DE19808609B4 - Verfahren zum Betreiben eines Heißwasserbereiters - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Heißwasserbereiters mit wenigstens einem zweipoligen Heizelement (R_Last, L_Last), welches an beiden Polen über jeweils einen, eine Steuerelektrode aufweisenden Triac an eine Spannungsversorgung angeschlossen ist und dass die beiden Triacs (Tr, Tr') seriell verschaltet sind, so dass ein erster Pol des Heizelementes (R_Last, L_Last) mit einem ersten Laststromanschluß (A1) des einen Triacs (Tr') und ein zweiter Pol des Heizelementes (R_Last, L_Last) mit einem zweiten Laststromanschluß (A2) des anderen Triacs (Tr) verbunden ist, und dass jeder Triac (Tr, Tr') nur durch Anlegen einer positiven Spannung an seine Steuerelektrode (G) und seinen zweiten Laststromanschluß (A2) geschlossen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heißwasserbereiters mit wenigstens einem zweipoligen Heizelement gemäß dem einzigen Anspruch.
• Aus der US 5,479,558 A ist ein Durchlauferhitzer mit einem Durchflusssensor und einem Heizkontrollsystem bekannt. Heizelemente sind dabei direkt an eine Phase angeschlossen und mit einem Triac verbunden.
• Aus der DE 37 26 535 A1 ist ein Verfahren zur schaltstoßarmen Leistungssteuerung elektrischer Last bekannt. Gemäß 1 liegen Heizelemente A und B jeweils direkt an einer Spannungsversorgung, wobei weitere Schaltungszweige mit Triacs zur Verschaltung der Heizelemente vorgesehen sind.
• Eine Schutzbeschaltung für einen Halbleiterschalter, insbesondere Triac, geht aus der DE 43 05 882 A1 hervor. Parallel zu einem Triac ist ein RC-Reihenglied geschaltet. Dieses legt steile Störimpulse des Wechselstromnetzes an die Steuerelektrode 4 des Triacs T, so dass dieser durch die Störimpulse zwangsweise leitend geschaltet wird. Weiterhin geht aus 2 die Beschattung eines Widerstands mit zwei seriell angeordneten Triacs hervor.
• Bei Heißwasserbereitern mit Drehstromanschluß ist der Einsatz mehrerer einzeln zuschaltbarer Heizelemente für eine besonders genaue Temperaturregelung bekannt. Dabei kommt eine elektronische Regeleinrichtung zum Einsatz, welche bedarfsweise eines oder mehrere dieser Heizelemente zuschaltet. Als Schalter kommen dabei elektronische Leistungsschalter, sogenannte Triacs, zur Anwendung. Mittels dieser Triacs wird jeweils ein Heizungs-Stromkreis geschlossen, wobei jeder Heizungs-Stromkreis an zwei Phasen des Drehstromnetzes angeschlossen ist und die beiden Phasen annähernd gleichzeitig mittels jeweils eines Triacs zu- bzw. weggeschaltet werden. Auf diese Weise ist in jedem Heizungs-Stromkreis je ein Triac vor und nach dem Heizwiderstand angeordnet.
• Ein Triac ist ein leistungselektronisches Bauteil, welches zwei antiparallel geschaltete Vierschichtdioden mit einer gemeinsamen Steuerelektrode aufweist. Diese Steuerelektrode ist mit einer n-Schicht der einen Vierschichtdiode und einer p-Schicht der zweiten Vierschichtdiode gekoppelt. Die Steuerelektrode ist somit mit einem ersten Anschluß des Triacs über einen np-Übergang der einen Vierschichtdiode und einem pn-Übergang der anderen Vierschichtdiode verbunden, während der zweite Anschluß des Triacs mit der Steuerelektrode über eine npn-Strecke bzw. über eine pnp-Strecke der Vierschichtdioden verbunden ist.
• Das Anordnen der beiden Triacs erfolgt bei dem bekannten Heißwasserbereiter in symmetrischer Weise, so daß jeder Triac mit jenem Anschluß an die ihm zugeordnete Phase angeschlossen ist, welcher der Steuerelektrode dieses Triacs elektrisch nächstliegend ist, welcher also mit dieser Steuerelektrode über einen pn- bzw. np-Übergang gekoppelt ist.
• Diese symmetrische Anordnung der Triacs bezüglich der jeweiligen Phase des Drehstromnetzes verursacht jedoch beim Zuschalten eines Heizungs-Stromkreises eine verschiedenpolige Ansteuerung der Steuerelektroden der beiden in diesem Stromkreis angeordneten Triacs. Während also ein erster dieser beiden Triacs durch Anlegen eines positiven Potentials an die Steuerelektrode geschaltet wird, geschieht dies beim zweiten Triac durch Anlegen eines negativen Potentials. Dies hat jedoch trotz gleichzeitigen Ansteuerns der Triacs eine differente Schaltgeschwindigkeit zur Folge, da der mit positivem Potential gezündete Triac schneller schaltet als der Triac mit negativem Zünd-Potential. Diese unsymmetrische Schaltgeschwindigkeit der Triacs in einem Heizungs-Stromkreis hat jedoch auch eine unsymmetrische Verlustenergieaufnahme dieser Schalter zur Folge. Bei einem üblichen Heißwasserbereiter entfällt auf den langsam schaltenden Triac ca. 80% der gesamten Verlustenergie, so daß dieses Bauelement im Vergleich zu dem schnell schaltenden Triac einer ca. vierfachen Belastung ausgesetzt ist.
• Während dieses Verhalten bei normalen Betriebsbedingungen nahezu problemlos ist, wächst diese Belastung überproportional, wenn Überspannungen in der Spannungsversorgung auftreten. Infolge einer bei diesen Betriebsbedingungen besonders hohen Verlustaufnahme des mit negativem Potential angesteuerten Triacs kommt es zu einem frühzeitigen Ausfall dieses Bauteiles, insbesondere wenn die örtliche Energieversorgung besonders häufige Überspannungsimpulse aufweist.
• Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Betreiben eines Heißwasserberesters gemäß dem Patentanspruch anzugeben, durch welche ein frühzeitiger Ausfall eines elektronischen Schaltelementes verhindert ist.
• Durch eine derartige serielle Anordnung der beiden Triacs in einem Heizungs-Stromkreis können beide Triacs durch Anlegen eines positiven Potentials gezündet werden. Auf diese Weise sind deren Schaltgeschwindigkeiten in einer gleichen Größenordnung, so daß sie auch ungefähr eine gleiche Verlustenergieaufnahme innerhalb dieses Heizungs-Stromkreises aufweisen. Durch das schnelle Schalten infolge der positiven Ansteuerung ist die Verlustenergieaufnahme besonders gering.
• Der erfindungsgemäße Heißwasserbereiter hat im Vergleich zu einem herkömmlichen Heißwasserbereiter eine nahezu verdoppelte Überspannungsrobustheit. Deshalb können auch für Heißwasserbereiter bekannte Sicherheitsschaltungen, die beispielsweise Varistoren umfassen, einfacher ausgelegt sein oder ganz entfallen. Dies vereinfacht den Aufbau der Steuerelektronik, wodurch auch eine Kostenreduzierung ermöglicht ist. Eine weitere Vereinfachung der Schaltung kann dadurch erreicht werden, daß die Steuerelektroden der beiden Triacs eines Heizungs-Stromkreises an eine gemeinsame Steuervorrichtung angekoppelt sind.
• Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 den schematischen Aufbau und das Schaltzeichen eines Triacs,
• 2 die Beschaltungsmöglichkeiten des Triacs gemäß 1;
• 3 einen Heizungs-Stromkreis eines erfindungsgemäßen Heißwasserbereiters und
• 4 einen Schaltplan des Leistungsteils eines Heißwasserbereiters gemäß 3.
• In einem Heißwasserbereiter mit mehreren zweipoligen Heizelementen wird jedes dieser Heizelemente mit Hilfe von elektronisch gesteuerten Triacs einzeln ein- bzw. ausgeschaltet. Ein Triac ist gemäß 1 aus zwei antiparallel geschalteten Vierschichtdioden aufgebaut, welche an den Enden elektrisch miteinander verbunden sind und die Anschlüsse A1 bzw. A2 bilden. Weiterhin ist eine Steuerelektrode G umfaßt, welche an eine innenliegende n-Schicht der einen Vierschichtdiode und eine innenliegende p-Schicht der anderen Vierschichtdiode gekoppelt ist.
• Ein solcher Triac kann gemäß 2 prinzipiell in jedem der vier Quadranten eines Diagramms betrieben werden, in welchem die Spannung zwischen Steuerelektrode G und Anschluß A1 die Abszisse und die Spannung zwischen den Anschlüssen A2 und A1 die Ordinate bildet. Dabei bietet der Betrieb im ersten Quadranten, also bei jeweils positivem Potential an Anschluß A2 und Steuerelektrode G, den Vorteil eines besonders schnellen Zündens des Triacs.
• Gemäß 3 ist ein Heizelement, welches schematisch als Widerstand R_Last und Lastinduktivität L_Last dargestellt ist, an die Phasen L 1 und L_2 eines Drehstromnetzes angeschlossen. Das Ein- bzw. Ausschalten dieses Heizelementes erfolgt zweipolig mittels jeweils eines Triacs Tr, Tr'. Dabei sind die Triacs Tr und Tr' derart gepolt, daß der Phase L_1 der Anschluß A1 des Triacs Tr' und der Phase L 2 der Anschluß A2 des Triacs Tr zugeordnet ist. Eine derartige Beschaltung ermöglicht den Anschluß der beiden Steuerelektroden G von Triac Tr und Tr' an eine Stromquelle. Werden beide Triacs Tr, Tr' durch Anlegen eines positiven Potentials an ihre Steuerelektroden G gezündet, so schalten beide besonders schnell und zum gleichen Zeitpunkt. Diese gleiche Schaltgeschwindigkeit der beiden Triacs Tr, Tr' hat eine symmetrische Verlustenergieaufnahme dieser Bauteile zur Folge. 3 zeigt weiterhin die Beschaltung der beiden Triacs Tr, Tr' mit jeweils einem Snubber-Kondensator C_snub und Snubber-Widerstand R snub.
• Gemäß 4 ist der Schaltplan des kompletten Leistungsteils des Heißwasserbereiters dargestellt, wobei im Vergleich zu 3 zur Vereinfachung die jeweiligen Snubber-Kondensatoren C snub und – Widerstände R_snub sowie die Lastinduktivitäten L Last nicht aufgenommen wurden. In diesem Heißwasserbereiter ist der Phase L 2 der Triac Tr2 zugeordnet, welcher mit seinem Anschluß A1 an je einen ersten Pol der Widerstände R1 und R4 gekoppelt ist. Mit der Phase L 3 sind die Triacs Tr3 mit seinem Anschluß A1 und Tr4 mit seinem Anschluß A2 verbunden. Während an den Anschluß A2 des Triacs Tr3 der zweite Pol des Widerstands R4 angeschlossen ist, ist der Triac Tr4 mit dem ersten Pol des Widerstands R3 über seinen Anschluß A1 verbunden.
• Die Triacs Tr1 und Tr5, welche mit ihrem Anschluß A2 mit jeweils einem Pol des Widerstandes R2 verbunden sind, ermöglichen das Schalten der Phase L_1, welche an die Anschlüsse A1 der Triacs Tr1, Tr5 angekoppelt ist. Schließlich ist noch der Anschluß des Triacs Tr1 an den zweiten Pol des Widerstands R1 und der Anschluß A2 des Triacs Tr5 an den zweiten Pol des Widerstands R3 angeschlossen.
• Die so beschriebene Schaltung ermöglicht ein Schalten von einem oder mehreren Heizwiderständen R1 bis R4 abhängig von den entsprechend gesteuerten Triacs Tr1 bis Tr5, so daß die erzeugte Wärmeenergie nach Bedarf in unterschiedlicher Höhe einstellbar ist. Durch die erfindungsgemäße Polung der Triacs ist es möglich, diese mit einer geringeren Spannungsfestigkeit als bei herkömmlichen Heißwasserbereitern auszulegen. Infolge einer homogenen Verteilung der Schaltverluste sind diese besonders gering und die geringe Belastung dieser elektronischen Schalter führt auch zu einer höheren Zuverlässigkeit der Schaltung.

Claims (1)

1. Verfahren zum Betreiben eines Heißwasserbereiters mit wenigstens einem zweipoligen Heizelement (R_Last, L_Last), welches an beiden Polen über jeweils einen, eine Steuerelektrode aufweisenden Triac an eine Spannungsversorgung angeschlossen ist und dass die beiden Triacs (Tr, Tr') seriell verschaltet sind, so dass ein erster Pol des Heizelementes (R_Last, L_Last) mit einem ersten Laststromanschluß (A1) des einen Triacs (Tr') und ein zweiter Pol des Heizelementes (R_Last, L_Last) mit einem zweiten Laststromanschluß (A2) des anderen Triacs (Tr) verbunden ist, und dass jeder Triac (Tr, Tr') nur durch Anlegen einer positiven Spannung an seine Steuerelektrode (G) und seinen zweiten Laststromanschluß (A2) geschlossen wird.