DE1615310C - Regeleinrichtung für Heizelemente - Google Patents
Regeleinrichtung für HeizelementeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung mit nicht unterbrochenem Regelkreis für Heizelemente,
beispielsweise zur Verwendung in Kochplatten, mit einem Temperaturfühler für die Kochplattentemperatur
und einem Regelwiderstand, die beide in einer Brückenschaltung liegen und eine Steuerspannung für
eine elektronische Steuervorrichtung liefern, welche ein elektronisches, im Heizstromkreis liegendes
Schaltglied steuert, und mit einem vom Heizstrom beeinflußten Hilfssteuerglied, das ebenfalls eine
Steuerspannung an die elektronische Steuervorrichtung abgibt.
Eine derartige Regeleinrichtung istdurchdieUSA.-Patentschrift
3 299 345 bekanntgeworden, bei der als Hilfssteuerglied ein weiterer Temperaturfühler
vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung erfolgt die Regelung in Abhängigkeit von der jeweils gemessenen
Temperatur. Dies bringt den Nachteil mit sich, daß wegen der Trägheit der Regelstrecke in der Regel mit
einem Überschwingen der Heizleistung gerechnet werden muß.
Ferner ist es in der Regeltechnik allgemein bekannt (vgl. »Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge«,
1956, S. 388 ff.), für die Temperaturregelung eines Ofens od. dgl. einen Hilfsregelkreis vorzusehen,
der zusammen mit dem Hauptregelkreis den gesamten Regelkreis regelt. Dabei können die Größen
gewählt werden, daß im Hilfsregelkreis ein schneller Regelvorgang stattfindet, der bereits abge- ■
klungen ist, wenn der Hauptregelvorgang gerade seine ersten größeren Ausschläge macht.
Ausgehend von einer Regeleinrichtung der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, diese Regeleinrichtung so auszugestalten, daß bei dem Heizelement der jeweils vorgewählte
Temperaturbereich ohne Überschwingen erreicht werden kann.
Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß
mindestens ein temperaturabhängiger Steuerspannungsgeber und ein heizleistungsabhängiger Steuer-Spannungsgeber,
z. B. in Form eines vom Heizstrom durchflossenen ohmschen Widerstandes über ein Oder-Gatter und einen Steuerspannungsverstärker
die Steuerung des die Heizleistung beeinflussenden Schaltelements im Heizstromkreis bewirken. Wesentlieh
ist die heizleistungsabhängige Regelung durch den zweiten Steuerspannungsgeber, der also nicht
mehr mit der den Temperaturfühlern eigenen Phasenverschiebung anspricht. Hierdurch wird das nachteilige
Überschwingen vermieden. Auch ist es nunmehr möglich, eine eingestellte Temperatur mit
einem sanften Übergang anzufahren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung enthält der Regelspannungserzeuger
für die Leistung einen Gleichrichter und einen Integrator. Dabei kann der Integrator ein
aktives Verstärkerelement, beispielsweise in Form eines Transistors, enthalten. Der Regelspannungsverstärker
ist mit Vorteil mit Halbleitern, beispielsweise mit Transistoren aufgebaut.
Auch kann der Kollektor des zweiten Transistors des Regelverstärkers in bekannter Weise zur Herstellung
von Kippeigenschaften mit der Basis des ersten Transistors rückgekoppelt sein.
Vorteilhaft ist es, wenn der Regelspannungserzeuger für die Leistung über einen Regelwiderstand,
einen Widerstand und eine Diode an den Eingang des Regelverstärkers angeschlossen ist.
Der Topfbodenfühler kann in Verbindung mit einem Einstellwiderstand mit dem Zweiweg-Gleichrichter
eines Netzgerätes zu einer Brückenschaltung kombiniert sein. Dabei kann der aus Topfbodenfühler
und Einstellwiderstand bestehende Zweig der Brückenschaltung über eine Diode an den Eingang
des Regelverstärkers gelegt sein.
In der Schaltungsanordnung kann die Katode einer mit ihrer Anode an der Basis des zweiten Transistors
liegenden Diode über einen Widerstand an die Verbindung zwischen Schaltelement und Heizelement angeschlossen
sein. Auch ist es möglich, daß die Anode einer mit ihrer Katode an der Basis des ersten Transistors
liegenden Diode über einen Widerstand an die Verbindung zwischen Schaltelement und Heizelement
angeschlossen ist.
Die Einstellwiderstände sind mit Vorteil konstruktiv so ausgebildet, daß sie sich stufenweise einstellen
lassen. Hierdurch können die vorgegebenen Heizarten leicht aufgefunden werden.
Mit Vorteil ist der am Regelspannungserzeuger für die Leistung liegende Einstellwiderstand so verdrahtet,
daß bei einer oder mehreren Stellungen die Wirkverbindung zur Diode unterbrochen wird.
Die beiden Einstellwiderstände weisen vorteilhaft eine gemeinsame Betätigungsachse auf.
Der Topfbodenfühler kann aus einem Draht mit hohem Temperaturkoeffizienten hergestellt sein.
Als Schaltelement wird mit Vorteil ein Fünfschicht-Halbleiter verwendet.
Das Schaltelement kann auch auf zwei äntiparallel geschalteten Thyristoren aufgebaut sein.
Auf der gemeinsamen Betätigungsachse für die Einstellwiderstände können auch Zusatzkontakte für
die Zuschaltung eines zusätzlichen Heizelementes untergebracht sein.
Mit Vorteil liegt zwischen Triac und Heizelement eine Diode, die mit einem Integrator verbunden ist,
der seinerseits mit seinem Ausgang an' einem Widerstand liegt, wobei eine zweite Diode an Netzspannung
liegt und ebenfalls auf einem Integrator arbeitet, der über einen Widerstand mit dem freien
Ende des erstgenannten Widerstandes verbunden ist.
Die Erfindung weist gegenüber bisher bekannten Regeleinrichtungen verschiedene Vorteile auf. Mit
der Einrichtung ist es möglich, vorgewählte Temperaturbereiche exakter als bisher einzuhalten. Bei
Schnellaufheizung der Herdplatte tritt nur noch minimales Überschwingen auf. Es können kleinste Temperaturtoleranzen
eingehalten werden. Die Verwendung unterschiedlicher Topfbodenqualitäten bleibt ohne Auswirkung auf die richtige Funktion der Automatik.
Sämtliche Kochbereichstufen können mit Hilfe des Schalters mit Einknopfbedienung bequem eingestellt
werden. Außerdem wird ein weicher Übergang von der Schnellaufheizung zum Kochen erreicht. Ausführungsbeispiele
nach den Ansprüchen werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigt
F i g. 1 eine schematische Übersicht über den Aufbau
der Regeleinrichtung,
F i g. 2 eine Regeleinrichtung, die im wesentlichen aus einem zweistufen, triggerbaren Verstärker und
Regelspannungserzeugern für Leistung und Temperatur besteht,
F i g. 3 eine etwas vereinfachte Regeleinrichtung der Anordnung nach F i g. 2, wobei der Regelspan-
nungserzeuger für die Leistung nur mit passiven Elementen
aufgebaut ist,
F i g. 4 eine weitere Anordnung zur Gewinnung der Regelspannung, die ein Maß für die mittlere
Heizleistung ist.
Die Regeleinrichtung (Fig. 2 und 3) wird aus einem Netzgerät 30 mit Gleichspannung versorgt. Ein
Topfbodenfühler 1 und ein Einstellwiderstand 2, die miteinander in Reihe liegen, bilden mit dem Zweiweggleichrichter
des Netzgerätes 30 eine Brücke. Der Topfbodenfühler 1 ist als temperaturabhängiger Widerstand
ausgelegt und beispielsweise aus N-Fe-Draht hergestellt.
Die zwischen Topfbodenfühler 1 und Einstellwiderstand 2 stehende Spannung gelangt über eine
Diode 3 auf die Basis eines in Emitterbasisschaltung betriebenen npn-Transistors 7, wird verstärkt und
über einen Koppelwiderstand 10 an die Basis eines zweiten npn-Transistors 13 gelegt. Dieser Transistor
13 ist über eine Rückkopplungsanordnung 9 mit der Basis des ersten Transistors 7 verbunden. Die Rückkopplungsanordnung
9 verleiht der zweistufigen Verstärkerschaltung Triggereigenschaften. Die Triggerwirkung
kann dabei je nach Dimensionierung der Rückkopplungsanordnung 9 verschieden ausgelegt
werden. Der Transistor 13 steuert über seinen Emitter ein Triac 15 an, das mit einem Heizelement 14 eines
Heizgerätes in Reihe geschaltet ist. Eine mit ihrer Katode an der Basis des ersten Transistors 7 angeschlossene
Diode 18 und eine mit ihrer Anode mit der Basis des zweiten Transistors 13 verbundene
Diode 16 sind (F i g. 2) über entsprechende Widerstände 17 und 19 an der Seite des Triacs angeschlossen,
die am Heizelement 14 liegt bzw. direkt am Netz angeschlossen. ·
Mit Hilfe der Spannungen an den Dioden 16 und 18 und der Phasenumkehrwirkung des Transistors 7
entsteht an der Basis des Transistors 13 zusätzlich zur eigentlichen Regelung eine zweiweggleichgerichtete
Spannung mit Netzfrequenzen. Durch die Überlagerung der beiden Spannungen wird erreicht, daß
die Zündung des Triacs 15 immer genau im Nulldurchgang der an ihm liegenden Spannung bzw. der
Netzspannung erfolgt.
Mit dem Heizwiderstand 14 liegt ein Vorwiderstand 20 in Reihe, der klein gegenüber dem Widerstand
des Heizelementes gewählt ist. Die an ihm bei Betrieb des Heizelementes 14 abfallende Wechselspannung
wird gleichgerichtet und mit einem Millerintegrator 26 in Verbindung mit den entsprechenden
Schaltelementen integriert. Die dann am Einstellwiderstand 29 stehende Gleichspannung ist ein Maß
für den mittleren Strom, der das Heizelement 14 durchfließt. Nimmt man an, daß die Netzspannung
konstant ist, so ist die am Einstellwiderstand 29 stehende Spannung zugleich ein Maß für den Mittelwert
der vom Heizelement aufgenommenen elektrischen Leistung. Ein über den Schleifer des Einstellwiderstandes
29 abgegriffener Teil der am Widerstand stehenden Gleichspannung wird über einen Widerstand
6 und eine Diode 4 ebenfalls der Basis des ersten Transistors? des Regelverstärkers55 zugeführt.
Damit schließt sich der Regelkreis zur Regelung der Heizleistung.
Der Triac 15 wird dann durchgeschaltet, wenn die Heizleistung unter den mittels der Einstellwiderstände
2 und 29 eingestellten Sollwerten liegt.
Die beiden Einstellelemente 2, 29 sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Betätigungsachse untergebracht
und stufenweise einstellbar. Der Einstellwiderstand 29 weist verschiedene Schaltstellungen
auf, bei denen der Widerstand 6 vom Einstellwiderr stand 29 getrennt ist, wobei die Leistungsregelung
unwirksam ist.
Die Einstellvorrichtung ist bei Verwendung in einer elektrischen Kochplatte beispielsweise mit drei Bereichen
versehen, die ihrerseits jeweils in eine Anzahl Stufen unterteilt sind. Beispielsweise können folgende
Bereiche gewählt werden:
1. Warmhaltebereich:
Leistungskreis ist abgetrennt, die Temperaturen sind mit dem Einstellwiderstand 2 von etwa
50° C bis 90° C einstellbar.
2. Kochbereich:
Bei niedriger Kochleistung ist der Einstellwiderstand 2 auf etwa 80° C eingestellt, bei hoher
Kochleistung dicht unter dem Kochpunkt. Bis zu diesen voreingestellten Temperaturen bewirkt
der Fühler 1 über den Regelverstärker 55 die volle Heizleistung.
Sobald die Temperatur erreicht, ist, wird der Fühler 1 mit Hilfe der Diode 3 vom Regelverstärker
getrennt. Es wirkt nun die Regelung der Fortkochleistung über die Diode 4. Die Verschiebung
der Umschalttemperatur mit der Leistung erfolgt, um einen weichen Übergang von der Schnellaufheizung zum Kochen zu erzielen.
3. Bratbereich:
Dieser Bereich entspricht vollkommen dem Warmhaltebereich, nur wird hierbei mit anderen
Temperaturen von etwa 120° C bis 250° C gearbeitet.
Bei der mittels der Fig. 2 erläuterten Einrichtung ist die vom Heizelement 14 aufgenommene elektrische
Leistung linear abhängig von Netzspannungsschwankungen.
Die in F i g. 3 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der in F i g. 2 gezeigten lediglich dadurch,
daß die Regelspannungserzeugung anders durchgeführt wird. Zur Regelung bedient man sich hierbei
der Spannung am Triac 15. Auf diese Weise kann man sich ein aktives Verstärkerelement im Integrator
ersparen, Netzspannungsschwankungen gehen aber quadratisch in die Heizleistung ein.
Eine weitere Schaltungsausführung, die in F i g. 4 gezeigt wird, vermeidet jedoch diese Unzulänglichkeit.
Diese Schaltung verwendet ebenfalls die am Triac 15 anstehende Spannung Un die mit einer
Diode 24 gleichgerichtet und mit einem Integrator 50 integriert wird. Zur Kompensation von Netzspannungsschwankungen
ist ein zweiter Integrator 51 über eine Diode 25 direkt an die Netzspannung angeschlossen.
Die Ausgänge beider Integratoren werden über die Widerstände 21 und 22 zusammengeschaltet.
Die so entstehende Spannung U ist ein Maß für den Mittelwert der Spannung am Heizelement 14, so
daß der Einfluß von Netzspannungsschwankungen, auf die Regelspannung U eliminiert ist.
Für die Unteransprüche wird nur im Zusammenhang mit Patentanspruch 1 Schutz begehrt.
Claims (18)
1. Regeleinrichtung mit nicht unterbrochenem Regelkreis für Heizelemente, beispielsweise zur
Verwendung in Kochplatten, mit einem Temperaturfühler für die Kochplattentemperatur und
einem Regelwiderstand, die beide in einer Brückenschaltung liegen und eine Steuerspannung
für eine elektronische Steuervorrichtung liefern, welche ein elektronisches, im Heizstromkreis liegendes
Schaltglied steuert, und mit einem vom Heizstrom beeinflußten Hilfssteuerglied, das
ebenfalls eine Steuerspannung an die elektronische Steuervorrichtung abgibt, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein temperaturabhängiger Steuerspannungsgeber (53) und *5
ein heizleistungsabhängiger Steuerspannungsgeber
z. B. in Form eines vom Heizstrom durchflossenen ohmschen Widerstandes (20 oder 15), über
ein Oder-Gatter und einen Steuerspannungsverstärker die Steuerung des die Heizleistung beein- «°
flussenden Schaltelementes im Heizstromkreis bewirken.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelspannungserzeuger
(52) für die Leistung einen Gleichrichter (23) und einen Integrator enthält.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator ein
aktives Verstärkerelement, beispielsweise in Form eines Transistors (26) enthält.
4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Regelspannungsverstärker mit Halbleitern, beispielsweise Transistoren (7,13) aufgebaut ist.
5. Regeleinrichtung nach einem der An-Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kollektor des zweiten Transistors (13) des Regelverstärkers in bekannter Weise zur Herstellung
von Kippeigenschaften mit der Basis des ersten Transistors (7) rückgekoppelt ist.
6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Regelspannungserzeuger (52) für die Leistung über einen Regelwiderstand (29), einen Widerstand
(16) und eine Diode (4) an den Eingang des Regelverstärkers (55) angeschlossen ist.
7. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Topfbodenfühler (1) in Verbindung mit einem Einstellwiderstand (2). mit dem Zweiweggleichrichter
eines Netzgerätes (30) zu einer Brückenschaltung kombiniert ist.
8. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
aus Topfbodenfühler (1) und Einstellwiderstand (2) bestehende Zweig der Brückenschaltuhg über
eine Diode (3) an den Eingang des Regelverstärkers (35) gelegt ist.
9. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode einer mit ihrer Anode an der Basis des
zweiten Transistors (13) liegenden Diode (16) über einen Widerstand (17) an die Verbindung zwischen
Schaltelement (56) und Heizelement (14) angeschlossen wird.
10. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Anode einer mit ihrer Katode an der Basis des ersten Transistors (7) liegenden Diode (18) über
einen Widerstand (19) an die Verbindung zwischen Schaltelement (56) und Heizelement (14)
angeschlossen ist.
11. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch, gekennzeichnet, daß
die Einstellwiderstände (2, 29) konstruktiv so ausgebildet sind, daß sie sich stufenweise einstellen
lassen.
12. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der am Regelspannungserzeuger (52) für die Leistung liegende Einstellwiderstand (29) so verdrahtet
ist, daß bei einer oder mehreren Stellungen die Wirkverbindung zur Diode (4) unterbrochen
wird.
13. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Einstellwiderstände (2, 29) eine gemeinsame Betätigungsachse aufweisen.
14. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
der Topfbodenfühler (1) aus einem Draht mit hohem Temperaturkoeffizienten hergestellt ist.
15. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
als Schaltelement (56) ein Fünfschicht-Halbleiter verwendet wird. ·
16. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schaltelement (56) aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren aufgebaut ist.
17. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der gemeinsamen Betätigungsachse für die Einstellwiderstände (2, 29) Zusatzkontakte (60)
für die Zuschaltung eines zusätzlichen Heizelementes (61) untergebracht sind.
18. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Triac (15) und Heizelement (14) eine Diode (24) liegt, die mit einem Integrator (50)
verbunden ist, der seinerseits mit seinem Ausgang an einem ersten Widerstand (22) liegt, und daß
eine zweite Diode (25) an Netzspannung liegt und ebenfalls auf einen Integrator (51) arbeitet, der
über einen Widerstand (21) mit dem freien Ende des ersten Widerstandes (22) verbunden ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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