DE1673532B2 - Wechselstromgespeister Temperaturregler - Google Patents

Description

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann

durch eine einfache Maßnahme erreicht werden, daß der Temperaturregler nur bei nicht ausgelöstem HaIb-

DIe Erfindung bezieht sich auf einen wechsel- 60 leiterschalter wirksam ist, und zwar dadurch, daß die

stromgespeisten Temperaturregler für eine durch ein eine Brückendiagonale der Widerstandsbrücke und/

elektrisches Heiz- oder Kühlelement, das über einen oder der Spannungsteiler den Hauptelektroden des

Halbleiterschalter (steuerbaren Gleichrichter) an eine Halbleiterschalters parallel geschaltet sind.

Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, heiz- Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung

oder kühlbare Zone, mit einer wechselstromgespei- 65 kann die Genauigkeit und Stabilität des Temperatur-

sten Widerstandsbrücke, die in einem Brückenzweig reglers nach der Erfindung dadurch weiter erhöht

einen Thermistor als Temperaturfühler enthält, und werden, daß in der einen Brückendiagonale der

mit einer sättigbaren Drossel auf einem Hysterese- Widerstandsbrücke eine Zenerdiode angeordnet ist.

Einflüsse von Veränderungen der Umgebungstemperatur auf die sättigbare Drossel können nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch kompensiert werden, daß der Spannungsfeiler einen von der Umgebungstemperatur beeinflußbaren und die Vorspannung an seinem Abgriff verändernden zweiten Thermistor aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltschema eines Temperaturreglers gemäß der Erfindung, der die Erregung einer Heizvorrichtung steuert, um so die Temperatur in einer geregelten Zone auf einem vorbestimmten Wert zu halten,

Fig.2 eine graphische Darstellung des magnetischen Verhaltens eines sättigbaren Kernes der Induktivität, wie er im Regler gemäß F i g. 1 verwendet wird.

Der in F i g. 1 dargestellte Temperaturregler ist an eine Wechselstromquelle von beispielsweise 115 Volt und 60 Hz über ein Paar von Netzleitungen L1 und L 2 angeschlossen. Die Regelschaltung arbeitet nun so, daß die Energiezufuhr zu dem elektrischen Heizelement 13 geändert wird, um so die Temperatur innerhalb einer geregelten Zone 15 auf einer vorbestimmten Höhe zu halten. Wie weiter unten näher erklärt wird, spricht die Regelschaltung auf Änderungen im Widerstand des NTC-Thermistors THl an, der die Temperatur innerhalb der Zone 15 abfühlt.

Das Heizelement 13 ist an einen Halbwellengleichrichter angeschlossen, und zwar hier über die Anoden-Kathoden-Strecke eines gesteuerten Siliziumgleichrichters Q1.

Die der Heizvorrichtung 13 zugeführte Leistung wird durch die bekannte Phasenanschnittsteuerung mittels des Gleichrichters verändert. Der Einschaltstrom für den Gleichrichter Q 1 wird von der Wicklung 21 einer sättigbaren Induktivität 23 geliefert. Die Wicklung wird durch einen Spannungsteiler 24 vorgespannt, der die Anoden-Kathoden-Strecke des Gleichrichters Q1 überbrückt und der in Reihe einen ersten Widerstand R 1, eine Diode D 1, einen zweiten Widerstand R 2 und einen NTC-Thermistor TH 2 aufweist. Der Thermistor TH 2 ist der Außentemperatur in der Nähe der Regelschaltung ausgesetzt. Das eine Ende der Wicklung 21 ist an den Spannungsteiler zwischen der Diode D 1 und dem Widerstand R 2 und das andere Ende mit der Steuerelektrode des Gleichrichters Q1 verbunden.

Die sättigbare Induktivität 23 weist einen Magnetkern 25 auf, der eine in der F i g. 2 dargestellte Hystereseschleife aufweist.

Der Thermistor TH1 ist in einen Zweig einer Widerstandsbrücke 31 geschaltet, die aus Festwiderständen R 4, RS, R 6 und einem Sollwerteinstellpotentiometer R 7 besteht. Die Widerstandsbrücke ist parallel zu der Anoden-Kathoden-Strecke des Gleichrichters Q1 über einen Widerstand R 8 und eine Diode D 2 an die Wechselstromquelle Ll, L 2 angeschlossen. Die Speisespannung der Widerstandsbrücke wird durch eine Zenerdiode Z1 stabilisiert, die in die Diagonale der Brücke in Reihe zu dem Widerstand R 8 und der Diode D1 geschaltet ist. Die sättigbare Induktivität 23 hat ferner eine Rückstellwicklung 27, die auf dem Magnetkern 25 aufgewikkelt ist. Das eine Ende der Rückstellwicklung 27 ist über eine Diode D 3 an den Verbindungspunkt zwischen dem Thermistor TH1 und dem Widerstand R 4 und das andere Ende an den verschiebbaren Abgriff des Potentiometers R 7 sageschlossen. Die in Reihe mit der Rückstellwicklung 27 angeordnete Diode D 3 entkoppelt ide Rückstellwicklung gegenüber der Widerstandsbrücke 31 während der Erregungsphase der Wicklung 21.

Die Wirkungsweise des Reglers ist nun wie folgt. Während der Wechselstromhalbwellen, die die Diode D1 in Stromrichtung vorspannen, wird der Gleichrichter Q1 durch den durch die Wicklung 21 fließenden Strom nur dann gezündet, wenn der Magnetkern 25 in der entsprechenden Richtung magnetisch gesättigt ist. Bis die Sättigung eintritt, wirkt der Strom vom Spannungsteiler 24 zu der Steuerelektrode der induktiven Spannung entgegen, die in der Wicklung 21 durch den sich erhöhenden magnetischen Fluß im Magnetkern 25 erzeugt wird. Nachdem jedoch der Magnetkern gesättigt ist, hat die Wicklung 21 eine geringe Impedanz, und ein Zündstrom kann nun zur Steuerelektrode des Gleichrichters Q 1 fließen. Die Erhöhung des Stromes tritt ziemlich plötzlich ein und der Zündzeitpunkt ist relativ unabhängig von der Charakteristik des Gleichrichters. Im Zündzeitpunkt des Gleichrichters Q1 ist der Magnetkern 25 in einem Magnetisierungszustand entsprechend dem Punkt α in F i g. 2. Am Ende der Einschalthalbwelle hört der der Wicklung 21 über den Spannungsteiler

24 zugeführte Magnetisierungsstrom auf, so daß der Magnetkern nunmehr in den bei b bezeichneten Zustand zurückkehrt.

Während der Halbwellen, in denen die Diode D 2 in Stromrichtung vorgespannt ist, liegt an der Widerstandsbrücke 31 eine stabilisierte Spannung.

In Abhängigkeit von der Temperatur des Thermistors TH 1 und der Einstellung des Potentiometers R 7 kann nun die Brücke abgestimmt oder nicht abgestimmt sein. Wenn die Brücke so verstimmt ist, daß das Potential an dem Verbindungspunkt zwischen dem Thermistor TH1 und dem Widerstand A4 in bezug auf das an dem verstellbaren Abgriff des Potentiometers R 7 positiv ist, so fließt durch die Rückstellwicklung 27 ein Strom, der den Magnetkern

25 in einer Flußrichtung magnetisiert, die der von der Wicklung 21 erzeugten Magnetisierung entgegengesetzt ist. Die durch die Rückstellwicklung 27 erzeugte Magnetisierung ist in ihrer Wirkung eine Vormagnetisierung des Magnetkernes. Diese Vormagnetisierung ist eine Funktion des Widerstandes des Thermistors TH 1 und damit abhängig von der Temperatur der Zone 15.

In der beschriebenen Schaltung erzeugen verhältnismäßig kleine Regelabweichungen verhältnismäßig große Änderungen in der Vormagnetisierung des Magnetkernes 25. Die Widerstandsbrücke 31 ist so bemessen, daß in dem zu regelnden Temperaturbereich der Magnetkern 25 durch den Vormagnetisierungsfluß nicht gesättigt wird, sondern nur irgendeine Zwischenmagnetisierung, wie bei »c« in Fig.2 angedeutet, erfolgt.

Wenn die aufgedrückte Wechselspannung zu der Einschalthalbwelle zurückkehrt, während der die Diode D 1 in Flußrichtung vorgespannt ist, so erfolgt die Magnetisierung des Magnetkernes 25 ähnlich, wie dies durch die gestrichelte Linie bei »d« in F i g. 2 dargestellt ist. Wie bereits erwähnt, wird der Gleichrichter Q 1 erst eingeschaltet, wenn der Ma-

gnetkern 25 durch den in der Wicklung 21 fließenden Strom gesättigt ist, d. h. erst wenn sich der Kern dem bei »α« in F i g. 2 angedeuteten Zustand nähert. Die Zeit, die zum Erreichen der Sättigung für eine bestimmte, der Wicklung 21 aufgedrückte Spannung erforderlich ist, hängt von der Vormagnetisierung des Magnetkernes 25 durch die Rückstellwicklung 27 ab. Diese Verzögerung ist eine Funktion des Widerstandes des Thermistors THl. Änderungen im Widerstand des Thermistors TH1 verändern daher den Einschaltwinkel des Gleichrichters Q1 und damit die effektive Leistung, die dem Heizelement 13 zugeführt wird. Da der Gleichrichter Q1 in der Art eines Schalters arbeitet, wird sehr wenig Wärme innerhalb der Regelschaltung selbst erzeugt. Wegen der Abhängigkeit der Sättigungscharakteristik der Induktivität 23 von der Umgebungstemperatur wird eine Temperaturkompensation mit Hilfe des Thermistors THl geschaffen, der eine erhöhte Vorspannung für die Wicklung 21 bei höheren Außentemperaturen ergibt und so die entsprechenden Änderungen in der magnetischen Charakteristik des Magnetkernes 25 kompensiert.

Der Thermistor TH1 hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, so daß der Widerstand des Thermistors mit steigender Temperatur in der Zone 15 abnimmt. Eine Abnahme des Thermistorwiderstandes ergibt eine Zunahme des Vormagnetisierungsstromes und damit auch eine Erhöhung der Verzögerungszeit, die verstreichen muß, bevor die Zündung des Gleichrichters Ql bei einer Einschaltwechselstromhalbwelle erfolgt. Eine erhöhte Verzögerung verringert die Zeitdauer für den Strom in der Heizvorrichtung 13 während des übrigen Teils der Wechselstromhalbwelle, wodurch die effektive Leistung des Heizelements 13 mit Erhöhung der Thermistortemperatur abnimmt.

Zwar ist im Beispiel eine Heizvorrichtung zur Veränderung der Temperatur in der temperaturgeregelten Zone verwendet. Es kann jedoch auch eine Kühlvorrichtung, wie beispielsweise ein thermoelektrischer Kühler, verwendet werden, um die Temperatur innerhalb der Zone durch entsprechende Energiezufuhr unterhalb der Umgebungstemperatur konstant zu halten.

Selbstverständlich können als Temperaturfühler auch Thermistoren mit positiven Temperaturkoeffizienten verwendet werden und andere Halbleiterschaltvorrichtungen anstatt des dargestellten gesteuerten Siliziumgleichrichters.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

kern, die über eine erste Wicklung während einer Patentansprüche: Halbwelle der Speisewechselspannuug in Abhängigkeit von der Brückenverstimmung (Regelabwei-

1. Wechselstromgespeister Temperaturregler chung) vonnagnetisierbar und über eine zweite Wickfür eine durch ein elektrisches Heiz- oder Kühl- 5 lung während der anderen Halbwelle der Speiseelement, das über einen Halbleiterschalter (steu- wechselspannung in einer von der Vormagnetisierung erbaren Gleichrichter) an eine Wechselspan- abhängigen Zeitspanne in entgegengesetzter Richtung nungsquelle angeschlossen ist, heiz- oder kühl- magnetisierbar ist, und bei dem der über die sättigbare Zone, mit einer wechselstromgespeisten bare Drossel gesteuerte Halbleiterschalter jeweils erst Widerstandsbrücke, die in einem Brückenzweig io dann stromleitend wird, wenn die Drossel in entgeeinen Thermistor als Temperaturfühler enthält, gengesetzter Richtung gesättigt ist, derart, daß der und mit einer sättigbaren Drossel auf einem Hy- Stromflußwinkel des Halbleiterschalters eine Funksteresekern, die über eine erste Wicklung wäh- tion der zur Regelabweichung proportionalen Vorrend einer Haibvvelle der Speisevechselspannung magnetisierung der Drossel ist.

in Abhängigkeit von der Brückenverstimmung 15 Ein derartiger Temperaturregler ist aus der USA.-

(Regelabweichung) vonnagnetisierbar und über Patentschrift 3 134006 bekannt. Die dort gezeigte

eine zweite Wicklung während der anderen Halb- Anordnung verwendet neben einem Verstärker für

welle der Speisewechselspannung in einer von der die Ausgangsspannung der Widerstandsbrücke einen

Vormagnetisierung abhängigen Zeitspanne in gesonderten Demodulator zur zeitgerechten Vorma-

entgegengesetzter Richtung magnetisierbar ist, 20 gnetisierung der Drossel, eine komplizierte Drossel

und bei dem der über die sättigbare Drossel ge- mit zwei weiteren Wicklungen sowie eine Anzahl von

steuerte Halbleiterschalter jeweils erst dann weiteren Halbleiterschaltern zum Steuern der aufein-

stromleitend wird, wenn die Drossel in der entge- anderfolgenden Magnetisierungen der Drossel. Diese

gengesetzten Richtung gesättigt ist, derart, daß Anordnung ist somit sehr verwickelt aufgebaut und

der Stromflußwinkel des Halbleiterschalters eine 25 damit teuer uiid störanfällig.

Funktion der zur Regelabweichung proportiona- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, len Vormagnetisierung der Drossel ist, da- einen einfachen und damit betriebssicheren wechseldurch gekennzeichnet, daß eine Brük- stromgespeisten Temperaturregler der eingangs gekendiagonale der Widerstandsbrücke (31) über nannten Art zu schaffen, der ohne gesonderte Steuereine Diode (D 2) und ein Spannungsteiler (24) 30 vorrichtungen für die einzelnen Magnetisierungsvorüber eine entgegengesetzt gepolie Diode an die gänge bei der sättigbaren Drossel auskommt und Wechselspannungsquelle (L 1, L 2) angeschlossen dennoch sehr empfindlich ist und mit hoher Genauigsind, daß die erste Wicklung (27) der Drossel keit zu arbeiten vermag.

(23) unmittelbar über eine Diode (D 3) in die an- Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß dere Brückendiagonale der Widerstandsbrücke 35 eine Brückendiagonale der Widerstandsbrücke über (31) eingeschaltet ist und daß die zweite Wick- eine Diode und ein Spannungsteiler über eine entgelung (21) der Drossel (23) einerseits mit dem Ab- gengesetzt gepolte Diode an die Wechselspannungsgriff des Spannungsteilers (24) und andererseits quelle angeschlossen ist, daß die erste Wicklung mit einer Steuerelektrode des Halbleiterschallers der Drossel unmittelbar über eine Diode in die an- (Q V) verbunden ist. 40 dere Brückendiagonale der Widerstandsbrücke einge-

2. Temperaturregler nach Anspruch 1, dadurch schaltet ist und daß die zweite Wicklung der Drossel gekennzeichnet, daß die eine Brückendiagonale einerseits mit dem Abgriff des Spannungsteilers und der Widerstandsbrücke (31) und/oder der Span- andererseits mit einer Steuerelektrode des Halbleiternungsteiler (24) den Hauptelektroden des Halb- schalters verbunden ist.

leiterschalters (21) parallel geschaltet sind. 45 Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Steue-

3. Temperaturregler nach Anspruch 1 oder 2, rung der Drossel in überaus einfacher Weise ohne dadurch gekennzeichnet, daß in der einen Brük- weitere Schalter lediglich durch die Wechselspankendiagonale der Widerstandsbrücke (31) eine nungsquelle selbst erfolgt. Sie ermöglicht in einem Zenerdiode (Z 1) angeordnet ist. weiten Bereich eine Proportionalregelung, was bei

4. Temperaturregler nach einem der An- 50 der Anordnung nach der genannten USA.-Patentsprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der schrift nur durch aufwendige Dimensionierung zu erSpannungsteiler (24) einen von der Umgebungs- reichen ist. Der Temperaturregler nach der Erfintemperatur beeinflußbaren und die Vorspannung dung spricht sehr rasch an und ist bei verschiedenan seinem Abgriff verändernden zweiten Thermi- sten Umweltsbedingungen stabil. Er verbraucht westor (TH 2) aufweist. 55 nig Energie und kann sehr kompakt aufgebaut werden.