DE19904615A1 - Elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung mit einem steuernden Bauelement und Verfahren zum Schützen dieses Bauelementes sowie Heißwasserbereiter - Google Patents
Elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung mit einem steuernden Bauelement und Verfahren zum Schützen dieses Bauelementes sowie HeißwasserbereiterInfo
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Abstract
Eine elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung, die in einem Heißwasserbereiter (1) einsetzbar ist, umfaßt ein steuerndes Bauelement (19), das auf eine in der Höhe begrenzte Betriebsspannung ausgelegt und bei einer, die Betriebsspannung wesentlich übersteigenden Überspannung beschädigbar ist. Von diesem steuernden Bauelement (19) ist ein gesteuertes Bauelement (17) oder eine gesteuerte Baugruppe einstellbar. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Strombegrenzungsmittel (L1) vorgesehen, das mit dem gesteuerten Bauelement (17) bzw. der gesteuerten Baugruppe derart zusammenwirkt, daß das steuernde Bauelement (19) vor einem bei einem Auftreten der Überspannung hervorgerufenen Überstrom anfänglich vollständig durch das Strombegrenzungsmittel (L1) und anschließend zumindest teilweise durch die gesteuerte Baugruppe schützbar ist. Auf diese Weise ist bei dieser Schaltungsanordnung auf einfache und kostengünstige Weise ein sicherer Überspannungsschutz gewährleistet.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische oder elektronische .
Schaltungsanordnung mit einem steuernden Bauelement nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Schützen
eines steuernden Bauelementes in einer elektrischen oder elek
tronischen Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des An
spruchs 7. Des weiteren betrifft die Erfindung einen Heißwas
serbereiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Ein Heißwasserbereiter (Durchlauferhitzer) weist üblicherweise
wenigstens ein Heizelement zum Erhitzen des Durchlaufswassers
auf. Damit das aufgeheizte Wasser eine annähernd konstante Tem
peratur hat, wird das Heizelement je nach Bedarf ein- bzw. aus
geschaltet. Es ist üblich, als Schalter elektronische Bauteile
einzusetzen, die bei Netzspannung und hohen Strömen verwendbar
sind. Insbesondere sind zum Schalten der Heizströme in einem
als Durchlauferhitzer ausgebildeten Heißwasserbereiter soge
nannten Leistungstriacs vorgesehen.
Ein Triac ist ein Halbleiterbaustein mit drei Anschlüssen. Zwei
davon sind in den zu schaltenden Stromkreis eingekoppelt und,
führen den zu schaltenden Laststrom. Der dritte Anschluß (Gate)
führt den Steuerstrom (Gatestrom), der bei einer bestimmten Hö
he den Triac zündet, so daß der Laststrom fließen kann. Der
Laststrom ist um ein Vielfaches höher als der Gatestrom.
Um die Steuerelektronik des Heißwasserbereiters ausreichend vom
Heizstrom zu entkoppeln, ist es üblich, den Leistungstriac
durch einen Vorstufentriac anzusteuern, wobei als Vorstufen
triac ein galvanisch entkoppelter Optotriac vorgesehen ist. Ein
solcher optischer Triac ist in seiner maximalen Stromaufnahme
begrenzt, wobei die maximale Stromaufnahme des Leistungstriacs
um ein Vielfaches höher ist als diejenige des optischen Triacs.
Der Optotriac und der Leistungstriac sind derart miteinander
gekoppelt, daß ein Teil des. Laststromes des Vorstufentriacs
(Optotriac) als Gatestrom des Leistungstriacs verwendet wird.
Dazu ist der Leistungsstrompfad des Vorstufentriacs dem Lei
stungsstrompfad des Leistungstriacs parallel geschaltet und der
Gateanschluß des Leistungstriacs mittels einer Spannungsteiler-
Schaltung mit Hilfe zweier in Reihe geschalteter Widerstände an
den Leistungsstrompfad des Vorstufentriacs angekoppelt.
Wird der Vorstufentriac gezündet, so fällt zunächst nahezu die
gesamt angelegte Spannung (im Normalfall die Netzspannung) an
den beiden den Spannungsteiler bildenden Widerständen ab. Der
dadurch erzeugte Stromfluß stellt auch einen Gatestrom am Lei
stungstriac ein, so daß dieser, zeitverzögert zum Vorstufen
triac, ebenfalls gezündet wird. Der dadurch eingeschaltete
Heizstrom am Heißwasserbereiter bewirkt einen Spannungsabfall
der angelegten Spannung nahezu in vollständiger Höhe am Wider
stand des Heizelementes. Somit ist die anliegende Spannung am
Spannungsteiler im Leistungsstrompfad des Vorstufentriacs in
folge des durchgeschalteten parallel liegenden Leistungs
strompfades des Leistungstriacs vernachlässigbar klein.
Üblicherweise ist der. Typ des Vorstufentriacs derart ausge
wählt, daß bei anliegender Netzspannung die Höhe der Netzspan
nung des Höhe des Stromflusses durch den gezündeten Vorstufen
triac in einem ausreichenden Abstand zu einem kritischen, den
Vorstufentriac zerstörenden Stromfluß liegt. In Spannungsver
sorgungsnetzen sind jedoch zeitweise Störimpulse zu verzeich
nen, welche durch nicht ausreichend entstörte Geräte. bzw. Ma
schinen eingekoppelt werden. Die Spannungsspitzen dieser Stör
impulse erreichen dabei ein Vielfaches der Netzspannung. Be
sonders kritisch in elektronischen Schaltungen sind dabei soge
nannte Surge-Impulse, die Überspannungswerte in Höhe von ca.
2000 V aufweisen können. Die Dauer solcher Surge-Impulse liegt
dabei im Bereich mehrerer Microsekunden. Wird ein Vorstufen
triac gezündet, während eine solche Überspannung anliegt so
führt der daraus resultierende wesentlich erhöhte Stromfluß
durch den Vorstufentriac zum Zerstören desselben.
Es ist daher Aufgabe der. Erfindung, eine elektrische oder elek
tronische Schaltungsanordnung mit einem steuernden Bauelement
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei welcher
dieses steuernde Bauelement nicht im Falle einer anliegenden
Überspannung beschädigt wird. Ebenso ist es Aufgabe der Erfin
dung, ein Verfahren zum Betreiben eines, steuernden Bauelementes
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 anzugeben, das dieses
steuernde Bauelement beim Auftreten einer Überspannung schützt.
Bezüglich der Schaltungsanordnung wird die Aufgabe erfindungs
gemäß dadurch gelöst, daß ein Strombegrenzungsmittel vorgesehen
ist, das mit einem vom steuernden Bauelement gesteuerten Bau
element bzw. einer gesteuerten Baugruppe derart zusammenwirkt,
daß das steuernde Bauelement vor einem bei einem Auftreten ei
ner Überspannung hervorgerufen Überstrom zunächst vollständig
durch das Strombegrenzungsmittel und anschließend zumindest
teilweise durch das gesteuerte Bauelement bzw. durch die ge
steuerte Baugruppe schützbar ist.
Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben eines steuernden Bauele
mentes erfolgt die erfindungsgemäße Lösung dadurch, daß ein
Strombegrenzungsmittel mit einem vom steuernden Bauelement ge
steuerten Bauelement bzw. einer gesteuerten Baugruppe derart
zusammenwirkt, daß das steuernde Bauelement vor einem bei einem
Auftreten einer Überspannung hervorgerufenen Überstrom zunächst
vollständig durch das Strombegrenzungsmittel und anschließend
zumindest teilweise durch das gesteuerte Bauelement bzw. die
gesteuerte Baugruppe geschützt wird.
Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Heißwasserbereiters er
folgt erfindungsgemäß dadurch, daß eine solche Schaltungsanord
nung verwendet und/oder ein solches Verfahren angewandt wird.
Eine elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung, zum
Beispiel zum Einsatz in einem Heißwasserbereiter insbesondere
zum Ein- und Ausschalten eines Heizelementes zum Zwecke der
Wassertemperaturregelung, umfaßt ein steuerndes Bauelement, von
dem ein gesteuertes Bauelement oder eine gesteuerte Baugruppe
einstellbar ist. Das steuernde Bauelement, welches insbesondere
ein Halbleiter-Bauelement ist, ist auf eine in der Höhe be
grenzte Betriebsspannung ausgelegt und bei einer diese Be
triebsspannung wesentlich übersteigenden Überspannung beschä
digbar. Erfindungsgemäß ist in dieser Schaltungsanordnung ein
Strombegrenzungsmittel vorgesehen, durch das bei einem Auftre
ten einer Überspannung, beispielsweise eines Surge-Impulses,
das steuernde Bauelement vor einem sich einstellenden Überstrom
zunächst vollständig geschützt wird. Ist das Strombegrenzungs
mittel derart ausgelegt, daß seine Strombegrenzungswirkung nur
zeitlich begrenzt in voller Höhe anhält, so wirkt es mit, dem
gesteuerten Bauelement bzw. der gesteuerten Baugruppe derart
zusammen, daß spätestens zu Beginn der sich reduzierenden
Strombegrenzung das gesteuerte Bauelement bzw. die gesteuerte
Baugruppe, wenigstens teilweise die Überspannungs-Schutzfunktion
für das steuernde Bauelement übernimmt.
Vorzugsweise weist das Strombegrenzungsmittel eine Induktivität
auf, welche mit dem steuernden Bauelement in einer Reihenschal
tung gekoppelt ist. Es ist bekannt, daß eine solche Induktivi
tät bei einem sprunghaften Spannungsanstieg anfänglich ledig
lich einen geringen Stromfluß zuläßt, wobei jedoch die Strom
stärke anschließend kontinuierlich zunimmt. Als gleichwirkende
Alternativen des Strombegrenzungsmittels können wahlweise eine
Luftspule oder eine sättigbare Drossel eingesetzt werden.
Das zu steuernde Bauelement kann ein Leistungstriac oder ein
Leistungstyristor sein, der bauartbedingt einen hohen Strom
aufnehmen kann. Eine solche Stromaufnahme ist ihm jedoch erst
dann ermöglicht, wenn er bereits gezündet hat, d. h. durchge
schaltet ist. Da ein solcher Leistungstriac bzw. -tyristor in
seinem Zündverhalten relativ, träge ist, ist ein zusätzliches,
schnellwirkendes Strombegrenzungsmittel erforderlich, um das
steuernde Bauelement, welches wesentlich empfindlicher als der
Leistungstriac bzw. -tyristor ist, vor den Folgen der Überspan
nung zu schützen.
In einer bevorzugen Ausgestaltung der Erfindung ist neben dem
Leistungstriac als gesteuertes Bauelement ein weiterer Triac,
ein sogenannter Vorstufentriac zur Ansteuerung des Leistungs
triacs vorgesehen. Das Strombegrenzungsmittel, also zum Bei
spiel eine Drossel oder eine Luftspule, liegt in Reihe mit dem
Vorstufentriac. Mittels des durch den Vorstufentriac geführten
Stromes wird der Leistungstriac gesteuert. Beim Auftreten einer
Überspannung, welche unmittelbar zu einem besonders hohen
Stromfluß durch den Vorstufentriac führen kann, begrenzt an
fänglich die induktive Wirkung der Drossel den Überstrom beson
ders stark. Die Induktivität der Drossel kann jedoch nicht aus
reichend groß gewählt werden, um den Strom über die lange Zeit,
in der die Überspannung anstehen kann, wirkungsvoll zu begren
zen. Allerdings reicht die induktive Wirkung aus, um die Strom
begrenzung solange, einzustellen, bis der Leistungstriac durch
den im Vorstufentriac anwachsenden Strom gezündet hat.
Von diesem Zeitpunkt an wird der wesentliche Teil des Überstro
mes durch den Leistungstriac geführt, der dafür ausreichend ro
bust ausgestaltet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen eines
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines als Durchlaufer
hitzer ausgebildeten Heißwasserbereiters mit einem
beheizten Durchflußheizkörper;
und
Fig. 2 einen Ausschnitt einer Schaltung zum Ansteuern des
Heizelementes des Durchflußheizkörpers gemäß Fig. 1.
Ein Durchlauferhitzer 1 zum Erhitzen von kaltem Leitungswasser
weist zum Anschluß an die Kaltwasserleitung 3 einen internen
Kaltwasserleitungsabschnitt 3' auf. Der interne Kaltwasserlei
tungsabschnitt 3' mündet in einem Durchflußheizkörper 7, in
welchem das durchfließende Leitungswasser mittel einer elektri
schen Heizwendel 2 erhitzt wird. Nach dem Passieren des Durch
flußheizkörpers 7 gelangt das erhitzte Wasser über eine interne
Heißwasserleitung 5' an ein Heißwasseranschlußrohr 5. Zur Tem
peraturregelung ist ein Temperatursensor 11 vorgesehen, der an
die Heißwasserleitung 5' gekoppelt ist. Der Temperatursensor 11
ist über eine Verbindungsleitung 13 an eine Regelelektronik 15
des Durchlauferhitzers 1 angeschlossen und übermittelt seine
Signale an diese. Über eine nicht näher dargestellte Auswer
teelektronik wird der Energiebedarf für die Heizwendel 2 des
Durchflußheizkörpers 7 bestimmt. Wird Wärmeenergie benötigt, so
wird die Heizwendel 2 über Anschlußleitungen 9 an eine Netz
spannungsquelle geschaltet. Zu diesem Zweck ist als Schalter
ein Leistungstriac 17 vorgesehen, der den Stromfluß des Hei
zungsstroms ermöglicht bzw. sperrt. Der Leistungstriac 17 wird
durch einen optischen Triac als Vorstufentriac 19 angesteuert,
indem der Vorstufentriac 19 einen Gatestrom für den Leistungs
triac 17 liefert. Der Arbeitspunkt des Leistungstriacs 17 wird
durch eine Spannungsteilerschaltung mit einem Widerstand R1 mit
39 Ohm und einem Widerstand R2 mit 330 Ohm im Leistungs
strompfad des Vorstufentriacs 19 eingestellt. Ebenfalls im Lei
stungsstrompfad des Vorstufentriacs 19 befindet sich als Strom
begrenzungsmittel eine Drossel L1 mit 680 Micro-Henry, welche
als ein erstes Sicherungsglied für den Vorstufentriac 19 beim
Auftreten einer Überspannung vorgesehen ist.
Tritt eine solche Überspannung bei nicht angesteuertem Heizele
ment 2 des Durchflußheizkörpers 7 auf, so stellt sich infolge
dieser Überspannung ein sogenanntes Überkopfzünden des Vor
stufentriacs 19 ein. Dies bedeutet, daß der Vorstufentriac 19
fehlerhafterweise durchgeschaltet wird, obwohl er nicht ange
steuert ist. Durch die Reininduktivität der Drossel L1 wird un
mittelbar nach dem Zünden des Vorstufentriacs 19 verhindert,
daß der Stromfluß durch den Vorstufentriac 19 einen für diesen
kritischen Wert einnimmt. Die Strombegrenzungswirkung der Dros
sel L1 wirkt jedoch nur für eine begrenzte Zeit, da die Induk
tivität der Drossel L1 nicht beliebig groß ausgelegt werden
kann. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen:
Bei einer Induktivität von 680 Micro-Henry und einer auftreten den Überspannung von 2000 Volt beträgt die Stromanstiegsge schwindigkeit, die sich bei dieser Induktivität einstellt, ca. 2,9 A/Micro-Sekunden. Bei einer angenommenen Überspannungsdauer von 10 Micro-Sekunden würde der Absolutstrom durch den opti schen Triac 29 A betragen. Da er aber nur für einen maximalen Strom von ca. 1 bis 2 A dimensioniert ist, würde diese Über spannung bei der gewählten Induktivität den Vorstufentriac 19 zerstören.
Bei einer Induktivität von 680 Micro-Henry und einer auftreten den Überspannung von 2000 Volt beträgt die Stromanstiegsge schwindigkeit, die sich bei dieser Induktivität einstellt, ca. 2,9 A/Micro-Sekunden. Bei einer angenommenen Überspannungsdauer von 10 Micro-Sekunden würde der Absolutstrom durch den opti schen Triac 29 A betragen. Da er aber nur für einen maximalen Strom von ca. 1 bis 2 A dimensioniert ist, würde diese Über spannung bei der gewählten Induktivität den Vorstufentriac 19 zerstören.
Dies wird jedoch dadurch verhindert, daß infolge des Stroman
stieges im Vorstufentriac 19 der Leistungstriac 17 nach ca. 1
Micro-Sekunde gezündet wird. Somit beträgt der maximale Strom
im Vorstufentriac 19 nur ca. 2,9 A. Dies kann der Vorstufentriac
19 für kurze Zeit aushalten, zumal diese Betriebsart relativ
selten vorkommt.
Wird der Induktivitätswert der Drossel L1 dem Einschaltverhal
ten des Leistungstriacs 17 angepaßt, so können die Einschalt
verluste des Leistungstriacs 17 gering gehalten werden, was zu
einem besonders schnellen Einschalten des Leistungstriacs 17
führt. Dieses schnelle Einschalten des Leistungstriacs 17 be
wahrt somit den Vorstufentriac 19 vor Zerstörung, da die Über
spannung von ihm weggenommen wird. Der Stromanstieg im Lei
stungstriac 17 kann darüber hinaus wirkungsvoll gering gehalten
werden, indem eine Heizwendel 21 des Durchflußheizkörpers 7 ei
nen hohen Induktivitätswert aufweist.
Claims (12)
1. Elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung mit einem
steuernden Bauelement, das auf eine in der Höhe begrenzte
Betriebsspannung ausgelegt und bei einer die Betriebsspan
nung wesentlich übersteigenden, Überspannung beschädigbar
ist, wobei von diesem steuernden Bauelement ein gesteuertes
Bauelement oder eine gesteuerte Baugruppe einstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Strombegrenzungsmittel (L1)
vorgesehen ist, das mit dem gesteuerten Bauelement (17) bzw.
der gesteuerten Baugruppe derart zusammenwirkt, daß das
steuernde Bauelement (19) vor einem bei einem Auftreten der
Überspannung hervorgerufenen Überstrom zunächst vollständig
durch das Strombegrenzungsmittel (L1) und anschließend zu
mindest teilweise durch das gesteuerte Bauelement (17) bzw.
durch die gesteuerte Baugruppe schützbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strombegrenzungsmittel (L1) eine Induktivität auf
weist, welches in einer Reihenschaltung zum steuernden Bau
element (19) angeordnet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strombegrenzungsmittel (L1) eine Luftspule ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strombegrenzungsmittel (L1) eine sättigbare Drossel
ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß das zu steuernde Bauelement (17)
ein Leistungstriac oder ein Leistungstyristor ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß das schaltende Bauelement (19) ein
Vorstufentriac und das Strombegrenzungsmittel (L1) eine in
einer Reihenschaltung im Leistungsstromkreis des Vorstufen
triacs angeordnete Luftspule oder Drossel ist und daß durch
den Vorstufentriac ein Leistungstriac einstellbar ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines steuernden Bauelementes in ei
ner elektrischen oder elektronischen Schaltungsanordnung,
welches auf eine in der Höhe begrenzte Betriebsspannung aus
gelegt ist und bei einer die Betriebsspannung wesentlich
übersteigenden Überspannung beschädigt wird, wobei dieses
steuernde Bauelement ein gesteuertes Bauelement oder eine
gesteuerte Baugruppe einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Strombegrenzungsmittel (L1) mit dem gesteuerten Bauele
ment (17) bzw. der gesteuerten Baugruppe derart zusammen
wirkt, daß das steuernde Bauelement (19) vor einem bei einem
Auftreten der Überspannung hervorgerufenen Überstrom zu
nächst vollständig durch das Strombegrenzungsmittel (L1) und
anschließend zumindest teilweise durch das gesteuerte Bau
element (17) bzw. die gesteuerte Baugruppe geschützt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein
eine Induktivität aufweisendes Bauteil (L1), das in einer
Reihenschaltung im Leistungsstromkreis eines als steuerndes
Bauelement (19) vorgesehenen Vorstufentriacs angeordnet ist,
den Überstrom zunächst begrenzt.
9. Verfähren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein
als gesteuertes Bauelement (17) vorgesehener Leistungstriac
durch einen anwachsenden Überstrom im Leistungsstromkreis
des Vorstufentriacs (19) geschaltet und der Überstrom wenig
stens zu einem großen Teil im Leistungsstromkreis des Lei
stungstriacs (17) geführt wird.
10. Heißwasserbereiter mit einem durch eine Heizwendel beheiz
ten Durchflußheizkörper, in dem eine Schaltungsanordnung
nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet wird und/oder in
dem ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 angewandt
wird.
11. Heißwasserbereiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Heizwendel (2) des Durchflußheizkörpers (7)
über ein als gesteuertes Bauelement (17) dienendes Lei
stungstriac schaltbar ist.
12. Heißwasserbereiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß die Heizwendel (2) des Durchflußheizkörpers (7) ei
ne Induktivität aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999104615 DE19904615A1 (de) | 1999-02-05 | 1999-02-05 | Elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung mit einem steuernden Bauelement und Verfahren zum Schützen dieses Bauelementes sowie Heißwasserbereiter |
Applications Claiming Priority (1)
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DE1999104615 DE19904615A1 (de) | 1999-02-05 | 1999-02-05 | Elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung mit einem steuernden Bauelement und Verfahren zum Schützen dieses Bauelementes sowie Heißwasserbereiter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19904615A1 true DE19904615A1 (de) | 2000-08-10 |
Family
ID=7896486
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999104615 Ceased DE19904615A1 (de) | 1999-02-05 | 1999-02-05 | Elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung mit einem steuernden Bauelement und Verfahren zum Schützen dieses Bauelementes sowie Heißwasserbereiter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19904615A1 (de) |
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- 1999-02-05 DE DE1999104615 patent/DE19904615A1/de not_active Ceased
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