DE1673532A1 - Temperaturregler - Google Patents

Description

»R.-ING. DIPL.-INQ. M.ÜU. DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKEf?

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Ser.Eo, 549,053

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Temperaturregler dieser Art sind seit langem bekannt„ doch erfordern sie bei-hoher Genauigkeit eine umständliche Schaltung,

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,, einen Temperaturregler zu schaffen, bei dem trotz einfacher Schaltkömponenten die gesteuerte iüemperatur auf einer -vorbestimmten Höhe bei sehr hoher Genauigkeit verbleibt. Diese Aufgabe wird geinäsa der Erfindung bei dem eingangs erwähnten Regler dadurch gelöst,, dass eine den Thermistor aufweisende Widerstandsbrücke Torgesehen ist_s deren Verstimmung eine funktion des Thermistors ist und deren Diagonale an die erste Wicklung einer zwei Wicklungen und einen Kern aufweisenden Induktivität zur Vorraagaetisierung des Kerns als-funktion der Brücken* Verstimmung in einer Richtung während der Halbwellen der einen Polarität angeschlossen ist, und dass die zweite Wicklung den Kern in entgegengesetzter Richtung für eine veränderbare Zeit während der Halbwellen entgegengesetzter Polarität in entgegengesetzter Riehbung magnetisiert, welche- Wicklung an die Halbleiter-«, schaltvorrichtung- zum Triggern -derselben nach Sättigung

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des Kerns angeschlossen ist,- derart dass der Phasenwinkel beim Triggern eine Funktion der vorherigen
Magnetisierung des Kernes durch die erste Wicklung
ist und die Zeitdauer der Stroraführung der Halbleiterschaltvorrichtung eine Funktion der Temperatur in der Zone ist«

Dieser erfindungsgemasse Regler hat hohe Verstärkung auf einem grossen Band der Proportionalregelungo
Ferner spricht der Regler sehr rasch an und hat über einen grossen Bereich von Umweltbedingungen eine stabile Regelung« Ferner verbraucht die Regelung verhältnismassig wenig Energie* Schliesslich ist dieser Segler in seiner Form kompakt, in seiner Konstruktion einfach und billig und im Betrieb zuverlässig.

Der erfindungsgemässe Temperaturregler hat eine Vorrichtung _y wie beispielsweise eine Heizvorrichtung, die bei Erregung die Temperatur in der au regelnden Zone verändert, Der Thermistor erfühlt die Temperatur in -dieser Zone und ist mit der Widerstandsbrücke so verbunden, dass deren Verstimmung eine Funktion der Temperatur des Thermistors ist. Die erste Wicklung auf der sättigbaren

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Induktivität ist an die Brücke eo angeschlossen,? dass der Kern in einer Richtung während der Wechselstromharbwellen einer Polarität in einem Umfang polarisiert, der eine funktion der Verstimmung der Brücke ist_o Die zweite Wicklung wird über die Wechselstromhalbwellen entgegengesetzter Polarität erregt, um so den Kern in entgegengesetzter Richtung in einem Umfang zu magnetisieren,, der während dieser Halbwellen zunimmt;. Die zweite Wicklung ist mit der Halbleiterschaltvorrichtung verbunden, um so die Vorrichtung nach der Sättigung des Kerns leitend zu machen, wobei der Phasenwinkel« an dem die Vorrichtung geschaltet wird, eine Funktion der vorherigen Magnetisierung des Keimes durch die erste Wicklung ist. Der Anteil der 2eit_s während der die Halbleiterschaltvorrichtung Energie an die Temperaturerzeugervorrichtung liefert, ist eine Funktion der Temperatur der Zone., wodurch die Zonentemperatur auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird_o

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben aich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung» die Ausführungsbeispiele der Erfindung enthält« In der Zeichnung zeigern

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S¹Ig₀I ein schematisches Schal ta chema eines Temperatur«=* regiere gemäss der Erfindung, der die Erregung einer Heizvorrichtung steuert^ um so die Temperatur In einer geregelten Zone auf einem vorbestimmten Wert zu halten,

"B¹Ig, 2 eine graphische Darstellung des .magnetischen Verhal- äk tens eines sätiigbaren Kernes der Induktivität^, wie Qi' Im Regler gemäss IPig.l verwendet wird«

Der In J?xg_ö i dargestellte Temperaturregler ist an eine Wschselstromquelle von beispielsweise 115 Volt und 60 Hz über ein Paar von Heizleitungen 11 und 1*2 angeschlossene Die Regelschaltung arbeitet nun so, dass die Energieaufuhr zu der elektrischen Heizvorrichtung 13 geändert wird, um so die Temperatur innerhalb einer geregelten Zone 15 auf einer vorbestimmten "Höhe zu halten«, m Wie ?;eiter unten näher erklärt wird, spricht die Regel*· schaltung auf Änderungen im Widerstand des ÜTO-Thermi-^ ators ΪΗ1 an, der die Temperatur innerhalb der Zone 15 abfühlt.

Die" Heizvorrichtung 13 Ist an einin HalbTivellengleiohriohter angeöphl-oösen, und zwar hier Über die Anoden-Kathoden-· Strecke einea gesteuerten Siliziumgleichrichters Q.f_a

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Der Gleichrichter Q1 ist eine Halbleiterschaltvorrichtung, die durch einen.einer Torelektrode aufgedrückten Strom eingeschaltet werden kan.n₉ wenn die Anoden-Kathoden-Strecke in Stromrichtung vorgespannt ist. Wenn einmal der leitende Zustand eingeleitet ist, so bleibt der Gleichrichter so lange leitend, bis die Vorspannung in Stromrichtung mit Hilfe äusserer Mittel vom Gleichrichter entfernt wird»

Die der Heizvorrichtung 13 zugeführte Leistung wird dadurch verändert, dass der Einsehaltzeitpunkt oder der Phasenwinkel der Gleichrichter-Einschaltung in Bezug auf die Haltwellen der Netswechselapannung während der Perioden verändert wird, während derer der Gleichrichter Q1 in Stromrichtung vorgespannt ist. Durch Veränderung des Einschaltzeitpunktes wird auch die Zeitdauer, während der eine Leistung der Heizvorrichtung 13 zugeführt wird,: verändert. Der ISinschaltstrom für das Tor des Gleichrichters Qt wird von der Sorwicklung 21 einer sättigbaren Induktivität 23 geliefert,.. Die Torwicklung wird durch einen Spannungsteiler 24 vorgespannt, der die Anoden-Kathoden-Strecke des Gleichrichters Q1 überbrückt und der in Reihe einen ersten

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Widerstand R1, eine Diode D1, einen zweiten Widerstand R2 und einen ITC-Thermistor TH2 aufweist.. Der Thermistor TH2 ist der Aussentemperatur in der Nähe der Regeisohaltung ausgesetzt» Das eine Ende der Torwicklung 21 ist an den Spannungsteiler zwischen der Diode D1 und dem Widerstand R2 und da3 andere Ende, mit dem Toranschluss des Gleichrichters Q1 verbundene

Die sättigbare Induktivität 23 weist einen Magnetkern aufο der eine sogenannte quadratische Hystereseschleife aufweiste Der mit diesem Merkmal gekennzeichnete Kern ist in der Zeichnung mit 25 "bezeichnet. Das Hysteresis·=- Verhalten des Magnetkernes ist in Figo 2 durch ausgezogene Linien dargestellt^

Der Thermistor TB.1 bildet einen Arm einer Widerstandsbrücke 31« Der zweite Arm der Widerstandsbrücke wird durch einen Widerstand R4 und die übrigen beiden Arme durch entsprechende feste Widerstände Ü5 und R6 und jeweils einen entsprechenden Anteil des Widerstandes eines Potentiometers R? gebildet. Die Widerstandsbrücke ist an die Anoden-Kathoden-Strecke des G-leichrichters Q1 über einen Stromkreis angeschlossen, der einen einen Spannungsabfall erzeugenden Widerstand R8 und eine Diode D2

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aufweist. Die Diode D2 ist so orientiert ₉ dass die Widerstandsbrücke Jl abwechselnd relativ zum Spannungsteiler 24 durch aufeinanderfolgende Halbwellen der über die Uetaleitungen LI und L2 augeführten Wechselspannung erregt wird..Die der Widerstandsbrücke aufgedrückte Spannung wird durch eine Zenerdiode Z1 geregelt_o.

Die sättigbare Induktivität 23 hat ferner eine Ruckstell-"wicklung 27, die auf dem Magnetkern 25 aufgewickelt ist* Die Rucks tel!wicklung 27 ist an die Widerstand abrücke, "rl angeschlossen,. um ihre Verstimmung äbsufühleii und auf diese anzusprechen«, Das eine Ende der Rückstellwicklung 27 ist über eine Diode D3 an den Verbindungspunkt zwischen dem Thermistor 3?H1 und dem Widerstand B.4 und das andere Ende an die verschiebbare Abnahme des Potentiometers S7 angeschlossen* Die in Reihe mit der..Rüclcstellwielulung 27 angeordnete Diode D3 entkuppelt im wesentlichen diese Wicklung gegenüber der Widerstandebrücke 31» v;erm die 'J'orwi-cklung 21 erregt ist_s derart_s dass die Einschaltspule durch die .Brückenelemente nicht belastet ist.,.

Die Wirkungsweise des Reglers ist nun wie folgt,, Während solcher WechaelstrOmhalbwellen_s die die Diode D1 Iu.

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Stromrichtung vorspannen, wird der Gleichrichter Q1 durch den durch die !orwicklungv21 fliessenden Strom nur dann eingeschaltet, wenn -der Magnetkern 25 in der entsprechenden magnetischen Richtung gesättigt wird* Bis dann die Sättigung eintritt, wirkt der Strom vom Spannungsteiler 24 zu der !Torelektrode der induktiven Spannung entgegen, die in der Torwicklung 21 durch den sich erhöhenden magnetischen fluss im Magnetkern 25 erzeugt vjirds Nachdem jedoch der Magnetkern gesättigt ist_ö hat die Torwicklung 21 eine geringe Impedanz, und ein Einaohaltstrom kann nun Jium lor des Gleichrichters Q1 ■fliensen« Die Erhöhung des Stromes tritt ziemlich plötz« lieh ein₉und der Einsohaltzeitpunkt ist relativ unabhängig ¥on der Charakteristik des Gleichrichters· Wenn angenommen wird, dass der Gleichrichter Q1 gerade eingeschaltet M

wurde, so ist der Magnetkern 25 in einem Zustand,, wie er bei "a" in fig.2 angedeutet iat. Am Ende der Einschalt« halbwelle hört der der Torwicklung 21 über den Spannungsteiler 24 2ugeführte Magnetisierungsstrom au£, so dass der Magnetkern nunmehr in den bei "b" bezeichneten Zustand aurilckkehrt, ί

Während άψ Halbwellen, während deroä* die Diode D2 in iiti'orarichtung vorgeapannt iat, wird der WiderstandsbrUcke

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31 eine geregelte Spannung aufgedrückt. In Abhängigkeit von der Temperatur des Thermistors TH1 und der Einstellung des Potentiometers E7 kann nun die Brücke abgestimmt oder nicht abgestimmt sein. Wenn die Brücke so verstimmt ist, dass der Verbindungspunkt zwischen dem Thermistor THT und dem Widerstand R4 in Bezug auf die veränderliche Abnahme am Potentiometer R7 positiv ist, so wird der Rückstellwicklung 27 eine Vorspannung aufgedrückt, so dass ein Strom fliesst, der die Tendenz hat, den Magnetkern in einer flussrichtung au magnetisieren, die der von der Torwicklung 21 erzeugten entgegengesetzt ist. Die durch die Rückstellwicklung 27 erzeugte Magnetisierung ist in ihrer Wirkung eine Vormagnetisierung des Magnetkernes* Es ergibt 3ich so, dass der Umfang dieser Vormagnetisierung eine Funktion des Widerstandes des Thermistors THl und damit eine Punktion der Temperatur der Zone 15 ist,,

Infolge der Anordnung des Thermistors THl in einer Brückenanordnung»bei der die vom Thermistor TH1 in Kombination mit dein Widerstand R4 erzeugten Spannungsänderungen in Bezug auf eine Spannüngshbhe erfühlt werden, die durch eine Einstellung des Potentiometers R7 und nicht in Bezug auf Erde abgefühlt werden, erzeugen verhültnismässig kleine Änderungen des Widerstandes des Thermistors

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verhältnismäßig grösse Änderungen in der Vormagnetisierung des Magnetkernes 25« Die absoluten Werte der· Teile der Widerstandsbrücke 3I werden in Bezug auf die aufgedrückte Spannung so gewählt, düss in dem au regelnden Temperaturbereich der Magnetkern 25 durch den Yormagnetisierungsfluss nicht¹gesättigt wird, sondern nur irgendeine Zwischenmagnetisierung, wie bei "c" in Fig«,2 angedeutet,, erfolgt«

Wenn dann die aufgedruckte Wechselspannung zu der Einscharthalhwelle zurückkehrt, während der die Diode DI in Flussrichtung vorgespannt ist, so erfolgt die Magnetisierung des Magnetkernes 25 ähnlich, wie dies durch die gestrichelte Linie hex "d" in Pig.2 dargestellt ist* Wie bereits erwähnt, wird der Gleichrichter Q1 erst eingeschaltet, wenn der Magnetkern 25 durch den in der Torwicklung 21 fliessenden Strom gesättigt ist,. d_eh. a^gt wenn sich der Kern dem bei "a" in Fig.2 angedeuteten Suatand nähert. Die Zeit_f die sum Erreichen der Sättigung für eine bestimmte, der Torwicklung 21 aufgedrückte Spannung erforderlich ist, hängt von der Vormagnetisierung des Magnetkernes 25 durch die Rückstellwicklung 27 ab_e Diese Verzögerung ist eine Funktion des Widerstandes des Thermistors THI, da dieser Widerstand derjenige Faktor ist,

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der im wesentlichen die Vormagnetisierung bestimmte Änderungen im Widerstand des Thermistors TH1 verändern daher den Einschaltwinkel des Gleichrichters Q1 und damit die Durchschnittsleistung, die der Heiavorrichtung 13 zugeführt wird * Da der Gleichrichter Q1 in der Art eines Schalters arbeitet, wird sehr wenig Wärme innerhalb ■ der Regelschaltung selbst erzeugt, Da sich die Sättigungscharakteristik der Induktivität 23 bei Änderungen der Umgebungstemperatur ändern kann, wird eine !Temperaturkompensation mit Hilfe des Thermistors TH2 geschaffene, der eine erhöhte Torwartsspannung für die Torwicklung 21 bei höheren Aussentemperaturen ergibt und so die entsprechenden Änderungen in der magnetischen Charakteristik des Magnetkernes 25 kompensierte

Der Thermistor TH1 hat einen negativen Temperaturkoeffizient ten_!; so dg?ae bei Abfühlen der Temperatur in der Zone 15 der;-Widerstand des Thermistors abnimmt» Eine Abnahme des Thermistorwiderstandes ergibt eine Zunahme dea Vormagnetisierungsstroms und damit auch eine Erhöhung der Verzögerungszeit, die verstreichen muss,, bevor die Einschaltung des Gleichrichters Q1 bei einer Einschaltwechselstrorahalb» welle erfolgt. Eine erhöhte Verzögerung erroäsaigt die Zeitdauer für den Strom in der Heilvorrichtung 13 während

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des übrigen Teils der Weehselstromhalbwelle, woduroh die Durchschnittsleistung der Heizvorrichtung 13 als ürgebnis einer Erhöhung der Thnrsiistortemperatur abnimmt ο Damit ergibt sich eine stabile negative Proportionalrttckkopplung, mit deren Hilfe die Temperatur in der Zone 15 auf einer vorbestimmten Höhe gehalten wirdo ä

Da der Brückenanschluss des Thermistors TH1 gewährleistet, dass kleine Änderungen in seinem Widerstand erhebliche Änderungen in der Vonnagnetisierung des Magnetkernes, wie oben erwähnt, erzeugen, besitzt die Rücfckopplungsschlei»» JFe eine hohe Verstärkung,, und es wird eine enge und genaue Regelung der Temperatur erreicht. Die betreffende Temperaturhöhe, die aufrecht erhalten werden soll, kann durch .Einstellen des Potentiometers Pi vorgewählt werden^ um so eine nominelle Energiezufuhr zu erhalten,, die ein

thermisches Equilibrium bei der gewünschten Temperatur ^j

ergibtο

Zwar ist im" Beispiel eine Heizvorrichtung zur Veränderung der Temperatur in der geregelten Zone verwendet, doch sei darauf hingewiesen, daes auch eine Kühlvorrichtung,, wie beispielsweise ein thermoelektidöQher Kühler_# verwendet werden jkann, um öle Tempöratur jlnherhalb einer geregel ten Zcftie duroh entöpr0ohende Energiezuführ zu regain,

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In ähnlicher Weise können auch Thermistoren mit positiven Temperaturkoeffizienten verwendet werden oder auch andere Halbleiterschaltvorrichtungen anstatt dea dargestellten gesteuerten Siliziumgleichrichtersο

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Claims (10)

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   Pat entansprtiehe

   1„ Semperaturregler sum Regeln der durch einen !Thermistor abgefühlten ÜJemperatur auf eine vorbestimmte Höhe in einer Zone₉ in .der ein sur Änderung der SComperatur dienender Wärme-. tausoher angeordnet ist, dessen Leistungsstifuhr über eine Halbloiterselialtvorriclitung siiasehaifbar ist, die susamraen mit dem Wärmetauscher an eine Weehs©!stromquelle anschließbar ist9 dadurch gekennzeichnet,, daß eine den Sherniistor (SE1) auf^eieende Widerstandstoüelce (31) vorgesehen ist₉ deren YerstiüMimg eine Funktion des Thermistors'(SH1) ist und deren Diagonale an die erste WicHung (27) einer swei Wicklungen (27, .21) und einen Kern (25) aufweisenden Induktivität zur Torimgnetiaierung des Kerns-(25) alis Punktion der Brüc'kenver« Stimmung in einer Richtung während der Kaltwellen der einen Polarität angeschlossen ist₅ und daß die zweite Wicklung (21) de» Kern (26) in entgegengesetsteie Richtung für eine veränderbare" Zeit -während der Hallawellen entgegengesetäster Polari- ((| tat in entgegengesetzter Richtung magnetisiert ₀" welche Wicklung (21) an "die HalDleiterschaltvorrioiitung (Q1) sura !Driggern

   derselben nach Sättigung des Kernes (25) angeschlossen ist» derart daß der Phasenwinkel beim üJriggern eine funktion dar vorherigen Magnetisierung des Kernes (25) durch die erste Wicklung (27) ist und die Zeitdauer der Stromftihrung der Halbleiterschaltvorrichtung (Q1) eine Punktion der temperatur in äev Zone (15) ißt.

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2. 2. !Temperaturregler nach Anspruch 1_B dadurch gekennzeichnet_P daß der thermistor (ΈΗ1) ©Inen Brüeteenarm bildet»
3. 5c !Temperaturregler nach Anspruch 1 ©der 2₉ dadurch gekemiseiöhnet j daß in der anderen Briiekenöiagonale eine JSenerdlode (Z1) angeordnet ist,
4. 4. Temperaturregler nach einem der Torhergehenden Ansprüche_s dadursh gekennzeichnet*, daß die erste Wiolcluag (27) an die .Widerstandsbrücke (31) über «ine Diode. (333) angeBOhlossea istr die die erste Wicklung (27) gegen die Halbv/ellen entgegengesetster Polarität abschirmt.
5. 5. ü?ei!iperaturregler nach einem des¹ vorhergehenden Anspruches dadurch gekennzeichnet* daß im Stromkreis der sweiten Wicklung (21) ein Spannungsteiler {24} angeordnet ist«, der auf die Halb!eiterschaltTorrichtung (Q1}· wirkt und ""die sv/eite Wicklung (21) v/ährend der Halbwollen eatgegexigesetster Polarität vorspannt <, _ ., - "
6. 6«. Semperaturregler Dach Anspruch 5_S dadurch gekennzeichnet_p daß der Spannungsteiler {24} einen■ iriG-Thermistor C^fJH2) sur Ter&nderung der an der isweiten. Wicklung (215 liegenden Torspanmiiig entspa.'ocihend ■ den Ändörmiger. öer Außentenperatiir aufweist.
7. 7. temperaturregler nach Anspruch 3 oder 6_f dadurch gekennseiDh—-= . net, daß der -S "feromkreis des Spannini^etellers (24'^; bsi/-, der zweiten Wicklung '(21) eine Diode (Dt) aufweist, die die

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   sv/eite Wicklung (21) während der Halbwellen der einen Polarität abtrennt.
8. 8. Temperaturregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltvorrichtung ein gesteuerter Siliaiumgleichricbter .-(QI-) ist.
9. 9» Temperaturregler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (24) an der Anoden-Kathodenstrecke des Siliziumgleichrichters (QiJt liegt.
10. 10. Temperaturregler nach Anspruch 8 oder 9_S dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (21) an die Torelektrode des Siliaiumgleiehrichters (QI) angeschlossen ist.

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    L e B r s e i t e