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Die Erfindung betrifft ein Haushaltsgerät, insbesondere eine Zubereitungsmaschine für Heißgetränke oder flüssige Lebensmittel für Haushaltszwecke, insbesondere einen Kaffeevollautomaten. Als Heißgetränke oder heiße flüssige Lebensmittel kommen beispielsweise Kaffee, Tee, heiße Milch, Kakaogetränke oder auch Suppen in Frage.
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Kaffeevollautomaten (KVA) dienen der Zubereitung von Kaffee, gelegentlich auch Tee und heißem Milchschaum. Nachfolgend werden die Begriffe „Zubereitungsmaschine“, „Kaffeevollautomat“ und „KVA“ gleichbedeutend benutzt, so dass einer dieser Begriffe stets die anderen beinhaltet und sie daher gegeneinander austauschbar sind.
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Der KVA beinhaltet zumeist mindestens ein Mahlwerk zum Mahlen von Kaffeebohnen, einen Durchlauferhitzer für Wasser, eine Hochdruckpumpe zum Pumpen von heißem/kaltem Wasser (bis zu 15 bar), eine Brühgruppe mit Antrieb zum Pressen von gemahlenem Kaffee, zum Definieren einer Brühkammer und zum Auswerfen des Tresters nach dem Brühen. Weiterhin sind eine Spannungsversorgung (z.B. 220 VAC oder 12 VDC), sowie eine Bedieneinheit mit Schaltern/Tastern und Anzeigeelementen (z.B. LEDs), sowie auch eine Steuerelektronik zum Schalten/Regeln der einzelnen Komponenten (ggf. auch von Sensoren, Schaltern, Stellelementen/Aktoren, Magnetventilen und Dosiereinrichtungen) der KVA vorhanden.
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Zudem können weitere Zusatzfunktionen und Zusatzelemente in einem KVA vorhanden sein, die elektrische Verbraucher darstellen können, wie z.B. ein zweites Heizelement für Teewasser oder Wasserdampf für Milchschaum, Tassenwärmer mit separatem Heizelement, Bypass-Dosierer für extern gemahlenen Kaffee, Display für die Anzeige von Informationen in Text und Bild, automatisches Spülen und Reinigen, Wasserfilter zur Wasseraufbereitung, Vormahlen von Kaffee, kurzes Vorbrühen des gemahlenen Kaffees, kundenspezifische Programmierung der Bedienelemente, der Temperatureinstellung des Brühwassers, der Einstellung der gemahlenen Kaffeemenge pro Tasse, der Einstellung der Wassermenge pro Tasse, und des Mahlgrads (Korngröße) des gemahlenen Kaffees.
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Üblicherweise werden die oben genannten elektrischen Verbraucher des KVA zumindest teilweise mittels eines im Lastkreis in Reihe davor befindlichen Halbleiterschalters in Form einer TRIAC (Triode für Wechselstrom, engl.: AC) geschaltet bzw. leistungsgesteuert. Im Falle eines Defektes im Lastkreis des TRIAC-Ausgangs, wird der TRIAC meist irreparabel geschädigt, was bis hin zum Brand des Gerätes führen kann, so dass weitere Sicherheitsmaßnamen zur Absicherung der elektrischen Verbraucher des KVA nötig sind.
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Bekannt sind hierbei thermische Schalter an den elektrischen Verbrauchern des KVA, welche aber die Kosten in die Höhe treiben, sowie zusätzlichen Bauraum im KVA benötigen.
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Die
DE 10 2010 062 522 A1 offenbart ein Haushaltsgerät, auch in Form eines KVA, mit einem elektrischen Verbraucher, der mit elektrischen Netzanschlüssen des Haushaltsgeräts gekoppelt ist, einem in Reihe zum elektrischen Verbraucher geschalteten Halbleiterschalter, insbesondere einer TRIAC, und einer Steuereinrichtung zum Ansteuern des Halbleiterschalters, wobei eine Wandlerschaltung, die eingangsseitig mit einem zwischen dem Halbleiterschalter und dem elektrischen Verbraucher liegenden Abgriffknoten und ausgangsseitig mit einem Messeingang der Steuereinrichtung gekoppelt ist. Sie ist dazu ausgebildet, an dem Abgriffknoten eine elektrische Wechselspannung abzugreifen, die elektrische Wechselspannung in ein Messsignal, insbesondere eine elektrische Gleichspannung, umzuwandeln und dieses an den Messeingang der Steuereinrichtung abzugeben, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand des Messsignals auf einen Kurzschluss des Halbleiterschalters zurückzuschließen.
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Nachteil dieser Schutzschaltung ist, dass keine Überwachung der Temperatur des Verbrauchers und/oder der TRIAC erfolgt und daher ein Defekt der TRIAC lediglich über die elektrische Spannung über der TRIAC festgestellt werden kann. Damit kann die Schutzschaltung lediglich einen Teil der Möglichkeiten eines Defektes der TRIAC abdecken, die sich nur auf eine Veränderung der Spannung über der TRIAC und nicht auf eine unzulässige Temperaturerhöhung im Bereich der TRIAC (und ggfs. des elektrischen Verbrauchers) beziehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Haushaltsgerät derart weiter zu bilden, dass dessen durch Halbleiterschalter (z.B. TRIACs) schaltbare bzw. steuerbare elektrische Verbraucher vor Beschädigung durch zu hohe elektrische Ströme und/oder Temperaturen schneller und sicherer als beim Stand der Technik geschützt sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Demnach beinhaltet das Haushaltsgerät der eingangs genannten Art einen Hauptprozessor, eine sog. CPU, und eine damit zusammenarbeitende Schutz- und/oder Überwachungsschaltung für mindestens eine TRIAC, die in Serie mit mindestens einem geräteinternen elektrischen Verbraucher geschaltet ist, wobei die Schutz- und/oder Überwachungsschaltung einen Temperaturfühler für die Temperatur der TRIAC, sowie einen Stromfühler für den elektrischen Strom der TRIAC aufweist, wobei die Ausgangsspannungen des Temperaturfühlers und des Stromfühlers auf einen analogen Komparator gegeben werden, und bei Überschreiten oder Unterschreiten des Wertes der Ausgangsspannung des Temperaturfühlers und/oder des Stromfühlers über/unter einen Schwellwert,
- – die TRIAC ausgeschaltet wird, und/oder
- – ein Status- oder Fehlersignal an den Hauptprozessor und/oder an eine extern auslesbare Schnittstelle erfolgt.
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Verbraucher können z.B. die Heizung, Pumpen, Motoren, Magnetventile, etc. sein.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schutz- und/oder Überwachungsschaltung ist, dass die Schutzfunktion wesentlich schneller und sicherer einsetzt, als z.B. die einer Schmelzsicherung oder eines Sicherungsautomaten oder aber auch bei Schutzschaltungen, die lediglich eine Überwachung des elektrischen Stroms durch die TRIAC aufweisen. Durch zusätzliche Überwachung der Temperatur der TRIAC kann eine schnellere und sicherere kontrollierte Fehlerabhandlung, z.B. Teilabschaltung des Gerätes oder Mitteilung über nötigen Service vor Defekt der TRIACs erfolgen, da der Fehlerfall unter Kontrolle gebracht werden kann, ohne dass eine spontane Abschaltung des Gerätes durch Versagen der Versorgung eintritt. Folgeschäden an Gerät und der Gebäudeinstallation werden vermieden, und der Nutzer kann auf den Fehlerzustand hingewiesen werden. Zudem kann durch die stetige Überwachung von Strombelastung und Temperatur der TRIAC der nötige Kühlkörper der TRIAC auf das notwendige Minimum ausgelegt werden. Eine sonst übliche Überdimensionierung des Kühlkörpers der TRIAC entfällt, wodurch deutliche Kosteneinsparungen möglich sind. Bestenfalls kann sogar komplett auf einen Kühlkörper der TRIAC verzichtet werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist einen niederohmigen elektrischen Widerstand (Shunt) als Stromfühler auf, der im Lastkreis mit der TRIAC in Reihe geschaltet ist, wobei der Spannungsabfall des Stromfühlers auf den Komparator gegeben wird. Alternativ kann je ein Abgriffsknotenpunkt ähnlich der
DE 10 2010 062 522 A1 vor und hinter der TRIAC gewählt werden, so dass der Spannungsabfall über der TRIAC damit erfasst und insbesondere nach Vorverstärkung in den Komparator eingespeist wird. Damit kann der niederohmige elektrische Widerstand entfallen, was zu einer Kosteneinsparung führt. Der niederohmige elektrische Widerstand hat gegenüber dem direkten Spannungsabgriff über der TRIAC ohne den Shunt den Vorteil, dass die Übergangswiderstände an den Kontakten so gering als möglich gehalten werden, und damit die Ausgangsspannung eine hohe Genauigkeit und Konstanz besitzt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst einen temperaturabhängigen Spannungsteiler als Temperaturfühler, dessen Spannungsabfall auf den Komparator gegeben wird. Hierbei enthält der Temperaturfühler insbesondere einen Widerstandstemperatursensor in Form eines Heißleiter-Widerstands (NTC) und/oder Kaltleiter-Widerstands (PTC). Alternativ oder zusätzlich kann der Temperaturfühler auch Bimetalle, Thermoelemente, Thermistoren, Halbleitersensoren, Quarz-Sensoren und/oder pyroelektrische Sensoren enthalten. Der temperaturabhängigen Spannungsteiler ist aber besonders kostengünstig und präzise genug, so dass dieser bevorzugt als Temperaturfühler eingesetzt wird.
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Insbesondere wird der Schwellwert für den Stromfühler durch die Ausgangsspannung des Temperaturfühlers dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann der Schwellwert für den Temperaturfühler durch die Ausgangsspannung des Stromfühlers dargestellt werden.
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Dabei kann die aktuelle Ausgangsspannung des Stromfühlers und/oder Temperaturfühlers in Echtzeit oder zeitverzögert für den Schwellwert herangezogen werden. Bei einer zeitverzögerten Nutzung der Ausgangsspannung des Stromfühlers und/oder Temperaturfühlers kann diese als digitaler Wert in einem Datenspeicher zwischengespeichert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Schwellwert des Temperaturfühlers und/oder des Stromfühlers fest vordefiniert werden, oder alternativ oder zusätzlich durch den Nutzer oder den Hersteller wiederholt einstellbar sein. Der Schwellwert des Temperaturfühlers und/oder des Stromfühlers wird dabei bevorzugt aus einer Datenbank entnommen, die ggf. in der CPU abgelegt oder extern vorhanden und über eine Schnittstelle von extern abrufbar ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die TRIAC mittels eines weiteren Halbleiterbauelements, z.B. eines Thyristors ausgeschaltet. Alternativ oder zusätzlich zum Thyristor kann auch eine Zweirichtungsdiode (DIAC) oder eine Vierschichtdiode (DINISTOR) verwendet werden, wobei jedoch der Thyristor besonders zuverlässig und kostengünstig im Vergleich zu den beiden genannten Alternativen ist.
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Insbesondere wird der Thyristor von einem Ausgangssignal des Komparators gezündet, wobei dann ein Ausgangssignal des Thyristors eine Zündpulserzeugung der TRIAC blockiert, so dass kein Laststrom mehr durch die TRIAC und damit den elektrischen Verbraucher fließt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist Mittel auf, die ein Rücksetzen der TRIAC und/oder Thyristors und/oder Komparators durch Trennen und/oder erneutes Verbinden nach erfolgtem Trennen der Spannungsversorgung des Gerätes ermöglichen, z.B. durch Betätigen eines Hauptschalters oder einer anderen Taste oder durch Ziehen des Netzsteckers. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann ein Rücksetzen der TRIAC mittels interner und/oder externer Software erfolgen. Das Rücksetzen mittels Software hat den Vorteil, dass es automatisch erfolgen kann, ohne dass dabei der Nutzer manuell eingreifen muss, wobei jedoch das manuelle Rücksetzen mit geringeren Herstellkosten verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Hauptprozessor (CPU) ständig über den aktuellen Betriebszustand der Schutz- und/oder Überwachungsschaltung informiert, wobei hierzu Ausgangssignale des Temperaturfühlers und/oder des Stromfühlers und/oder des Komparators verwendet werden können. Je nach Ausgangssignal des Temperaturfühlers und/oder des Stromfühlers und/oder des Komparators wird die TRIAC über die CPU ausgeschaltet, bevor die TRIAC über den Thyristor der Schutz- und/oder Überwachungsschaltung ausgeschaltet wird. Damit kann lange vor einem Defekt der TRIAC eine Überwachung und ggfs. Protokollierung des Zeitverlaufs der Temperatur und des elektrischen Stromes durch die TRIAC erfolgen, so dass rechtzeitig vorher ein Status- oder Fehlersignal an den Nutzer und/oder den Service gegeben werden kann und/oder die CPU in die Energieversorgung oder die Steuerung/Regelung des KVA eingreifen kann.
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Bevorzugt ist die Schutz- und/oder Überwachungsschaltung für die TRIAC auf einer Energieplatine (ENB) angeordnet, welche von der Hauptplatine bzw. Motherboard (MB) des Hauptprozessors (CPU) räumlich getrennt und entfernt ist. Damit kann bei Beschädigung eines elektrischen Bauteils auf der ENB vermieden werden, dass auch elektrische Bauteile auf der MB Gefahr laufen, beschädigt zu werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Schutz- und/oder Überwachungsschaltung für die TRIAC auch auf der Platine des Hauptprozessors (CPU) angeordnet sein.
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Insbesondere wird bei Überschreiten und/oder Unterschreiten des Schwellwertes eine Status-Anzeige auf einem Display des Gerätes angezeigt und/oder eine Fehlermeldung über eine Schnittstelle nach außerhalb des Gerätes gegeben. Damit kann eine datentechnische Vernetzung des erfindungsgemäßen Haushaltsgerätes über LAN, WLAN oder PowerLAN/PLC mit anderen Haushaltsgeräten, darunter z.B. auch mit PCs, oder über das kabelgebundene Internet oder ein kabelloses Mobilfunknetz mittels Endgeräten wie Festnetztelefon, Tablet, Smartphone, etc. erzielt werden.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet dadurch, dass der vom elektrischen Strom verursachte elektrische Spannungspegel an dem niederohmigen Stromfühler-Widerstand (Shunt) von dem analogen Komparator ausgewertet wird, so dass damit der Stromfühler-Widerstand als Überstromschutz dienen kann. Die zum Vergleich herangezogene Ausgangsspannung als Schwellwert wird mittels des temperaturabhängigen Spannungsteilers, z.B. auf einer von der Hauptplatine separaten Leistungsplatine erzeugt, der thermisch gut mit der TRIAC gekoppelt wird, so dass der temperaturabhängige Spannungsteiler damit als thermischer Überlastschutz dienen kann. Wenn der Stromwert den Schwellwert überschreitet, zündet das Ausgangssignal des Komparators einen Thyristor, der z.B. in/am TRIAC-Gate-Treiber angeordnet sein kann. Der Thyristor blockiert die Zündpulserzeugung der TRIAC. Die TRIAC kann hierdurch nicht mehr leitend geschaltet werden und der Überlast-/Überstromzustand wird beendet. Ein Rücksetzen der TRIAC und/oder Thyristors und/oder Komparators ist nur durch Abschalten der Spannungsversorgung möglich. Das Rücksetzen kann alternativ oder zusätzlich auch durch einen Software-Reset erfolgen.
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Die Lösung arbeitet bevorzugt komplett unabhängig vom Prozessor und dessen Software. Der Prozessor kann ständig über den aktuellen Betriebszustand der Schutz- und/oder Überwachungsschaltung informiert werden, so dass das Ansprechen der Schutz- und/oder Überwachungsschaltung dem Benutzer mittels User-Interface mitgeteilt werden kann. Hierzu können die Signale des Temperaturfühlers, Stromfühlers oder Ausgangssignale des Komparators oder nur daraus abgeleitetes EIN/AUS-Signal auf die CPU geleitet werden.
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Zusätzlich kann optional der aktuelle Stromwert mittels Verstärkung an einen A/D-Wandler des System-Microcontrollers weitergeleitet werden. Hierdurch ist eine stetige Überwachung der Ströme im Gerät möglich, um z.B. bei jedem Einschalten die ordnungsgemäße Funktion aller Verbraucher zu überprüfen, um so Schäden frühzeitig zu erkennen und insbesondere eine Kundenbeeinträchtigung oder Folgeschäden zu vermeiden. Vor jedem Verbraucher kann ein eigener TRIAC vorhanden sein oder es kann ein gemeinsamer TRIAC für alle Verbraucher vorhanden sein oder aber es können jeweils zwei oder mehrere Verbraucher jeweils durch einen gemeinsamen TRIAC versorgt werden.
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Selbst eine automatische Fehlermeldung an den Service via Internet oder drahtloser Funkverbindung kann erfolgen. Es kann eine Fehlermeldung z.B. „Heizung gestört – bitte Service kontaktieren“ angezeigt werden.
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Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert.
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In der einzigen 1 ist die erfindungsgemäße Schutz- und/oder Überwachungsschaltung 1 für eine TRIAC (nicht dargestellt) eines internen Verbrauchers (nicht dargestellt) des Haushaltsgerätes (z.B. KVA) als Blockschaltbild dargestellt, wobei sich die Schutz- und/oder Überwachungsschaltung 1 auf einer Energieplatine ENB befindet und dort innerhalb eines ICs und/oder als diskrete Schaltung mit diskreten elektrischen Bausteinen aufgebaut ist.
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Die Schutz- und/oder Überwachungsschaltung 1 beinhaltet einen analogen Komparator 2, hier in Form eines Operationsverstärkers, der zwei Signaleingänge 3 und 4 aufweist, einen Signalausgang 5, sowie Versorgungseingänge 6 und Versorgungsausgänge 7 zum Einspeisen elektrischer Energie.
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Der Signaleingang 3 des analogen Komparators 2 ist mit einem Temperaturfühler (nicht dargestellt) für die Temperatur der TRIAC über eine elektrische Kontaktierung 8 signalleitend verbunden. Der Signaleingang 4 des analogen Komparators 2 ist mit einem Stromfühler (nicht dargestellt) für den Strom der TRIAC über eine elektrische Kontaktierung 9 signalleitend verbunden.
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Der Signalausgang 5 des analogen Komparators 2 ist mit einem TRIAC-Gate-Treiber 10 über einen Signaleingang 11 signalleitend verbunden. Der TRIAC-Gate-Treiber 10 besitzt einen weiteren Signaleingang 12, welcher über eine elektrische Kontaktierung 13 mit der TRIAC-Steuerung (nicht dargestellt) signalleitend verbunden ist, sowie einen Signalausgang 14, welcher über eine elektrische Kontaktierung 15 mit dem Gate-Anschluss des TRIAC (nicht dargestellt) signalleitend verbunden ist.
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Hierbei werden die Ausgangsspannungen des Temperaturfühlers der TRIAC und des Stromfühlers der TRIAC über die Kontakte 8, 9 und die Eingänge 3, 4 auf den analogen Komparator 2 gegeben und dort mit einem fest oder variabel voreingestellten oder aber durch den Service oder den Nutzer justierbaren Schwellwert analog verglichen. Bei Überschreiten oder Unterschreiten des Wertes der Ausgangsspannung des Temperaturfühlers und/oder des Stromfühlers über/unter den Schwellwert, wird dann die TRIAC entweder ausgeschaltet und/oder ein Status- oder Fehlersignal an den Hauptprozessor (CPU) und/oder an eine extern auslesbare Schnittstelle gegeben.
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Hierbei wird die TRIAC mittels eines Thyristors (nicht dargestellt, z.B. auf dem ENB) ausgeschaltet, welcher von einem Ausgangssignal des Komparators 2 gezündet wird und ein Ausgangssignal des Thyristors eine Zündpulserzeugung der TRIAC blockiert, so dass kein Laststrom mehr durch die TRIAC und damit den Verbraucher (nicht dargestellt, z.B. Heizungen, Pumpen, Motoren) fließt. Der Thyristor ist hierbei bevorzugt im Komparator 2 selbst oder im TRIAC-Gate-Treiber 10 angeordnet, kann aber in anderen Ausführungen auch in anderen ICs oder diskret auf dem ENB angeordnet sein.
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Am Komparator 2 und/oder TRIAC-Gate-Treiber 10 sind Rücksetz-Eingänge (nicht dargestellt) vorhanden, welche ein Rücksetzen der TRIAC und/oder des Thyristors mittels Energieversorgung und/oder mittels interner und/oder externer Software ermöglicht.
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Die Schutz- und/oder Überwachungsschaltung 1 weist einen Rückmeldungs-Kanal 16 mit einer elektrischen Kontaktierung 17 auf, welche über einen Verstärker 18 mit dem Signalausgang 5 des analogen Komparators 2 signalleitend verbunden ist. Diese elektrische Kontaktierung 17 des Rückmeldungs-Kanals 16 ist mit dem Hauptprozessor (CPU) des Haushaltsgerätes, z.B. KVA, signalleitend verbunden bzw. verbindbar, um Signale über Status der TRIACs weiter zu verarbeiten, z.B. auf Anzeigen, z.B. LED und/oder Display-Monitor des Haushaltsgerätes zu geben und/oder über eine Schnittstelle und externe drahtlose oder drahtgebundene Datenkanäle, z.B. Bluetooth, Internet oder Mobiltelefon, an externe Empfänger, wie z.B. Hersteller oder Service zu geben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schutz- und/oder Überwachungsschaltung
- 2
- analoger Komparator
- 3
- Signaleingang von 2
- 4
- Signaleingang von 2
- 5
- Signalausgang von 2
- 6
- Energieversorgung von 2
- 7
- Energieversorgung von 2
- 8
- elektrischer Kontakt für Temperatur TRIAC
- 9
- elektrischer Kontakt für Strom TRIAC
- 10
- TRIAC-Gate-Treiber
- 11
- Signaleingang von 10
- 12
- Signaleingang von 10
- 13
- elektrischer Kontakt für TRIAC-Steuerung
- 14
- Signalausgang von 10
- 15
- elektrischer Kontakt für TRIAC-Gate
- 16
- Rückmeldungs-Kanal von 1
- 17
- elektrischer Kontakt für Rückmeldung an CPU
- 18
- Verstärker für Ausgangssignal von 2
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062522 A1 [0007, 0013]
