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"Elektrischer Heißwasserbereiter, vorzugsweise Durchlauferhitzer"
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heißwasserbereiter, vorzugsweise Durchlauferhitzer
für mehrphasigen Wechselstrom, insbesondere Drehstrom, bei dem zur Erwärmung des
Wassers Heizwiderstände dienen.
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Bei bekannten elektrischen Durchlauferhitzern werden die Heizwiderstände
mittels eines Druokdifferenzschalters ein- und ausgeschaltet. Dieser Druekdifferenzschalter
arbeitet so,'daß die Heizwiderstände nur dann Energie zugeführt bekommen, wenn Wasser
an ihnen vorbeiströmt. Ist die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers sehr gering,
dann besteht die Gefahr einer Überhitzung der Heizwiderstände, so daß aus Sicherheitsgründen
zusätzlich ein temperaturabhängig arbeitender Schalter vorgesehen wird, der die
Energiezufuhr zu den Heizwiderständen beim Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur
unterbricht.
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Bei anderen bekannten Durchlauferhitzern sind die Heizwider-,stände
in einem Behälter angeordnet, der ein begrenztes Speichervolumen aufweist. Bei diesen
Durchlauferhitzern dient zum
Ein- und Ausschalten der Enerr@iezufuhr
zu den Heizwiderständen ein arbeitender ichalter, und es. kann auf den verhältnismäßig
komplizierten Druckdifferenzschalter verzichtet werden.
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Bei beiden bekannten Arten von elektrischen Durchlauferhitzern entstehen
dadurch erhebliche Schwierigkeiten, daß verhältnismäßig hohe elektrische Leistungen
geschaltet werden müssen. Die Leistungsaufnahme bekannter Durchlauferhitzer liegt
im 3ereich von etwa 20 - 30 k11, und sie. kann bedarfsweise auch höher sein. Andererseits
verlangt i.ian von derartigen Schaltern, daß ihre Abmessungen klein sind, daß sie
betriebssicher arbeiten und daß sie eine lange Lebensdauer aufweisen. In der Praxis
können diese Forderungen nur schwer erfüllt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heißwasserbereiter,
vorzugsweise Durchlauferhitzer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine
gesteuerte Energiezufuhr zu den Heizwiderständen möglich ist, ohne daß mechanisch
arbeitende Schalter erforderlich sind, die hohe elektrische Leistungen schalten"müseen.
Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich ein Heißwasserbereiter, vorzugsweise
Durchlauferhitzer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß den Heizwiderständen
je Phase wenigstens ein Thyristorpaar in Antiparallelschaltung mit zugehörigen Trigger-
und Synchronisierkreisen vorgeschaltet ist, und daß zur Ansteuerung der Trigger-
und Synchronisierkreise ein von der Soll-und/oder Ist-Temperatur des Wassers beeinflußter.Regelkreis
mit den einzelnen Trigger- und Synchronisierkreisen gekoppelt ist.
Bei
dem neuen elektrischen Heißwasserbereiter übernehmen die Thyristorpaare die Aufgabe,
die Energiezufuhr zu den einzelnen Heizwiderständen freizugeben oder zu unterbrechen.
Ähnlich wie ein Thyrathron ist ein Thyristor nur in einer Richtung stromdurchlässig,
und zwar auch nur dann, wenn eine Steuerelektrode zuvor 'Liittel-s eines Zündimpulses
-oder dgl. auf ein entsprechendes eleictrisches Potential angehoben wurde. Da die
Thyristoren _ in luitiparal lelschaltun"; .verwendet werden; steht dem Wechselstrom
in jeder Halbwelle ein Thyristor zur Verfügung. Ähnlich wie bei einem Thyrathron
genügt zum Zünden ein kurzer Steuerimpuls, und der Stromdurchgang durch den Thyristor
wird selbsttätig unterbrochen, wenn der Strom beim Nulldurchgang das Vorzeichen
wechselt. Es ist also jeweils ein Zündimpuls pro Halbwelle für den der Halbwelle
zugeordneten Thyristor erforderlieh, um eine Energiezufuhr zum nachgeschalteten
Heizwiderstand zu ermöglichen. Wird dem Thyristorenpaar der erforderliche Zündimpuls
nicht zugeführt, dann bleiben beide Thyristoren gesperrt, urid@ eine Energiezufuhr
zum fieizwiderstand ist nicht möglich. ---1@mj',Vergleich zu einem mechanischen
Schalter zeichnet sich -ein solches Thyristorenpaar durch geringe Abmessungen, betriebs--sichereg
Arbeiten urid'eIne lange -Lebensdauer aus; denn bei einem Thyristör gibt es weder
bewegte-, noch verschleißbeanspruchte-Teile.-Bei der Verwendung-eines Paares antiparallel
geschalteter Thyristorenfür je den.,Heizwiderstandoder für alle an eine Phase angeschlossenen
Heizwiderstände, die insbesondere für
Durchlauferhitzer hoher Leistung
in Betracht kommt, läßt sich mit geringen Mitteln eine feinfühlig gesteuerte Energiezufuhr
zu den einzelnen Heizwiderständen verwirklichen. Die Energiezufuhr zu den einzelnen
Heizwiderständen ist jeweils dann am größten, wenn der entsprechende Thyristor seinen
Zündimpuls genau'in dem Augenblick erhält, in welchem der Nulldurchgang der Spannung
der zugehörigen Wechselstromphase erfolgt. Der jeweilige Heizwiderstand bekommt
dann während der Dauer beider Halbwellen Energie zugeführt. Wird hingegen der Zündimpuls,
bezogen auf den Nulldurchgang, zeitlich verzögert zum Thyristor zugeführt, dann
wird die Zeit, während der der entsprechende Heizwiderstand Energie zugeführt bekommt,
verkürzt. Die Energiezufuhr zu den einzelnen Heizwiderständen läßt sich also durch
entsprechende Ansteuerung oder zeitliche Verzögerung der Zündimpulse für die Thyristoren
stufenlos regeln.
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Die Steuerung der Thyristoren erfolgt für Durchlauferhitzer zweckmäßig
nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch einen elektronischen Regelkreis
mit Gleichspannungsausgang.und nachgeschaltetem Hochfrequenzoazillator, der über
einen Hochfrequenzübertrager mit den einzelnen Trigger- und Synchronisierkreisen
gekoppelt ist.
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Hierdurch läßt sich somit auch bei elektrischen Durchlauferhitzern
eine Temperaturwahl verwirklichen. Zu diesem Zweck weist der Regelkreis, der eine
Einstellung der gewünschten Temperatur ermöglicht, ein Bauteil auf, welches die
durch die Heizwiderstände erzielte Wassertemperatur überwacht. Dieser _ elektronische
Regelkreis erzeugt als Regelgröße eine Gleich-
| spännungderen Höhe der Differenz zwischen der gewünschten |
| und vorhandenen |
| proportional ist. Der Dürch-- |
| tauferhitzeriweist weiterhin einen Höehfrequenzsszillätor auf, |
| dem % die vom Regelkreis erzeugte Gleichspannung zugeführt
wird: |
| Dez @Spannüng dieser Hochfrequent, d. h: die Amplitude, wird. |
| :durch die zugefülrte |
| v'ergrößert öder ver= |
| kleinem und über einen HöchfreqüenzUbertrager zü Trigge-r=
und |
| Synehrari-sierkreieen geleitet;. welche den einzelnen Thyristären |
| zugeärdnet sndDie Trigger- und Synchronsierkreise liefern |
| den Thyristoreh die erforderlichen ZUhdimpulse in der entspre=chenden
zeitlichen Verzögerung in Bezug auf den Strom-Nulldureh- |
| gang: Stimmen die' gewünschte und die ist-Temperatur überein, |
| tann wird die Erergiezuführ zu den einzelnen Heizwiderständen |
| unterbrochen oder die Verzögerung des Zündimpulses in Bezugauf |
| den - Strom-Nulldürchgang . ehteprieht der Dauer. einer Hälbwel
I:e |
| Ist die Differenz zwischen Soll- und Ist-Temperatur gröB, dann |
| ist die zeitiehe Verzögerung der Impulsgabe in Bezug. auf den |
| Streiri-Nulldurehgang, gering.' Dadurch, däß die hegelgröße
in Form ener@Gleichsparinung e"r- |
| z ugt und- iri P'örni eiüer fiöehfrequenzspaxinung tfber einen
Hoch- |
| fre4uenzilbertrager zu den Trgger- und Syzlehronisierkreeenzugeführt
wird, ergibt sieh die -'o'gliehkeit, die Trigger-. und |
| fynehroniaierkeiäe galvanisch von dem Regelkreis und dem
Osiil- |
| latoF' zu ttenneÜ Regelkreis und Oszillatör können daher in |
| NledeTSpenüurigebauwese ohne großen Aufwand ausgebildet werde. |
| lediglich der HochfrequerieUbärtrager muU durch entsprechende |
| Isolation Wpannungfeet ausgebildet werden,. . |
| Bei einer weiteren Ausgestaltung des neueni,eri.auerl%'sers |
| sieht die Erfindung vors daß der Regelkreis eiheT'ic'stnds`@
.. . |
| brü.eke mit zwei `veränderlichen Widerständen aü,:twests; vö.h
dehen" |
| der eine zur Temperaturwahl einstellbar ist ui-1.6 der` dfd |
| seinen Widerstand in Abhängigkeit von der lst=Teperätt,nder |
| Bei dieser Ausbildung wird die Voraüssetzüng' fir, eintdif@iüh=:, |
| lige und feinstufige Temperaturwahl ge--ehat#en@ denh der ein= |
| stellbare Widerstand kann als Pötentiorieter auegeblldet werddn@: |
| Widerstände, die ihren Widerstand in Abhähg- keit von der Td=- |
| peratur ändern, sind ebenfalls bekannt: Zweeknäßit;e isd wird; |
| als temperaturabhängig veränderlicher lliclefständ eiaerrnlstär |
| verwendet: |
| Eine zweckm'ä'ßige weitere Ausgdstältung eae deh hef
Dürbhiau= |
| erhitzer ergibt sich, wenn erfindurig$geää derlittdi~täds- |
| brüeke des Regelkreises ein trahsistörbdstiidtdr eididh-sä%=, |
| nungs-Fölge=Yerstärker naöhgesehaitet istr |
| Dieser der Widerstandälrücke nachgescl-:ältetserster hät |
| die Aufgabe dafür zu sargen; daä auch geriii.gd`erätE-tgd .
-, |
| der Wi&erstandsbrüeke riöeh zu dihem eerweftbarendlighäl" |
| ±ühren. Er Borgt aber u. a: auch dä:ti1ri dgg dis°äü2= |
| derurigen nahezu trägheitslos drä% entdprddfieiidetdei@.näld |
| beantwortet werden. |
| Xäah einem weiteren Merktal der efiüdung ist *aegdä*li.än)-
d>§ |
| der Höchfrequenzoasillatar als tanaistobee@elteriilat |
| ausgebildet isti der mit konstähteF 1feqens un,rc>l |
| tioü arbeitet. |
Die Erfindung sielt weiterhin vor, daß der primärseitig vom Oszil
Iator gespeiste Hochfreduenzübertrager sekundärseitig für jeden Thyristor eine getrennte
Wicklung aufweist.
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Eine betrorzugte weitere Ausbildung für den neuen Durchlauferhitz
er ist schließlich noch dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Brückenpunkte
der V'!iderstandsbrüche des Regelkreises zwei komplementäre Transistoren angeschaltet
und über Widerstände und Kondensatoren so rniteir_"iiider und mit einem 4eiieinsarien
nachgeseLalteten. Endstufentransistor verbunden sind, daß der Wert der Brückenverstimmung
differenziert und integriert wird, bevor er@als regelnde Gleichspannung an den Oszillator
abgegeben wird.
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Das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles eines neuen elektrischen
Durchlauferhitzers ist in der Zeichnung dargestellt. Der Durchlauferhitzer ist für
Drehstrom ausgelegt. Er weist je Phase einen Heizwiderstand I bzw. II bzw. III auf.
Die drei Heizwiderstände I, I2, III sind im Steh geschaltet und im Sternpunkt mit
dem Mittelpunktleiter Mp des Drehstromnetzes leitend verbunden.
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Mit den jeweiligen Phasen R,S,T des Drehstromnetzes sind die Heizwiderstände
I, 1I, III über Thyristorenpaare Thy1, Thy2; Thy3, Thy4 und Thy 5, Thy6 verbunden.
Die Thyristorenpaare sind jeweils antiparallel geschaltet. Jedem Thyristor Thy1-Thy6
ist ein Trigger- und Synchronisierkreis TS1-TS6 zugeordnet.
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Die Trigger- und Synchronisierkreise TS1-TS6 sorgen dafür, daß
den
Thyristoren Thy1-Thy6 im jeweils richtigen Augenblick ein ,,Zündimpuls zugeführt
wird. Durch die gesteuerte Zuführung des Zündimpulses zu den Thyristoren Thy1-Thy6
wird eine gesteuerte Energiezufuhr zu den Heizwiderständen I, II, III erzielt.
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Die Steuerung der Energiezufuhr zu den Heizwiderständen I, II, III
erfolgt in Abhängigkeit von der jeweiligen Differenz zwischen einer wahlweise eingestellten
und einer durch die Heizwiderstände I, 2I, III erzielten Erwärmung des Wassers.
Im Ausfizhrungsbeispiel dient zur Ansteuerung der Trigger- und Synehronisierkreise
TS1-TS6 ein elektronischer Regelkreis RK, der zugleich die Aufgabe hat, die Differenz
zwischen der gewünschten und der vorhandenen Wassertemperatur festzustellen. Dieser
Regelkreis RK weist eine Widerstandsbrücke auf, die aus zwei Festwiderständen R3
und R4 und aus zwei veränderlichen Widerständen R5 und R6 besteht. Der Widerstand
R5 ist zweckmäßigerweise als Potentiometer oder Einstellwiderstand ausgebildet.
Er dient zur Einstellung der jeweils gewUnschten Wassertemperatur. Der zweite veränderliche
Widerstand $6 ist ein Thermistor, der seinen Widerstand in Abhängigkeit von der
vorhandenen oder Ist-Temperatur de's Wassers verändert. Die beiden Widerstände R5
und R6 arbeiten in der Widerstandsbrücke R3-R6 so zusammen, daß durch eine Einstellung
des Widerstandes R5 die Brücke verstimmt wird, während der Widerstand R6 mit zunehmender
Erwärmung des Wassers seinen Widerstand im Sinne einer Wiederabgleichung der Brücke
verändert. Solange die Wasrtemperatur nicht den durch die Binstellung des Widerstandes
R5 gewählten Wert erreicht hat, bleibt die Widerstandsbrücke 83-R6
verstimmt.
Die Widerstandsbrücke wird mit Gleichstrom gespeist, den ein Netzteil N liefert.
Dieses Netzteil weist einen Netztransformator T1 auf, der im Ausführungsbeispiel
mit zwei Sekundärwicklungen ausgerüstet ist. An eine dieser Sekundärwicklungen ist
eine Diode D1 mit einem Kondensator 06 angeschlossen. Die Diode D1 und der Kondensator
06 bewirken die Gleichrichtung des von der Sekundärspule des Transformators
D1 gelieferten Wechselstromes. Dieser gleichgerichtete Strom speist die Widerstandsbrücke
R3-R6.
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Das Netzteil N weist weiterhin einen Gleichrichter G11 auf, der einen
transistorbestückten Gleichspannurigs-Folge-Verstärker speist, welcher Bestandteil
des elektronischen Regelkreises RK ist. Dieser Transistorverstärker weist zwei komplementäre
Transistoren Tr1 und Tr2 auf, die jeweils zwischen dem veränderlichen und dem festen
Widerstand R5 und R3 bzw. R6 und R4 an die Widerstandsbrücke R3-R6 angeschaltet
sind. Die Widerstände R1 und R2 sowie R7-R10 und R16 und die Kondensatoren 01 und
02 vervollständigen die erste Stufe des Transistorverstärkers mit den bereits erwähnten
Transistoren Tr1 und Tr2.
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Die von der Widerstandsbrücke R3-R6 in form einer Gleichspannung gelieferte
Regelgröße wird von dem Transistorverstärker differenziert und integriert. Eine
Endstufe des Transistorverstärkers, die aus dem Transistor Tr3 und den Widerständen
R11-R14 besteht, verstärkt die differenzierte und integrierte Regelgröße noch einmal
und führt sie einem Hochfrequenzoszillator 0 zu. Dieser Oszillator besteht aus einem
Transistor Tr4, einem RO-Glied R15 und 03 und einem Kondensator 04, der die
Primärspule
eines Hochfrequenzübertragers HFÜ überbrückt: ,per Oszillator 0 arbeitet mit im
wesentlichen konstanter Frequenz, und die über den Widerstand R14 zugeführte Regelgröße,
die eine Gleichspannung ist, verändert die Amplitude der vom Oszillator erzeugten
Hochfrequenzspannung.
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Der Hochfrequenzübertrager HFÜ ist sekundärseitig -@it getrennten
Wicklungen ausgerüstet. Jedem Thyristor ist eine Sekundärwicklung des Hochfrequenzübertragers
HFÜ zugeordnet. Über den Hochfrequenzübertrar;er ist der Regelkreis RK bei @--alvanscher
Trennung mit den Trigger- und Synchronisierkreisen TS1-TS6 gekoppelt. Der Trigger-
und Synchronisierkreis TS1 für den Thyristor Thy1 weist die beiden Transistoren
Tr5 und Tr6 sowie eine Zenerdiode auf und wird durch den Kondensator 07 und
die Widerstände R17-R21 vervollständigt. Die Zenerdiode D2 bildet mit dem Widerstand
R21 den Synchronisierkreis. Sie erzwingt eine Synchronisation des nachgeschalteten'Triggerkreises
in der Weise, Saß ein Zündimpuls zum Thyristor Thyl nur dann geliefert werden kann,
wenn die albwelle der Netzspannung dasjenige Vorzei--hen aufweist, bei dem der Thyristor
Thyl nach Z.ndung stromdurchlässig ist. Der Transistor Tr5 wird über die Sekundärwicklung
des IIF-Übertra--ers und den Widerstand R18 mit der Regelgröße, die eine Hochfrequenzspannung
ist, versorgt. Er beeinflußt ein Zeitglied, das aus dem Widerstand R19 und dem Kondensator
07 gebildet wird. Der Transistor Tr6 ist ei--. Triggertransistor. Sein Auslösepunkt
oder Schwellwert liegt-.-`' ier Iradekennlinie des Kondensators C7. Wird der Schw.
' iwert durch
die Ladekennlinie oder beim Aufladen des Kondensators
07 übersdl.ritten, dann steht am Widerstand R17 ein Spannungsimpuls zum Zünden
des Thyristors Thyl zur Verfügung. Der Thyristor arbeitet dann wie ein Thyrathron.
Der Strom fließt so lange, bis der-Nulldurchgang der Wechselspannung erfolgt.
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Die Trigger- und Synchronisierkreise TS2-TS6 sind analog wie . der
eben erläuterte Trigger- und Synchronisierkreis TS1 aufgebaut. Die Schaltelemente,
nämlich die Zenerdioden, Transistoren, "liderstände und Kondensatoren, sind in der
bereits für TS1 geschilderten Reihenfolge mit fortlaufenden Bezugszahlen bezeichnet.
Eine Wiederholung der Beschreibung ist zum Verständnis des Funktionsprinzips nicht
erforderlich.
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Durch die geschilderte Ausbildung der Schaltung ergibt sich folgende
'dirkungsweise. Die Energiezufuhr zu den Heizwiderständen I-III wird in Abhängigkeit
vom Regelkreis RK über die Trigger- und Synchronisierkreise TS1-TS6 und die Thyristorenpaare
Thy1, Thy2-Thy5, Thy6 derart gesteuert, daß die Energiezufuhr den Wert Null annimmt,
wenn die durch Verstellung des Widerstandes R5 gewählte Temperatur mit der vom Widerstand
R6 festgestellten Ist-Temperatur des Wassers übereinstimmt. Der Zündpunkt der einzelnen
Thyristoren wird zeitlich um so näher .an den die jeweils entsprechende Halbwelle
beginnenden Strom-Nulldurchgang des Wechselstromes heranverlegt, je größer die Abweichung
zwischen der durch die Einstellung des Widerstandes R5 gewählten Soll-Temperatur
und der vom Widerstand R6 festgestellten Ist-Temperatur ist. Innerhalb gewisser
Grenzen arbeitet diese Energiesteuerung von Strömungsänderungen bzw. Änderungen
der
'Ourchflußmenge des Wassers völlig unabhängig: Sie arbeitet weiterl;in nal: ezu
verlustfrei und trägheitslos. Eine plötzliche Verstellung des Widerstandes R5 fuhrt
zu einer nahezu augenblicklichen entsprechenden Ausgtcuerung der Ener,-;iezufuhr.
Die von der ersten Stufe des Transistorverstärkers im Regelkreis RK vorgenommene
Differenzierung und Integrierung der Regelgröße gewährleistet bei raschen Änderungen
der Durcliflußmenge oder der Temperaturwahl die unverzügliche Angleichung der Energiezufuhr
an die veränderten Verhältnisse. Durch die Differenzierung der Regelgröße wird die
Energiezufuhr sowohl in fallender als auch steigender Charakteristik stärker als
dem Augenblickswert entsprechend verändert, so daß die trägheitslose Aufheizundes
Wassers erreicht wird. Die Integration des Regelwertes hat hingegen zur folge, daß
eine erreichte Wassertemperatur nahezu kon--tant erhalten bleibt, ohne daß in der
I#nergiezufuhr Pendelerscheinungen auftreten.
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Die Grenzen der Konstanthaltung der Temperatur sind'nicht von den
Eigenschaften des Regelkreises und den Triggerkreisen, sondern von der Leistung
der Heizwiderstände I-III abhängig. Wenn nämlich die pro Zeiteinheit auf eine bestimmte
Temperatur zu erhitzende Wassermenge größer ist als diejenige Wassermenge, die von
den Heizwiderständen in der gleichen Zeiteinheit auf die gleiche Temperatur erhitzt
werden kann, dann vermag auch der Regelkreis keine Steigerung der Energiezufuhr
zu bewirken, denn die Thyristorenpaare werden dann bereite so angesteuert, daB die
einzelnen Heizwiderstände die volle verfügbare Energie zugeführt bekommen. Es ist
daher entweder eine Einrichtung zu
verwenden, die die höchstzulässige
Durchflußmenge begrenzt oder aber es sind stärkere Heizwiderstände erforderlich.
Falls die Leistungsaufnahme der Heizwiderstände die leistungsfähigkeit der Thyristore
überschreitet, können pro Phase auch mehrere Thyristorenpaare verwendet werden.
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Bei größeren Durchlauferhitzern, bei denen es auf die Einhaltung kleiner
Abmessungen und andere erschwerende Bedingungen nicht ankommt, können an Stelle
der Thyristorenpaare bei geringer Abwandlung der Trigger- und Synchronisierkreise
auch Transduktoren oder ähnliche Schaltelemente verwendet werden, um die Energiezufuhr
zu den Heizwiderständen zu steuern.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Netzteil N noch mit einem
Schalter Sch ausgerüstet, der beispielsweise ein Differenzdruckschalter sein kann.
Dieser Schalter dient dazu, den Regelkreis und den Oszillator vom Netz zu trennen,
wenn kein Wasser durch den Durchlauferhitzer .fließt. In seinen Abmessungen und
seinem Aufbau kann er klein und einfach sein, weil die von dem Regelkreis RK und
dem Oszillator benötigte elektrische Leistung nur sehr gering ist. Wenn man die
geringen Verluste in Kauf nimmt, die sich dann ergeben, wenn der Regelkreis und
der Oszillator ständig arbeiten, dann kann auf die Verwendung eines derartigen Schalters
verzichtet werden.