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Synchrone Einschaltanordnung für ein elektrisches Heizsystem Die
Erfindung betrifft eine Regelschaltung zum Einschalten des zu einem Verbraucher
fliessenden Stroms und insbesondere eine Regelschaltung, die das Anlegen von Wechselstrom
an einen Raumheizkörper in Abhängigkeit von einem wärmeempSindlichen Bauelement
regelt. Das wärmeempfindliche Bauelement steht seibst unter dem Einfluss von verschiedenen
Einrichrungen, so dass es für den richtigen-3etrieb voreingestellt und anschliessend
nach Wunsch für den beabsichtigten Tag -betrieb oder einen anderen beabsichtigten
Nachtbetrieb eingestellt werden kann.
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Der erfindungsgemässen Anordnung ähnliche Anordnungen sind bereits
in den USA-Patentschriften 2 994 759 , 3 149 224, 3 161 759 und 3 275 802 beschrieben.
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Gemäss der Erfindung soll eine Anordnung geschaffen werden, bei der
ein Verbraucher mit Wechselstrom gespeist wird und der Strom im wesentlichen nur
im Nulldurchgang der Wechselspannungsschwingung angelegt wind.
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Ausserdem wird gemäss der Erfindung ein Heizsystem geschaffen,bei
dememeinziges wärmeempfindliches Bauelement unter dem Einfluss einer Vielzahl von
dafür vorgeeehenen Steuervorrichtungen steht, so dass das Bauelement an verschiedenen
Tage3eiten verschieden reagiert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Daiin zeigen: Fig.l eine schematische Darstellung eines elektrischen Heizsystems
mit synchroner Einschaltanordnung, Fig.2 ein Schaltbild einer abgeänderten Form
eines Netzgerätes für das Heizelement, Fig.3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform
des Netzgeräte für das Heizelement und Fig.4 ein Schaltbild einer zusätzlichen Ausführungsform
des Netzgeräts für das Heizelement.
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Mit den Klemmen 10, 12 und 14 von Eg.1 können die Leiter eines Dreileiter-echszlstromnetzes
von 60 Hz verbunden werden, wobei zwischen den Klemmen 10 und 14 240 Volt und zwischen
den Klemmen 12 und 14 120 Volt liegen. Der mit der Klemme 12 verbundene Liter kann
der Nulleiter eines solchen Dretleiter-Netzes sein, der als mit Masse verbunden
betrachtet werden soll.
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Eine Niederspannungsquellemit 15 Volt Gleichspannung, die sich für
die von ihr zu speisenden verschiedenen elektronischen Bauelemente eignet, kann
in der in Fig.1 dargestellten Ausführungsiorm der Erfindung von einem auf niedrige
Spannungen transformierenden Transformator T1
und den zwei Dioden
D1 und D2 versorgt werden, die eine ungesiebte, in Vollweggleichrichtung erzeugte
Spannung an einen Leiter 18 und einen Zweigleiter 20 abgeben. In dem Zweigleiter
ist eine Diode D3 eingeschaltet, die einen Leiter 22 Strom zuführt, der mit Hilfe
des Kondensators 1 und des Widerstandes R1 gesiebt wird, wobei die Spannung mit
Hilfe der Zenerdiode D4 geregelt wird. Die Diode D3 soll den gesiebten Gleichstrom
daran hindern, in den Leiter iß zurückzufliessen, da es erwünscht ist, in diesem
Leiter die puisierende Kennlinie des 120 Hz-Strows aufrecht zu erhalten, der mit
Hilfe des Transformators 21 und der Dioden D1 und D2 dort erzeugt worden ist.
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Der gleichgerichtete und gesiebte Strom mit niedrigem Spannungswert
im Leiter 22 wird einem Spannungsteiler aus einem Widerstand R2 zugeführt, der in
einem Zweig einer Widerstandserienschaltung liegt. Im anderen Zweig dieser Serienschaltung
sind ein Schalter Sw1 , zwei zueinander parallele Potentiometer P1 und P2 sowie
ein Potentiometer P3 in Serie geschaltet. Der Schalter Sw1 kann abhängig davon,
ob Tag- oderNachttemperaturtn gefühlt werden sollen,in ane oder in eine andere Stellung
umgeschaltet werden, wie noch erläutert wird. Wenn es erwünscht ist, kann der Schalter
aber auch von einer Uhr betrieben werden. Das Potentiometer P1 kann von Hand auf
den Tagestemperaturwert eingestellt werden, an dem das Heizelement eingeschaltet
wrden soll, und das Potentiometer P2 kann von Hand auf den Nachteinstellwert der
Anordnung eingestellt werden. Auf diese Weise liegen die der Bedienungsperson, die
die Regelorgane einstellt, zugänglichen Teile auf einem niedrigen Spannungswert,
so dass die Möglichkeit eines elektrischen Schige vermieden wird.
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Das zur Anfangseinstellung der Regelanordnung verwendete Potentiometer
P3 soll normalerweise der Bedienungsperson sicht zugänglich sein. Abhängig von der
Spannung am Verbindungspunkt 24 zwischen den Zweigen der Spannungsteilerschaltung
fliesst mehr oder weniger Strom über ein wärmeempfindliches'Bauelement 26, das ein
Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten sein kann, zur 3asis eines NPN-Transistors
Q , wodurch der Strom von dem auf 15 Volt liegenden-Leiter 22 über den Widerstand
R3, den bansistor Q1 und denstabilisierenden Gegenkopplungswiderstand R4 zu dem
auf Masse liegenden Leiter 12 verändert wird. Mit einem Potentiometer P4, das zum
Transistor und zum Widerstand R4 parallelgeschaltet ist, kann ein gewünschter Teil
der am Kollektor des Transistors Q1 liegenden Spannung an die Basis des Transistors
Q2 gelegt werden. Das Potentiornter P4 ist ebensowie das Potentiometer P3 für eine
Anfangseinetellung der Anlage vorgesehen, damit die richtige Charakteristik des
Heizsystems erzielt wird. Beim Transistor Q2 fliesst der Strom durch seinen Kollektor
und seinen Emittexüber Widerstände R5 und R6, und das Potential am Kollektor des
Transistors Q2 wird an die Basis des PNP-Transistors Q3 gelegt. Zwischen dem auf
+15 Volt liegenden Leiter 22 und dem Emitter des Transistors Q3 liegt ein Strombegrenzungswiderstand
R7. Der Kollektor des Transistors Q3 ist mit dem Emitter eines Unijunction-Traflsistors
UJTI über einen Leiter 28 verbunden, an den ein aus dem Widerstand R8 und dem Kondensator
C2 bestehendes RC-Glied angeschlossen ist, das zusammen mit demViderstand R7 und
dem Transistor Q3 die Schwingungsze it des Unijunction-Transistors UJTI bestimmt.
Als kurze Wiederholung sei erwähnt, dass der Widerstand des Thermistors 26 bei einem
Absinken der Umgebungstemperatur ansteigt, wodurch
die Spannung
am Kollektor des Transistors Ql erhöht wird. Diese Spannungsvergrösserung versucht
die Spannung am Kollektor des Transistors Q2 zu erniedrigen. Wenn die Kollektorspannung
des Transistors Q2 absinkt, fliesst mehr Strom durch den Transistor Q3 zum Emitter
des Unijunction-Transistors UJTI und zum zeitbestimmenden Kondensator C2. Wie bekannt
ist, hat ein Unijunction-Transistor von sich aus Schwingungseigonschaften, und er
wirkt wegen der zunehmenden, in Durchlassrichtung wirkenden Vorspannung des Emitters
und der Verursachung der Widerstandsverringerung zwischen der Basis und dem Emitter
auf einen medrigen Wert als Kippschwingungsgenerator. Die Schwingungsfrequenz hängt
von der Geschwindigkeit der Ladungsaufbringung auf den Kondensator C2 ab . Die Basis
1 des Unijunction-Transistors UJTI ist über einen Begrenzungswiderstand R9 mit dem
Leiter 22 verbunden, während die Basis 2 über einen Widerstand R10 mit Masse verbunden
ist, so dass an der Basis 2 des Unijunction-TransistoLs UJTI eine Spannung erzeugt
wird.
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Die Spannung an dieser Basis 2 wird über einen Widerstand R11, von
dem aus ein Speicherkondensator C3 nach Masse führt, zur Steuerelektrode eines stauerbaren
Siliziumkristallgleichrichters iGR1 gelegt, der eìnen Teil einer Impulespeicheranordnung
bildet, zu der man auch noch folgende Teile hinzurechnen kann: Einen in Serie zur
Anode des Gleichrichters geschalteten Widerstand R12, einen zum Gleichrichber und
zum Widerstand R12 parallel geschalteten Speicherkondensator G4 und eine Serienschaltung
aus der Diode D5 und dem ,riderstand R13, die zwischen den mit dem ungesiebten 120
Hz-Strom gespeisten Leiter 18 und dem Verbindungspunkt 30 des Kondensators C4 mit
dem Widerstand R12 eingeschaltet ist.
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Die Itnpuisspeicheranordnung arbeitet folgendermassen:Die pos-i tienImpulæ
an der Basis 2 des Oszillatortransistors werden über den vom Kondensator C3 mit
Masse verbundenen Siebwiderstand R11 an die Steuerelektrode des steuerbaren Kristallgleichrichters
SCR1 gelegt. Wenn ein Schwingungs impuls den steuerbaren Kristallgleichrichter SCR1
in dem leitenden Zustand hált , entlädt sich der Kondensator C4 schnell, unQdie
Spannung am Verbindungspunkt 30 sinkt rasch bis nahe dem Wert Null ab, da die Katode
des Kristallgleichrichters SCR1 auf Massepotential liegt. Die Spannung am Verbindungspunkt
30 bleibt dabei bis zu dem Zeitpunkt des nähsten Nulldurchgangs des über die Diode
D5 und den Widerstand R13 zugeführten netzsynchronen Signals auf dem Wert Null,
wobei zu dem Zeitpunkt der RC-Schaltung aus dem Kondensator 04, , dem Widerstand
R12 und dem Kristallgleichrichter SCR1 kein weiterer Strom zugeführt wird, so dass
durch den Kristailgleichrichter SCR1 ein Strom fliesst, der nicht ausreicht, ihn
leitendp halten, wodurch er gesperrt wird. Nun steigt die Spannung in der Schaltung
und am Verbindungspunkt 30 an. Diese Spannung wird in diesem Zeitpunkt dazu verwendet,
einen Teil einer NAND-Schaltung zu betätiggen Die NAND-Schaltung enthält zwei lEPN-Transistoren
Q4 und Q5, deren Emitter- und Kollektoranschlüsse jeweils miteinander verbunden
sind. Die Emitteranschlüsse liegen auf Masse, und die Kollektoranschlüsse werden
über einen zur Strombegrenzung und zur Erzeugung eines Spannungsabfalls bestimmten
Widerstand 214 mit einer Gleichspannung von +15 Volt gespeist. Der Basis des Transistors
Q4 wird über einen Widerstand R15 die Spannung am Verbindungspunkt 30 zugeführt
während die Basis des Transistors Q5 über den Leiter 18 und den
Widerstand
R16 mit dem ungesiebten 120 Xz-Strom gespeist wird. Ein Nebenschlusswiderstand R17
bildet zusammenmit dem Widerstand R16 einen Spannungsteiler, der die richtige Normalvorspannung
an der Basis des Transistors Q5 sicherstellt.
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Die NAND-Schaltung dient dazu, einen zweiten steuerbaren Slliziumkrlstallgleichrichter
SCR2 nur dann auszulösen, wenn die denEasisanschlüssen der Transistoren Q4 und Q5
ageführten Spannungen im wesentlichen gleich Null sind.
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Zu diesem Zweck verbindet ein Leiter 32, in den ein Koppelkondensator
C5 eingeschaltet ist, die Steuerelektrode des Kristallgleichrichters SCR2 mit einem
Verbindungspunkt 34 zwischen dem Widerstand R14 und den Kollektoranschlüssen der
Transistoren Q4 und Q5.
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Der Kondensator C5 halt nicht nur den Gleichstrom des Leiters 22 von
der Steuerelektrode fern, sondern er verringert auch die Gefahr, dass die Wechselspannung
des Netzes auf die Einstelipotentiometer und andere Teile gelangt.
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Zusammenfassend sei erwähnt, dass an dar Basis des Transistors Q4
nur dann eine niedrige Spannnng liegt, wenn der Thermistor 26 Wärme verlangt und
der Unijunction-Transistor UJTI den Kristtlgleichrichter SCR1 gleichzeitig mit einer
niedrigen Ladungszufuhrgesehwindigkeit zum Kondensator C 4 vom Leiter 18 über die
Diode D5 und den Widerstand R13 als Folge eines Nulldurchgangs des 60 Hz-Versorgungsstroms
in den leitenden Zustand versetzt hat, nährend an der Basis des Transistors Q5 eine
niedrige Spannung liegt, wenn der SOSz-Versorgungsstrom wegen des Anschlusses an
die Basis über den Leiter 18 und den Widerstand R16 durch Null geht.
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Wenn beide Transistoren Q4 und Q5 im wesentlichen gesperrt sind, steigt
die Spannung am Verbindungspunkt 34 an, und auf die Steuerelektrode des steuerbaren
Kristallgleichrichters SCR2 wird ein Impuls übertragen.
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Der Kristallgleichrichter SCR2 ist in eine Vollwegbrückenschaltung
eingeschaltet, die in Serie zum Heizelement 36 und an die auf einer Spannung von
240 Volt liegenden Leiter des Wechselstromnetzes geschaltet ist.
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Die Brückenschaltung- besteht aus den Dioden D6, D7, D8 und Dg. Ein
Widerstand R18 sorgt für das Entstehen einer Spannung an der Steuerelektrode des
KristaLlgleichrichters SCR2, wenn an diesem ein Impuls angelegt wird.Auf diese Weise
geht die angelegte Schwingung beim Auslösen des Kristallgleichrichters SCR2 durch
Null, und in diesem Zeitpunkt ist an das Heizelement keine Last gelegt, so dass
das Heizelement und die Brücken.
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schaltung keine Stossbelastung erfährt. Ausserdem werden Funkstörungen
verringert , und die Schaltung ist sicherer gegen einen Ausfall von Bauelementen.
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Es ist zwar nur ein Heizelement dargestellt ung beschrieben worden,
doch können natürlich auch je nach der Kapazität der Gleichrichter in der Brückenschaltung
mehrere Heizt elemente in Serie oder parallel geschaltet verwendet werden.
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In der Schaltung von Fig.1 wird das Heizelement mit :lrechselspannung
gespeist, obwohl der Kristallgleichrichters SCR2 den Strom der };ech-elstromschwingungistets
in beiden Richtungen durchlässe /1K, Wenn es erwünscht ist, das Heizelement nur
mit gleichgerichtetem Strom zu speisen, dann kann die in Fig.2 dargestellte Schaltungsausführung
verwendet werden.
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In der Schaltung von Fig. 2 sind die eine Spannung von 24C Volt führenden
Netzanschlüsse 50 und 52 an Verbindungspunkte 54 und 56 an gegenüberliegenden Brückenzweigen
angeschlossen. Das Heizelement 36 ist zwischen die Anode des steuerbaren Eristallgleichrichters
SCR2 und den Verbindungspunkt 58 der Brücke geschaltet, und die Katode des Kristallgleichrichters
ist wie bisher mit dem Verbindungspunkt 60 der Brücke verbunden. Der Kondensator
C dient auch weiterhin dazu, die Hochspannungsseite des Geräts von den Geräteteilen
zu isolieren,die normalerweise von einer Bedienungsperson eingestellt werden.
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Ein weiteres Beispiel, wie ein irbraucher, beispielsweise ein Heizelement,
unter der Regelwirkung einer impulsförmig arbeitenden Anordnung mit Impulsen gespeist
werden kann, ist in Fig.3 dargestellt.
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Die in Fig.3 dargestellte Schaltung enthält zwei steuerbare Kristallgleichrichter,
und sie enthält keine Zweiwegbrückenschaltung wie die oben beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform des Impulsgebers wird der im Leiter 32
auftretende Impuls der Primärwicklung 62 eines Transformators T2 zugeführt, der
zwei gegeneinandergeschaltete Sekundärwicklungen 64 und 66 besitzt, die an entgegengesetzt
gepolte steuerbare Siliziumkristallgleichrichter SCR3 und SCR4 derart Impulse legen,
dass jeweils nur einer der Kristallgleichrichter gleichzeitig geschaltet wird.
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Hat beispielsweise die Netzspannung in einem gegebenen Zeitpunkt eine
solche Polarität, dass der obere Leiter positiv und der untere Leiter negativ ist,
dann wird der Kristallgleichrichter SCR3 beim Empfang eines Einschaelmpulses leiten.
Ware dagegen der obere Leiter
negativ und der untere Leiter positiv,
wie es nach einer halben Periode der Fall ware, dann würde der Kristallgleichrichter
SCR4 beim Empfang eines Einschaltimpulses leiten. Der Verbraucher würde natürlich
einen Wecielstrom aufnehmen.
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In Fig.4 ist eine weitere Ausführungsform einer Einschaltseuerung
für den Verbraucher dargestellt.
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Diese Schaltung ist eine Gleichspannungsschaltung mit Zweiweggleichrichtung,
sie ist aber keine Brückenschaltung.Die Wechelspannung von 240 Volt wird vor dem
Heiselement gleichgerichtet, so dass das Heizelement stets Gleichstrom aufnimmt,
wenn der Kristallgleichrichter SGR5 leitet. Es sei jedoch bemerkt, dass der Strom
vom einen oder vom anderen der 240Volt-Leiter zum Nulleiter und nicht von einem
der 240 Volt-Leiter zum anderen Leiter wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen
geführt wird. Im Vergleich-zur Ausführungsform von Fig.1 gibt es zwei Leistungsdioden
weniger; aber dies wird dadurch erzielt, dass der Verbraucher mit nur 120 Volt und
nicht mit 24D Volt wie in den anderen Ausführungsformen gespeist wird. Wenn der
obere Leiter zu anen gegebenen Zeitpunkt als positiv angesehen wird, dann führt
der S-tromweg über eine Diode D10, das Heizelement 36, den -Krislgleichrichter SCR5
arück zum Nulleiter, Wenn der untere 240 Volt-Leiter als negativ angesehen wird,
dann würde der Stromweg über die Diode 311, das Heizelement 36, den Kristallgleichrichter
SCR5 zurück eum Nulleiter führen. Die Niederspannungsquelle ist die gleiche wie
in den anderen Ausführungsformen.
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Bei allen Ausführungsformen der Erfindung speichert die Impulsspeicherschaltung
bei jeder Erzeugung eines Impulssi-gnals dieses Signal und führt es der NAND-Schaltung
zu. Beim nächstenNulldurchgang des Wechselstroms gibt die Netzsynchronisierschaltung
einen Impuls an den anderen Eingang der NAND-Schaltung ab, so dass diese ihrerseits
einen Impuls an die Steuerelektrode eines Kristallgleichrichters, beispielsweise
den ristallgleichrichter SCR2 ab, und schaltet diesen ein. Zu diesem Zeitpunkt ist
die Impulsspeicherschaltung gelöscht, und sie erwartet einen weiteren Cszillatorimpuls.
Die Oszillatorfrequenz ist immer noch unabhängig vom Wechselstrom, aber für das
Einschalten der Gleichrichter gilt dies nicht mehr. Abhängig von der ihrerseits
von der Temperatur abhängigen Oszillatorfrequenz werden zwar immer noch Energieimpulse
in Abständen erzeugt, aber jeder Energieimpuls würde immer wenigstens eine halbe
Periode oder 8,3 Millisekunden dauern. Bei sehr hohem Energiebedarf würde sich die
Oszillatorfrequenz einem Wert von 120 Hz nahern, und der leitende Zustand würde
fast während jeder Halbperiode eintreten.
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Bei maximalem Energiebedarf würde die Oszillatorfrequenz den Wert
von 120 Hz überschaiten, und der leitende Zustand ürde kontinuierlich auftreten.
Der Cszillator und der Verstärker sind so ausgelegt, dass sie in einem Prequenzbereich
von mehr als 120 Hz bis herab zu einem Impuls in Abständen von mehreren Sekunden
reichen.
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Patentansprüche