DE2014444A1 - Regelschaltung für eine flexible Heizvorrichtung - Google Patents
Regelschaltung für eine flexible HeizvorrichtungInfo
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Description
DIPL-IKG. CURT WALLACH
DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH 20
8 MÜNCHEN 2, 2 5. MRZ. 1970
J. P. STEVENS & CO., INC.
New York, New York, V.St.A.
Regelschaltung für eine flexible Heizvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine elektronische Steuer- bzw. Regelschaltung m^ einer "triac-diac"-Kombination
für eine flexible Heizvorrichtung. Die Erfindung ■
ist insbesondere z.B. bei elektrischen Heizdecken und anderen elektrisch beheizbaren Stoffen, z.B. gewebten oder ungewebten
Vorhängen, Bodenbelägen und dergleichen, anwendbar. Die Ausdrücke "Temperaturregelmittel" und "Sensor" bezeichnen im
folgenden Elemente mit einem positiven Temperaturbeiwert,
z.B. sogenannte Plusistoren und Sensistoren oder alternativ einen einzigen Heißleiter, der einen negativen Temperaturbeiwert aufweist« Die zu aktivierende Heizvorrichtung umfaßt
außerdem verschiedene Kombinationen von gesteuerten Siliziumgleichrichtern
mit oder ohne Diacschaltungen oder eingebaute Zenerdioden, die Bestandteile einer Baugruppe bilden, welche
im folgenden als "Thyristor" bezeichnet wird*
Es sind bereits Heizvorrichtungen bekannt, bei denen
das Einschalten des Heizelements durch eine Schaltung gesteuert
wird, die einen Bimetallschalter oder einen Thermostaten umfaßt. Das auf Temperaturen ansprechende Element ist normalerweise
in einem zentral angeordneten Kasten untergebracht,
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der physikalisch von dem Heizelement und der zu "beheizenden
Zone getrennt ist. Derartige Anordnungen sind z.B. in den U.S.A.-PatentSchriften 3 385 958, 3 422 244 und 3 437 792
beschrieben. Wegen der erwähnten getrennten Anordnung der genannten TeLe ist es schwierig, die Temperatur in der zu
beheizenden Zone genau zu regeln. Außerdem sind auf Temperaturänderungen ansprechende Elemente der erwähnten Art normalerweise
träge, sie beanspruchen viel Raum, und ihr Stromverbrauch ist relativ hoch.
In den vorstehend genannten U.S.A.-Patentschriften sind
ferner sowohl Schaltungen mit gesteuerten Siliziumgleichrichtern als auch eine Thyristorschaltung beschrieben, wie
man sie bei der einer Heizvorrichtung zugeordneten Regelschaltung verwenden kann, wobei die Schaltung bei einem gesteuerten
Siliziumgleichrichter in einer Richtung leitfähig ist und direkt oder mit Hilfe von Transistortriggerschaltungen
getriggert bzw. gezündet wird, damit das Heizelement auf selektive Weise betätigt wird. Werden gesteuerte
Siliziumgleichrichter verwendet, kann das Heizelement nur während einer maximalen Zeitspanne eingeschaltet gehalten
werden, deren Länge einer Hälfte aller Perioden eines ihm zugeführten Wechselstroms entspricht. Triac-Regelschaltungen
die nicht mit zu ihrer Aktivierung dienenden Temperaturfühlern kombiniert sind, sind ferner in dem "SCR Manual 4th
Edition" der General Electric Company beschrieben und in Fig. 9.11 und 9-13 bis 9.15 (S. 187 bzw. 189), Fig. 7.9
(S. 140) sowie weiter unten in Fig. 7«10 dargestellte Die erfindungsgemäße
Anordnung unterscheidet sich jedoch von diesen bekannten Anordnungen dadurch, daß bei ihr eine Vollweg-Temperaturfühlerregelung
angewendet wird, bei der eine vereinfachte Thyristor-Diac-Schaltung vorgesehen ist, die besonders
geeignet ist, bei einer elektronisch geregelten Heizdecke oder bestimmten ähnlichen Heizvorrichtungen verwendet
zu werden.
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Die Erfindung sieht nüninenr eine triäc-diae-Kömbihation
mit' einem .Temperaturfühler lind einem Kondensator zürn
Steuern des Eins ehalt ens einer Heiz-y-orriöhtüng vor* Hierbei
handelt es sich im wesentlichen um eine Steuersch<üng für
eine HeizvorrichtüngV Ί5βΐ der die durch die Heizvorrichtung
gebildete Last und die Steuervorrichtungen für eine elektrische Heizdecke mit einer TriäcschSLLtung in Reihe geschaltet
sind. Das Zünden der !Triacschaltung wird durch eine Diäcschaltung
gesteuert, die ihrerseits durch einen variablen Widerstand und einen Temperaturfühler gesteuert Wird<
> In der · Praxis bietet die Erfindung besondere Vorteile i da bei ihr
die Gesamtzahl der benötigten Schaltungselemente im Vergleich
zu den bis jetzt bekannten Schaltungen auf ein Minimum herabgesetzt
ist. Die erfindungsgemäße Schaltung arbeitet wirtschaftlich,
da der Stromverbrauch der Steuer- bzw. Kegelschaltung niedrig ist, so daß man die Schaltung in einem
relativ kleinen Raum unterbrigen kann» Somit sieht die Erfindung nicht nur eine erhebliche Vereinfachung einer
Steuer- bzw« Regelschaltung für den erwähnten Zweck vor, sondern es wird zum erstenmal eine Steuer- bzw-r Regelschaltung
geschaffen, die mit einem positiven Temperaturbeiwert arbeitet. Im Anschluß an die Beschreibung einer solchen Schaltung
wird jedoch eine alternative Ausführungsform beschrieben, die
mit einem negativen Temperäturbeiwert arbeitete
. Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung
werden im folgenden an Hand schematischer. Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Schaltung gemäß der Erfindung
mit einem Fühler, der mit einem positiven Temperaturbeiwert arbeitete
Fig. 2 zeigt eine abgeänderte erfindungsgemäße Schaltung
mit einem Thermistor mit einem negativen Temperaturbeiwert.
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In Fig. 1 erkennt man eine erfindungsgemäße Schaltung
zum Hegeln des Betriebs einer Heizvorrichtung. Zwischen Eingangsklemmen
1 und 2 ist eine Wechselstromquelle bekannter . Art angeschlossen» Außerdem sind die Klemmen 1 und 2 durch
eine Reihenschaltung überbrückt, die einen verstellbaren Widerstand E^., einen Fühler T, einen festen Widerstand Eg
und einen Kondensator C umfaßt. Weiterhin ist an die Klemmen 1 und 2 eine Reihenschaltung angeschlossen, die eine Heizvorrichtung
L und die Hauptklemmen eines Triac TR umfaßt. Ein Diac D ist mit dem Knotenpunkt zwischen dem Widerstand Ep
und dem Kondensator C verbunden und mit seiner anderen Klemme an die Steuerelektrode des Triacs bzw. Thyristors TR angeschlossen.
Der Diac D kann in manchen Fällen einen festen P Bestandteil des Thyristors bilden, so daß er bei der Verwendung
eines solchen Thyristors automatisch vorgesehen ist. Bei der Heizvorrichtung L kann es sich z.B. um eine Heizwicklung
handeln. Natürlich könnte der Fühler T auch mit einem Thermostaten bekannter Art, z.Bo einem Bimetallthermostaten,
in Reihe geschaltet sein, und dieser Thermostat würde zusätzlich zu seiner Fühlfunktion den Fühler selbst in Tätigkeit
setzen bzw. wirkungslos machen.
Der Fühler T hat vorzugsweise einen positiven Temperaturbeiwert, und die elektrischen Werte des verstellbaren
Widerstandes R^, des Fühlers T, des festen Widerstandes R2
und des Kondensators C sind so gewählt, daß die Einschalt- * zeit des Thyristors TR entsprechend der gewählten Temperatur
geregelt wird, auf die die Heizvorrichtung mit Hilfe des verstellbaren Widerstandes R^ eingestellt worden ist, und daß
die tatsächliche Temperatur der Zone geregelt wird, welche durch die Heizvorrichtung L bestimmt wird, durch die die
Temperatur des Fühlers T beeinflußt wird.
Bekanntlich umfaßt ein Triac oder Thyristor ein in beiden Richtungen leitfähiges Element, und seiner Steuerelektrode
muß eine Energiemenge zugeführt werden, die mindestens gleich der Schwollenergie des Triacs ist, wenn der
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■·■-' -.Z5- 2-Q1Λ 4.4 A.
Triac bzw. Thyristor gezündet und leitfähig gemacht werden
soll» Daher läßt ein Thyristor den über die Eingangsklifemmen und 2 zugefiihrten Wechselstrom während der positiven oder negativen
Halbperioden durch, vorausgesetzt,;daß seiner Steuerelektrode
eine mindestens der Schwellenergie entsprechende Energiemenge zugeführt worden ist, um ihn in den,leitfähigen
Zustand zu bringen. Ferner bleibt der Thyristor während des verbleibenden Teils der entsprechenden positiven oder negativen
Halbperiode leitfähig, nachdem er dadurch leitfähig
gemacht wurde, daß seiner Steuerelektrode eine mindestens der Schwellenergie entsprechende Energiemenge zugeführt wurde·
Die in Fig. 1 dargestellte Kombination eines Thyristors
oder Triac mit einem Diac liefert eine Vollwegphasenregelung für die Heizvorrichtung L. Der der Steuerelektrode
des Thyristors TR zugeführte Strom kann der an dem Thyristor
erscheinenden Spannung maximal um 90° voreilen, was sich jeweils nach den relativen elektrischen Werten des Kondensators
C und den Widerstandswerten des verstellbaren Widerstandes E^, des Temperaturfühlers T und des festen Widerstandes
Eo richtet. Durch Variieren der relativen Größe der
elektrischen Werte der Widerstandselemente und des Kondensators kann man den Zündwinkel, d.h. den Punkt, an dem der
Thyristor während der positiven oder negativen Halbperioden gezündet wird, und daher auch die Einschaltzeit des Thyristors
entsprechend variieren.
Es sei angenommen, daß der verstellbare Widerstand E^j
auf einen vorbestimmten Widerstandswert eingestellt worden ist. Wenn die Temperatur des Temperaturfühlers T zunimmt,
erhöht sich auch sein Widerstand entsprechend. Infolgedessen geht die Spannung zurück, auf die der Kondensator O aufge»
laden werden kann, und die Ladezeit des KondeHsators O verlängert
sich. Unter diesen Umständen wird der Steuerstrom dem Thyristor TE während der betreffenden Halbperiode später
zugeführt, und er kann gegebenenfalls nicht ausreichen, um
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den Thyristor zu zünden und ihn leitfähig zu machenj dies
richtet sich Jeweils danach, oh die zugeführte Energiemenge mindestens gleich der Schwellenergie des Thyristors ist
oder nicht. Selbst wenn die Schwellenergie erreicht bzw. überschritten wird und der Thyristor daher gezündet und leitfähig
gemacht wird, würde sich dieser Vorgang während der betreffenden Halbperiode in einem entsprechend späteren Zeitpunkt
abspielen, und daher würde die Einschaltzeit des Thyristors entsprechend verkürzt.
Wie erwähnt, handelt es sich bei der Einschaltzeit des Thyristors um diejenige Zeitspanne während der betreffenden
positiven und negativen Halbperioden, während welcher der Thyristor leitfähig ist, und diese Einschaltzeit ist gleich
der Zeitspenne, während welcher die Stromquelle mit der Heizvorrichtung L verbunden ist. Der Thyristor oder Triac TR
bildet im wesentlichen eine Torschaltung, durch die die Heizvorrichtung L eingeschaltet wird, wenn die Torschaltung leitfähig
wird, und durch die die Heizvorrichtung abgeschaltet wird, sobald die Leitfähigkeit des Thyristors aufgehoben
wird. Je langer die Einschaltzeit des Thyristors ist, desto langer wird daher auch die Einschaltzeit der Heizvorrichtung L,
und daher entwickelt die Heizvorrichtung eine entsprechend größere Wärmemenge.
Der Thyristor oder Triac TR bildet zusammen mit anderen w Schaltungseierne ten praktisch einen Kipposzillator, bei dem
die Triggerschaltung durch den Diac D feebildet ist. Da der Thyristor nach dem Zünden der Steuerschaltung keine Energie
entnimmt, ist der Widerstand R2 vorgesehen, um die Steuerenergie
zu begrenzen.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung, bei der die Widerstände R^ und R?
anders angeordnet sind, und bei der die Fühlvorrichtung T jetzt mit dem Kondensator C parallelgeschaltet ist, so daß
es möglich ist, einen Thermistor mit einem negativen Temperatur-
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beiwert zu verwenden. Die iffi fölgend.en beseliriebene Wirkungsr
weise der Schaltung nach Fig. 1 wird somit in der Weise abgeändert,
daß eine Änderung der elektrischen Werte der Schaltungselemente
erforderlich ist.* Und daß sich auch eine
Änderung der- phasenverschiebbafen Triggerung ergibt* doch
entspricht die Schaltung nach .Fig.. 2 ebenfalls den Grundgedanken der Erfindung* -
Im folgenden wird die Arbeitsweise der bevorzugten Ausführungsform
nach Fig. -i beschrieben, doch sei bemerktf daß die Schaltung nach Fig. 2 im wesentlichen in der gleichen
Weise arbeitet» . , ...."■'
Die elektronische Vorrichtung zum Steuern einer Heizvorrichtung arbeitet wie folgt: Wenn den Eingangsklemmen 1
mnd 2 ein Wechselstrom zugeführt wird, tritt die Regelschaltung
in Tätigkeit. Der Temper at ürwähler, z'.B. ein Thermostat,
und insbesondere der verstellbare Widerstand E,, wird eingestellt,-
um die gewünschte Temperatur zu wählen, die mit Hilfe der Heizvorrichtung L aufrechterhalten werden solle Wenn die
tatsächlich erreichte Temperatur niedriger ist als die gewählte Temperatur, hat der Temperaturfühler T einen solchen
Widerstand, daß der Thyristor oder Triac TE während der
positiven und negativen Teile des Eingangssignals, d.h. des zugeführten Wechselstroms, in einem entsprechenden Zeitpunkt
gezündet wirdo Daher ist der Stromkreis der Vorrichtung L
während der Einschaltzeit des Thyristors TE geschlossen, so daß die Heizvorrichtung schließlich die gewählte Temperatur
erzeugt. ' .
Sobald die gewählte Temperatur erreicht ist, nimmt der
Widerstand des Temperaturfühlers T einen solchen Wert an, daß der Thyristor TE so vorgespannt wird, daß er nicht mehr
leitfähig ist.. Wenn dann die tatsächliche Temperatur zurückgeht,
nimmt auch der Widerstand des Temperaturfühlers T ab ο Infolgedesssen wird der Thyristor TE während der positiven
sund negativen Halbperioden des Wechselstroms leitfähig
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gemacht, so daß der Strom dem Heizelement L erneut zugeführt wird.' Die Einschaltzeit des Thyristors TR variiert in Abhängigkeit
von der Abweichung der tatsächlichen Temperatur von der gewählten Temperatur bzw. der Solltemperatur, die
durch die Einstellung des verstellbaren Widerstandes R^
bestimmt ist, d.h. je größer die Temperaturabweichung ist,
desto langer wird die Einschaltzeit des Thyristors»
Wenn die Temperatur des Temperaturfühlers T infolge des Ansteigens der tatsächlichen Temperatur wieder zunimmt, so
daß sich sein Widerstand wieder vergößert, verkürzt sich die Einschaltzeit des Thyristors TR, und sie geht auf Null zurück,
wenn die tatsächliche Temperatur die Solltemperatur erreicht. Dieses Arbeitsspiel wiederholt sich automatisch, so
daß die tatsächliche Temperatur im wesentlichen konstant und gleich der gewählten Temperatur gehalten wird.
Somit hält die Regelschaltung für die Heizvorrichtung
die tatsächliche Temperatur relativ konstant auf der gewählten Temperatur, und zwar insbesondere deshalb, weil der
Thermistor schnell auf Änderungen des seiner Steuerelektrode zugeführten Signals anspricht. Ferner erweist sich die erfindungsgemäße
Regelschaltung bei dem vorgesehenen Verwendungszweck als besonders vorteilhaft, da sie nur eine geringe
Leistung aufnimmt, und daß sie eine minimale Zahl von Bauteilen umfaßt, so daß sie nur sehr wenig Raum beansprucht.
Wenn die durch das Einstellen des varibalen Widerstandes R. gewählte Temperatur niedriger ist als die tatsächliche
Temperatur, wird der Thyristor TR durch eine Vorspannung gesperrt, bis die Ist-Temperatur zurückgeht und die gewählte
Solltemperatur unterschreitet. Der Temperaturfühler T ist so angeordnet, daß er auf die tatsächliche Temperatur der Zone
oder des Elements anspricht, die durch die Heizvorrichtung L geregelt werden soll.
Wird der Widerstandswert des Widerstandes R,- verkleinert,
erhöht sich die gewählte Temperatur, und daher verlängert
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sich die Einschaltzeit des !Thyristors; eine Erhöhung des
Widerstandswertes des Widerstandes B,- führt zu einer Herabsetzung
der gewählten Solltemperatur und damit auch zu einer Verkürzung der Einschaltzeit des Thyristors,
Natürlich kann man in Verbindung.mit der vorstehend
beschriebenen Regelschaltung einen Ein- und Ausschalter, eine Überlastungsschutzvorrichtung und eine Anzeigelampe (nicht
dargestellt) vorsehen. Diese Schaltungselemente sind nicht dargestellt, da sie von bekannter Art sind. Ferner kann man
den verstellbaren Widerstand B^ durch ein Potentiometer ersetzen,
und man kann einen Heißleiter'mit einem negativen
Temgeraturbeiwert verwenden, wenn man die übrigen Schaltungselemente
entspre&hend abändert.
Es sei bemerkt, daß man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die verschiedensten Abänderunge und
Abwandlungen vorsehen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu
verlassen«
Wenn man z.B. einen kleinen Bimetallthermostaten in
Anlage an einem Thyristor, einem gesteuerten Siliziumgleichrichter
oder einem Triac oder einer oder mehreren anderen Vorrichtungen anordnet, fühlt der Thermostat die Temperatur
des betreffenden Schaltungselements, wenn es eingeschaltet wird, und wenn dem Schaltungselement mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Schaltung eine Bezugsspannung zugeführt wird,-wird
die Stromzufuhr unterbrochen, sobald die Temperatur des Gehäuses (z,Bo eines Thyristors) den vorher eingestellten
Wert erreicht. Hierdureh-fwird der Stromkreis innerhalb des
Regelelements selbst vollständig unterbrochen, und die
Wirkungsweise der elektronischen Regelschaltung, die den Heißleiter umfaßt, wird ergänzt. Somit arbeiten die erfindungsgemäßen Schaltungen auch bei fehlerhafter Benutzung zuverlässigj
so daß öle als Schutzvorrichtungen zur Wirkung
kommen. '
Patentansprüche ? . 009841/1277
Claims (10)
- 20HU4/οPATENTANSPRÜCHEί1. Regelschaltung für eine flexible Heizvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Stromquelle mit einer ersten Ausgangsklemme (1) und einer zweiten Ausgangskiemme (2), einen Thyristor mit einer ersten und einer zweiten Hauptklemme und einer Steuerelektrode, dessen Hcuptklemmen mit den Ausgangsklemmen der Stromquelle verbunden sind, ein Heizelement (L), das mit den Ausgangsklemmen der Stromquelle und den Hauptklemmen des Thyristors in Reihe geschaltet ist, eine die Ausgangskiemmen der Stromquelle überbrückende, einen verstellbaren Widerstand (R,,), Schaltmittel, einen Temperaturfühler (T) und einen Kondensator (C) umfassende Reihenschaltung, sowie einen zwischen der Steuerelektrode des Thyristors und einer Klemme des Kondensators angeschlossenen Diac, wobei die andere Klemme des Kondensators mit einer der Ausgangsklemmen der Stromquelle verbunden ist.
- 2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (T) einen Thermostatschalter umfaßt.
- 3. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch, g e k e η η zeichnet, daß der Thyristor (TR) ein Triac ist, und daß der Temperaturfühler (T) einen positiven Temperaturbeiwert hat.
- 4. Regelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Thyristor (TR) ein Triac ist und der Temperaturfühler (T) einen positiven Temperaturbeiwert hat.
- 5· Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (TR) ein Triac ist und009841/12722Q1UUder Temperaturfühler (T) ein Heißleiter mit einem negativen Temperaturbeiwert ist.
- 6. Regelsehaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (TR) ein Triac ist und der Temperaturfühler (T) ein Heißleiter mit einem negativen Temperaturbeiwert ist. ,
- 7. Regelschaltung nach Anspruch 5» dadurch ge ken n-Z--e i c h η e. t ,daß zwischen dem Temperaturfühler (T) und dem Kondensator (0) ein Widerstand (Rp) angeschlossen ist,
- 8. Regelschaltung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t., daß der Temperaturfühler (T) mit dem Kondensator (C) parallelgeschaltet ist, und daß die erwähnte Verbindung einen Widerstand (R*) umfaßtfc.
- 9ο Regelschaltung nach Anspruch 8,· dadurch gekennzeichnet , daß der Thyristor (TR) einen Thermostatschalter umfaßt. ■---'
- 10. Regelschaltung nach Anspruch 9» dadurch g e k e η η ζ e i c h net , daß der Thermostatschalter ein Bimetallelement ist.00-984 1/1.2 72Leerseite
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