabelbrüchen, Wackelkontakten, Unterbrechungen elektrischer Verbindungsstellen auch zur Energieversorgung, Steckverbindungen odgl. ist die serielle Lichtbogenbildung, wie auch die Brandgefahr so gut wie ausgeschlossen.
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Durch die Überwachung des Stroms kann das mögliche Eintreten eines seriellen Störlichtbogens mit Plasmabildung frühzeitig erkannt werden. Es kann dadurch verhindert werden, dass sich ein Störlichtbogen ausbilden kann. Wird ein Hilfsstrom verwendet, so kann bereits wenn kein Laststrom durch den Heizkörper fließt, eine Detektion von Kabelbrüchen und/oder Wackelkontakten, elektrischen Verbindungsstellen, Steckverbindungen odgl. gefahrlos erfolgen. Auf diese Weise kann bereits vor einem Einschalten eines Heiz-/ Laststroms eine Wahrscheinlichkeit für eine Störlichtbogenbildung erkannt werden.
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Es kann daher die Brandgefahr aufgrund einer Plasmabildung verringert bzw. ausgeschlossen werden. Prinzipiell können in den Heiz-/ Last-/ Hilfsstromkreisen durch Störlichtbogen- Detektion Unterbrechungen/Wackelkontakte innerhalb des Anschlusses zur Verbindung mit einer Energieversorgung, der elektrischen Leitung, Steckverbindungen, Heizelemente, gebrochene oder gelöste Kontaktstellen erkannt und gegebenenfalls akustisch oder optisch angezeigt werden.
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Vorteile der Erfindung sind:
- - keine Breitbandnutzung mit erhöhtem Schaltungsaufwand gegenüber Haushaltsinstallationen erforderlich,
- - kurze Leitungswege ermöglichen vereinfachte Störlichtbogen- Detektion,
- - gute Störlichtbogen- Detektion (ungefiltert), da keine Störlichtbogendämpfung durch Gerätenetzfilter,
- - Schaltkontakt-, Crimp-, Steckverbinder-, Lötstellen-, Kriechstrom-(Verschmutzung), Lötstellen-, Leiterisolierungs-, Leiter-/ Leiterbahn-, Alterungs-(Umwelteinflüsse), Tierbiss-, Anwendungs- (Handlings)- Fehler die zu brandgefährlichen Störlichtbögen führen können, werden frühzeitig unterdrückt/ verhindert,
- - Reduzierung von Materialanforderungen (Feuerbeständigkeit) möglich,
- - Reduzierung des Einsatzes von umweltschädlichen Flammhemmern in Kunststoffen möglich,
- - Keine Verhinderung von „Powerline Geräten (Kommunikation)“ in Stromnetzen und
- - verbessertes Fehlansprechen der Störlichtbogen-Detektion mit Eingriff in den Gerätebetrieb gegenüber Breitbandlösungen in Haushaltsanlagen
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Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein schmiegsames Wärmegerät zur Erwärmung eines menschlichen oder tierischen Körpers zur Verfügung gestellt, umfassend: einen Heizkörper zur Erzeugung der Wärme, einen Anschluss zur Verbindung mit einer Energieversorgung, eine Regel-/ Steuereinheit zur Regelung und/oder Steuerung des Heizkörpers und eine Leitung zur Stromführung vom Anschluss zum Heizkörper und/oder zur Regel-/ Steuereinheit, wobei das Wärmegerät eine Vorrichtung zur frühzeitigen Detektion eines möglichen Eintretens eines seriellen Störlichtbogens aufweist, wobei die Vorrichtung zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 geeignet ist.
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Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der Hilfsstromkreis identisch mit dem Laststromkreis ist oder wobei der Hilfsstromkreis und der Laststromkreis mindestens einen gemeinsamen Strompfad aufweisen.
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Durch das gemeinsame Nutzen von Strompfaden sowohl für den Laststromkreis als auch für den Hilfsstromkreis kann eine platzsparende Ausführung des Verfahrens sichergestellt werden.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: überprüfen des Stroms durch überprüfen der Spannung über einen ersten Messwiderstand, wobei der erste Messwiderstand im Laststromkreis angeordnet ist.
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Die Anordnung eines Shunt-Widerstands zur Überprüfung des Laststromes stellt eine einfache und daher kostengünstige Realisierung dar.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verfügung gestellt, wobei der Messstrom im Milli-, Mikro- oder Nano-Ampere-Bereich liegt.
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Durch die Verwendung eines Hilfsstroms mit sehr geringer Stromstärke kann eine kostengünstige und betriebssichere Ausführungsweise genutzt werden. Ein Hilfsstrom mit sehr niedriger Stromstärke kann selbst nicht zur energiereichen Störlichtbogenbildung mit Brandgefahr führen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, ferner umfassend die Schritte: überprüfen des Hilfsstroms durch überprüfen der Spannung über einen zweiten Messwiderstand.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei das Wärmegerät eine erste Sicherung vor Überhitzung des Heizkörpers aufweist, wobei der zweite Messwiderstand zur Auslösung der ersten Sicherung vorgesehen ist.
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Durch die Verwendung des zweiten Messwiderstands zur seriellen Störlichtbogendetektion und gleichzeitig zum Überhitzungsschutz kann die Anzahl der notwendigen Bauelemente gering gehalten werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der Fehlerfall ein Kabelbruch und/oder ein Bruch bzw. eine Unterbrechung im Heizkörper (Heizelement, Sensorelement, Verbindungselement einer Steckverbindung oder unlösbare Verbindung zum Heizelement odgl. (oder dergleichen)) und/oder ein Wackelkontakt ist und/oder wobei der Fehlerfall optisch und/oder akustisch angezeigt wird.
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Ein Heizkörper kann ein Heizelement, ein Sensorelement, ein Verbindungselement einer Steckverbindung oder eine unlösbare Verbindung zum Heizelement oder dergleichen (odgl.) sein.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei eine reversible oder irreversible Reduktion oder Abschaltung der Energiezufuhr erfolgt und/oder wobei eine irreversible Reduktion oder Abschaltung durch eine Zerstörung einer zweiten Sicherung erfolgt.
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Durch eine reversible Abschaltung kann eine schnelle Wiederaufnahme des Betriebs ermöglicht werden. Bei einer irreversiblen Abschaltung der Energieversorgung wird sichergestellt, dass ein als schadhaft festgestelltes Wärmegerät nicht ohne Reparatur wieder in Betrieb genommen werden kann.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, ferner umfassend die Schritte: nach Feststellen eines Fehlerfalls oder Bedienfehlers (z. B. Unterbrechung der Steckverbindung zwischen Regel-/ Steuereinrichtung und Heizkörper): abschalten oder reduzieren der Energiezufuhr für eine Abschaltzeit, insbesondere von 1 Minute, und wiedereinschalten der Energiezufuhr.
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Ein Fehlerfall oder ein Bedienfehler kann insbesondere eine Unterbrechung der Steckverbindung zwischen Regel-/ Steuereinrichtung und Heizkörper sein.
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Wegen schneller Lichtbogen- Detektionen und/ oder langsamer thermischer Vorgänge kann der Zeitfaktor von einer Minute auch um ein Vielfaches abweichen (Faktor +- 100). Durch einen Zeitverzug kann dem Wärmegerät die Möglichkeit gegeben werden, in einen sicheren Zustand zu kommen.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Wärmegerät zur Verfügung gestellt, wobei die Regel-/ Steuereinheit einen internen und/oder externen Speicher aufweist, der Geräteparameter und/oder Daten speichert und/ oder zwischenspeichert und für die Fehlerauswertung der Störlichtbogendetektion zur Verfügung stellt.
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Durch eine Speichermöglichkeit können zeitnah erforderliche Daten zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Wärmegerät zur Verfügung gestellt, wobei ein Bedienfehler und/ oder ein Fehler eine nicht gesteckte unterbrochene elektrische Verbindung einer Steckverbindung zwischen Regel-/ Steuereinheit und/ oder Lastschalter ist, und der Fehlerfall optisch und/oder akustisch angezeigt wird.
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Durch eine optische und/oder akustische Fehleranzeige kann eine benutzerfreundliche Fehleranzeige zur Verfügung gestellt werden.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Wärmegerät zur Verfügung gestellt, wobei eine kabelgebundene Schnittstelle und/ oder Funkschnittstelle vorhanden ist, die die Geräte- und/ oder Fehlerdaten an ein externes Gerät (Mobiltelefon, Haushalts- Regel-/ Steueranlage, WLAN- Modem, odgl.) übermittelt oder empfängt.
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Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, eine Überwachungsvorrichtung für ein schmiegsames Wärmegerät zur Verfügung zu stellen, wobei der Strom innerhalb des Laststromkreises überwacht wird. Treten an dem Strom Unterbrechungen oder Lücken auf bzw. bricht der Strom unvermittelt ab, kann von einem Fehlerfall ausgegangen werden. Ein plötzliches Einbrechen und/ oder Unterbrechen des Laststroms kann zu einem seriellen Störlichtbogen mit Plasmabildung führen. Das Plasma kann eine Temperatur bis zu 6000° Celsius aufweisen. Es ist daher bei einer Störlichtbogenbildung von Brandgefahr auszugehen. Bei Detektion eines Stromeinbruchs/ -unterbrechung wird daher durch die Vorrichtung eine Reduktion bzw. Drosselung bis zum kompletten Abschalten der Energiezufuhr für das Heizelement und/oder den Heizkörper und/oder Regel-/ Steuereinheit und/ oder des kompletten Wärmegeräts vorgenommen. Alternativ bzw. zusätzlich kann ein Hilfsstrom im Laststromkreis beaufschlagt werden, der überwacht wird. Falls der Hilfsstrom einbricht und/ oder Unterbrechungen aufweist, ist ebenfalls von einem Einbruch und/ oder einer abrupten Unterbrechung des Laststromes auszugehen bzw. falls eine Messung bei ausgeschaltetem Last (Heizstrom) erfolgt kann vor Einschalten der Last (Heizung) ein Kabelbruch bzw. ein Wackelkontakt festgestellt werden und der Heizkörper und/ oder die Regel-/ Steuereinheit und/oder das Wärmegerät reduziert und/oder unterbricht zeitweise und/ oder dauerhaft die Energiezufuhr zum Heizkörper und/ oder Regel-/ Steuereinheit und/ oder zum kompletten Gerät. Eine gefährliche Plasmabildung mit Brandgefahr ist in diesem Fall ausgeschlossen.
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Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild mit dem prinzipiellen Aufbau eines schmiegsamen Wärmegeräts,
- 2 eine schematische Darstellung der Komponenten eines schmiegsamen Wärmegeräts,
- 3 eine schematische Darstellung der Komponenten eines schmiegsamen Wärmegeräts mit zwei Störlichtbogendetektionseinheiten 9, 10,
- 4 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform mit einer Störlichtbogendetektion mit einem Hilfsstrom, wobei auch eine Messung in der negativen Halbwelle möglich ist,
- 5 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform mit einer Störlichtbogendetektion mit einem Hilfsstrom, wobei auch eine Messung in der negativen Halbwelle möglich ist, und einem Messwiderstand zur Laststromprüfung im Betriebszustand,
- 6 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform mit einer Störlichtbogendetektion mit einem Hilfsstrom, wobei keine Messung in der negativen Halbwelle möglich ist, und einem Messwiderstand zur Laststromprüfung und einem zweigeteilten Heizkörper,
- 7 ein Schaltbild einer vierten Ausführungsform mit einer Störlichtbogendetektion mit einem Hilfsstrom, wobei auch eine Messung in der negativen Halbwelle dank dem Widerstand RPS möglich ist, und einem Messwiderstand zur Laststromprüfung im Betriebszustand,
- 8 ein Schaltbild einer fünften Ausführungsform mit einer Störlichtbogendetektion mit einem Hilfsstrom, wobei keine Messung in der negativen Halbwelle möglich ist, und einem Messwiderstand zur Laststromprüfung,
- 9 ein Schaltbild einer sechsten Ausführungsform mit einem Messwiderstand zur Laststromprüfung im Betriebszustand,
- 10 ein Schaltbild einer siebten Ausführungsform mit einem Messwiderstand zur Laststromprüfung im Betriebszustand und einer Aktivierungsmöglichkeit einer irreversiblen Gerätestromabschaltung mittels Überstromsicherung,
- 11 ein Schaltbild einer achten Ausführungsform mit einem Messwiderstand zur Laststromprüfung im Betriebszustand und einer Aktivierungsmöglichkeit einer irreversiblen Gerätestromabschaltung mittels thermischer Verzögerung durch Beheizen einer Temperatursicherung,
- 12 ein Schaltbild einer neunten Ausführungsform mit einer Störlichtbogendetektion mit einem Hilfsstrom, wobei verschiedene Schaltungsbereiche zur Unterscheidung, z. B. ob die Steckkupplung gesteckt oder eine Heizkörper-/ Heizelementunterbrechung/ Wackelkontakt vorliegt mit Messung in der negativen Halbwelle mittels den Widerständen RPS1 und RPS3 möglich ist, und einen Messwiderstand zur Laststromprüfung im Betriebszustand aufweist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines schmiegsamen Wärmegeräts mit einem Anschluss 1 zu einer Energieversorgung und einem Heizkörper 5, wobei eine Unterbrechungsdetektion 9, 10 angeordnet ist, die zur Störlichtbogendetektion vorgesehen ist. Energieversorgung kann als Wechsel- und/ oder Gleichspannung ausgeführt sein.
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2 zeigt eine Darstellung eines schmiegsamen Wärmegeräts mit einem Stecker 1, einem Steuergerät 3 und einem Heizkörper 5. Ergibt sich an dem Kabel 2 ein Bruch, so kann dort ein Störlichtbogen entstehen. Ein Störlichtbogen weist sehr hohe Temperaturen auf und kann zu einer Entzündung in der Nähe liegender Bettdecken, Kissen, etc. führen. An der optionalen Steckkupplung kann eine Trennung der Regel-/ Steuereinheit zum Heizkörper für Waschvorgänge des Heizkörpertextils vorgenommen werden. An den Kontaktstellen können im Fehlerfall Kontaktunterbrechungen auftreten, die ggf. zu einem Wackelkontakt führen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines schmiegsamen Wärmegeräts mit einer ersten Störlichtbogendetektion 10 und einer zweiten Störlichtbogendetektion 9. Die erste Störlichtbogendetektion 10 analysiert die Ist-Spannungen bzw. Ist-Ströme, insbesondere den Ist-Strom durch die Last. Können Spannungseinbrüche festgestellt werden, so kann von einem Kabelbruch, einem Wackelkontakt oder vom Öffnen von Steckverbindungen ausgegangen werden. Handelt es sich um einen Kabelbruch, so ist mit einem Störlichtbogen mit Plasmaausbildung zu rechnen. In diesem Fall besteht Brandgefahr. Auch ein Wackelkontakt kann zu Entzündungen führen. Die zweite Störlichtbogendetektion 9 beaufschlagt den entsprechenden Schaltkreis mit einem Hilfsstrom, der als Gleich- oder Wechselstrom ausgebildet sein kann. Stellt die Störlichtbogendetektion 9 fest, dass der Hilfsstrom nicht oder nicht mehr oder nicht konstant fließt, so kann ein Fehlerfall vorliegen. Der Fehlerfall kann ein Wackelkontakt oder ein Kabelbruch mit entsprechender Brandgefahr sein. Ergeben sich Spannungsunterbrechungen oder Aussetzen des Hilfsstroms durch ein Ausstecken der Steckkupplung, beispielsweise des Heizkörpers, so liegt ein unkritischer Zustand vor, bei dem sich ein automatisches Herunterfahren der Regel-/ Steuereinheit ergibt.
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3 zeigt insbesondere zwei Störlichtbogendetektionsarten, und zwar eine „Störlichtbogen - Detektion 1“ 9, wobei ohne einen Laststrom die über einem Schaltelement, beispielsweise ein Shunt-/Messwiderstand, liegende Spannung auf Spannungseinbrüche bzw. Spannungsunterbrechungen geprüft wird. Zur Signaldetektion und wegen ggf. vorhandener Ladungen an Last, Heizleiter, etc. wird ein kleiner Stromfluss, Hilfsstrom, zu Masse, zum Energieversorgungsanschluss oder zur Reihenimpedanz, vorbei am Lastschalter, erzeugt. Bei einer anderen Störlichtbogendetektionsart „Störlichtbogen-Detektion 2“ 10 werden im Gerätestromkreis oder einem Teilbereich, beispielsweise nur in einem Heizkreis oder einem von zwei getrennten Heizkreisen, während Teil- oder Volllastbetrieb (geringste bis volle Heizleistung), mit oder ohne Phasenanschnitt, Phasenverschiebung, Phasenversatz (Drehstromnetz etc.) mittels Strommessung Einbrüche bzw. Unterbrechungen detektiert. In einer dritten Variante werden beide Störlichtbogen-Detektionsarten 9, 10 gleichzeitig eingesetzt. Beispielsweise Detektion von Spannungseinbrüchen während einer negativen Halbwelle (üblicherweise kein Laststrombetrieb) durch einen Hilfsstrom und Erfassung und Prüfung des Laststrom während einer positiven Halbwelle. Der Messwiderstand des Laststroms kann zusätzlich den Istwert für eine Temperaturregelung liefern. D.h. ändert sich die Heizleitertemperatur, ändert sich auch der Widerstand eines oder mehrerer Heizkörperwiderstände aufgrund von NTC-/ PTC- Verhalten, so ändert sich der Spannungsistwert am Messwiderstand. Weiterhin kann ein detektiertes Lichtbogen-Fehlersignal am Messwiderstand zum Auslösen einer Sicherung genutzt werden.
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Da die Heiz -/Sensorelemente im Heizkörper resistiv, kapazitiv, induktiv, oder eine entsprechende Kombination aufweisen, gibt es typische Störlichtbogen-Signale, die eine vereinfachte Störlichtbogen- Signalauswertung durch beispielsweise Analog-/ Digitalfilter, Software- Algorithmen, usw. erlauben.
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Häufen sich nacheinander festgestellte Störlichtbögen, so kann durch Einfügen von Auszeiten und/oder Auszeitintervallen, die durch ein Rechenmodell erstellt werden können, die Störlichtbogenhäufigkeit deutlich reduziert werden.
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Optimal ist es, wenn eine Störlichtbogen-Detektion zu 100% der Gerätebetriebszeit aktiv ist. Ansonsten können für die Störlichtbogen-Detektion Zeitfenster definiert werden, die eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Störlichtbogenausbildung aufweisen. Hierdurch kann die notwendige Rechenkapazität, beispielsweise von Mikrocontrollern, begrenzt werden. Zur Berechnung des relevanten Fensters können Scheitelpunkte von Netzspannungen und/ oder ein Screening in festen oder variablen Zeitabständen bezogen zu Nulldurchgangsspannungen oder auch frei gewählt in Wechselspannungsnetzen, etc. herangezogen werden. Im Besonderen im Gleich-/ Hilfs-/ Schutzkleinspannungsgerätebetrieb mittels Schaltnetzteile, etc. werden anhand eines oder mehrerer Parameter, wie Art der Anwendung, Betriebsdauer, Leistungsaufnahme, Qualität der eingesetzten Komponenten usw., das relevante Zeitfenster bestimmt. Die Einstufung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Störlichtbogens kann automatisch anhand des gewählten Benutzer- Gerätebetriebs hard-/ softwarebedingt bestimmt werden. Wird beispielsweise ein neues Heizkissen sofort oder nach der Schnellanheizstufe (Boost- Startphase) immer nur in niedrigsten Stufen betrieben, kann auf eine Störlichtbogen- Detektion verzichtet werden, da bei einer Pulsweitenmodulation die Auszeit im Vergleich zu der Einschaltzeit des Heizstromflusses nur eine geringe Störlichtbogen-Leistung zulässt und dadurch deutlich reduziert ist. Mit zunehmendem Alter des Geräts bzw. der Gebrauchszeit nimmt erfahrungsgemäß, anhand bekannter statistischer Auswertungen, die Möglichkeit von Störlichtbogenbildung zu. Deshalb werden die Zeitdaten, insbesondere die Gerätebetriebszeit, im Speicher des Wärmegeräts vorgehalten/ herangezogen. Ein Vorteil in den niedrigsten Stufen ist dadurch gegeben, dass über einen längeren Anfangszeitraum auf die Störlichtbogen- Detektion verzichtet werden kann und ein störbedingtes Fremdauslösen der Störlichtbogen-Detektion und ein möglicher Reparaturrücklauf „ohne erkennbaren Fehler“ über einen längeren Zeitraum vermieden werden kann.
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Die Störlichtbogen-Detektionseinheit kann optional auch unabhängig von der Regel-/Steuereinheit arbeiten und einen internen oder externen Speicher aufweisen, in dem die Ergebnisse (zwischen-) gespeichert werden, bis diese ausgewertet und weiterverarbeitet werden können. Der Speicher kann gelöscht, überschrieben oder zurückgesetzt (Reset) werden. Der Speicher kann mehrere Zellen unterschiedlicher Daten, Werte, Ereignisse, etc. beinhalten. Der interne Speicher kann ein Teil des Mikrocontrollers, ASICs oder ein separates Bauteil sein. Zum externen Speicher zählen Speicher in Handys, PDAs, (Tablett-) PCs, Notebooks, Transponder - Chips etc..
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4 zeigt die Thyristoren THY1 und THY2, die während einer positiven Halbwelle an dem Netzanschluss 7 in den leitenden Zustand überführt werden können. Wenn die Thyristoren THY1 und THY2 eingeschaltet/gezündet sind, können alternativ die Heizkörper 6 oder 12 mit Spannung versorgt werden. In der negativen Halbwelle sind die Thyristoren THY1, THY2 gesperrt und die Heizkörper 6, 12 werden nicht mit Spannung versorgt. Während der negativen Halbwelle sind die Dioden D3, D5 in Durchlassrichtung geschaltet und ein Hilfsstrom/Messstrom zur Störlichtbogendetektion kann über F2R1, F2R2, D3, D5 und RPS oder RHO, RPS und RHI fließen. Dieser Messstrom kann über die Widerstände F2R1 und F2R2 und dem Spannungsteiler R3, R4 an einen Eingang, insbesondere einen ADC-Eingang (Analog/Digital-Converter-Eingang), des Mikrocontrollers 8 gelangen und von diesem ausgewertet werden. Stellt der Mikrocontroller 8 fest, dass der Hilfsstrom unterbrochen wird, so kann von einem Kabelbruch oder einem Wackelkontakt ausgegangen werden. Die Widerstände F2R1 und F2R2 dienen auch dazu, eine Over-Heat- Protection/Überhitzungsschutz (OHP) bereitzustellen. Werden die Widerstände RHI und RHO aufgrund einer lokalen Überhitzung gebrückt, liegt also ein Kurzschluss zwischen RHI und RHO vor, so ergibt sich ein hoher Strom durch F2R1 und F2R2 und die naheliegende (Temperatur-) Sicherung F2TSI löst aus/brennt durch. Zumindest die Widerstände F2R1 und F2R2 erfüllen daher eine Doppelfunktion.
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4 zeigt insbesondere eine Spannungs-/Stromversorgung von 0-250 VAC 7. Heating Panel 6, 12 ist der beheizte Anwendungsbereich (z. B. Liegefläche eines Wärmeunterbetts). Bei Geräten mit zwei Heizzonen (Foot- + Body- Zone) handelt es sich um ein schmiegsames Wärmegerät, das zwei oder mehr Heizzonen/-kreise speziell für Fuß- und Körperbereich 6, 12, die getrennte Last-/ Heizkreise beinhalten, umfassen kann. Unterschieden werden auch Heizkörper 6 mit Heizelementausführungen auf Basis „minimal elektromagnetischen Feldern“ mittels RDD-Schaltung und in verbesserter Weise „Low EMF“ Heizkörper 12 mit Heizelementausführung mittels RD-Schaltung, die durch gegensinnige Stromrichtung im Heizelement (RHI, RHO) die elektromagnetischen Felder nahezu aufheben bzw. zumindest stark reduzieren.
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RD- Schaltungszweig (für Störlichtbogen-Detektion und/oder Over Heat Protection) Die umgekehrte Stromrichtung im RD-Schaltungszweig (Heizung) dient als Störlichtbogen- Schutzschaltung, wobei der auf einen Piko-, Nano-, Mikro-, Milliampere-Bereich begrenzten Strom über die Dioden D3 und D5 an den Widerständen F2R1 und F2R2 gegen Masse und dem Spannungsteiler R3, R4 am Mikrocontroller 8 ein digitales Signal liefert, das der Mikrokontroller 8 zur Auswertung von Störlichtbögen (Stromeinbrüche/ -unterbrechungen) heranzieht. An den Widerständen F2R1 und F2R2 der Temperatursicherung liegt nur eine minimale Spannung an, so dass im normalem Regel-/ Steuerbetrieb keine relevante Temperatursicherungsbeheizung stattfindet (keine Auslösefunktion). D.h. bei Wechselspannung kann jede negative Halbwelle auf Störlichtbögen detektiert, geprüft werden und bei Gefahr wird die Ansteuerung des Lastschalters der Heizung THY1 und THY2 (Redundanz falls erforderlich) entsprechend aktiviert oder es werden große Stromlücken (lange Aus-Zeit zu kurzer Ein-Zeit) eingefügt. Das bedeutet, dass der Energieinhalt an der Störlichtstelle (Plasma-/und Funkenbildung) stark reduziert wird oder ganz unterbrochen (abgeschaltet) wird, so dass keine Entzündungsgefahr von der (Bruch-/ Wackelkontaktstelle etc.) ausgehen kann. Das Over- Heat- Protectionsystem (OHP) beruht auf der Tatsache, dass bei lokalen Überhitzungen innerhalb des Heizelements die Zwischenisolation schmilzt und ein (beinahe) Kurzschluss zwischen innerem und äußerem Leiter RHI, RHO entsteht und somit der negative Halbwellenstrom (niederohmig, ohne RPS Begrenzung) stark zunimmt, so dass an den Heizwiderständen F2R1, F2R2 6,12 der Temperatursicherung eine hohe Spannung anliegt und die Temperatursicherung F2TSI zum Auslösen bringen. Die Temperatursicherung unterbricht daraufhin den Gerätestrom irreversibel nach einer Zeit von bis zu 1 Minute. Die deutlich höhere Spannung an den Heizwiderständen F2R1, F2R2 der Temperatursicherung verursacht auch an der Störlichtbogen-Detektionsschaltung, am Spannungsteiler R3 und R4 und am Messeingang des Mikrocontrollers 8 (alternativ diskrete Schaltung, ICs, FPGA, ASIC,...) ein starkes Signal, welches aus Sicherheitsgründen (Verhinderung von stetiger Leistungszunahme durch Kurzschlussfortpflanzung innerhalb des Heizelements, z.B. Heizkordel und Begrenzung möglicher Störlichtbogenleistung), innerhalb einer Sekunde die Heizung mit Lastschalter THY1 und THY2 abschaltet, während die Temperatursicherung F2TSI verzögert auslöst. Um Fehlauslösungen durch z. B. netzgeführte Störgrößen etc. zu verhindern sind Filter- (Parameter, Frequenz und/oder Frequenzbereiche, Spannungs-/ Strombereichskontrolle, Mittelwertbildung, statistische Wahrscheinlichkeit, Plausibilität) im Mikrocontroller 8 oder diskreten Schaltungen implementiert. Im einfachsten Fall wird der Spannungsanstieg, eine Mittelwertbildung, ein Plausibilitätsvergleich bis hin zu komplizierten Analog-/ Digitalfilterungsverfahren angewendet. Falls die Heizelemente (Drähte, Carbonfasern, etc.) infolge des OHP (Over- Heat- Protection) -Kurzschlusses einmal durchbrennen sollten, erfolgt wiederum die Störlichtbogen-Detektionsschaltung aktiv und führt zu einer Reduzierung, Begrenzung oder Abschaltung der Energiezufuhr der Heizung und/oder des Gesamtgeräts. Aus Sicherheitsgründen werden durch Risikoabschätzung mehrere schaltungsredundante Bauteile, wie Dioden D3, D5, Widerstände F2R1, F2R2, Thyristoren THY1, THY2, eingefügt. Diese können auch einfach vorhanden sein.
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RDD- Schaltungszweig
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Beim RDD- Schaltungszweig handelt es sich lediglich um eine Erweiterung des RD-Schaltungszweiges. Die Diode D02 leitet den Heizstrom (pos. Halbwelle) parallel am Heizleiter RHO vorbei, so dass nur der innere Leiter von RHI heizt. Das hat den Vorteil, dass RHO materialoptimiert günstig ausgeführt werden kann und die Reihenschaltung während der neg. Halbwelle (ohne D02) die Funktion zur Drahtbrucherkennung/Störlichtbogen-Detektion und OHP- Überwachung unterstützt. Alternativ kann auch der innere Leiter RHI mittels Diode D02 kurzgeschlossen werden und es heizt nur der äußere Leiter RHO. Vorteilhaft ist, dass durch die Anordnung der RD- bzw. RDD- Komponenten innerhalb des Heizkörpers „Heating panel“ 6, 12, nur eine 2-polige kostengünstige elektrische Verbindung (Kabel) oder falls vorhanden eine 2-polige Steckkupplung zwischen einem Schnurzwischenschalter (Regel-/ Steuereinrichtung, Störlichtbogenschutzschaltung, OHP, ...) und dem Heizkörper 6, 12 erforderlich ist.
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Steckkupplung (PS2)
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Eine Steckkupplung PS2 am Heizkörper 6, 12 erlaubt die Trennung des Heizkörpers 6, 12 von der Regel-/ Steuereinheit/ Störlichbogen- Detektionsschaltung, um aus hygienischen Gründen den Heizkörper (Heating panel) 6, 12 zu waschen. In der Steckkupplung PS2 befinden sich vorzugsweise die RD- und/ oder RDD- und/oder RRD- Komponenten, da in Verbindung mit den Heizelementanschlüssen (Heizkordel, etc.) das Gehäuse den Schutz gegen einen elektrischen Schlag und gegen mechanische Beschädigungen bildet. Die RD- und/ oder RDD- und/oder RRD- Komponenten können auch außerhalb der Steckkupplung wie Regel-/ Steuereinheit, Heizkörper odgl. angeordnet sein. Anstelle der Steckkupplung PS2 kann auch eine untrennbare fixe elektrische Verbindung zwischen Heizkörper und Regel-/ Steuereinheit bestehen, wenn nur eine einfache Hygieneanforderung notwendig ist, wie beispielsweise lokale Handwäsche des Heizkörpers.
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Stromversorgung Elektronik
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Über den Strom-/Spannungspfad 7, S1-1, D1, R1, ZD1, D2, C2 wird die ca. +5Volt Gleichspannungsversorgung für insbesondere den Mikrocontroller 8 hergestellt/ gebildet.
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Störlichtbogen- Detektion, Regel-/Steuereinrichtung
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Der Mikrocontroller 8 oder Prozessor übernimmt an den Dateneingängen digitale und/oder analoge Signale (Störlichtbogen- Detektion, Nullspannungstriggerung, Tasten-/ Schalterbedieneingaben, OHP System, optional Boost-/ Schnellheizungsfreigabe, etc.) und verarbeitet diese (zeitlich) und steuert/regelt die Ausgangssignale (Lastschaltertriggerung, Anzeigeelementsteuerung für LED, LCD. Ggf. werden Datenfilter eingesetzt. Werte/ Daten/ Programme werden im Speicher abgelegt oder nur zwischengespeichert. Um die Ausfallwahrscheinlichkeit des einen Mikrocontrollers 8 bzw. die Sicherheit des kompletten Systems sicherzustellen werden Risikobewertungen durchgeführt, die in die Gerätefunktion eingreifen bzw. eingreifen können. Die eingestellte Schaltstufe, die veränderbar durch Tastendruck und/oder Schiebeschalter- Signale und/oder (zeitabhängig) (extern über Schnittstelle) gesteuerte Signale, setzt der Mikrocontroller 8 in Heizungssteuersignale um. Die Lastschalter werden pulsartig mittels Pulsweitenmodulation (PWM) oder statisch angesteuert. Bei der Nullspannungszündung des Thyristors THY1 geschieht dies dynamisch durch eine mehrfach höhere Frequenz im Vergleich zur Frequenz der Netzwechselspannung. Der Thyristor THY2 hingegen wird parallel durch statische Nullspannungssignale angesteuert. Andere schmiegsame Wärmegeräte benötigen zur Erzeugung einer Temperaturregelung einen Soll-/ Istwert- Vergleicher (Operationsverstärker, Analog/Digitalwandler,...), welcher mittels diskreter Schaltungstechnik oder heute üblich mittels Mikrocontroller, ASIC, etc. die temperaturgeführte Heizungs-/ Lastschalteransteuerung übernehmen. Bei Störlichtbogen-Detektion (z. B. Heizelementbruch, nicht gesteckter Heizkörper, Wackelkontakt, ...) bricht die strombegrenzte (RD- /RDD- Schaltung Heizkörper) negative Sinusspannung von -5V bis -10V an den Widerständen F2R1 und F2R2 schlagartig zusammen und am Mikrocontroller-Detektionseingang steigt die Spannung infolge des Spannungsteilers R3/ R4 und +5V DC Anbindung an und leitet die programmtechnisch vorgegebenen Störlichtbogen-Schutzmaßnahmen (Heizung aus etc.) ein. Tritt ein OHP- Fehler auf, so steigt die negative Sinusspannung auf nahezu Netzspannungsspitze (325V) an und über den Spannungsteiler R3/R4 verringert sich die Störlichtbogen-/ OHP- Detektionsspannung am Mikrocontroller 8, was wiederum zur Einleitung von Sicherheitsmaßnahmen wie „Heizung aus“ führt. Dazu wird die Ansteuerung vom Mikrokontroller 8 zu Lastschalter THY1 (und THY2) unterbrochen. Bei Störlichtbogen- Detektion 10 während der Last-/ Heizstrom fließt, wird über den Messwiderstand das Spannungssignal dem Mikrocontroller 8 zugeführt, ausgewertet und ggf. Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet.
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Optional kann die Regel-/ Steuereinheit auf, unter, an, in der Nähe odgl. des Heizkörpers 6, 12 platziert sein. Die Regel-/ Steuereinheit kann auch einen fixen oder als Steckkupplung ausgeführten Anschluss für die Geräteenergieversorgung aufweisen. Für die Kommunikation mit anderen (mobilen) Geräten wie Tablett- PCs, PDA, Mobiltelefonen, Haushalts-/ Wohnungssteuerungseinheiten etc. kann eine Schnittstelle mit/ ohne Kabelverbindung vorgesehen sein und übliche Datenübertragungsverfahren beinhalten.
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Nullspannungstriggerung
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Die Nullspannungstriggerung des Laststromes verhindert Funkstörungen, die sich über elektromagnetische Abstrahlung vom Gerät und/oder über den Netzanschluss ausbreiten können. Der Transistor Q1 wird durch Wechselstrom über Vorwiderstand R5 angesteuert und dieser schaltet kurz nach dem Nulldurgang der Netzwechselspannung durch. In Verbindung mit dem mikrocontrollerinternen Pullup-Widerstand erhält der Mikrocontroller das synchronisierte Nullspannungstriggersignal, welches für die Ansteuerung der elektronischen Lastschalter THY1 und THY2 (Thyristoren alternativ Triacs, Schalttransistoren, MOSFETs, etc.) verwendet wird. Während der negativen Halbwelle sperrt der Transistor Q1 und die Diode D6 bildet eine Schutzschaltung gegen zu große negative Spannung am Gate des Transistors Q1.
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Triggerschaltung Thyristoren
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Thyristor THY1 wird durch Berücksichtigung der Nullspannungstriggerung und bei Freigabe des Laststromes durch die Regel-/Steuereinrichtung mit Störlichtbogen-Schutzschaltung angesteuert. Parallel dazu wird der Thyristor THY2 angesteuert, jedoch muss der Mikrocontroller eine mehrfach höhere Frequenz zur dynamischen Ansteuerung bereitstellen, so dass ein niedriger Blindwiderstand an Kondensator C4 entsteht und der ausreichende Ansteuerstrom an den Thyristor THY2 gelangt. Doppeldioden DD1 sind für die Gleichrichtung und Entladung eines Kondensatorstroms von C4 verantwortlich. Kondensator C5 stabilisiert den Gatestrom THY1. Die Gate- Widerstände R7 und R8 verhindern ungewollte Thyristorzündungen.
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Bedienungseinheit
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Durch Betätigung der Tasten S2 und S3 und Pullup- bzw. Pulldown- Widerstände (R16 und im Mikrocontroller integrierte programmierbare Widerstände) kann der Benutzer die Schaltstufe (hoch/runter) schalten. An den Mikrocontroller- Eingängen wird hierbei ein Massesignal erzeugt.
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Anzeigeeinheit
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Die 4-stufige LED Anzeige (LED1 bis LED4) mit Vorwiderständen R6 und R13 wird vom Mikrocontroller durch digitale Ausgangsspannungen angesteuert. Die Ausgänge können 3 Zustände annehmen: +5V, 0V und hochohmig (nicht leitend)
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Boosteinheit (optional)
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Die Boosteinheit sorgt für schnelles Aufheizen eines schmiegsamen Wärmegerätes infolge einer hohen bzw. überhöhten Start- Leistung/ -Temperatur nach dem Einschalten. Dies dauert bis die vorgewählte Wohlfühltemperatur erreicht wird oder maximal bis Sicherheitsvorschriften für schmiegsame Wärmegeräte noch eingehalten werden. Würde der Benutzer den Startvorgang mit hoher bzw. überhöhter Leistung/ Temperatur mehrfach wiederholen, wäre es denkbar, dass sich zu hohe Gerätetemperaturen einstellen. Die Boost- Schaltung verhindert jedoch diese Möglichkeit, da durch eine Abfrage des Ladezustandes des Kondensators C6 während der Startphase zwischen erstem und wiederholtem Gerätebetrieb unterschieden werden kann. Über Diode D7 und Widerstand R11 wird Kondensator C6 geladen und über Widerstand R12 wieder entladen. Die Startabfrage von C6 erfolgt vom Mikrocontroller 8, d.h. der Regel-/ Steuereinheit, und/oder über die Störlichtbogen-Schutzdetektion.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt Bedingungen der Fehlerarten, Fehlerdetektion und eingeleitete Maßnahmen und Risiken:
| Fehlerart RD/ RDD | Heizstrom | Netz-Halbwelle | Arcing-Detektion | Maßnahme | Bemerkung |
| Arcing | ja | + | | | Kritisch, 1 Halbw. |
| Arcing | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R3 |
| Arcing | nein | + | | | unkritisch |
| Arcing | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R3 |
| OHP | ja | + | | | Kritisch, 1 Minute |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R3 |
| OHP | nein | + | | | unkritisch |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R3 |
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Für alle Tabellen gilt:
- Arcing bedeutet Störlichtbogen. OHP bedeutet Over Heat Protectionsystem. Energiezufuhr begrenzen bedeutet auch ggf. Energiezufuhr abschalten (Heizelement, Heizköper, Regel-/ Steuereinheit, Komplettgerät).
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5 zeigt eine Schaltung eines Heizkörpers 6, wobei der Heizkörper 6 zwei unterschiedliche Bereiche (Foot und Body) aufweist, die getrennt angesteuert werden können. Mittels der Widerstände R25, R26 kann der Mikrocontroller 8 eine Überwachung des Laststroms bei eingeschalteten Thyristoren THY2, THY3 und/oder THY1, THY3 vornehmen. Werden Spannungsunterbrechungen erkannt, kann auf einen Kabelbruch geschlossen werden. In diesem Fall können entsprechende Vorbereitungen zur Vermeidung eines Störlichtbogens mit Plasmabildung eingeleitet werden. Sollten die Spannungsunterbrechungen von einem Wackelkontakt herrühren, können entsprechende Reparaturmaßnahmen durch eine Anzeige 11 oder Mitteilungen veranlasst werden. Die Diagnosen, insbesondere das Vorhandensein eines Kabelbruchs und/oder eines Wackelkontakts können durch LEDs und/oder eine LCD 11 angezeigt werden. Während der negativen Halbwelle kann ein Strom über F2R1, F2R2, D6, D7, RHO, RPS1 und RHI und/oder über F2R1, F2R2, D5, D8, RHO, RPS2 und RHI fließen. Über einen Abgriff mittels R2, R3 kann der Mikrocontroller 8 diesen Hilfsstrom überwachen. Falls der Mikrocontroller 8 ein Aussetzen des Hilfsstroms feststellt, kann ein Kabelbruch mit anschließender Störlichtbogenentwicklung oder ein Wackelkontakt vermutet werden. Die Widerstände F2R1 und F2R2 erfüllen eine Doppelfunktion, da sie auch zum Auslösen der Sicherung F2TSI bei einem thermischen Hotspot (OHP) in einem der Heizkörper Foot und/oder Body 6 vorgesehen sind.
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5 zeigt insbesondere die Einbindung der Störlichtbogen-Schutzschaltung mit zwei getrennt regel-/steuerbaren Heizzonen (Body- & Foot- Bereich) sowie erweiterte Störlichtbogen-Detektion, nicht nur stetig in den Aus-Phasen der negativen Netzhalbwellen, sondern auch während dem Laststromfluss positiver Netzhalbwellen mittels Messwiderstand R25. Die zweite Aufgabe des Messwiderstandes R25 besteht darin, den Ausfall eines der drei Thyristoren zu überwachen. D.h. beim seriellen Test wird immer ein Thyristor nicht angesteuert und währenddessen wird geprüft, ob ein Fehler vorliegt, da ein Heizstrom fließt. Falls ein Fehler vorliegt, wird die Heizung 6 ganz ausgeschaltet und dem Benutzer ein Fehler signalisiert. Infolge höherer Halbleiterverluste und damit verbundener Erwärmung im Schnurzwischenschalter erfasst der Temperatursensor TR1 in Verbindung mit Widerstand R9 und dem Mikrocontroller 8 die Temperatur und schaltet bei Überhitzung das Gerät und/oder die Heizung 6 ab. Die Benutzeranzeige wurde mit einer LCD 11 und Backlight- LEDs gelöst. Die Elektronikstromversorgung wurde nicht mit Vorwiderstand, sondern mit einer kapazitiven Lösung umgesetzt, die mehr Strom liefert. Außerdem stehen mehr Bedientasten für eine komfortable Bedienung zur Verfügung.
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2x RD-Schaltung (Störlichtbogenschutz für Body- und Foot- Heizung)
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Die doppelt ausgeführte RD-Schaltung im Heizkörper (Diode und RPS1 bzw. Diode und RPS2 Widerstand) arbeitet analog zu der Schaltung der 4, jedoch wird durch die Trennung der jeweils parallel geschalteten Dioden D5, D8, D6 und D7 die negativen Strompfade Body und Foot voneinander getrennt. Erst bei den OHP-Widerständen F2R1 und F2R2 fließen sie zusammen und an F2R1 und F2R2 liegt eine Basisspannung z.B. -10V an. Bei Unterbrechungen, Wackelkontakten, etc. ändert sich die Basisspannung. Die Störlichtbogen- Detektion des Mikrocontrollers kann dieses Signal erfassen, auswerten und entsprechende Maßnahmen einleiten.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt Bedingungen der Fehlerarten, Fehlerdetektion und eingeleitete Maßnahmen und Risiken
| Fehlerart Body/ Foot | Heizstrom Body/ Foot | Netz- Halbwelle | Arcing-Detektion | Maßnahme | Bemerkung |
| Arcing | ja | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R26 |
| Arcing | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R2 |
| Arcing | nein | + | | | unkritisch |
| Arcing | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R2 |
| OHP | ja | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R26 |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R2 |
| OHP | nein | + | | | unkritisch |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R2 |
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6 zeigt eine Schaltung, die der der 5 im Wesentlichen entspricht. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass die Widerstände RPS1 und RPS2 der 5 fehlen. Hierdurch können die Herstellkosten verringert werden. Nachteilig ist, dass keine Beaufschlagung mit einem Hilfsstrom während der negativen Halbwellen möglich ist, sodass eine Störlichtbogendetektion während der negativen Halbwellen ausgeschlossen ist.
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6 zeigt insbesondere eine weitere Störlichtbogen-Detektionsschaltung, bei der nur bei ausgeschalteter Last (Heizung etc.) eine Detektion stattfinden kann. Diese Detektionsschaltung ist in der Regel für Systeme, die lange Heiz- und kurze Ausperioden aufweisen, nicht geeignet. Nachteilig hierbei ist, dass Arcing, Störlichtbogenbildung mit Plasmaausformung und damit eine Brandgefahr, mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit unbemerkt auftreten kann. Für (Heiz-) Systeme bei denen jedoch die Auszeiten deutlich länger sind als die der Ein-Zeiten, kann diese Schaltungsausführung einen sinnvollen Kompromiss darstellen. Außerdem kann nicht überall eine RD- Schaltung mit dem zusätzlichen Widerstand im Heizkörper etc. wegen Platzbedarf, Verlustwärme, etc. realisiert werden.
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Störlichtbogen- Detektionsfunktion
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Wenn alle Lastschalter (Thyristoren THY1, THY2, THY3) ausgeschaltet sind, fließt während der positiven Netzhalbwelle ein Störlichtbogen-Detektionsstrom von Netzanschluss 7, Sicherung F1, Anschluss A, Leiter RHI von Body und Foot, sowie RHO, Anschluss B und C, Widerstände R22 und R23, OHP- Widerstände F2R1 und F2R2 über Temperatursicherung F2TSI zu Netzanschluss 7.
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An den Anschlüssen B und C beträgt in der Regel die messbare Spannung fast Netzspannungspotential z.B. 230V. Die beiden positiven Spannungen werden dann durch Spannungsteiler R2/R3 und R4/R32 und den Schutzdioden D10 und D11 auf Elektronikspannung beispielsweise +5V bzw. 0V begrenzt und an den Mikrocontroller-Eingängen zur Störlichtbogen- Detektion bereitgestellt. Bei einer Detektion eines Störlichtbogen-Fehlers (Bruch eines Heizleiters RHI bzw. RHO) ändert sich die Störlichtbogen-Messspannung am Mikrocontroller 8. Der Mikrocontroller 8 leitet dann entsprechende Geräteschutzfunktionen ein.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt Bedingungen der Fehlerarten, Fehlerdetektion und eingeleitete Maßnahmen und Risiken
| Fehlerart Body/ Foot | Heizstrom Body/ Foot | Netz- Halbwelle | Arcing-Detektion | Maßnahme | Bemerkung |
| Arcing | ja | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R26 |
| Arcing | nein | - | | | unkritisch |
| Arcing | nein | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R2 oder R32 |
| Arcing | nein | - | | | unkritisch |
| OHP | ia | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R26 |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R33 |
| OHP | nein | + | | | unkritisch |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R33 |
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7 zeigt eine Schaltung, wobei mit den Widerständen R22, R24 eine Spannungsüberwachung auf Kabelbruch, Wackelkontakt während der Ein-Zeiten des Thyristors THY1 möglich ist. Außerdem kann über F2R1, F2R2, D4, D5, RHO, RPS und RHI ein Hilfsstrom zur Kabelbruchdetektion während der negativen Halbwellen fließen.
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7 zeigt insbesondere eine Temperaturregelung mit Istwert- Erfassung an R24, Sollwert- Erfassung an Widerstand R8 und übergeordneter RD- Schaltung für Störlichtbogen- Detektion mittels Vergleicher-/ Auswerteeinheit (Mikrocontroller 8). Die Störlichtbogen- Detektion erfolgt vorzugsweise zuerst während der negativen Halbwelle. Außerdem erfolgen Störlichtbogen- Prüfungen während der positiven Halbwelle. D.h. im Störlichtbogen- Fehlerfall während einer positiven Halbwelle ändert sich der Istwert an R24 auffällig und wiederum werden Schutzmaßnahmen eingeleitet. Die Sicherheitsabschaltung bei OHP- Fehler oder Thyristor-Fehler THY1 (Kurzschluss Kathode/ Anode) funktioniert wie bereits bei 4 beschrieben. Es reicht ein Thyristor, um den sicheren Betrieb des schmiegsamen Wärmegerätes infolge hoher Heizleistung zu gewährleisten. D.h. der Fehler führt zu „Dauerheizen“ und nach kurzer Zeit spricht das OHP- System (Kurzschluss innerhalb der Heizkordel RHI, RHO) an und es erfolgt eine Gerätesicherheitsabschaltung (Laststrom aus, Temperatursicherung F2TSI löst irreversibel aus).
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Die nachfolgende Tabelle zeigt Bedingungen der Fehlerarten, Fehlerdetektion und eingeleitete Maßnahmen und Risiken
| Fehlerart | Heizstrom | Netz- Halbwelle | Arcing-Detektion | Maßnahme | Bemerkung |
| Arcing | ja | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R22 |
| Arcing | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R25 |
| Arcing | nein | + | | | unkritisch |
| Arcing | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R25 |
| OHP | ia | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R22 |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R25 |
| OHP | nein | + | | | unkritisch |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R25 |
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8 zeigt eine weitere Schaltung, wobei im Vergleich zur 7 kein Widerstand RPS zum Brücken der Diode D01 vorhanden ist, weswegen keine Beaufschlagung eines Hilfsstroms während einer negativen Halbwelle möglich ist.
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8 zeigt insbesondere die Störlichtbogen- und OHP- Detektion an einem Mikrocontroller- Eingang sowie eine Signalbereichsbegrenzung. Durch den Spannungsteiler R19/ R23 wird eine Referenzspannung gebildet. Störlichtbogen-Detektion- Signale über R25 und/ oder OHP- Signale über R26 beeinflussen die Referenzspannung, welche von einem Mikrocontroller 8 ausgewertet werden. Die Signalbereichsbegrenzung erfolgt durch die Schutzdioden DD1. Die Reduzierung von Bauteilanschlüssen ermöglicht eine günstige und miniaturisierte Schaltung.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt Bedingungen der Fehlerarten, Fehlerdetektion und eingeleitete Maßnahmen und Risiken
| Fehlerart | Heizstrom | Netz- Halbwelle | Arcing-Detektion | Maßnahme | Bemerkung |
| Arcing | ja | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R22 |
| Arcing | nein | - | | | unkritisch |
| Arcing | nein | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R25 |
| Arcing | nein | - | | | unkritisch |
| OHP | ja | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R22 |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R26 |
| OHP | nein | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R25 |
| OHP | nein | - | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R26 |
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9 zeigt eine Schaltung mit Triacs T1, T2, wobei über die Widerstände R11, R16 eine Überwachung der Ein-Zeiten der Triacs T1, T2 ermöglicht wird. Durch die Zenerdioden ZD2 und/oder ZD3 kann eine Begrenzung der jeweiligen Spannungen zum Schutz des Eingangs des Mikrocontrollers 8 sichergestellt werden.
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9 zeigt insbesondere eine Schaltung mit einer Erweiterung und Verbesserung der Störlichtbogen- Schutzschaltung. Dazu ist Widerstand R11 und eine entsprechende Software im Mikrocontroller 8 notwendig. Besonderheit ist die Doppelnutzung eines Mikrocontroller- Eingangs als Ausgang für Zündimpulse des Triac T1 im Nulldurchgang mit anschließender Abfrage als Eingang für Störlichtbogen- Detektion. Notwendig ist dies, wegen der nur beschränkt zur Verfügung stehenden Ein-/ Ausgänge des Mikrocontrollers 8. Selbstverständlich können auch mit anderen Mikrocontrollern, ASICs, FPGAs, etc. getrennte Signaleingänge am Mikrocontroller 8 genutzt werden. Die Schaltung beinhaltet die PTC-/ NTC- Temperaturregelung mit Istwert an Widerstand R24 und Sollwert an Widerstand R8 bedingt durch thermische Änderung der (Heiz-) Leiter RHI und/oder RHO. Hinzu kommt die allgemeine Temperatur-Erfassungsmöglichkeit und/oder die Erfassung lokaler Hot Spots (Hitzeherde) von Heizelementen mit temperaturabhängiger NTC-/ PTC- Schicht, zwischen den Leitern RHI und RHO, die die klassische OHP- Ausführung ersetzt. Die Störlichtbogen-Detektion arbeitet teils bei ausgeschalten Lastschaltern (TRIACs, Thyristoren, Relais, MOSFET, IGBT, etc.). Danach wird während positiver Netzhalbwellen über den Strombegrenzungswiderstand R11, Zenerdiode ZD2, ZD3 und Widerstand R16 am Eingang von Mikrocontroller 8 die Spannung erfasst und ausgewertet. Bricht die Spannung auf nahezu Null zusammen und weist die Spannung Störlichtbogen-Eigenschaften (bestimmte Frequenzanteile, etc.) auf, so wird die Maßnahme „Energiezufuhr begrenzen“ eingeleitet. Das kann das zeitliche Unterbrechen des Last-/ Gerätestromes bzw. das Reduzieren oder das komplette Abschalten bedeuten. Die Störlichtbogen- Detektion funktioniert auch wenn Laststrom fließt, während positiver Halbwellen, da dann die Istwert- Spannung bei Stromunterbrechungen mit steilen Flanken einbricht und ggf. wiederkehrt. Die Störlichtbogen- Detektion funktioniert auch während der negativen Halbwelle oder während beider Netzhalbwellen. Bei der negativen Halbwelle geht immer eine Spannungspegelanpassung (geschalteter Spannungsteiler zu positiver Spannung (z.B. +5V) voraus, so dass der Arbeitsbereich der Störlichtbogen- Detektion gewahrt bleibt. Die Umschaltung kann durch den Mikrokontroller 8 selbst über I/O- Port (Zustand: nicht leitend oder Vdd (+5V, Elektronikversorgungsspannung) oder über separate Schaltelemente (diskrete Bauteile oder Halbleiter) erfolgen.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt Bedingungen der Fehlerarten, Fehlerdetektion und eingeleitete Maßnahmen und Risiken
| Fehlerart | Heizstrom | Netz-Halbwelle | Arcing-Detektion | Maßnahme | Bemerkung |
| Arcing | ja | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R22 |
| Arcing | ja | - | | | Kein Arcingschutz, 1 Halbw. |
| Arcing | nein | + | aktiv | Energiezufuhr begrenzen | Signal von R16 |
| Arcing | nein | - | | | unkritisch |
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10 zeigt eine Schaltung mit Triacs T1, T2, wobei der Triac T1 zur Schnellabschaltung dient. Bei einem Fehler kann der Mikrocontroller 8 den Triac T1 zünden, wodurch die Sicherung F1 anspricht. Widerstand RP begrenzt den Kurzschlussstrom. Hierdurch ergibt sich eine irreversible Abschaltung des Wärmegeräts. Durch einen Widerstand R11 kann ein Abgriff für den Mikrocontroller 8 zur Überwachung der Ein-Zeiten des Triacs T2 und Störlichtbogen- Detektion wie in 9 geschaffen werden. Statt der Triacs T1, T2 können alternativ Thyristoren verwendet werden.
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11 zeigt eine Schaltung, die sich von der Schaltung der 10 durch eine Sicherung TSI1 unterscheidet. Die Sicherung TSI1 wird durch Erwärmung durch die Widerstände R4, R5 ausgelöst. Hierdurch kann eine verzögerte Geräteabschaltung sichergestellt werden.
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12 zeigt eine Schaltung mit einer Spannungsüberwachung mittels der Widerstände R24, R22 zur Störlichtbogen- Detektion und/ oder Istwertsignal für eine Temperaturregelung. Der Sollwertzweig wird über die Diode D1, den Spannungsteiler R6, R8 mit Mikrocontroller- Anschluss 8 gebildet. Außerdem kann über die Widerstände F2R1, F2R2, D4, D5, RHO, RPS1 und RHI oder mit den Widerständen F2R1, F2R2, D4, D5, RPS1 und RPS3 ein Hilfsstrom fließen, der mittels R25 an einen Port des Mikrocontrollers 8 gelangen kann. Damit kann erstens festgestellt werden, ob im Heizkörper eine Unterbrechung oder ein Wackelkontakt mit möglicher Störlichtbogenausbildung vorliegt, oder zweitens ob der Heizkörper über die Steckkupplung korrekt mit der Regel-/ Steuereinheit verbunden ist. Ist der Widerstands- Hilfsstrompfad des Heizkörpers unterbrochen, so wird beispielsweise bei identischem Widerstand von RPS1 und RPS3, der Hilfsstrom halbiert. Hingegen fließt kein Hilfsstrom mehr, wenn die Steckkupplung nicht gesteckt wurde. Über die Widerstände F2R1, F2R2 und R25 erhält der Mikrocontroller 8 die Auswertesignale während der negativen Netzhalbwelle. Bei nur ausgesteckter Steckkupplung des Heizkörpers wird der Heizstrom abgeschaltet, damit beim Einstecken kein Störlichtbogen erzeugt wird und ein Kontaktabbrand verhindert wird. Im Gegensatz zu einer Störlichtbogenabschaltung mit Energiereduzierung und/ oder dauerhafter Energieabschaltung, kann nach Wiederverbinden des Heizkörpers mit der Regel-/Steuereinheit über die Steckkupplung sofort die volle Heizleistung gefahrlos zur schnellen Erwärmung des Wärmegeräts aufgeschaltet werden.
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Die Widerstände F2R1 und F2R2 erfüllen eine Doppelfunktion, da sie auch Teil eines Over-Heat-Protectionsystems (OHP) sind und die Sicherung F2TSI auslösen können.
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Durch eine eigensichere Ausführungsform des entsprechenden Mikrocontrollers 8 kann auf Redundanzen verzichtet werden und dennoch ein sicheres System erhalten werden.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieversorgung Anschluss
- 2
- optionales Kabel
- 3
- Unterbrechungserkennung
- 4
- optionaler Festanschluss bzw. Steckverbindung
- 5
- Heizkörper
- 6
- Heizkörper
- 7
- Versorgung (Netz; Wechsel- oder Gleichspannung)
- 8
- Steuereinheit (Mikrocontroller, ASIC, FPGA, etc.)
- 9
- Störlichtbogen-Detektion 1
- 10
- Störlichtbogen-Detektion 2
- 11
- LCD
- 12
- Heizkörper
- 13
- optionale Steckkupplung
- 14
- heating panel (Heizkörper mit weiteren elektrischen oder nichtelektrischen Komponenten)
- A
- Anschluss
- B
- PS2-Steckkupplung Anschluss,
- C4
- Kondensator
- C5
- Kondensator
- C6
- Kondensator
- C7
- Kondensator
- D01
- Diode, Diode von RD
- D02
- Diode von RDD
- D1
- Diode
- D3
- Diode
- D5
- Diode
- D6
- Diode
- D7
- Diode
- D8
- Diode
- D10
- Diode
- D11
- Diode
- DD1
- Doppeldioden
- F2R1
- Widerstand
- F2R2
- Widerstand
- F1
- Stromsicherung
- F2TSI
- Temperatursicherung, Over Heat Protection (OHP)
- 11
- Laststrom (für Heizung, Aktoren, odgl.)
- 12
- Hilfsstrom
- L1
- Spannungsversorgung, Phase
- N1
- Spannungsversorgung, Nullleiter
- PB4
- Mikrocontroller Eingang
- PS2
- Steckkupplung
- Q1
- Transistor
- R3, R4
- Spannungsteiler
- R5
- Widerstand
- R6
- Widerstand
- R7
- Gate-Widerstand
- R8
- Gate-Widerstand
- R11
- Widerstand
- R12
- Widerstand
- R13
- Widerstand
- R14
- Widerstand
- R15
- Widerstand
- R16
- Widerstand
- R19/R23
- Spannungsteiler
- R22
- Widerstand
- R23
- Widerstand
- R24
- Widerstand
- R25
- Widerstand
- R26
- Widerstand
- RHI
- Heizleiter
- RHI
- Heizwiderstand, siehe Heizkordel-Innendrahtwicklung getrennt durch isolierende Zwischenisolation zur Heizkordel-Außendrahtwicklung, und/oder Sensorleiter für Temperatursignale
- RHO
- Heizleiter
- RHO
- Heizwiderstand, siehe Heizkordel-Außendrahtwicklung getrennt durch isolierende Zwischenisolation zur Heizkordel-Innendrahtwicklung, und/oder Sensorleiter für Temperatursignale
- Layer
- Temperaturabhängige Widerstandsschicht mit NTC- und/ oder PTC-Charakteristik zwischen zwei Leitern bzw. Heiz- und/ oder Sensorwiderstände
- RPS
- Parallelwiderstand
- RPS1
- Parallelwiderstand
- RPS2
- Parallelwiderstand
- RPS3
- Parallelwiderstand
- S1-1
- Schalter S1, erster Anschluss
- S1-2
- Schalter S1, zweiter Anschluss
- S2
- Schalter, Taster
- S3
- Schalter, Taster
- S1-1
- Schalter, Taster
- T1
- Lastschalter, Triac
- T2
- Lastschalter, Triac
- THY1
- Lastschalter, Thyristor
- THY2
- Lastschalter, Thyristor
- THY3
- Lastschalter, Thyristor
- TR1
- Temperatursensor
- ZD2
- Zenerdiode
- ZD3
- Zenerdiode
