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Einrichtung zur temperaturabhängigen Steuerung der Energiezufuhr für
elektrische Wärmegeräte Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur temperaturabhängigen
Steuerung der Energiezufuhr für elektrische Wärmegeräte, insbesondere Kochplatten;
mit einem die Isttemperatur erfassenden temperaturabhängigen Widerstandsfühler und
einem fremdbeheizten, die Energiezufuhr zum Wärmegerät steuernden Bmetallschalter,
dessen Kontakte bei Überschreiten der einstellbaren Solltemperatur geöffnet werden.
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Bei bekannten nemperaturreglern wird der Strom durch die Heizwicklung
eines die Energiezufuhr zum Verbraucher schaltenden Bimetallelementes
mittelbar
oder unmittelbar von einem Temperaturfühler gesteuert und zwar derart, daß die dem
Bimetallelernent zugeführte Leistung zur Erzielung einer Schaltbewegung sich proportional
und stetig zum Fühlerwiderstand ändert, so daB'nach Erreichen eines vorwählbaren
Sollwertes die Energiezufuhr zum Verbraucher unterbrochen oder auf einen ebenfalls
vorwählbaren Wert reduziert wird. Dieser vorwählbare Wert kann bei Kochplattenz.B.
von der jeweiligen Kochgutmenge abhängig sein. Diese verminderte Leistung wird vielfach
periodisch entweder durch den bereits erwähnten Bimetallschalter oder mittels eines
zusätzlichen thermisch gesteuerten Schalters eingesteuert: Die bekannten Regler
weisen jedoch eine für die Praxis vergleichsweise groi3e Regelbreite auf, was sich
beim Erhitzen von Kochgut geringer Mengen, insbesondere im "Wärme"-Bereich unangenehm
bemerkbar macht. Um zu kleinen Regelbreiten zu gelangen, ist es möglich, Thyristoren
oder Triaes in den Stromkreis der Kochplatte einzuschalten. Derartige-Bauelemente
müssen für Ströme von 10 Ampere und mehrausgelegt sein und sind dementsprechend
für den Einsatz bei Bausgeräten zu teuer.
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Bei Anordnung von Steuerwandlern, wie z.-8. Schützen oder elektromagnetischen
Relais, kann die Thyristor- oder Triactype, die nur den Steuerstromkreis schaltet,
entsprechend billiger gewählt werden. Die Regelbreite eines von einem Thyristor
oder Triac geschalteten Relais ist gering. Es ergibt sich nun aber ein anderer ";achteil,
der darin besteht, daß für Regelanordnungen mit der bei Hausgeräten
üblichen
Umgebungstemperatur von ca. 15C)0 C keine Thyristoren oder Triacs preisgünstiger
Aufbauform verwendbar sind und auch elektromagnetische Relais für diese Temperaturen
in. der Regel vergleichsweise teuer und aufwendig sind: So ist zu überlegen ob Bauelemente
herangezogen werden können, die einen Thyristor oder Triac und das.elektromagnetische,Relais
ersetzen. Für die Thyristoren können Schwellwertschalter, z:B. temperaturfeste Transistorschaltungen
in Betracht gezogen: werden, während das elektromagnetische Relais durch ein Bimetallrelais
ersetzt werden kann. Dieses Bimetallrelais hat aber eine Regelbreite, die sich aus
dem Temperaturverhalten bei der Aufheizung des Bimetallstreifens und aus der Schalthysterese
des Schnappkontaktsatzes ergibt. favon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, e::ne Einrichtung der eingangs genannten Art unter Verwendung eines Bimetallschalters
und eines Schwellwertschalters anzugeben, die bei Ur;gebungatemperaturen von 150°
C betriebssicher arbeitet und. eine ex-Crem kleine Regelbreite aufweist.
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Nach der Erfindung wird die gestellte Aufgabe-,durch einen im Heizstromkreis
-des Bmetalischalters liegenden Schwellwertsahalter gelöst, der von "einem vom Widerständsfühler
und vom:Sollwerteinsteller abgeleiteten Signal gesteuert wird, -und eine solche
Anordnung des Bimetallschalters; daß zugleich mit. der Unterbrechung der Energiezufuhr
zum Wärmegerät der Heizstromkreis unterbrochen wird. Der im Heizstromkreis des Bimetallschalters
liegende Schwellwertschalter
weist praktisch keine Regelbreite
auf und gibt nur dann ein Signal ab, wenn das vom Sollwerteinsteller vorbestimmte
Signal, gemeinsam mit dem vom Widerstandsfühler abgeleiteten Signal einen Schwellwert
überschreitet. Nach Überschreiten -des Schwellwertes wird der Bimetallschalter nahezu
schlagartig mit vergleichsweise hoher Leistung innerhalb kurzer Zeit, z.B. in einer
Sekunde aufgeheizt, so daß die die, Energiezufuhr zum Wärmegerät, den Fühlerstromkreis
und den Bimetallheizstromkreis unterbrechenden Kontak= te geöffnet werden.' Der
Bimetallschalter wirkt.als Relais mit Einschaltverzögerung. Diese als Nachteil empfundene
Trägheit des Bimetallschalters kann durch Bereitstellung einer hohen Aufheizleistung
mit anschließender Selbstunterbrechung klein gehalten werden, z.B. 1 sec. Der Bimetallschalter
besitzt nun aber den Vorteil, daß er sich durch das abkühlende Bimetall selbsttätig,
ohne zusätzliche Mittel, wieder einschaltet. Diese Abkühlzeit kann nun so justiert
werden, daß nach ca. 30 bis 50 sec. der Bimetallschalter wieder einschaltet. Bei
noch vorhandener Solltemperatur wird der Schwellwertschalter die Bimetallheizung
wieder sofort einschalten, so daß nach ca. 1 sec. eine erneute Abschaltung erfolgt.
Dieses Taktverhältnis, - Einzeit des Schwellwertschalters (Heizzeit des Bimetalles)
zur Summe von Auszeit des sich rückstellenden Bimetalles und obiger Einzeit - wird
nun vorzugsweise sehr klein gehalten, z:B. 0,02, um die durch das periodische Wiedereinschalten
des Bimetallsehalters eingespeiste Leistung in das Wärmegerät kleiner zu halten
als es für die Aufrechterhaltung der niedrigsten Temperatur (Fortheizen im untersten
Bereich, wie z.B. "Wärmen") not. wendig ist.
Nach dem Abkühlen.
des-Bimetallstreifens werden die Kontakte geschlossen, so daß das Fühlerkriterum
(Sollwert erreicht-oder unterschritten) abgefragt wird. Bei vorhandene m, Sollwert
öffnet der Bimetallschalter nach der bereits erwähnten kurzen Zeitspanne wieder
und steuert damit während der Einzeit nur eine geringe Heizleistung in den Verbraucher-ein.
Ist dagegen der Sollwert unterschritten, so bleibt der Bim4tallschalter solange
geschlossen bis der eingestellte Temperatursollwert wieder erreicht ist.
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Die vorteilhaften Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung seien nachfolgend
anhand der Zeichnung beschrieben und die Wirkungsweise erläutert.
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In Fig.l ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, bei der ein Verbraucher
l über einen Schaltkontakt 2 an die Netzklemmen 3,4 gelegt ist: Der Kontakt 2 wird
von einem Bimetallstreifen 5, der einen Helzwiderstand 6 trägt, gesteuert.: Der
Kontakt 2, der BimetallstreiLfen 5 und dessen Heizwiderstand 6 bilden den Bimetallsehalter
7. Im Heizst=romkre=is des Bimetallschalters 7 liegt-ein Schwellwertsehalter 8,
der als -zweistufiger Transistorverstärker ausgebildet ist. Der Eingangstransistor
9 liegt in Basisgrundschal-.tung mit der Emitter-Basi.s-Streeke-in der Diagonale
einer den Füholerwiderstand 10, einen Spannungsteiler 11, Festwiderstände 12,1j
und den Bimetallheizwiderstand f? enthaltenen Brücke. Der Eingangstransistor y ;feuert
mit einem an seinem-Kollektor-abgegriffenen Signal die Basis eines Ausgangstransistors
14 in Emitter-Grundschaltüng,.in dessen Kollektorstromkreis der Bmetallhelzwid.erstand
6 als-Arbeitswiderstand angeordnet ist. Der Schwellwertschalter wird von einem mit
einem Abgriff 15 des Gerätewiderstandes 1 verbundenen
Gleichrichter,
16, insbesondere einem Einweggleichrichter, gespeist. Wie aus der Schaltungsanordnung
ersichtlich, ist der Schwellwertschalter 8 mit ungesiebtem Gleichstrom gespeist.
Ein besonderer Vorteil wird mit dem Schwellwertschalter 8 .erzielt, wenn die Transistoren
9,10 ein Komplementär-Transistorpaar sind.
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In Fig.2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, bei der der Verbraucher
1 über den'Bimetallschalter 7 an die Netzsparinungsklemmen 3,4 gelegt ist: Parallel
zum Verbraucher l ist unter Zwischenschaltung eines Gleichrichters 17 ein sebwellwertschalter
18 angeordnet, der im Stromkreis der Bmetallheizwicklung 6 liegt. Der Schwellwertschalter
18 ist als Relais 19 miü z.B. magrietschein Schutzgas-Kontakt ausgebildet,
dessen den Bimetallheizwiderstand 6 schaltender Kontakt 20 In Abhängigkeit einer
vom Fühl.er 21 geregelten, unipolaren; magnetischen Feldstärke einer Spule-22 und
einer dieser Feldstärke überlagerten, vom Einstellorgan 23 beeinflußten Feldstärke
H entgegengesetzter Richtung betätigt wird. Der Fühlerwiderstand 21 ist im Zweig
einer Widerstandsbrükkenschaltung angeordnet, deren Ausgangsdiagonale A,B über-
ein elektronisches Ventil 24 die Relaisspule 22 speist. Die vom Einstellorgan gesteuerte
Feldstärke H kann vorteilhaft von einem. beweglichen Dauermagneten bereitgestellt
werden.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird anhand eines Schaltbeispieles:
in Fg.3 dle Wirkungsweise des Schwellwertschalters
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in bezüg auf die Steuerung
der Bimetallheizwcklurig 6 und die damit Verbundenen Probleme erläutert.
| Die beiden Komplementär-Transistoren-9,14 sind stromführend,
wenn |
| die Temperatur"- am Fühlerwiderstand 10 so groß ist,.daß der
Punkt. |
| A der Brückenschaltung gegenüber dem Punkt B positiv ist. Der
Ver- |
| lauf der Sparinung-U hinter dem Gleichrichter 16 ist
ebenso wie der |
| Strom T zeitabhängig in Fig:4 dargestellt. Bei gegebener Tempera- |
| tur .4#s und bei bei vorgegebenem Wert des Vorwiderstandes
bzw. Span-, |
| nungsteilers 11 wird beim Zündwinkel a,- die Schwellwertspännung
UA_B |
| erreicht, Ba daß der Schwellwertschalter 8 durchschaltet und
den |
| Bimetallschalter 7 beheizt. Die diesem zugeführte Energie ent- |
| spricht der schraffierten Fläche in Fig.4.: |
| Es ist aus. dem Diagramme und der Betriebsweise des Schwellwert- |
| schalters zu entnehmen, daß dieser immer beim Zündwinkel cc-=
900 |
| durchschaltet, sofern die Solltemperatur gerade erreicht wird.
Der. |
| Schwellwertschalter & arbeitet also als Begrenzer und-
besitzt-da- |
| mit keine l-,egebrei.eJede Halbwelle wird bei gerade erreichter |
| `"emperx+#-ur .;." nur-zur Hälfte genutzt: Der mittlere Gleichstrom
ist |
| dementsprechend gering, was zu vergleichsweise langen_Aufheizzeiten |
| für den Bimetallschalter 7 führen kann.-Um zu kürzeren tufheizze- |
| ten zu gelangen, erscheint es vorteilhaft, den mittleren Gleich- |
| strom zu vergrößern und zwar dadurch, daß der Schwellwertschalter
@i |
| das erste Mal bei x = 900 , dagegen in den anschließenden Perioden |
| bei a@- = c- o durchschaltet-(S. Fig:5). |
| Lies kann durch Einfügen eines RC-Gliedes 25 an. der Basis
des Tran- |
| sistors 14 erreicht- werd-en: Wenn der Schwellwertschalter
das erste |
| Mal durchschaltet ( cri = 90°), wird der Kondensator C-aufgelad-en. |
Die Entladung über den Widerstand R erfolgt so langsam, daß zu
Beginn der nächsten Halbperiode zwischen Basis und Emitter des Transistors 14 eine
noch ausreichende Spannung vorhanden ist, clie zu einem Basisstrom des Transistors
14 führt. Dieser verstimmt die Brücke derart, daß der Punkt B gegenübendem Punkt
A negativer wird, d.h. der Schwellwertschalter 8 schaltet nunmehr in jeder nachfolgenden
Halbperiode bereits bei --4,= 0, durch.
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Der als Begrenzer arbeitende Schwellwertschalter 8 bleibt solange
eingeschaltet; bis er wieder auf' "Null" zurückgesetzt wird. Las Zurücksetzen auf
Null erfolgt dadurch, daß der Brnetallschalter 7 zugleich mit dem Wärmegerät den
Schwellwertschalter 8 ausschaltet. Damit entlädt sich der Kondensator C vollständig.
Beim Wiedereinschalten des Bimetallschalters 7 erfolgt die erste Zündung wieder
bei c4°= 9O o, d.h. die gesamte Anordnung besitzt praktisch keine Regelbreite. `
Der Kondensator C kann vergleichsweise mit geringer-Kapazität ausgeführt sein, so
daß der Vorteil einer Speisung des Schwellwertsehalters 8 mit.; ungeliebtem Gleichstrom
(d.h. ohne ;lieb- und Ladekondensatoren) erhalten bleibt.