DE1957702B2 - Temperaturregelschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturregelschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Regelschaltung ist aus der US-PS 54 838 bekannt

Seit einigen Jahren gibt es zur Temperaturregelung in elektrischen Haushaltsherden Halbleiter-Temperaturregelschaltungen, die mit weit größerer Genauigkeit und Verläßlichkeit als die traditionellen mechanischen Steuerungen, wie beispielsweise Bimetallschalter und hydraulische Balgvorrichtungen, arbeiten.

Als Halbleiterschalter können steuerbare Siliziumgleichrichter (s. US-PS 33 48 063) oder Doppelbasistransistoren (s. US-PS 32 75 802) verwendet werden.

Bei den gegenüber Temperaturänderungen sehr empfindlichen bekannten Regelschaltungen können jedoch in der Nähe der Soll-Temperatur sehr häufige Schaltvorgänge bzw. Pendelungen aufgrund augenblicklicher Änderungen der Herdtemperatur auftreten. Zusätzlich können induktive Rückkopplungen vom Leistungskreis des Herdes zur Temperaturfühlerschaltung zu ungeregelten Einschaltungen des Schaltelementes führen, wodurch ein Prellen des Relais entsteht. Diese sich schnell und häufig wiederholenden Schaltvorgänge bewirken eine Verkürzung der Lebensdauer des Relais.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Temperaturregelschaltung insbesondere für einen elektrischen Herd zu schaffen, bei der ein Prellen bzw. Pendelungen der Relaiskontakte verhindert ist

Diese Aufgabe wird bei einer Temperaturregelschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß ίο durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß nahe der Solltemperatur des Herdes der Heizwiderstand gemäß der Erfindung zur Temperaturregelung ausgenutzt wird. Dadurch werden die durch den Thermistor hervorgerufenen häufigen Schaltvorgänge verhindert und für ein regelmäßiges Schließen der Relaiskontakte gesorgt Weiterhin läßt sich die Schaltungsanordnung auf einfache Weise für unterschiedliche Betriebstemperaturbereiche und zur Kompensation von Einflüssen der Umgebungstemperatur anpassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung erläutert

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Halbleiter-Temperaturregelschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig.2 ist eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispieis mit einer verbesserten Anordnung zur Veränderung des Temperaturbereiches der Schaltung;

F i g. 3 ist eine schematische Veranschaulichung eines r> anderen Ausführungsbeispiels mit einem in üblicher Weise geschalteten Relais.

F i g. 1 zeigt eine Temperaturregelschaltung für eine Heizeinrichtung, die z. B. in einem elektrischen Haushaltsherd enthalten sein kann. Die Schaltung hält eine Herdtemperatur auf einem von zwei ausgewählten Werten, indem sie zwischen einem elektrischen Heizelement 1 und einer Stromversorgung 2 durchschaltet und sperrt Um die Regelschaltung auch in einem Gasherd zu verwenden, kann das Heizelement 1 ·»") durch eine Magnetspule eines Magnetventils ersetzt werden, die den Gasstrom steuert.

Eine temperaturveränderliche Spannung wird an ein Schwellwert-Schaltetement 20, das ein steuerbarer Siliziumhalbleiter sein kann in einer noch zu beschrei- ->() benden Weise angelegt, wobei das Schaltelement 20 im durchgesteuerten Zustand ein Hitzdrahtrelais 10 betätigt Das Hitzdrahtrelais 10 besteht aus zwei Kontaktstücken 11, die zwischen dem Heizelement 1 und der Energiequelle 2 in Serie geschaltet sind, und einem ">"> Heizwiderstand 12, der im stromdurchflossenen Zustand die Kontaktstücke U thermisch geschlossen hält. Die Verbesserung, welche durch die Schaltung gemäß F i g. 1 bewirkt wird, liegt in der Art und Weise, in der Pendelungen des Relais und ein Relaisprellen verhindert mi werden.

Der Heiz widerstand 12 ist mit einem steuerbaren Siliziumgleichrichter 13 in Serie geschaltet und wird gespeist, wenn dieser Gleichrichter 13 durchgeschaltet ist. Der Widerstand 12 und der Siliziumgleichrichtcr 13 β'» liegen an einer Sekundärwicklung 15 eines Transformators 16. Eine Energiequelle 18 ist mit der Sekundärwicklung 15 durch eine Primärwicklung 17 gekoppelt. Bei der Verwendung in Haushaltsherden kann die Energiequel-

Ie eine Spannung von 120 Volt bei Neufrequenz von beispielsweise 50 oder 60 Hz liefern. Die Steuerlekektrode des Siliziumgleichrichters 13 ist mit der Kathode des Schwellwert-Schaltelementes 20 verbunden, und der Gleichrichter 13 wird durchgeschaltet, wenn das Schaltelement 20 schließt

Eine konstante Steuerelektrodenspannung für das Schaltelement 20 wird durch einen Spannungsteiler 21 erzeugt, und voc einem Spannungsteiler 22 wird eine temperaturabhängige Spannung an die Anode des Siliziumhalbleiters angelegt Die Spannungsteiler 21 und 22 liegen an den oberen und unteren Enden der Sekundärwicklung 15. Eine Diode 25 liegt zwischen dem oberen Ende der Wicklung 15 und den Spannungsteilern 21 und 22, um die Regelschaltung während der positiven Halbwellen der SpannungsqueBe zu speisen. Der Spannungsteiler 21 enthält Widerstände 26 und 27 und einen temperaturkompensierenden Widerstand 28, die in Serie geschaltet sind. Die Steuerelektrode des Siliziumhalbleiters 20 liegt über den Widerständen 27 und 28, so daß die Steuerspannung V_g in bezug auf die Sekundärspannung V₅ wie folgt ausgedrückt werden kann:

des 12 ist mit dem unteren Ende der Wicklung 15 verbunden.

Ein Widerstand 35 und ein Schalter 36 liegen in Serie parallel zum Thermistor 24 und ein Schalter 37 liegt parallel zum Widerstand 30. Die Anode des Siliziumhalbleiters 20 ist mit dem oberen Ende des Stellwiderstandes 31 und die Kathode des Siliziumhalbleiters 20 über den Widerstand 41 mit dem unteren Ende des Heizwiderstandes 12 verbunden.

ίο Um den-gewünschten Betriebszustand des Herdes manuell einzustellen, sind die Schalter 36 und 37 vorzugsweise mechanisch miteinander gekoppelt Für das Backen sind die Schalter 36 und 37 geöffnet Daher wird der Ausdruck für die Anodenspannung V, ausgedrückt in V_s:

y_{a = V%} ^Ru + fr»

«24 + «30 + «12 + «31

Bei der pyrolytischen Reinigung sir ί die Schalter 36 und 37 geschlossen und daher wird

V =

«27 + «2;

«2h + «27 + «2

In dieser wie auch in den folgenden Gleichungen bedeutet der Ausdruck R mit dem Index einen Widerstand, der als Index das entsprechende Bezugszeichen besitzt Wenn die Umgebungstemperatür ansteigt verändert sich auch der Zündpunkt des Siliziumhalbleiters 20 geringfügig. Diese Veränderung liegt in Richtung der ansteigenden Herdtemperatur. Der Widerstand 28 ist ein Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Wenn die Temperatur ansteigt, steigt auch die Steuervorspannung an, um die Verschiebung der Zündcharakteristik zu kompensieren. Wie Versuche gezeigt haben, ergeben die Temperaturen für die pyrolitische Reinigung eine Verschiebung nach oben um etwa 5,5° C, wenn die Regelschaltung sich von 27" C auf 93° C erhitzt.

Der Spannungsteiler 22 ist so ausgebildet, daß er für zwei Verfahrensweisen geeignet ist Die erste kann z. B. ein Backbetrieb sein, bei dem die Temperatur auf eine bestimmte Höhe innerhalb eines Bereiches zwischen etwa 66" C und 288° C gehalten werden soll. Es ist eine Regelwiderstandsjustierung vorgesehen, so daß eine genaue Backtemperatur, die gewünscht wird, ausgewählt werden kann. Das zweite Verfahren kann z. B. eine Selbstreinigung sein, bei der weit höhere Temperaturen, z. B. 482° C, aufrechterhalten werden müssen. Der Einstellpunkt der Regelschaltung, d. h. die Temperatur, bei der der Siliziumhalbleiter 20 durchsteuert, wird durch die Widerstände festgelegt, die sich in dem Spannungsteiler befinden.

Dem Schaltelement 20 ist eine Zenerdiode 40 parallel geschaltet, um die dort anliegende Spannung zu begrenzen. Die Kathode des Schaltelementes 20 ist mit einem Widerstand 41 verbunden, und an diesem Verbindungspunkt wird die Steuerspannung für den steuerbaren Siliziumgleichrichter 13 abgegriffen.

Der Spannungsteiler 22 besteht aus einem Thermistor 24, einem den Sollwert einstellenden Widerstand 30, einem weiteren Steirw'derstand 31 und dem Heizwiderstand 12, die in Serie geschaltet sind. Das obere Ende des Thermistors 24 ist mit detn oberen Ende der Wicklung 15 verbunden und das untere Ende des Heizwiderstan- V — V

(«24 + «3₅)(«12

«₂₄ " «35

Die Temperaturfühlung wird in konventioneller Weise vorgenommen. Der Thermistor 24 wird so ausgewählt daß er einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und die Stellwiderständ? 30 und 35 sind so eingestellt, daß sie die gewünschten Festpunkte für jeden Betriebszustand aufweisen. Wenn die Schaltung zum ersten Mal eingeschaltet wird, ist der Thermistor 24 kalt Der Nenner des Ausdruckes für V₁ ist in jeder Betriebsart auf seinem Minimum, so daß die größtmögli ehe Spannung V, an die Anode des Schaltelementes 20 angelegt wird. Die Werte der Widerstände in dem Spannungsteiler 22 werden so ausgewählt, daß diese Spannung V„ die Schwellwertspannung übertrifft, die angenähert V_g ist Das Schaltelement 20 wird geschlos sen bzw. durchgeschaltet zum Ansteuern des Silizium- gleicrvrichters 13 und legt die Spannung V₅ an den Heizwiderstand 12 an. Das Schaltelement 20 und der Siliziumgleichrichter 13 bleiben für den Rest der positiven Halbwelle von V₅ leitend, und bei der nächsten positiven Halbwelle wird dieser Vorgang wiederholt.

Nach einer Anzahl von Halblwellen heizt der Heizwiderstand 12 genügend auf, um die Kontaktstücke 11 des Hitzedrahtrelais 10 zu schließen, so daß das Heizelement 1 beaufschlagt wird. Der Herd heizt auf und spannt den Thermistor 24 thermisch vor. Wenn die Temperatur des Heizelementes 1 ansteigt, steigt auch der Widerstand des Thermistors 24 an und demzufolge sinkt ^Vi., bis die durch den Thermistor 24 gefühlte Temperatur den festgesetzten Punkt erreicht. V₁ reicht nun nicht mehr ius, um das Schaltelement 20 durchzuschalten und der Siliziumgleichrichter 13 wird gesperrt. Der Heizwiderstand 12 kühlt ab und die Kontaktstücke Ii. des Hitzdrahtrelais 10 öffnen. Der Herd kühlt ab, bü, V₁ erneut die Schwellspannung

mi überschreitet. Die Herdtemperatur pendelt in dieser Weise um den festgesetzten Punkt. Wenn jedoch V, nur auf die augenblickliche Herdtemperatur, wie sie durch den Thermistor 24 gefühlt wird, ansprechen würde, würde sich unvermeidlich eine schnelle Pendelung

ι,-, ergeben, die einen frühzeitigen Ausfall des Hitzdrahtrelais 10 zur Folge haben könnte.

Eine schnelle Pendelung wird vermieden, indem der Heizwiderstand 12 verwendet wird, um V₃ zu verändern,

wenn sich die Herdtemperatur innerhalb eines schmalen Bereiches des festgesetzten Punktes befindet. Die Amplitude dieses Bereiches wird durch die Wahl der Widerstandsänderung in bezug auf die Temperatur des Heizwiderstandes 12 festgelegt.

Aus dem Ausdruck für V, folgt, daß Widerstandsänderungen des Heizwiderstandes 12 den Zähler stärker verändern als den Nenner. Wenn sich V, oberhalb der Schwellwertspannung befindet, wird der Heizwiderstand 12 beaufschlagt, so daß er sich aufheizt und sein Widerstand ansteigt. Wenn V, bis unter die Schwellwertspannung absinkt, nachdem die Temperatur bis oberhalb des festgesetzten Punktes ansteigt, schaltet das Schaltelement 20 ab. Der Siliziumgleichrichter 13 wird während der folgenden Halbwellen nicht geöffnet und der Heizwiderstand 12 kühlt sehr schnell ab. Sein Widerstand sinkt und V, nimmt weiterhin ab. Um das Sch2!t?!?fP?n· T^ prnput 711 schließen, muß die Herdtemperatur genügend fallen, so daß der Anstieg von V₁ wegen der Änderung des Widerstandes des Thermistors 24 das Absinken durch die Abkühlung des Heizwiderstandes 12 kompensiert.

Nachdem der Heizwiderstand 12 vollständig abgekühlt oder vollständig aufgeheizt ist, ändert sich sein Widerstand nicht mehr und Vj verändert sich nur aufgrund der Änderungen des Widerstandes des Thermistors 24. Die Regelschaltung spricht auf Veränderungen der Herdtemperatur so schnell wie möglich an, wenn die Herdtemperatur sich nicht innerhalb eines kleinen Bereiches des festgesetzten Punktes befindet. Auch das Relaisprellen wird vermieden, obgleich verschiedene mögliche Quellen für das Prellen vorhanden sind. Die Abnahme von V₁ wegen der Abkühlung des Heizwiderstandes 12 wird so ausgewählt, daß kleine Signale, die mit der induktiven Rückkopplung in dem Herdleistungskreis zum Schaltelement 20 gekoppelt sind, nicht ausreichen, um V₃ zur Schwellwertspannung anzuheben, wenn die Abschaltung des Schaltelementes 20 gewünscht wird.

Um vom Backen auf das pyrolitische Reinigen umzuschalten, werden die Schalter 36 und 37 geschlossen, so daß der Schalter 36 den Thermistor 24 mit dem Stellwiderstand 35 verbindet und der Schalter 37 den Siellwiderstand überbrückt. Durch diese Anordnung wird der Anfangswert im Zähler des Ausdruckes für V₃ gesenkt, so daß ein höherer Festpunkt erhalten wird.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung, die unter Beibehaltung der Vorteile gegenüber der Schaltung gemäß Fig. 1 vereinfacht ist. Die Schaltung nach F i g. 2 unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 1 nur in der Anordnung des Spannungsteilers 22. Für das Backen ist ein Widerstand 43 und ein Stellwiderstand 44 mit dem Thermistor 24, dem Stellwiderstand 31 und dem Heizwiderstand 12 in dem Spannungsteiler 22 in Reihe geschaltet. Ein Stellwiderstand 45 und ein Schalter 46 liegen in Reihenschaltung parallel zu den Widerständen 43 und 44, wobei der Schalter 46 zum pyrolytischen Reinigen geschlossen wird. Mit dieser Anordnung kann das gewünschte Verfahren in einer vereinfachten Weise durchgeführt werden. Diese Anordnung ist besonders in einer Regelschaltung vorteilhaft, die für zwei festgesetzte Temperaturen bestimmt ist. Das einfache Kurzschließen eines Widerstandes, der mit dem Thermistor 24 in Reihe liegt, eine Anordnung, die auch nur einen Schalter erforderlich machen würde, ist für eine optimale Betriebsweise nicht ausreichend.

in der Schaltung nach Fig. 2 kann der Stellwiderstand 44 auf einen gewünschten ersten Festpunkt eingestellt werden. Um auf die zweite Betriebsart umzuschalten, werden die Widerstände 43 und 44 in der Schaltung nicht einfach kurzgeschlossen. Stattdessen werden sie mit Hilfe eines einzigen Schalters durch den Stellwiderstand 45 überbrückt. Der Widerstandswert des Stellwiderstandes 45 kann so eingestellt werden, daß der gewünschte zweite Festpunkt erreicht wird. An seiner Stelle könnte auch ein Festwiderstand verwendet werden. Die Werte der Schaltkomponenten können so ausgewählt werden, daß Veränderungen bei der Einstellung des Stellwiderstandes 44 die Höhe des zweiten festgelegten Punktes nicht nennenswert beeinflussen. Weder die Einstellung des Stellwiderstandes 44 noch die des Stellwiderstandes 45 muß gestört werden, um von einer Betriebsart auf die andere umzuschalten.

Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, ist die verbesserte Schaltung nach Fig. 2 auch in einer Schaltung vorteilhaft zu verwenden, bei der das Hitzdrahtrelais 10 in konventioneller Weise geschaltet wird, im Gegensatz zum Spannungsteiler 22 der Schaltungen nach F i g. 1 und 2. Das Hitzdrahtrelais 10 liegt wiederum in Reihe mit dem Siliziumgleichrichter 13 und zwischen der Diode 25 und dem oberen Ende der Sekundärwicklung 15. Anstelle des Heizwiderstandes 12 und des den Sollwert einstellenden Widerstandes 31 befinden sich in dem Spannungsteiler 22 ein Stellwiderstand 51. Diese Schaltung arbeitet wie die Schaltung nach F i g. 2, jedoch bleibt der Zähler des Ausdruckes für V₁ während beider Betriebsarten konstant.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuncen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Temperaturregelschaltung insbesondere für einen elektrischen Herd mit einem zwischen die Spannungsquelle und die Heizeinrichtung geschalteten thermisch gesteuerten Relais, dessen Kontaktstücke durch einen Heizwiderstand betätigt sind, der mit einem den Stromfluß durch den Heizwiderstand steuernden Schaltelement in Reihe geschaltet ist, dessen Schaltstellung durch ein Schwellwert-Schaltelement gesteuert ist, wobei der Heizwiderstand des Relais mit einem der von der Heizung entwickelten Wärme ausgesetzten Thermistor in Reihe geschaltet ist der zusammen mit wenigstens einem zusätzlichen Widerstand einen Spannungsteiler bildet zur Lieferung einer temperaturabhängigen Steuerspannung an das Schwellwert-Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Heizwiderstandes (12) temperaturabhängig ist und sich in Abhängigkeit vom StromfiuB ändert und das Schwellwert-Schaltelement (20) mit dem Spannungsteiler (22) derart verbunden ist, daß die an das Schwellwert-Schaltelement (20) angelegte Steuerspannung (V₁) bei stromdurchflossenem (nichtstromdurchflossenem) Heizwiderstand (12) das gesteuerte Schaltelement (13) im durchgeschalteten (gesperrten) Zustand durch Veränderung der Schalthysterese stabilisiert

2. Temperaturregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verändern des Betriebsbereiches Widerständer (43, 44) des Spannungsteilers (22) über pinen Schalter (46) ein Widerstand (45) parallel scnaitbar ■■ ·.

3. Temperaturregelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß zur Kompensation der Umgebungstemperatur der ersten Spannungsteilerschaltung (22) eine zweite Spannungsteilerschaltung (21) parallel geschaltet ist wobei die abgegriffene Spannung die Steuerspannung des Schwellwert-Schaltelementes (20) ist