DE2230343B2 - Flammenüberwachungsschaltung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Flammenuberwachungsschaltung fur eine Brennersteueranlage mit einem aus einer stabilisierten Gleichspannungsquelle gespeisten Photowiderstand zur Erzeugung von Flammensignalen, die über einen Verstarker einem Flammenrelais zügefuhrt werden

Flammenuberwachungsschaltungen sind erforderlich, um bei einem Ausfall der Brennerflamme die Brennstoffzufuhr zu unterbrechen, damit sich keine gefahrlichen Brennstoffmengen ansammeln können Derartige Uberwachungsschaltungen arbeiten häufig mit einem Photowiderstand, der aus einer stabilisierten Gleichspannungsquelle gespeist wird Wird der Photowiderstand bei Vorhandensein einer Ramme beleuchtet, so hat er einen von seinem Dunkelwiderstand abweichenden Widerstandswert, und infolge der schwankenden Helligkeit der Brennerflamme schwankt dieser Widerstandswert und damit der den Photowiderstand durchfließende Strom. Die Stromschwankungen liegen etwa bei 10 Hz und lassen sich mit den Flackereffekt ausnutzenden Schaltungen als Flammensignal auswerten Derartige Schaltungen sich aus der DT-OS 1 401 196, der DT-AS 1 092 594 und der britischen Patentschrift 976 621 bekannt

Da ein Photowiderstand, auch wenn er nicht beleuchtet wird, noch einen gewissen Widerstand, nämlich den sogenannten Dunkelwiderstand, aufweist, muß die ihn speisende Spannungsquelle eine konstante Spannung liefern, damit nicht im unbeleuchteten Zustand irrtümlicherweise das Vorhandensein einer Flamme vortauschende Signale auftreten können. Die Verwendung einer stabilisierten Gleichspannung zur Speisung eines Photowiderstandes einer Brenneranlage ist beispielsweise aus der Schweizer Patentschrift 484 400 bekannt Stabilisierte Gleichspannungsqueilen für Brennersteueranlagen sind ferner in den USA.-Patentschnften 3 286 246,3 514 240 und der DT-OS 1 902 540 beschrieben

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Überwachungsschaltung für die Überwachung der dem von der Flamme beleuchteten lichtempfindlichen Element, wie beispielsweise einem Photowiderstand oder einem ähnlichen Element zugeführten stabilisierten Speisegleichspannung, wobei diese Überwachungsschaltung gleichzeitig zur Feststellung irgendwelcher Ausfalle bestimmter Bauelemente herangezogen werden soll und dementsprechend ausgebildet ist Insbesondere soll bei einem Ausfall von Bauelementen, der fälschliche Informationen über die Flamme zur Folge hat oder gefährliche Betnebszustände nach sich ziehen kann, die Flammenuberwachungsschaltung em Signal liefern, welches einer nicht vorhandenen Flamme entspricht, so daß die Brennstoffzufuhr abgeschaltet wird Bei einem Bauelementeausfall soll also die Anlage in einen sicheren Zustand gebracht werden. Gleichzeitig soll die erfindungsgemaße Überwachungsschaltung als billige und betriebssichere Spannungsvergleichsschaltung arbeiten, welche zwei in der Schaltung auftretende Spannungen vergleicht, die in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen sollen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Mittel gelost Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen einiger Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F1 g 1 das Gesamtschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung,

F1 g. 2 ein Teilschaltbild einer alternativen Ausfuhrungsform,

F1 g. 3 ein Teilschaltbild einer weiteren abgewandelten Ausfuhrungsform und

F1 g 4 ein Teilschaltbild einer noch anderen Ausfuhrungsform der Erfindung.

F1 g 1 zeigt eine vollständige ausfallsichere Flammenuberwachungsschaltung. Hierbei ist die Spannung über dem Kondensator 36 die Versorgungsspannung fur eine der Verstarkerstufen der Flammenfuhlerschaltung Ein Ausfall dieser Versorgungsspannung, die dem Kollektor eines Transistors 54 über einen Widerstand 56 zugeführt wird, bewirkt, daß der Transistor 54 nicht

mehr als Verstärker arbeitet, so daß außer dem vernachlassigbar kleinen, direkt an den Kollektor angekoppelten Signal kein Signal mehl durchgelassen wird Die Versorgungsspannung fur die Überwachungsschaltung wird von einer zweiten über einen Vorwiderstand 59 gespeisten Zenerdiode 58 abgeleitet. In diesem Falle zeigt die Überwachungsschaltung auch die ordnungsgemäße Funktion der Zenerdiode 58 an. Wenn bei der Zenerdiode 58 eine Unterbrechung auftritt, steigt die Versorgungsspannung und damit auch die Spannung an der Basis des Transistors 16, die von dieser Versorgungsspannung über die Widerstände 18 und 20 gespeist wird. Der Transistor 16 wird gesattigt, wodurch die Wechselspannungskomponente und damit auch die Spannung über dem Kondensator 36 verschwindet Bei diesem Ausfflhmngsbeispiel wird das Wechselspannungssignal von der Netzspannung über einen Transformator 61 und einen Vorschaltwiderstand 62 erzeugt. Obwohl dieser Widerstand einen Nebenschluß zum Widerstand 18 darstellt, ist der Wert des Widerstands 62 zu groß, um den Gleichstromarbeitspunkt zu verschieben. Außerdem kann bei der Wahl der Widerstände 18 und 20 der Nebenschluß berücksichtigt werden

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung arbeitet folgendermaßen: Die gleichgerichtete Versorgungsspannung wird über einen Widerstand 59 und eine Zenerdiode 58 auf eine erste, tiefere Spannung und dann über den Widerstand 12 und die Zenerdiode 10 auf eine zweite, noch tiefere Spannung abgesenkt, so daß die Widerstände 63 und 64 mit einer zweifach stabilisierten Spannung versorgt werden. Der beispielsweise aus Bleisulfid bestehende Photowiderstand 65 hat einen bestimmten Dunkelwiderstand, der bei Bestrahlung mit Infrarotlicht reduziert wird Die Infrarotstrahlung einer Flamme weist Schwankungen mit einer Hauptfrequenz in der Gegend von 10 Hz auf. Der Transistor 66 wirkt als Verstärkerstufe, deren Gleichstromarbeitspunkt von seinem Kollektor stabilisiert wird. Das Wechsebpannungssignai wird über einen Kondensator 67 angekoppelt, weicher in bezug auf die übrigen Bauelemente so gewählt ist, daß Frequenzen, die bedeutend unterhalb 10 Hz liegen, nicht durchgelassen werden Die Kondensatoren 68 und 69 sind so gewählt, daß Frequenzen, die bedeutend oberhalb 10 Hz liegen, im abschwächenden Sinn auf die Basis zurückgekoppelt werden. Der Tran- 4s sistor 66 und die zugehörigen passiven Bauteile bilden demnach eine Bandpaß-Verstarkerstufe.

Der Transistor 54 ist ein pnp-Transistor und erhalt eine negative Betriebsspannung. Er arbeitet auf ähnliche Weise, wird aber durch die in »Darlington-Schaltung« angeordneten Transistoren 75 und 76 angesteuert Die Basis des ersten Darlington-Transistors 75 wird durch die einen Spannungsteiler bildenden Widerstände 79 und 80 auf die halbe Betriebsspannung vorgespannt Der Transistor 82 ist ein sogenannter »Boot- SS strap-Emitterfolger«, der als Last fur den Transistor 74 geschaltet ist Wenn der Transistor 74 leitet, ist Transistor 82 gesperrt, und der Entladestrom fur den Kondensator 84 kommt aus dem Transistor 74. Wenn der Transistor 74 speirt, wird Transistor 82 über den Widerstand 86 im leitenden Zustand gehalten, so daß er einen Ladestrom für den Kondensator 84 liefert Damit wird erreicht, daß der Transistor 74 als Wechselstrom-Treiberstufe arbeitet, welche einen die Dioden 89 und 90 enthaltenden Gleichrichter über eine Induktivität 91 und einen Kondensator 84 speist Die Induktivität 91 ist derart gewählt, daß Frequenzen, welche bedeutend hoher sind als 10 Hz, abgeblockt werden Die Kombination der Induktivität 91, der Kondensatoren 84 und 92 und der Dioden 89 und 90 wirkt als eine Ausfallsicherungsschaltung. Die 10-Hz-Komponente des aus der Flamme abgeleiteten Signals, wird demnach in der Schaltung nach F1 g. 1 auf einen genügend hohen Leistungspegel verstärkt und gleichgerichtet, um ein Relais 94 anzusteuern.

Außer praktisch nicht vorkommenden Kurzschlüssen in den Widerstanden und in der Induktivität bewirken Ausfalle von Bauteilen ein Ausschalten des Relais 94 sogar dann, wenn die Netzspannung mit einer Frequenz von 10 Hz schwanken und dadurch die Gleichspannungsversorgung mit dieser Frequenz modulieren sollte

Eine abgewandelte Teilschaltung der Überwachungsschaltung veranschaulicht F1 g. 2. Hier ist eine Zenerdiode 10 und ein Vorschaltwiderstand 12 mit dem Emitter 14 eines npn-Transistors 16 verbunden. Widerstände 18 und 20 sind so gewählt, daß die Gieichspannungskomponente der Spannung an der Basis des Transistors 16 ungefähr gleich groß ist wie der Spannungsabfall über der Zenerdiode 10 Ein Widerstand 22, der am Kollektor des Transistors 16 angeschlossen ist, leitet einen Strom zwischen diesem und dem positiven Betnebsspannungsanschluß 24

Am u iteren Ende und in Serie zum Widerstand 20 wird über die Sekundärwicklung eines Transformators 26 eine Wechselspannung zugeführt Diese Wechselspannung ist gerade genügend groß, um die Spannung an der Basis des Transistors 16 so weit über oder unter den Gleichstromarbettspunkt zu verschieben, daß der Transistor bei positiver Verschiebung gesattigt, bei negativer Verschiebung gesperrt wird Am Kollektor des Transistors 16 entsteht dadurch ein Signal mit einer Wechselstromkomponente, welches bei gesättigtem Transistor ungefähr der Spannung über der Zenerdiode entspricht. Eine Gleichnchterschaltung 28 wandelt das Signal in eine negative Ausgangsspannung E um. Die Wechselspannungskomponente der Kollektorspannung wird über einen Kondensator 30 einer aus zwei Dioden 32, 34 und einem Filterkondensator 36 bestehenden Gleichrichter- und Filterschaltung zugeführt Die Dioden 32 und 34 sind so geschaltet, daß über dem Kondensator 36 eine in bezug auf den geerdeten Betriebsspannungsanschluß 38 negative Spannung entsteht Bei dieser Anordnung verursacht em Ausfall irgendeines nichtohmschen Bauteils einen Ausfall der Spannung über dem Filterkondensator 36 auf Null

Wenn die Zenerdiode derart ausfallt, daß eine Unterbrechung entsteht, dann wird der Transistor 16 gesperrt, da die Emitterspannung größer ist als die Spannung an der Basis Die Kollektorspannung bleibt dadurch konstant. Der Kopplungskondensator 30 blockt die Gleichspannungskomponente ab, so daß die Spannung über dem Filterkondensator infolge Entladung über den Widerstand 40 auf Null abfallt Wenn bei beschädigter Zenerdiode em Kurzschluß entsteht wird der Transistor 16 gesattigt, so daß auch in diesem Fall die Ausgangsspannung auf Null abfällt

Em Ausfall der Widerstände 12, 18, 20 und 22, bei dem ein Kurzschluß über dem Bauelement entsteht, ist unwahrscheinlich, da diese Widerstände nicht mit mehr als 30% ihrer Nennleistung belastet werden Eine Unterbrechung im Widerstand 20 verhindert, daß der Transistor ausgesteuert wird, so daß die Ausgangsspannung auf Null abfallt Eine Unterbrechung im Widerstand 18 bewirkt, daß der Transistor gesperrt wird, so daß ein Einfluß der Wechselspannung unterbunden

wird und das Ausgangssignal verschwindet Durch eine Unterbrechung im Widerstand 22 wird der Kollektorstrom unterbrochen, so daß am Kollektor kein Wechselstromsignal entstehen kann Der Widerstand 22 wird viel großer (z. B. funfzigmal großer) als der Widerstand 12 gewählt Eine Unterbrechung im Widerstand 12 bewirkt daher, daß der Emitterstrom durch die Last 17 zu klein ist, um die Emitterspannung auf einen Betrag zu bringen, bei welchem der Transistor gesperrt wird Der Transistor ist daher gesattigt und das Wechselspannungssignal unwirksam

Jede Unterbrechung in einem Zweig der Schaltung bewirkt, daß das Wechselspannungssignal unwirksam wird oder daß der fur die Einstellung des Arbeitspunkts notwendige Strom unterbrochen wird Wenn zwischen dem Kollektor und dem Emitter ein Kurzschluß auftritt, bestimmt die Zenerdiode die Spannung am Kollektor Da die Zenerdiode die Kollektorspannung auf einem konstanten Wert halt, verschwindet die Ausgangsspannung E Auch bei einem Kurzschluß zwisehen der Basis und dem Emitter verschwindet die Ausgangsspannung, da der Transistor 16 gesperrt ist und die Koilektorspannung konstant bleibt Unter gewissen Umstanden konnte ein Kurzschluß zwischen der Basis und dem Kollektor das Entstehen einer Wechselstromkomponente am Kollektor und das Weiterbestehen einer Ausgangsspannung E erlauben Wenn jedoch die Widerstände 18 und 20 bedeutend großer als der Widerstand 22 sind, tendiert ein Kurzschluß zwischen Kollektor und Basis zu einer Erhöhung der Spannung an der Basis des Transistors 16, die jedoch durch die Zenerdiode 10 über die Basis-Emitter-Diode annähernd konstant gehalten wird Obwohl die Spannung am unteren Ende des Widerstands 20 variiert, wird die Spannung an der Basis und daher auch am Kollektor konstant gehalten Der Kondensator 36 entladt sich über den Lastwiderstand 40, und die Ausgangsspannung E verschwindet

Infolge der Bedingung, daß der Widerstand 22 im Verhältnis zum Widerstand 12 groß sein soll, kann kein nennenswerter Strom aus dem Kondensator 36 entnommen werden, da der durch den Widerstand 22 bestimmte Ladestrom klein ist Der Lastwiderstand muß hier großer als beispielsweise 100 kOhm sein

F1 g 3 zeigt das bevorzugte Ausfuhrungsbeispiet der Erfindung, wie es ähnlich auch in F1 g 1 verwendet ist und in dem die Schaltung nach F1 g 2 derart ergänzt ist, daß der Widerstand 22 weggelassen und statt dessen em pnp-Transistor 50 vorgesehen ist, welcher den Ausgangsstrom fur die Gleichrichterschaltung 28 hefert Der Kollektorstrom des Transistors 16 fließt über die Basis-Emitter-Diode des Transistors 50 und durch den Widerstand 51 Der Transistor 50 ist daher völlig leitend, wenn durch den Transistor 16 ein Strom fließt, und gesperrt, wenn im Transistor 16 kein Strom fließt

Die dem Gleichrichter zugefuhrte Wechselspannung wird bei dieser Ausfuhrung am Kollektorwiderstand 52 abgenommen Die über dem Widerstand 52 auftretende Spannungsamplitude entspricht der Betriebsspannung Der Transistor 50 hat eine genugende Stromverstarkung, so daß aus der Gleichnchterschaltung 28 Leistung bezogen werden kann Infolge dieser Stromverstärkung können auch die Werte der Widerstände 18 und 20 reduziert werden

Bei einer Unterbrechung oder einem Kurzschluß der Basis-Emitter-Diode des Transistors 50 tritt am Widerstand 52 kein Signal auf Ein Kurzschluß zwischen Kollektor und Basis oder zwischen Kollektor und Emitter bewirkt, daß die Betriebsspannung standig am Widerstand 52 hegt In beiden Fallen verschwindet die Wechselspannungskomponente in dem der Gleichnchterschaltung 28 zugefuhrten Signal

Ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung zeigt F1 g 4 Hierbei ist ein weiterer Transistor zum Trennen der Steuerspannungsquelle von der Vergleichsschaltung verwendet, und es werden zwei Spannungen Ei und £2 verglichen und eine Ausgangsspannung E erzeugt Die Ausgangsspannung ist negativ, wenn die Spannungen in Bezug aufeinander in einem bestimmten Bereich liegen Wenn die Spannungen außerhalb dieses Bereichs liegen oder wenn ein Bauteil ausfallt, verschwindet die Ausgangsspannung Die Spannungsquellen dürfen hier auf Strombelastung empfindlich sein, da sie je durch einen entsprechenden Transistor 100, 102 isoliert sind Die npn-Transistoren 100 und 102 sind in einer Vergleichsschaltung mit einem gemeinsamen Emitterlastwiderstand 104 geschaltet Zwei Spannungsteiler, bestehend aus den Widerstanden 106, 108, 110 und 112, sind so ausgelegt, daß an der Basis jedes der beiden Transistoren 100 und 102 im wesentlichen die gleiche Ruhespannung auftritt In eine der beiden Basiszuleitungen wird eine kleine Wechselspannung eingekoppelt, und zwar durch den Transformator 114, dessen Primärwicklung an der Wechselstrom-Netzspannung liegt Diese eingekoppelte Netzspannung ist gerade genügend groß, daß die Basisspannung des Transistors 102 abwechselnd oberhalb und unterhalb der Basisspannung des Transistors 100 ist Wenn sie oberhalb ist, wird der Strom im Widerstand 104 hauptsächlich durch den Transistor 102 geliefert Dadurch wird der Transistor 100 gesperrt, so daß über dem Kollektorwiderstand 115 kein Spannungsabfall auftritt Wenn die Spannung an der Basis des Transistors 102 unterhalb der Spannung an der Basis des Transistors 100 ist, leitet im wesentlichen nur der Transistor 100, so daß über seinem Kollektorwiderstand 115 ein Spannungsabfall auftritt Die Spannung am Kollektor 116 ändert demnach im Takt der Wechselspannung. Die Wechselspannungskomponente dieser Kollektorspannung wird durch den Kondensator 30 auf den Gleichrichter, bestehend aus den Dioden 32 und 34 und einem Filterkondensator 36, übertragen Im Gleichrichter entsteht eine negative Ausgangsspannung E

Auch bei der Schaltung nach F1 g 4 bewirkt der Ausfall eines einzelnen Bauteils das Verschwinden der Ausgangsspannung E Die Funktionsweise der Gleichnchterschaltung, bestehend aus den Kondensatoren 30 und 36 und den Dioden 32 und 34, ist bereits im Zusammenhang mit F1 g 2 beschrieben worden

Eine Unterbrechung im Widerstand 104 oder 106 bewirkt, daß der Transistor 100 dauernd gesperrt ist, wahrend eine Unterbrechung im Widerstand 108 eine dauernde Sättigung des Transistors 100 zur Folge hat Bei beiden Ausfallmoghchkeiten entsteht am Kollektor 116 eine konstante Spannung, wodurch die gleichgerichtete Ausgangsspannung E verschwindet Eine Unterbrechung im Widerstand 110 bewirkt ein Sperren des Transistors 102 Die über den Transformator 114 eingekoppelte Wechselspannung ist nicht genügend groß, um den Transistor zum Leiten zu bringen Eine Unterbrechung im Widerstand 112 bewirkt ein Sattigen des Transistors 102 Bei jedem dieser möglichen Bauelementdefekte wird die eingekoppelte Wechselspannung unwirksam, so daß die Ausgangsspannung fauch in diesem Falle verschwindet Eine Unterbrechung im Widerstand 104 oder 115 verhindert die Weiterleitung

des Wechselspannungssignals, da der Strom durch den Transistor 100 unterbrochen wird. Eine Unterbrechung in einem der beiden Transistoren unterbricht entweder das Wechselspannungssignal direkt oder den fur die Übertragung des Signals notwendigen Basisstrom für den Arbeitspunkt

Ein Kurzschluß zwischen Kollektor und Basis im Transistor 109 bewirkt eine Zunahme der Basisspannungen und der Emitterspannung des Transistors 100, wodurch der Transistor 102 gesperrt wird und somit kein Wechselspannungssignal über den Widerstand 115 erscheint Ein Kurzschluß zwischen Kollektor und Emitter bewirkt, daß soviel Strom durch den Widerstand 104 fließt, daß der Emitter des Transistors 102 auf einer positiveren Spannung als die Basis hegt, so daß

der Transistor gesperrt ist Damit dies gewährleistet wird, muß der Widerstand 115 einen genügend kleinen Wert aufweisen. Em Kurzschluß zwischen Basis und Emitter im Transistor 100 sperrt diesen, so daß kein Strom durch den Widerstand 115 fließt Der Transistor 102 wird durch einen Kurzschluß zwischen Basis und Emitter gesperrt, wodurch am Widerstand 115 kein Wechselspannungssignal mehr entsteht Durch einen Kurzschluß zwischen Kollektor und Emitter oder Kollektor und Basis des Transistors 102 wird die Spannung über dem Widerstand 104 erhöht, wodurch der Transistor 100 gesperrt wird Jegliche Art von Defekt in den Transistoren 100 oder 102 bewirkt demnach ein Verschwinden der Ausgangsspannung E

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

409542/191

Claims (5)

Patentansprüche

1. Flammenuberwachungsschaltung fur eine Brennersteueranlage mit einem aus einer stabilisier- S ten Gleichspannungsquelle gespeisten Photowiderstand zur Erzeugung von Flammensignalen, die über einen Verstarker einem Flammenrelais zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung der stabilisierten Gleichspannung eine Überwachungsschaltung vorgesehen ist, die einen Transistor (16) aufweist, dessen einer, die Basis-Emitter-Strecke begrenzenden Elektrode (Emitter 14) die stabilisierte Gleichspannung (von 10) und dessen anderer, die Basis-Emitter-Strecke begrenzenden Elektrode (Basis) eine Bezugsspannung (aus 58 und 59) sowie eine die Bezugsspannung überlagernde Wechselspannung (aus 61) zugeführt wird und von dessen Kollektor die verstärkte Wechselspannung abgenommen und einer Gleichrichterschaltung (28) zugeführt wird, deren Ausgangsgleichspannung als Schaltspannung zum Freigeben des Verstärkers (66, 54, 75, 76, 74) benutzt wird.

2 Flammenuberwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierte Gleichspannungsquelle eine parallel zum Photowiderstand (65) angeordnete Zenerdiode (10) und in Serie dazu einen Vorschaltwiderstand (12) enthalt.

3. Flammenuberwachungsschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kollektorleitung des Transistors (16) ein Kollektorwiderstand (51) hegt, der hochohmiger als der Vorschaltwiderstand (12) ist, und daß die Bezugsspannung (aus 58,59) der Basis des Transistors (16) über einen Widerstandsspannungsteiler (18, 20) zugeführt wird, der hochohmiger als der Kollektorwiderstand (51) ist

4. Flammenuberwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Transistor (16) und die Gleichnchterschaltung (28) ein Verstarkertransistor (50) eingeschaltet ist

5. Flammenuberwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierte Gleichspannung (Ei) der Basis des Transistors (100) zugeführt wird, daß die Bezugsspannung (£2) und die Wechselspannung (aus 114) der Basis eines weiteren Transistors (102) zugeführt wird und daß die Emitter der beiden Transistoren (100, 102) miteinander verbunden sind (F 1 g 4)