DE19904615A1 - Elektrische oder elektronische Schaltungsanordnung mit einem steuernden Bauelement und Verfahren zum Schützen dieses Bauelementes sowie Heißwasserbereiter - Google Patents

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.

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.