DE202015000545U1

DE202015000545U1 - Vorrichtung zum kontrollierten Erhitzen eines Lebensmittels

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Publication number: DE202015000545U1
Application number: DE201520000545
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2015-03-13
Anticipated expiration: 2025-01-28

Abstract

Vorrichtung (1) zum Erhitzen eines Lebensmittels, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung mit wenigstens einer Kochplatte oder wenigstens einem Kochfeld zum Aufsetzen eines Kochtopfs, insbesondere einen Elektro-Herd oder eine Elektro-Kochplatte, gekennzeichnet durch a) einen an oder in einem Kochtopf an- oder einbringbaren Temperatursensor, b) eine Unterbrecher-Einrichtung zum Auftrennen der Stromzufuhr zu wenigstens einer Kochplatte oder zu wenigstens einem Kochfeld der elektrischen Heizeinrichtung, abhängig von der gemessenen Temperatur des Kochtopfs, c) eine Überbrückungs-Einrichtung mit wenigstens einem steuerbaren Leistungshalbleiter zum Überbrücken der Unterbrecher-Einrichtung, sowie d) eine Steuer-Einrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass die Einschaltphase des steuerbaren Leistungshalbleiters der Überbrückungs-Einrichtung mit zunehmender Temperatur des Kochtopfs reduziert wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zum Erhitzen eines Lebensmittels, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung mit wenigstens einer Kochplatte oder wenigstens einem Kochfeld zum Aufsetzen eines Kochtopfs, insbesondere einen Elektro-Herd oder eine Elektro-Kochplatte.
Für das Erhitzen von Lebensmitteln, also Kochen, Braten, Dünsten, Aufwärmen, Auftauen, etc., gibt es verschiedene Möglichkeiten. Elektroherde haben gegenüber Gasherden den Vorteil, dass der Energiefluss präziser gesteuert werden könnte, um die anfallende Abwärme zu vermindern. Jedoch werden die Möglichkeiten üblicher Elektroherde nicht genutzt; vielmehr unterliegt der Energiefluss im Allgemeinen einer genauen Beobachtung und Vorgabe durch den betreffenden Koch. Bestenfalls eine Zeitschaltuhr wird beispielsweise bei Mikrowellenherden verwendet, um die in das Lebensmittel fließende Energie zu begrenzen. Eine solche Zeitsteuerung ist jedoch sehr ungenau, da die Endtemperatur nach einer vorgewählten Zeitspanne nur grob abgeschätzt werden kann. Dies gilt in besonderem Umfang für herkömmliche Kochherde mit Hochfeldern, worauf ein Kochtopf aufgesetzt wird, weil hierbei das Ausmaß der an die Umgebung entweichenden Energie als zusätzlicher Störfaktor auftritt und eine Vorbestimmung der erforderlichen Energie zur Aufheizung des Lebensmittels auf eine vorgegebene Temperatur erschwert. Ferner gibt es bei bestimmten Kochverfahren das Erfordernis, eine vorgegebene Temperatur über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg konstant zu halten. Bei einer Zeitsteuerung sinkt jedoch nach Abschaltung der Energiezufuhr nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums die Temperatur des Lebensmittels kontinuierlich ab, bleibt also nicht konstant.
Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Erhitzen eines Lebensmittels derart weiterzubilden, dass das Lebensmittel unter minimalem Energieaufwand auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt wird und ggf. über einen längeren Zeitruam hinweg auf diesem Temperaturniveau gehalten werden kann.
Die Lösung dieses Problems gelingt durch

a) einen an einem Kochtopf befestigbaren Temperatursensor,
b) eine Unterbrecher-Einrichtung zum Aufrennen der Stromzufuhr zu wenigstens einer Kochplatte oder zu wenigstens einem Kochfeld der elektrischen Heizeinrichtung, abhängig von der gemessenen Temperatur des Kochtopfs,
c) eine Überbrückungs-Einrichtung mit wenigstens einem steuerbaren Leistungshalbleiter zum Überbrücken der Unterbrecher-Einrichtung, sowie
d) eine Steuer-Einrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass die Einschaltphase des steuerbaren Leistungshalbleiters mit zunehmender Temperatur des Kochtopfs reduziert wird.

Die Erfindung sieht somit eine Erfassung der Temperatur des betreffenden Kochtopfs vor. Mit dieser Information lässt sich der Kochprozess optimieren. Zum einen kann vor Erreichen einer gewünschten Temperatur der direkte Energiefluss von einem speisenden Netz zu der Heizeinrichtung unterbrochen werden, und andererseits kann stattdessen eine steuerbare Überbrückungs-Einrichtung aktiviert werden, um ein präzises Einschwingen des TemperaturIstwerts auf den Temperatur-Sollwert zu bewerkstelligen. Dies kann insbesondere ein geeigneter Regler leisten, welcher den jeweiligen Temperatur-Istwert mit dem vorgegebenen Temperatur-Sollwert vergleicht und die Leistungselektronik derart steuert, dass die Regelabweichung zwischen Soll- und Istwert minimiert wird.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass der Temperatursensor in einen Substratkörper eingebettet ist, vorzugsweise derart, dass der Temperatursensor an einer sensitiven Fläche oder an einer sensitiven Kontaktfläche exponiert oder zumindest zugänglich ist. Ein solcher Substratkörper kann einerseits den eigentlichen Temperatursensor schützend umgeben und andererseits eventuell für einen kleinen Abstand zwischen dem eigentlichen Temperatursensor und dem jeweiligen Kochtopf sorgen, damit der Temperatursensor nicht beschädigt werden kann.
Die Erfindung empfiehlt, dass der Temperatursensor eine sensitive Fläche oder Kontaktfläche aufweist, die durch physischen Kontakt mit einem Teil des Kochtopfs, insbesondere mit dessen Wandung, dessen Temperatur annimmt und diese sensiert, für reine Wärmestrahlung jedoch nicht sensitiv ist, so dass nur die Temperatur des betreffenden Kochtopfs sensiert wird. Dadurch kann die gemessene Temperatur dem unmittelbar kontaktierten Kochtopf zugeordnet werden und wird nicht durch anderes Kochgeschirr von anderen Kochplatten beeinflusst, wie dies bspw. bei einer Infrarotmessung zu befürchten wäre.
In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens kann ferner vorgesehen sein, dass die sensitive Fläche oder Kontaktfläche des Temperatursensors sowie eines diesen ggf. aufnehmenden Substratkörpers konkav gewölbt ist. Eine solche Gestaltung harmoniert mit der üblicherweise konvexen Oberflächen wölbung des Mantels eines Kochtopfs.
Zur Fixierung des Temperatursensors und/oder eines diesen ggf. aufnehmenden Substratkörpers sieht die Erfindung vor, diesen formschlüssig und/oder reibschlüssig und/oder magnetschlüssig an einem Kochtopf festzulegen ist, vorzugsweise an der Mantelfläche des Kochtopfs. Für eine Magnetbefestigung könnten seitlich neben dem eigentlichen Temperatursensor im Substratkörper Magnete, insbesondere Permanentmagnete, integriert sein. Für eine Befestigung an allen Kochtöpfen geeignet sind ein oder mehrere elastische Bänder, beispielsweise aus Gummi, welche den Kochtopf mitsamt der Temperatursensor-Baugruppe umschlingen und elastisch aneinanderpressen. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, den Temperatursensor auf dem Deckel des Kochtopfs aufzusetzen; jedoch kann die dortige Temperatur manchmal von der Temperatur des Kochgutes stärker abweichen als die Temperatur des Kochtopf-Mantels, so dass eine Befestigung daran zu bevorzugen ist, wobei der Kontakt möglichst intensiv sein sollte, um die Messwerte nicht zu verfälschen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die elektrische Heizeinrichtung wenigstens eine Kochplatte mit einem elektro-resistiven Energiewandler aufweist und/oder wenigstens ein Kochfeld mit einem induktiven Energiewandler oder mit einem Wandler zur Erzeugung einer Infrarotstrahlung. Es handelt sich hierbei jeweils um Energiewandler, welche elektrisch gespeist werden und eine Energieform erzeugen, welche unmittelbar oder spätestens im Kochtopf in Wärme umgewandelt wird, um das Kochgut zu erhitzen. Die elektrisch einzuspeisende Energie lässt sich weitaus präziser dosieren als beispielsweise in einem Gasstrom chemisch enthaltene Energie.
Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Energiezufuhr mit fortschreitendem Erwärmungsstadium gedrosselt wird, lassen sich mit der Erfindung auch verhältnismäßig träge reagierende Heizeinrichtungen verwenden, insbesondere eine Kochplatte oder ein Kochfeld mit einem elektro-resistiven Energiewandler, der eine höhere thermische Trägheit aufweist als Infrarot- oder Induktionsheizungen. Das frühzeitige Eingreifen des/der erfindungsgemäßen Regler vermeidet dennoch zuverlässig ein Überschwingen der Temperatur über die gewünschte Solltemperatur.
Zum Auftrennen der Stromzufuhr zu wenigstens einer Kochplatte oder zu wenigstens einem Kochfeld der elektrischen Heizeinrichtung sollte die Unterbrecher-Einrichtung ein elektrisch ansteuerbares Relais oder einen elektrisch ansteuerbaren Halbleiterschalter aufweisen. Durch eine elektrische Ansteuerung sind solche Schaltelemente optimal kompatibel mit einer elektrischen Steuer-Einrichtung, welche ihrerseits wiederum das elektrische Ausgangssignal eines Temperatursensors zu Steuerzwecken auswerten kann.
Eine Steuer-Einrichtung kann einen Zweipunktregler aufweisen, welcher derart ausgebildet ist, dass das elektrisch ansteuerbares Relais oder der elektrisch ansteuerbare Halbleiterschalter oberhalb einer ersten, vorgegebenen oder einstellbaren Temperatur den unmittelbaren Stromfluss zu der Heizeinrichtung unterbricht. Damit ist nach Überschreiten einer solchen Schaltschwelle die unmittelbare Energiezufuhr zu der Heizeinrichtung unterbrochen, die Heizwirkung wird dadurch reduziert; gleichzeitig ist nun im Bereich der Unterbrechung die Möglichkeit eröffnet, ein Stellglied zu betreiben, welches die weitere Energiezufuhr variabel beeinflussen kann.
Indem der Zweipunktregler andererseits derart ausgebildet ist, dass das elektrisch ansteuerbare Relais oder der elektrisch ansteuerbare Halbleiterschalter unterhalb einer zweiten, vorgegebenen oder einstellbaren Temperatur den unmittelbaren Stromfluss zu der Heizeinrichtung herstellt, ist für die Aufheizung des Kochgutes bis in die Nähe der angestrebten Temperatur ein unmittelbarer Energiefluss in die Heizeinrichtung gewährt, d. h., ohne die ansonsten unvermeidlichen Energieverluste in einem Stellglied.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die zweite Temperatur gleich der ersten Temperatur ist oder unterhalb jener liegt, beispielsweise wenigstens 1°C unterhalb der ersten Temperatur, vorzugsweise wenigstens 2°C unterhalb der ersten Tempertur, insbesondere wenigstens 5°C unterhalb der ersten Temperatur. Durch diese Maßnahme ist eine Art Hysterese geschaffen, d. h., der jeweilige Schaltzustand ist stabil und wird nur geändert, wenn eine Temperaturschwankung auftritt, welche größer ist als die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatur-Schaltschwellen.
Die Erfindung empfiehlt, dass die Überbrückungs-Einrichtung einen selbstlöschenden Leistungshalbleiter aufweist, dessen Einschaltphase durch den Nulldurchgang der Spannung an dem steuerbaren Leistungshalbleiter oder durch eine negative Spannung an letzterem beendet wird. Damit tritt im Fall eines Nulldurchgangs oder im Verlauf einer negativen Halbwelle einer speisenden Wechselspannung eine Unterbrechung des Stromflusses ein, und die Anordnung ist dadurch in elektrischer Hinsicht sehr stabil.
Zum Einleiten oder Auslösen der Einschaltphase des steuerbaren Leistungshalbleiters der Überbrückungs-Einrichtung sieht die Erfindung ein Eingangssignal vor, dessen Schaltflanke durch die Steuer-Einrichtung relativ zu dem Nulldurchgang der Spannung an dem steuerbaren Leistungshalbleiter verstellt wird. Wenn dieses Eingangssignal nicht über den nächstfolgenden Nulldurchgang der an dem betreffenden Leistungshalbleiter anliegenden Spannung oder bis über die folgende, negative spannungshalbwelle hinweg aufrechterhalten wird, so gelangt ein selbstlöschender Leistungshalbleiter anschließend selbsttätig wieder in den Sperrzustand, und dadurch kann die Dauer des leitenden Zustandes präzise vorgegeben werden. Der Ansteuerimpuls sollte dazu kürzer sein als eine Halbwelle der an dem Leistungshalbleiter anliegenden Wechselspannung und auch kürzer als der minimale zeitliche Abstand zwischen dem Beginn des auslösenden Ansteuerimpuls selbst und dem nächsten Nulldurchgang der an dem Leistungshalbleiter anliegenden Spannung.
Als steuerbarer Leistungshalbleiter zum Überbrücken der Unterbrecher-Einrichtung kann wenigstens ein Thyristor und/oder wenigstens ein Triac verwendet werden. Solche Bauteile sind fertig im Handel erhältlich.
Aus Sicherheitsgründen sollte eine Ansteuerschaltung für den steuerbaren Leistungshalbleiter mit einer Potentialtrennung versehen sein. Hierfür eignen sich u. a. Optokoppler, ggf. auch induktive Koppler. Infolgedessen ist das Spannungsniveau der Steuer-Einrichtung vollständig von dem Spannungspegel der Speisepannung getrennt und es besteht daher keine Elektrisierungsgefahr, auch wenn der Signaleingang der Steuer-Einrichtung für das Ausgangssignal des Temperatursensors keine zusätzliche Potentialtrennung aufweist. Aus Sicherheitsgründen kann aber auch dieser Signaleingang von dem Potential der übrigen Steuer-Einrichtung entkoppelt werden. Dies erscheint auch deshalb sinnvoll zu sein, um Leckageströme über den Tempertursensor zu dem Kochtopf und von dort zu einer ggf. geerdeten Kochplatte zu vermeiden, welche ansonsten das Ansprechen eines Fehlerstromschalters auslösen könnten.
Optimale Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Steuerschaltung einen Regler aufweist, beispielsweise einen kontinuierlich arbeitenden Regler, welcher vorzugsweise der Ansteuerschaltung für den steuerbaren Leistungshalbleiter vorgeschaltet ist. Einem solchen Regler lässt sich die Aufgabe übertragen, den Temperatur-Istwert an oder in dem Kochtopf einem Temperatur-Sollwert möglichst präzise nachzuführen.
Eine bevorzugte Regelstruktur besteht darin, dass der von dem Regler verwendete Regel-Istwert das Ausgangssignal des Temperatursensors oder ein davon abgeleitetes Signal ist. Diesen Regel-Istwert gilt es, Inder gewünschten Weise zu beeinflussen, um ein optimales Kochergebnis zu erzielen.
Die Erfindung zeichnet sich weiterhin aus durch wenigstens einen von dem Regler verwendeten Regel-Sollwert, der fest eingestellt oder variabel ist. Für Standardanwendungen wie bspw. Für die Zubereitung kochenden Wassers könnte dieser Temperaturwert auf beispielsweise auf 100°C fest eingestellt sein. Für die Erhitzung von Milch sollte ein etwas niedrigerer Wert verwendet werden wie z. B. 90°C. Zum Auftauen von Gefriergut könnte je nach Art desselben sogar ein noch niedrigerer Wert von z. B. 25°C genügen. Andererseits sind auch Fälle denkbar, wo eine höhere Sollwert-Temperatur erforderlich ist wie bspw. Beim Erhitzen von Fett zum Frittieren od. dgl. Daher bietet sich die Möglichkeit, für all jene Fälle jeweils diskrete Sollwert-Spannungen zur Verfügung zu stellen, aus welchen dann an einem mit weiteren Informationen wie „Kochen”, „Milch erhitzhen”, „Auftauen”, „Frittieren”, etc. beschrifteten Wählschalter die richtige Sollwert-Spannung ausgewählt wird. Andererseits ist es auch möglich, eine kontinuierliche Verstellmöglichkeit für die Sollwert-Spannung vorzusehen und den der jeweils aktuellen Sollwert-Spannung entsprechenden Temperatur-Sollwert anzuzeigen, beispielsweise an einer digitalen Anzeigevorrichtung, so dass ein Koch eine unmittelbare Rückkopplung über den jeweils eingestellten Sollwert erhält.
Für den Regler erscheint eine aufwändige Struktur nicht errforderlich zu sein. Er sollte aber in jedem Falle einen Proportionalanteil aufweisen. Der Regler kann daher als Proportionalregler ausgebildet sein. Natürlich wären grundsätzlich auch andere Strukturen denkbar wie zum Beispiel ein PI-Regler.
Andererseits lassen sich mit einer nichtlinearen Kennlinie des Reglers gute Ergebnisse erzielen. In diesem Zusammenhang schlägt die Erfindung vor, dass der Proportionalitätsfaktor oder der Proportionalanteil des Reglers in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Regel-Istwert und dem Regel-Sollwert variiert, entweder kontinuierlich oder vorzugsweise stufig.
Eine nichtlineare Übertragungskennlinie des Reglers sollte nach Möglichkeit jedoch keine Sprünge aufweisen. Knicke zwischen Bereichen mit jeweils konstanter Steigung der Reglerkennlinie sind jedoch zulässig.
Die Erfindung bevorzugt, dass die Steigung der Regler-Übertragungskennlinie des Proportionalanteils des Reglers mit abnehmender Differenz zwischen dem Regel-Istwert und dem Regel-Sollwert betragsmäßig zunimmt, solange der Regel-Istwert kleiner ist als der Regel-Sollwert. Natürlich nimmt der Verhältniswert zwischen Stellgröße und Regelabweichung mit zunehmender Regelabweichung zu. Der Grad der Zunahme in Form der Steigung der Übertragungskennlinie des Reglers kann jedoch verändert, insbesondere verringert werden, wenn die Regelabweichung steigt. Andererseits sollte die Regler-Übertragungskennlinie bei dem Sollwert selbst noch nicht auf Null zurückgehen, da ja aufgrund von Wärmeverlusten die Heizeinrichtung auch bei Erreichen des Temperatur-Sollwertes ständig nachheizen muss. Wenn der Temperatur-Sollwert erreicht ist, also die Regelabweichung bei Null liegt, kann die Übertragungskurve des Reglers aber auf 20% seines Maximalwertes oder weniger reduziert sein, beispielsweise auf 10% seines Maximalwertes oder darunter, vorzugsweise auf 5% seines Maximalwertes oder darunter.
Der Proportionalitätsfaktor oder Proportionalitätsanteil des Reglers sollte bei Null liegen, wenn der Regel-Istwert größer ist als der Regel-Sollwert. Da ja eine aktive Kühlung nicht vorgesehen ist, kann die Regler-Übertragungskennlinie nicht unter der Nulllinie verlaufen.
Indem die Unterbrecher-Einrichtung sowie die Überbrückungs-Einrichtung dem Leistungsanschluss der Heizeinrichtung elektrisch vorgeschalten ist, spürt die Heizeinrichtung von der Regelung nur den phasen- und/oder zeitweise bereits reduzierten Wert der Speisespannung und verwendet diesen anstelle der eigentlichen Spannung des speisenden Netzes. Daher ist im Allgemeinen eine Veränderung des Aufbaus oder der inneren Struktur der Heizeinrichtung entbehrlich und die erfindungsgemäße Anordnung kann bei jeder oder nahezu jeder Heizeinrichtung nachgerüstet werden.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung weiterhin vor, dass die Unterbrecher-Einrichtung, die Überbrückungs-Einrichtung und die Steuer-Einrichtung innerhalb eines Geräts oder Adapters untergebracht sind, der wenigstens einen Leistungs-Eingangsanschluss für ein Stromnetz, wenigstens einen Leistungs-Ausgangsanschluss für die elektrische Heizeinrichtung sowie wenigstens einen Signal-Eingangsanschluss für den Temperatursensor aufweist.
Bei einem Elektroherd ist üblicherweise eine Speisung aus einem Drehstromnetz mit drei Phasen üblich. Jedenfalls aus Gründen der Sicherheit und Erdung ist bei jedem dreiphasigen Drehstromnetz auch immer das Sternpunktpotential vorhanden. Die Ströme und Spannungen in den einzelnen Phasen lassen sich gegenüber diesem Sternpunktpotential unabhängig voneinander beeinflussen. Für einen solchen Anwendungsfall braucht ein vorzuschaltendes Gerät in nur eine Phase eingeschalten zu sein. Es benötigt daher als Leistungs-Eingangsanschlüsse nur eine Anschlussklemme für die betreffende Phase des speisenden Spannungsnetzes und eine andere Anschlussklemme für die entsprechende Phase des Elektroherds. Ggf. sind weitere Signal-Eingänge vorzusehen, beispielsweise ein Anschluss für das Sternpunktpotential, um aus der Phasenspannung ständig Hilfsenergie zum Betrieb der Steuerung oder Regelung abzweigen zu können, und natürlich Anschlüsse für einen Temperatursensor, sowie ggf. für weitere Steuer- oder Anzeigeelemente.
Bei einer tragbaren Kocheinrichtung mit beispilsweise ein oder zwei Kochplatten oder Kochfeldern ist zumeist ein Stecker vorhanden zum Einstecken an einer handelsüblichen Steckdose. Dort ist dann meistens nur eine Phase und der Nullleiter vorhanden sowie ggf. ein davon getrennter Leiter mit Erdpotential. In einem solchen Fall genügt es für die Leistungsanschlüsse eines erfindungsgemäßen Geräts oder Adapters, einen handelsüblichen Stecker vorzusehen zum Einstecken in eine Steckdose, beispielsweise in eine 230V-Wechselspannungs-Steckdose, sowie eine handelsübliche Steckmuffe oder Steckkupplung, in welche dann der Stecker der tragbaren Kocheinrichtung eingesteckt wird.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass die Hilfsenergie für die Steuer-Einrichtung innerhalb des Geräts oder Adapters von dem Leistungs-Eingangsanschluss für ein Stromnetz abgezweigt wird, insbesondere mittels eines Transformators und/oder Gleichrichters. Dadurch wird die Handhabbarkeit eines solchen Geräts oder Adapters weiter vereinfacht.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
1 ein konkretes, jedoch schematisiertes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Elektroherd, einem Temperatursensor und einer Einrichtung zur Leistungssteuerung;
2 ein abstrahiertes Blockschaltbild der Vorrichtung nach 1;
3 ein elektrisches Ersatzschaltbild mit den wichtigsten Komponenten des Regelkreises der Vorrichtung nach den 1 und 2;
4 ein detailliertes Elektro-Schaltbild der Regelkomponenten des elektrischen Ersatzschaltbildes nach 3;
5 ein detailliertes Elektro-Schaltbild der Leistungskomponenten des elektrischen Ersatzschaltbildes nach 3;
6a ein komplexes Vektordiagramm der Spannungen innerhalb der Schaltung nach 5 bei einer hohen Ausgangsspannung U_OK am Optokoppler;
6b die zeitlichen Verläufe der Netzspannung U_ntz und der Steuerspannung U_str für den Fall gemäß 6a, wobei die Grenz- oder Durchlassspannung U_d eingezeichnet ist, bei deren Überschreiten im Fall einer positiven Halbwelle der Netzspannung U_ntz der steuerbare Halbleiter zündet, im Fall einer negativen Halbwelle der Netzspannung U_ntz bei Unterschreiten der negativen Durchlassspannung –U_d;
7a ein komplexes Vektordiagramm der Spannungen innerhalb der Schaltung nach 5 bei einer niedrigen Ausgangsspannung U_OK am Optokoppler;
7b die zeitlichen Verläufe der Netzspannung U_ntz und der Steuerspannung U_str für den Fall gemäß 7a, wobei die Grenz- oder Durchlassspannung U_d eingezeichnet ist, bei deren Überschreiten im Fall einer positiven Halbwelle der Netzspannung U_ntz der steuerbare Halbleiter zündet, im Fall einer negativen Halbwelle der Netzspannung U_ntz bei Unterschreiten der negativen Durchlassspannung –U_d;
8 eine Übertragungskurve der Vorrichtung nach den 1 bis 5;
9 eine Ansicht auf die temperatursensitive Vorderseite einer Baugruppe mit dem Temperatursensor nach 1;
10 einen Schnitt durch die 9 entlang der Linie X-X;
11 einen Schnitt durch die 9 entlang einer horizontalen Linie;
12 den eigentlichen Temperatursensor der Anordnung nach 9 bis 11; sowie
13 einen Schnitt durch die 12 entlang der Linie XIII-XIII.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 anhand eines Elektroherdes 2 als Heizeinrichtung zum Erhitzen von Speisen vorgestellt.
Der Elektroherd 2 umfasst ein Gehäuse 3, eine Oberseite 4 mit vier Kochplatten 5, eine Backröhre 6 und ein Bedienfeld 7 mit einer Anzeige 8 und mehreren Bedienelementen 9.
Jeder Kochplatte 5 ist ein Energiewandler 10 zugeordnet, beispielsweise in Form je einer Wicklung oder Spule aus einem Widerstandsdraht. Ein weiterer Energiewandler 11 ist der Backröhre 6 zugeordnet.
Jeder Energiewandler 10, 11 ist einseitig mit Erdpotential 12 verbunden. An seinem jeweils anderen Ende ist je ein Bedienelement 9 angekoppelt, welches im einfachsten Fall als EIN-/AUS-Schalter ausgebildet sein kann; in der 1 sind diese angekoppelten Schalt- oder Steuerelemente nicht dargestellt, sondern vielmehr durch einen Leitungsanschluss überbrückt wiedergegeben.
Jenseits der mit den Bedienelementen 9 gekoppelten Schalt- oder Steuerelemente sind die nicht auf Erdpotential 12 liegenden Anschlüsse der Energiewandler 10, 11 mit an der Rückseite des Elektroherds 2 herausgeführten Anschlüssen 13 verbunden, die beim Anschluss des Elektroherds 2 verschiedenen Phasen R, S, T eines Drehstromnetzes zugeordnet werden. Üblicherweise geschieht dies derart, dass bei insgesamt vier Kochplatten 5 jeweils zwei Kochplatten 5 parallel zueinander mit einem gemeinsamen Anschluss 13 verbunden sind; ein dritter Anschluss 13 ist mit dem Energiewandler 11 der Backröhre 6 verbunden. Bei einer solchen Konstellation werden also zwei Kochplatten 5 aus der Phase R gespeist, zwei weitere Kochplatten 5 aus der Phase S und die Backröhre aus der Phase T. Natürlich lassen sich die Phasen R, S, T beliebig anschließen und können insbesondere untereinander vertauscht werden.
Indem das Erdpotential mit dem Sternpunkt- oder Nullleiter N des Drehstromnetzes verbunden wird, schließen sich sämtliche Stromkreise aus den Phasen R, S, T jeweils über eben jenen Sternpunktleiter N.
Wie 1 weiter zeigt, eignen sich die Kochplatten 5 jeweils zum Aufsetzen eines Kochtopfs 14 mit einem Boden und einer Mantelfläche 15, worauf ein Deckel 16 aufgesetzt werden kann.
Für einen Kochvorgang wird der Kochtopf 14 mit den zu erhitzenden Lebensmitteln befüllt und nach Aufsetzen des Deckels 16 auf eine Kochplatte 5 gestellt. Nach Einschalten des zugeordneten Bedienelements 9 wird die Kochplatte 5 heiss und die Lebensmittel beginnen allmählich zu kochen.
Um diesen Kochvorgang zu optimieren und beispielsweise das Überkochen von Milch oder das Anbrennen von Speisen zu vermeiden, wird nun vor dem Einschalten des Bedienelements 9 ein Temperatursensor 17 an dem Kochtopf 14 befestigt.
Ein geeigneter Temperatursensor 17 ist in den 12 und 13 für sich genommen wiedergegeben und in den 9 bis 11 eingebettet in einen umgebenden Körper 18, beispielsweise aus einem hitzebeständigen Kunststoff. Das Material dieses umgebenden Körpers 18 sollte möglichst thermisch isolierend sein, damit der Körper 18 bei einem Kochvorgang nicht allzu heiss wird und jederzeit ergriffen und von dem Kochtopf 14 wieder abgenommen werden kann.
Der Temperatursensor 17 befindet sich in einer vorzugsweise etwa nutförmigen Vertiefung 19 in der dem Kochtopf 14 zugewandten Seite 20 des aus einer vorzugsweise etwa quaderförmigen Grundstruktur gearbeiteten Körpers 18.
Da in vielen Fällen der eigentliche Temperatursensor 17 sehr klein ist und/oder eine überwiegend gewölbte Oberfläche aufweist, sieht die Erfindung vor, diesen zunächst in einen Kontaktkörper 21 einzubauen und dann zusammen mit diesem in den umgebenden Körper 18 einzusetzen; natürlich kann ebenso gut auch der Körper 18 um den Kontaktkörper 21 herum erschaffen werden, beispielsweise mittels Spritzgusstechnik.
Ferner kann die dem Kochtopf 14 zugewandte Seite 20 des Körpers 18 mitsamt dem in der dortigen Vertiefung 19 zugänglichen Kontaktkörper 21 eine leicht konkave Wölbung erhalten, so dass er sich der Mantelfläche des Kochtopfs 14 optimal sowie unter guter thermischer Kontaktgabe anschmiegen kann.
Schließlich schützen sowohl der umgebende Körper 18 als auch der Kontaktkörper 21 den eigentlichen Temperatursensor 17 vor Beschädigungen infolge unsachgemäßer Handhabung.
Wie man den 9 und 10 weiter entnehmen kann, reicht die Vertiefung 19 zur Aufnahme des Temperatursensors 17 und Kontaktkörpers 21 über die Oberseite 22 des letzteren hinaus, nämlich bis zur Oberseite des umgebenden Körpers 18. In dem nach Einsetzen des Kontaktkörpers 21 oben verbleibenden, nutförmigen Bereich können sodann die Anschlussdrähte 23 des Temperatursensors 17 nach außengeführt sein. Dies hat den Vorteil, dass diese Anschlussdrähte 23 nach oben gerichtet und damit aus dem Einflussbereich der betreffenden, aber auch benachbarter Kochplatten 5 entzogen sind und also nicht beschädigt werden können.
Diese Anschlussdrähte 23 führen zu einem Steuergerät 24, das in 1 zu sehen ist.
Das Steuergerät 24 kann beispielsweise oberhalb des Elektroherdes 2 an die Wand geschraubt werden, falls in dem Gehäuse des Steuergerätes 24 unmittelbar Bedien- und/oder Anzeigeelemente integriert sind. Falls keine solchen Bedien- und/oder Anzeigeelemente vorhanden sind oder per Kabel an das Steuergerät 24 anschließbar sind, kann das Steuergerät 24 stattdessen auch direkt hinter dem Elektroherd 2 verankert werden, also unzugänglich und damit sicher vor Beschädigungen.
Das Steuergerät 24 ist leistungsmäßig in die Zuleitung 25 zwischen einer Phase R, S, T – im dargestellten Beispiel der Phase R – und dem betreffenden Anschluss 13 des Elektroherds 2 eingefügt.
In dem Steuergerät 24 befindet einerseits wenigstens einen Leistungswandler 26 sowie eine Steuerelektronik 27, die in den 3 und 4 dargestellt ist. Zu ihrem Betrieb benötigt die Steuerelektronik 27 eine Versorgungs- oder Betriebsspannung. Diese kann intern von der betreffenden Phase R abgeleitet werden; für einen derartigen, permanenten Spannungsabgriff wird dem Steuergerät 24 über ein weiteres elektrisches Verbindungskabel 28 noch das Potential des Sternpunktleiters N zugeführt, so dass in dem Steuergerät 24 ständig eine Phasenspannung U_ntz zwischen einer Phase R und dem Sternpunktleiter N zur Verfügung steht, wovon beispielsweise mittels eines Transformators und eines diesem nachgeschalteten Gleichrichters eine niedrige Gleichspannung von beispielsweise 5 V zur Versorgung der Steuerelektronik 27 mit Strom gewonnen werden kann.
Die grundsätzliche Funktionsweise der Vorrichtung 1 kann an dem vereinfachten Schema nach 2 abgelesen werden, wobei im oberen Bereich der Kochtopf 14 mitsamt dem Deckel 16 und einem an der Mantelfläche 15 applizierten Temperatursensor 17 zu erkennen ist sowie dessen Anschlusskabel 23.
Das Temperatur-Messsignal gelangt über die Leitung 23 zu dem Steuergerät 24 und wird dort auf zwei verschiedenen Wegen 24, 25 weiterverarbeitet:
Einerseits gelangt es auf dem Weg 24 zu einem übergeordneten diskreten Regler 29, welcher davon insbesondere die Entscheidung ableitet, ob das Steuergerät 24 überhaupt auf den Energiefluss zu dem Energiewandler 10 in der betreffenden Kochplatte 5 einwirken soll oder nicht; das jeweilige Ergebnis dieser Entscheidung wird an den Leistungswandler 26 weitergeleitet. Außerdem kann die übergeordnete Steuerung das Ausgangssignal des Temperatursensors 17 in kurzen Zeitabständen in Digitalwerte umwandeln und auf einer Anzeige 30 sichtbar machen.
Auf einem zweiten Weg 25 – der gegebenenfalls auch von dem in dem übergeordneten diskreten Reglerbaustein 29 erzeugten Digitalwerten abgegriffen werden kann – gelangt das Ausgangssignal des Temperatursensors 17 außerdem noch an einen vorzugsweise der übergeordneten diskreten Regelung 29 unterlagerten, anolgen Regler 31, welcher das Sensorsignal als Temperatur-Istwert mit einem beispielsweise an einem Potentiometer 32 einstellbaren Temperatur-Sollwert vergleicht und aus der dabei festgestellten Regel-Abweichung ein Stellsignal für eine dem Leistungswandler 26 bzw. dem Energiewandler 36 vorgeschaltete Leistungselektronik 33 samt Ansteuerschaltung 27 erzeugt.
In dieser Ansteuerschaltung 27 werden daraus bspw. Steuerimpulse erzeugt, welche einen vorzugsweise selbstverlöschenden Leistungshalbleiter 36 – beispielsweise in Form einer selbstverlöschenden Vierschichtdiode oder Dinistor – in den leitenden Zustand schalten. Durch die Zeitdauer dieser leitenden Phasen kann die dem Energiewandler 10 zugeführte elektrische Energie gesteuert werden, beispielsweise nach Art einer Phasenanschnittsteuerung. Somit kann aus dem von dem unterlagerten analogen Regler 31 erzeugten Stellsignal ein dazu etwa proportionaler Energiefluss zu dem Energiewandler 10 generiert werden.
Aus 3 ergibt sich, dass innerhalb des Steuergeräts 24 in dessen Leistungsteil ein Unterbrecher 34 vorgesehen ist, beispielsweise in Form eines Relais, welches aufgrund eines Steuersignals 35 von der übergeordneten diskreten Steuerung 29 geöffnet oder geschlossen wird.
Ist der Unterbrecher 34 geschlossen, empfängt der Energiewandler 10 seine elektrische Energie unmittelbar von der Phasenspannung der betreffenden Phase R gegenüber dem Sternpunktleiter N, ohne zwischengeschaltete, Verluste hevorrufende Elemente; der Kochtopf 14 und dessen Inhalt erwärmen sich unter höchstmöglicher Energiezufuhr.
Oberhalb einer vorgegebenen oder einstellbaren Temperatur sorgt die übergeordnete diskrete Regelung 29 über die Steuerleitung 35 für das Öffnen des Unterbrechers 34. Nun kann der Energiewandler 10 nur noch durch den parallel zu dem Unterbrecher 34 geschalteten Leistungshalbleiter 36 mit Energie versorgt werden.
In 3 links ist der unterlagerte analoge Regler 31 wiedergegeben, welcher über eine Ansteuerbaugruppe 33 samt Optokoppler 43 mit dem Leistungshalbleiter 36 gekoppelt ist. Dabei sind die einzelnen Elemente dieser Regel- und Ansteuer-Schaltblöcke vereinfacht dargestellt.
Eine genauere Darstellung der Komponenten des unterlagerten analogen Reglers 31 ist 4 zu entnehmen. Der eigentliche Regelbaustein 31 ist ein Proportionalregler 37, der in 4 rechts zu erkennen ist. Dieser erhält über einen ersten Verstärker 38 das Temperatursignal des Temperatursensors 17 als Temperatur-Istwert T_ist und darüber hinaus über einen zweiten Verstärker 39 den an dem Potentiometer 32 eingestellten Spannungswert als Temperatur-Sollwert Da einer der beiden Eingänge des Proportionalreglers 37 invertierend ist, der andere nicht, wird die Differenz aus Soll- und Istwert gebildet und sodann mit einem Proportionalfaktor P verstärkt. Das Ausgangssignal A = P·(T_soll – T_ist) ist größer null, solange der Temperatur-Istwert T_ist kleiner ist als der Temperatur-Sollwert T_soll; da eine negative Temperaturzufuhr, also eine aktive Kühlung, nicht vorgesehen ist, kann der Wert des Ausgangssignals A nach unten bei Null begrenzt werden, so dass insgesamt gilt: A ≥ 0.
Ein an einem weiteren Potentiometer 40 voreinstellbarer Spannungswert wird von einem Komparator 41 mit dem gemessenen Temperatur-Istwert verglichen. Übersteigt der Temperatur-Istwert die dem eingestellten Spannungswert entsprechende Temperatur, so erkennt die Schaltung, dass nun der eigentliche Temperatur-Sollwert, auf welchen geregelt wird, bald erreicht ist, und löst einerseits an einem Summer 42 ein akustisches Signal aus; andererseits wird nun die Porportionalverstärkung des Regelbausteins 37 verändert, so dass die Regelspannung A steiler absinkt als zuvor.
In 5 ist ein Teil der Ansteuerschaltung 33 ausführlicher dargestellt. Man erkennt, dass die Steuersignale mittels eines Optokopplers 43 potentialmäßig getrennt werden, um die hohen Spannungen des Leistungsteils und insbesondere dessen Potential von dem unterlagerten, analogen Regler 31 und der überlagerten, diskreten Regelung 29 fernzuhalten.
Die Ausgangssignale des Optokopplers 43 werden über ein Netzwerk 33 dem Leistungshalbleiter 36 zugeführt. Bei dem Leistungshalbleiter 36 handelt es sich vorzugsweise um einen Triac oder Symistor, also um ein Bauteil mit zwei integrierten, antiparallel geschalteten Thyristoren, die über einen Gateanschluß G gezündet werden können, und mit zwei weiteren Leistungsanschlüssen A1, A2, zwischen denen die zu schaltende Wechselspannung anliegt.
Das zwischen den Optokoppler 43 und den Leistungshalbleiter 36 geschaltete Leistungs-Ansteuer-Netzwerk 33 ist in 5 deutlich erkennbar, und seine Funktionsweise soll unter Bezugnahme auf die Phasendiagramme in den 6a, 7a und die Spannungsverläufe in den 6b, 7b erläutert werden: Der Optokoppler 43 verfügt über zwei Kanäle mit je einer Leuchtdiode und je einem Phototransistor. Die Leuchtdioden beider Kanäle sind extern parallel geschalten und werden also synchron betrieben. Während die beiden Kathoden der Leuchtdioden des Optokopplers 43 auf dem Massepotential der Steuerelektronik 27 liegen, sind die beiden Anoden der Leuchtdioden des Optokopplers 43 an das Ausgangssignal A = P·(T_soll – T_ist) des Proportionalreglers 37 angeschlossen, vorzugsweise über einen Koppelwiderstand. Mit steigendem Ausgangssignal A = P·(T_soll – T_ist) steigt also die Leuchtkraft beider Leuchtdioden des Optokopplers 43 und damit auch der Photostrom in dessen beiden Phototransistoren.
Die Ausgangsanschlüsse der beiden Phototransistoren sind in Reihe geschalten, d. h., der Emitteranschluss eines Phototransistors ist mit dem Kollektoranschluss des anderen verbunden. Dadurch verfügt der Optokoppler über insgesamt drei Ausgänge: Einen Kollektoranschluss eines Phototransistors, einen kombinierten Anschluss mit dem Emitter des ersten und dem Kollektor des zweiten Phototransistors und den Emitteranschluss des zweiten Phototransistors.
Diese drei Ausgangsanschlüsse des Optokopplers 43 sind an die drei Anschlüsse A₁, A₂ und G des Leistungshalbleiters bzw. Triacs 36 gekoppelt:
Die einzeln herausgeführten Emitter- und Kollektoranschlüsse des Optokopplers 43 sind über je eine von zwei Dioden D₁, D₂ mit einem Leistungsanschluss A₁ des Triacs 36 verbunden. Die beiden Dioden D₁, D₂ sind antiparallel geschalten, d. h., die Anode der ersten Diode D₁ ist mit dem Emitteranschluss des Optokopplers 43 verbunden, während die Kathode der anderen Diode D₂ mit dem Kollektoranschluss des Optokopplers 43 verbunden ist; die jeweils anderen Diodenanschlüsse der beiden Dioden D₁, D₂ untereinander sowie mit dem Leistungsanschluss A₁ des Triacs 36 verbunden sind.
Der kombinierte Emitter-/Kollektor-Ausgang des Optokopplers 43 ist dagegen über einen Kondensator C und einen Widerstand R an dem anderen Leistungsanschluss A₂ des Triacs 36 angeschlossen.
Während die beiden Dioden D₁, D₂ jeweils den zulässigen Strompfad während jeder Halbperiode der Netzspannung festlegen, ist das R-C-Netzwerk nach eine Art eines Hochpasses geschalten.
Nach Öffnen eines Phototransistors in dem Optokoppler 43 bricht die dortige Spannung U_OK zwischen dessen mittigen, kombinierten Emitter-Kollektor-Ausgang und dem Anschluss A₁ des Leistungshalbleiters oder Triacs 36 zusammen, da sowohl die betreffende Diode D₁, D₂ als auch der betreffende Phototransistor leiten und damit allenfalls jeweils eine Spannung von etwa 0,7 V abfällt, zusammen also maximal etwa 1,4 V, während die Netzspannung auf über 200 V ansteigt. Diese Spannung lieg dann größtenteils an dem R-C-Netzwerk 33 an. Da dessen Kondensator C mit dem Optokoppler 43, der Widerstand R jedoch mit dem Anschluss A₂ des Leistungstransistors oder Triacs 36 verbunden ist, fällt die Netzspannung im ersten Moment jeweils an dem Widerstand R ab, während der Kondensator C sich zunächst auf- oder umladen muss und daher erst allmählich die Netzspannung übernehmen kann. Mit anderen Worten, während die Spannung U_R am Widerstand R etwa in Phase mit der Netzspannung U_ntz ist, folgt die Spannung U_C dieser um näherungsweise etwa 90° phasenverschoben, wie den 6a und 7a zu entnehmen ist.
An dem Verbindungsknoten zwischen dem Kondensator C und dem Widerstand R ist ein nicht steuerbarer Halbleiter bzw. Dinistor oder Diac 45 angeschlossen, dessen anderer Anschluss mit dem Gate-Anschluss des steuerbaren Halbleiters oder Triacs 36 verbunden ist. Der Dinistor oder Diac 45 ist für ein Überkopf-Zünden ausgelegt, d. h., wenn seine Spannung einen Grenzwert übersteigt, zündet dieser und geht in den leitenden Zustand über, bis sich die Polarität seiner Spannung ändert.
Relevant für das Zünden des Diacs 45 und des Triacs 36 ist die Spannung U_str an dem Knoten zwischen Widerstand R und Kondensator C. Bei gesperrtem Triac 36 gilt: U_ntz = U_R + U_str, bzw.: U_str = U_ntz – U_R.
Übersteigt diese Steuerspannung U_str die kombinierten Schalt- bzw. Grenzspannungen U_S des Triacs 36 und des Diacs 45, so zünden diese.
Zwar bricht daraufhin die Spannung an dem Triac 36 zusammen, und die Netzspannung U_ntz fällt sodann nahezu vollständig über dem Energiewandler 10 ab. Dies hindert den Triac 36 jedoch nicht daran, im leitenden Zustand zu bleiben, bis die Netzspannung U_ntz ihre Polarität umkehrt. Diese Spannungsumkehr wird von dem Triac 36 erkannt und überführt diesen in den Sperrzustand. Nach einer Erholungsphase ist dieser wieder scharf geschalten und kann wieder gezündet werden – nun jedoch mit umgekehrter Polarität des Stromflusses.
In den 6a und 6b sind die Spannungen auf den Anschluss A₁ des Triacs 36 bezogen.
Bei 6a ist der Optokoppler 43 nicht vollkommen durchgeschalten und trägt demzufolge zu der Steuerspannung U_str bei; diese nimmt dadurch größere Werte an und eilt der Netzspannung U_ntz nur wenig nach und führt zu einem rascheren Zünden des Triacs 36 pro Halbperiode, weil die Schalt-Grenzwerte von Triac 36 und Diac 45 früher erreicht werden. Die Einschaltschwelle wird in diesem Falle bereits nach weniger als 90° einer Halbperiode erreicht, gemäß 6b bei etwa 45°, bezogen auf den letzten Nulldurchgang der Netzspannung U_ntz.
Gemäß 6b ist der Optokoppler 43 dagegen vollkommen durchgeschalten – U_OK wird näherungsweise zu Null, und die Steuerspannung U_str wird einzig durch den Spannungsabfall U_C an dem Kondensator C verursacht, welcher einerseits niedriger ist als im Fall der 6a, und andererseits der Netzspannung um etwa 90° nacheilt. Die Einschaltschwelle wird in diesem Falle erst nach mehr als 90° einer Halbperiode erreicht, gemäß 67 bei etwa 135°, bezogen auf den letzten Nulldurchgang der Netzspannung U_ntz.
Wie man den 2 und 3 weiter entnehmen kann, kann das Relais 34 und der steuerbare Halbleiterschalter 36 ohne weiteres parallel betrieben werden, d. h., ohne jegliche Schutzbeschaltung in Form von Kondensatoren od. dgl. Ist der Schalter 34 geschlossen, so ist dadurch die Spannung zwischen den Leistungsanschlüssen A₁, A₂ des Triacs 36 gleich Null, und demzufolge kann dieser nicht zünden, selbst wenn er von dem unterlagerten analogen Regler 31 ein Ansteuersignal erhält. Demzufolge ist an dem gesteuerten Anschluss 13 des Energiewandlers 10 eine ODER-Verknüpfung realisiert, d. h., dieser Anschluss des Energiewandlers 10 wird entweder von dem überlagerten diskreten Regler 29 oder von dem unterlagerten analogen Regler 31 mit Strom versorgt; erzeugt keiner dieser beiden Regler 29, 31 ein aktives Ansteuersignal, so bleibt der Energiewandler 10 stromlos.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Elektroherd
3: Gehäuse
4: Oberseite
5: Kochplatte
6: Backröhre
7: Bedienfeld
8: Anzeige
9: Bedienelement
10: Energiewandler
11: Energiewandler
12: Erdpotential
13: Anschluss
14: Kochtopf
15: Mantelfläche
16: Deckel
17: Temperatursensor
18: Körper
19: Vertiefung
20: Seite
21: Kontaktkörper
22: Oberseite
23: Anschlussdrähte
24: Steuergerät
25: Zuleitung
26: Leistungswandler
27: Steuerelektronik
28: Verbindungskabel
29: Diskreter Regler, übergeord.
30: Anzeige
31: Analoger Regler, untergeord.
32: Potentiometer
33: Leistungssteuergerät
34: Unterbrecher
35: Steuerleitung
36: Leistungshalbleiter
37: Proportionalregler
38: Erster Verstärker
39: Zweiter Verstärker
40: Weiteres Potentiometer
41: Komparator
42: Summer
43: Optokoppler
44: Beschattung
45: Diac

Claims

Vorrichtung (1) zum Erhitzen eines Lebensmittels, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung mit wenigstens einer Kochplatte oder wenigstens einem Kochfeld zum Aufsetzen eines Kochtopfs, insbesondere einen Elektro-Herd oder eine Elektro-Kochplatte, gekennzeichnet durch a) einen an oder in einem Kochtopf an- oder einbringbaren Temperatursensor, b) eine Unterbrecher-Einrichtung zum Auftrennen der Stromzufuhr zu wenigstens einer Kochplatte oder zu wenigstens einem Kochfeld der elektrischen Heizeinrichtung, abhängig von der gemessenen Temperatur des Kochtopfs, c) eine Überbrückungs-Einrichtung mit wenigstens einem steuerbaren Leistungshalbleiter zum Überbrücken der Unterbrecher-Einrichtung, sowie d) eine Steuer-Einrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass die Einschaltphase des steuerbaren Leistungshalbleiters der Überbrückungs-Einrichtung mit zunehmender Temperatur des Kochtopfs reduziert wird.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor in einen Substratkörper eingebettet ist, vorzugsweise derart, dass der Temperatursensor an einer sensitiven Fläche oder an einer sensitiven Kontaktfläche exponiert oder zumindest zugänglich ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor eine sensitive Fläche oder Kontaktfläche aufweist, die durch physischen Kontakt mit einem Teil des Kochtopfs, insbesondere mit dessen Wandung, dessen Temperatur annimmt und diese sensiert, für reine Wärmestrahlung jedoch nicht sensitiv ist, so dass nur die Temperatur des betreffenden Kochtopfs sensiert wird.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Fläche oder Kontaktfläche des Temperatursensors sowie eines diesen ggf. aufnehmenden Substratkörpers konkav gewölbt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor sowie ein diesen ggf. aufnehmender Substratkörper formschlüssig und/oder reibschlüssig und/oder magnetschlüssig an einem Kochtopf festlegbar ist, vorzugsweise an der Mantelfläche des Kochtopfs.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung wenigstens eine Kochplatte oder ein Kochfeld mit einem elektro-resistiven Energiewandler aufweist, bevorzugt mit einem elektro-resistiven Energiewandler, der eine thermische Trägheit aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung wenigstens ein Kochfeld mit einem induktiven Energiewandler oder mit einem Wandler zur Erzeugung einer Infrarotstrahlung aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrecher-Einrichtung zum Auftrennen der Stromzufuhr zu wenigstens einer Kochplatte oder zu wenigstens einem Kochfeld der elektrischen Heizeinrichtung ein elektrisch ansteuerbares Relais (34) und/oder einen elektrisch ansteuerbaren Halbleiterschalter (36) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-Einrichtung einen Zweipunktregler aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass das elektrisch ansteuerbares Relais oder der elektrisch ansteuerbare Halbleiterschalter oberhalb einer ersten, vorgegebenen oder einstellbaren Temperatur den unmittelbaren Stromfluss zu der Heizeinrichtung unterbricht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweipunktregler derart ausgebildet ist, dass das elektrisch ansteuerbares Relais oder der elektrisch ansteuerbare Halbleiterschalter unterhalb einer zweiten, vorgegebenen oder einstellbaren Temperatur den unmittelbaren Stromfluss zu der Heizeinrichtung herstellt.
Vorrichtung (1) nach den Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur gleich der ersten Temperatur ist oder unterhalb jener liegt, beispielsweise wenigstens 1°C unterhalb der ersten Temperatur, vorzugsweise wenigstens 2°C unterhalb der ersten Tempertur, insbesondere wenigstens 5°C unterhalb der ersten Temperatur.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungs-Einrichtung einen selbstlöschenden Leistungshalbleiter aufweist, dessen Einschaltphase durch den Nulldurchgang der Spannung an dem steuerbaren Leistungshalbleiter beendet wird.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltphase des steuerbaren Leistungshalbleiters der Überbrückungs-Einrichtung durch ein Eingangssignal ausgelöst wird, dessen Schaltflanke durch die Steuer-Einrichtung relativ zu dem Nulldurchgang der Spannung an dem steuerbaren Leistungshalbleiter verstellt wird.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Leistungshalbleiter zum Überbrücken der Unterbrecher-Einrichtung wenigstens einen Thyristor und/oder wenigstens einen Triac (36) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Ansteuernetzwerk (33) mit wenigstens einem Widerstand (R) und wenigstens einem Kondensator (C), wobei die Spannung (U_R) an dem Widerstand (R) etwa in Phase mit der Spannung zwischen den Leistungsanschlüssen (A₁, A₂) des steuerbaren Leistungshalbleiter oder Triac (36) ist, während die Spannung (U_C) an dem Kondensator (C) etwa der Spannung zwischen den Leistungsanschlüssen (A₁, A₂) des steuerbaren Leistungshalbleiter oder Triac (36) etwa um 90° nacheilt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen nicht steuerbaren Leistungshalbleiter, insbesondere einen Dinistor oder Diac (45), welcher zwischen einen gemeinsamen Knotenpunkt des Widerstandes (R) und des Kondensators (C) einerseits und dem Steueranschluss (G) des steuerbaren Leistungshalbleiters (36) geschalten ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ansteuerschaltung für den steuerbaren Leistungshalbleiter mit Potentialtrennung.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannung (U_str) für den Triac (36) und den an dessen Steueranschluss (G) angeschlossenen, nicht steuerbaren Halbleiter (45) der vektoriellen Summe aus der Ausgangsspannung (U_OK) des Optokopplers (43) einerseits und der Spannung (U_C) an dem Kondensator (C) andererseits entspricht.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung einen Regler aufweist, beispielsweise einen kontinuierlich arbeitenden Regler, welcher vorzugsweise der Ansteuerschaltung für den steuerbaren Leistungshalbleiter vorgeschaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Regler verwendete Regel-Istwert das Ausgangssignal des Temperatursensors oder ein davon abgeleitetes Signal ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 19 oder 20, gekennzeichnet durch wenigstens einen von dem Regler verwendeten Regel-Sollwert, der fest eingestellt oder variabel ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler als Proportionalregler ausgebildet ist oder als Regler mit Proportionalanteil.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor oder der Proportionalanteil des Reglers in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Regel-Istwert und dem Regel-Sollwert variiert, entweder kontinuierlich oder vorzugsweise stufig.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor oder der Proportionalitätsanteil des Reglers mit abnehmender Differenz zwischen dem Regel-Istwert und dem Regel-Sollwert betragsmäßig zunimmt, solange der Regel-Istwert kleiner ist als der Regel-Sollwert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor oder Proportionalitätsanteil des Reglers bei null liegt, wenn der Regel-Istwert größer ist als der Regel-Sollwert.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrecher-Einrichtung sowie die Überbrückungs-Einrichtung dem Leistungsanschluss der Heizeinrichtung elektrisch vorgeschalten ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrecher-Einrichtung, die Überbrückungs-Einrichtung und die Steuer-Einrichtung innerhalb eines Geräts oder Adapters untergebracht sind, der wenigstens einen Leistungs-Eingangsanschluss für ein Stromnetz, wenigstens einen Leistungs-Ausgangsanschluss für die elektrische Heizeinrichtung sowie wenigstens einen Signal-Eingangsanschluss für den Temperatursensor aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsenergie für die Steuer-Einrichtung innerhalb des Geräts oder Adapters von dem Leistungs-Eingangsanschluss für ein Stromnetz abgezweigt wird, insbesondere mittels eines Transformators und/oder Gleichrichters.