DE1901650A1 - Elektronischer Thermostat - Google Patents

Description

Ebauches S.A. Neuenburg (Schweiz).

Elektronischer Thermostat.

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Thermostaten, der einen Messkreis mit einem wärmeempfindlichen Element und einem Heizelement enthält,.das vom Messkreis gesteuert wird.

In bekannten elektronischen Thermostaten werden übliche wärmeempfindliche Elemente entweder in Spannungsteilern oder in Brückenkreisen verwendet,, wobei das Ausgangssignal des Spannungsteilers oder der Brücke zur Steuerung des Heizelementes verstärkt wird. In manchen Fällen wird das Ausgangssignal der Brücke oder des Spannungsteilers verwendet zur Steuerung eines Triggers, wobei das Heizelement verbunden ist mit dem Trigger-

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ausgang. Der Trigger kann bestehen aus einem Thyristor oder einem steuerbaren Gleichrichter.

Alle diese elektronischen Thermostaten sind relativ korn-

pliziert und teuer oder sie haben kleine Empfindlichkeiten

oder hohe Hysteresen.

Die vorliegende Erfindung schlägt einen elektronischen Thermostaten vor, welcher einfach in seiner Herstellung und leistungsfähiger ist als die eingangs erwähnten Kreise. Der P Thermostat entsprechend dieser Erfindung enthält einen Messkreis, ein värmeempfindliches steuerbares Halbleiterelement, welches eine negative ¥iderstandcharakteristik aufweist, und ein Heizelement, welches durch den Messkreis geregelt'wird, wobei das wärmeempfindliche Element in einen Kreis mit pulsierendem Signal geschaltet ist. Vorzugsweise wird ein gesteuerter Gleichrichter oder Thyristor als wärmeempfindliches Element verwendet, jedoch können auch Transistoren oder andere Halbleiterelement verwendet werden.

k ¥eitere Merkmale der erfindungsgemässen Einrichtung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung beispielsweiser Ausführungsformen anhand der Zeichnung. In dieser zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform eines Schaltkreises

Fig. 2 ein Schema zur Erklärung der Funktionsweise der ersten Ausführungsform

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform

Fig. 4 ein Schema zur Erklärung der Wirkungsweise der zweiten Ausführungsvariante.

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■ Der Thermostat des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 weist einen steuerbaren Gleichrichter oder Thyristor 1 auf, der gespeist wird von einer Gleichspannungsquelle über einen Widerstand 2, velcher im Anodenkreis des Gleichrichters liegt. Die Steuerelektrode des Gleichrichters 1 erhält ein kleines, positives, konstantes Potential gegenüber ihrer Kathode durch einen Kreis, welcher eine Zener-Diode 3 zur Stabilisierung, ein Potentiometer 4 zur Regelung der Vorspannungen und einen Kondensator 5, geschaltet zwischen der regelbaren Elektrode oder dem Gitter und der Kathode des Gleichrichters enthält. Ein Kondensator 6 ist zwischen Anode und Kathode des Gleichrichters 1 geschaltet. Die Anode des Gleichrichters 1 liegt am Eingang eines Leistungsverstärkers 7· Ein wärmeabhängiger Widerstand 8 ist an den Ausgang des Verstärkers 7 geschaltet.

Im Ruhezustand wird die gesteuerte Elektrode des Gleichrichters 1 auf einem kleinen positiven Potential gehalten, so dass ein Strom durch den Gleichrichter fliesst, wenn das Anodenpotential die Zündspannung für den Gleichrichter erreicht. Nach Zündung des Gleichrichters fällt sein Widerstand auf einen praktisch unbedeutenden Wert, sodass das Anodenpotential des Gleichrichters praktisch den Wert 0 annimmt. In diesem Zeitpunkt sperrt der Gleichrichter, weil der Anodenstrom nicht mehr zur Aufrechterhaltung eines Stromes durch den'Gleichrichter ausreicht. Der Kondensator 6, welcher durch den Stromfluss über den Gleichrichter 1 entladen wurde, wird nun wieder geladen über den Widerstand 2, bis das Anodenpotential des

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' Gleichrichters 1 erneut einen ¥ert erreicht, welcher zur Zündung des Gleichrichters 1 ausreicht. Also bilden der Gleichrichter 1, der ¥iderstand 2 und der Kondensator 6 eine Re-. laxationsschaltung, welche eine Schwingung mit gegebener Amplitude ausführt. Da das Zündpotential des Gleichrichters 1 • für einen rorgegebenen Vert der Vorspannung am Gitter von der Tpmperatur abhängig ist, wechselt die Amplitude der besagten Schwingung mit der Temperatur. Zwei Schwingungen verschiedener Amplitude sind gezeigt für Temperaturen Tl und T2, wobei Tl ^ kleiner ist als T2. Da der Zündpunkt des Gleichrichters für tiefe Temperaturen höher liegt, wird für die tiefere Temperatur eine Schwingung grösserer Amplitude auftreten und entsprechend wird am Ausgang des Verstärkers 7 eine grössere Heizleistung erhalten. Befinden sich der Viderstand 8 und der Gleichrichter 1 in einem gemeinsamen Raum, wird die Temperatur in diesem Raum auf einem genauen Vert gehalten. Mit einem Versuchskreis, der mit einer Frequenz in der Grö'ssenordnung von 100 Hz schwang, wurde eine Temperaturdifferenz von l/lO C gemessen, für Aussentemperaturen von -20 bis +75° C.

™ . Die Temperatur des Thermostaten kann eingestellt werden durch das Potentiometer 4, weil die Anodenspannung, mit welcher der Gleichrichter gezündet wird, bei einer gegebenen Temperatur abhängt von der Vorspannung und dem Ruhestrom in der Gitterkathodenstrecke des Gleichrichters. Für eine richtige Funktion des Kreises soll der Anodenstrom des Gleichrichters unter den Ausschaltwert fallen. Das Potentiometer 2 erlaubt eine Ein-

stellung dieser Bedingung.

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Die Elemente des Kreises gemäss Fig. 1 können folgende Dimensionen aufweisen:

Arbeitsspannung 12 V

Widerstand Rl 1,5 KOhm

Widerstand R2 . 680 Ohm

Widerstand 2 100 Ohm

Widerstand 4 100 Ohm

Widerstand R3 10 Ohm

Diode 3 ZP 6,2/ZF 9,1

Kondensatoren 5 und 6 - l^uS

Gleichrichter 1 TIC 45

Der Kreis der Fig. 1 kann unter Ein- Aus-Bedingungen arbeiten, venn der Kondensator 6 weggelassen wird, wobei in diesem Fall die Leistungsaufnahme des Verstärkers reduziert werden kann. Wenn unter diesen Umständen der Gleichrichter an die Gleichspannungsquelle geschaltet wird, zündet er bei einer vorgegebenen Temperatur über einer zweiten Temperatur, bei welcher er wieder löscht. Die Durchschnittstemperatur im Raum mit dem Widerstand 8 und dem Gleichrichter 1 hängt ab vom Strom in der Steuerelektrode und zu einem kleineren Teil vom Anodenstrom. Die Hysteresis, d.i. die Differenz zwischen der Einschalt-Zündtemperatur und Ausschalttemperatur hängt grundsätzlich vom Anodenatrom und zu einem kleineren Teil vom Strom durch die Steuerelektrode ab. In diesem Fall arbeitet der Kreis in Ein-Aus-Bedingung wie es für Thermostaten üblich ist, wobei die Umsehaltfrequenz durch die thermischen Werte gegeben ist. Ein

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Gleichstromverstärker kann zur Speisung des Heizwiderstandes 8 ,verwendet werden. Die Hysteresis dieses Kreises kann um einen Paktor in der Grb'ssenordnung Ton 40 reduziert werden, durch die Yirkung des Kondensators zwischen der Steuerelektrode und der Ka thode. Diese Reduktion und die entsprechende'Reduktion der TemperaturSchwankungen im Raum sind einer Relaxationsschwingung zuzuschreiben, die am Gitter auftritt, sobald der Gleichrichter zündet. Durch diese Relaxationsschwingung wird die Spannung an der steuerbaren Elektrode periodisch reduziert, wodurch fe:.$< das Ausschalten des Gleichrichters unterstützt wird.

Solange die untere Spannungsspitze am Gitter die Lb'schspannung nicht erreicht, wird der Anodenstrom nicht beeinflusst durch die Relaxationsschwingung und somit ist der Gleichrichter ständig in leitendem Znstand. Mit anderen Yorten, die Ein- und Ausschaltung wird nicht beeinflusst durch die Relaxationsschwingung, aber die Hysteresis wird wesentlich herabgesetzt.

Bei geeigneter Yahl der Elemente und Arbeitsbedingungen im obengenannten Kreis, in welchem der Kondensator 6 fehlt, wird fc die Hysteresis praktisch reduziert von 4 auf φ. C. Dieser Yert ist ein Fünftel des Yertes, der erreicht werden kann mit einem Bimetallgerät. Daher hat dieser Kreis eine ebenso kleine Leistungsaufnahme wie ein Ein- Ausschaltsystem und eine sehr kleine Hysteresis annähernd wie ein Proportional-Thermostat.

Anstelle einer Gleichstromspannung ist auch eine Yechsel— 'Stromspannung möglich. Das Schaltbild eines einfachen Thermostaten für ¥echselstrom ist in Fig. 3 gezeigt. Der Kreis wird

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von einer Wechselspannungsq.uelle 9 gespeist. Die Vorspannung an der· Steuerelektrode des Gleichrichters 1 stammt aus einer Gleichspannungsq.uelle 10 und kann durch ein Potentiometer 11 geregelt werdeni Ein Lastwiderstand 12 ist in den Anodenkreis des Gleichrichters 1 geschaltet.

_.' 'Vie im Zusammenhang mit der Fig. 1 erklärt, wird der Gleichrichter bei einer Anodenspannung gezündet, die von der Temperatur des Gleichrichters abhängt. Dies bewirkt eine Spannung an der Anode des Gleichrichters 1 wie in Pig. 4 gezeigt. Es fliesst kein Strom bei negativer Spannung. Vährend der positiven Halbwelle der Betriebsspannung bleibt der Gleichrichter zuerst nichtleitend und die Anodenspannung nimmt zu in Hebereinstimmung mit der Spannung der Quelle 9. Bei einer vorgegebenen Anodenspannung, die von der Temperatur abhängt, wird der Gleichrichter leitend und die Anodenspannung fällt auf einen, unbedeutenden Ve.rt, der gerade ausreicht zur Aufrechterhaltung der Leitung des Gleichrichters. Der Anodenstrom fällt dann auf 0, wenn die Arbeitsspannung den O-Punkt zu negativen Verten passiert. Die Spannungsimpulse die an der Anode des Gleichrichters 1 erscheinen, werden durch den Verstärker 7 verstärkt, so dass der Heizwiderstand 8 für niedrige Temperaturen mehr Leistung aufnimmt als für hohe Temperaturen. Damit ist eine sehr gute Temperaturregelung praktisch ohne Hysteresis möglich.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   1. Elektronischer Thermostat mit einem Messkreis, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem ein wärmeempfindliches steuerbares Halbleiterelement mit einer negativen Temperaturcharakteristik, sowie ein Heizelement liegt, das steuerbar ist von diesem Messkreis und wobei das wärmeempfindliche Element in einen Kreis mit pulsierendem Signal geschaltet ist.

   2. Thermostat nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich- ψ net, dass das wärmeempfindliche Element ein steuerbarer Gleichrichter ist.

   3. Thermostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ' dass ein Vorspannungskreis vorhanden ist für die Steuerelektrode des Gleichrichters zur Versorgung desselben mit konstantem Potential.

   4. Thermostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode des steuerbaren Gleichrichters verbunden ist mit einem Ladewiderstand und mit dem Eingang eines Steuerkreises

   fc für das Heizelement.

   5. Thermostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator zwischen der Anode und der Kathode des steuerbaren Gleichrichters eingeschaltet ist.

   6. Thermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Halbleiter mit einer Vechselstromquelle ver-

   bunden ist»

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   • 7· Thermostat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Viderstand zwischen der Anode des Gleichrichters und der Veehselstromquelle geschaltet und der Eingang des Steuerkreises für das Heizelement mit der Anode des Gleichrichters verbunden ist.

   8. Thermostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des steuerbaren Gleichrichters liegt.

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