DE2331022A1 - Elektronischer thermostat - Google Patents

Description

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MERTEN KG

Elektronischer Thermostat

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Thermostaten mit einem ; kontinuierlichen, feinstufigen oder Zweipunkt-Regelbereich zur temperafurab-

hängigen Leistungsregelung von Ventilaformoforen, insbesondere für Heiz- und Klimageräte.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um in klimatisierten Räumen das Heiz- und/ oder Kühlsystem z.B. eine Zwangsbelüftung zu regeln. So ist es allgemein bekannt/ die Ventilatormotoren mit Zweipunktreglern zwischen 0% und I 00 % Betriebsspannung zu regeln. Die Drehzahl der Gebläse pendelt somit zwischen Null und Maximal, wobei bei voller Drehzahl der volle Geräuschpegel abgegeben wird. Ferner ergeben sich durch die Schaltdifferenz des Reglers relativ große Temperaturschwankungen .
Diese Nachfeile lassen sich mit einer kontinuierlichen oder stufenlosen Regelung dor Drehzahl zwischen 0% und 100% Betriebsspannung vermeiden. Bekannt sind

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sogenannte Phasenanschnittsteuerungen, die sich in Verbindung mit einem temperafurempfindlichen Glied z.B. NTC-Fühler zur Regelung der Drehzahl des Ventilarormoiors eignen. Der Nachfeil dieser Regelung zwischen 0% und 100% Betriebsspannung besteht darin, daß das An I auf moment der Motoren unterhalb 50% Betriebsspannung infolge Reibung und Verschmutzung so klein ist, daß die Motore nicht oder sehr schlecht und ungleichmäßig anlaufen.

Dieser Nachfeil wurde bei einer anderen bekannten Regelung dadurch vermieden, daß der Regelbereich des Thermostaten zwischen 50% und 100% Drehzahl des Ventilatormotors eingeengt wurde. Die Regelung des Motors erfolgt nach dem Inpulslückenprinzip, wobei für Wechselstrom der Befriebssfrom bei Nulldurchgang für die Dauer einer Schwingungsperiode abgeschaltet wird. Damit läßt sich eine feinsfufige Regelung in den Abstufungen 50%, 66,6%, 75%, 80%, usw. 100% Drehzahl erreichen.

Diese Art der Regelung hat sich insoweit bewährt, als gegenüber der Zweipunktregelung die Gebläse nicht grundsätzlich mit voller Drehzahl und vollem Geräuschpegel laufen, sondern normalerweise mit reduzierter Drehzahl, und daß die Temperatur in diesem Arbeitsbereich genauer eingehalten wird..

Gegenüber dem Phasenanschnitts-Prinzip besteht der Vorfeil darin, daß auf umfangreiche Entstörmaßnahmen verzichtet werden kann. Darüber hinaus wurden durch die Einengung des Regelbereiches zwischen 50% und 100% Drehzahl die An I auf Schwierigkeiten der Ventilaformotoren bei stufenloser Regelung zwischen 0% und 100% Betriebsspannung beseitigt.

Der Nachteil der Impulslücken-Regelung im Bereich 50% - 100% Drehzahl ist vielmehr darin zu sehen, daß bei Unterschreitung bzw. Überschreitung der am Temperaturwähler eingestellten Temperatur bei der kleinsten Gebläsedrehzahl (50% ) bei Kühl-

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betrieb bzw. Heizbetrieb eine weitere Reduzierung der Drehzahl unter 50% nicht möglich ist. Es wird in dem klimatisierten Raum zu kühl oder zu warm.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten Thermostat-Regelungen zu vermeiden und so zu verbessern, OaR bei einem Regelbereich zwischen 0% und 100% Betriebsspannung einerseits im überwiegend ausgenutzten Drehzahlbereich durch eine feinstufige oder kontinuierliche Drehzahlregelung, der Geräuschpegel des Gebläses In Grenzen gehalten und andererseits die Anlaufschwierigkeiten der Motoren im unteren Drehzahlbereich etwa zwischen 0% und 50% Betriebsspannung vermieden werden.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadufch gelöst, daß der feinstufige bzw. kontinuierliche Regelbereich ab einer bestimmten Lüftungsleistung oder Drehzahl des Ventilatormotors automatisch in eine Zweipunktregelung übergeht.

Boi der erfindungsgemaß ausgelegten Thermostat-Regelung wird der ganze Regelbereich also durch zwei verschiedene Regelungsverfahren erfaßt und unterteilt, der feinstufigen bzw. kontinuierlichen Regelverfahrens und der Zweipunktregelung. Für andere Regelzwecke können diese Regelverfahren auch in umgekehrter Reihenfolge vorgesehen oder der Regelbereich kann in mehr als zwei z.B. 3 oder 4 Teilregel:: bereiche unterteilt werden.

Durch diese Regelung wird der gesamte Drehzahlbereich erfaßt, ohne daß die Gebläse wie boi der reinen Zweipunktregelung, zwischen Drehzahl Null und voller Drehzahl pendeln. Der volle Geräuschpegel wird nur noch bei extremen Außentemperaturen erreicht, die nur sehr selten auftreten. Ferner wird durch die Zweipunktregelung im unteren Drehzahlbereich eine weitere Reduzierung der Kühl- und der Heizleistung erreicht, so daß eine Nachregulierung an den Handventilen der Heiz- bzw. Kühlkörper

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nicht notwendig ist. · H *

Dadurch, daß die Gebläse im unteren Drehzahlbereich durch die Zweipunktregelung geregelt werden, wird ein sicheres Anfahren der Motoren bewirkt und ein definiertes Regelverhalten unabhängig von den unterschiedlichen niedrigen Anfahrmomenten der Motoren.

Vorteilhaft erfolgt die Zweipunktregelung zwischen etwa 25% und 0% Lüftungsleistung bzw. etwa 50% und 0% Drehzahl des Ventilatormotors.

Der schaltungstechnische Aufbau des elektronischen Thermostaten kann z.B. nachdem Impulslücken-Prinzip ausgeführt sein. In an sich bekannter Weise wird ein netzsynchrones lastabhängiges Taktsignal erzeugt, welches mit einem analogen Temperatursignal eines Temperaturfühlers in ein digitales Zündsignal umgewandelt wird, das ein Schalten im Null-Durchgang des Motorstromes gewährleister.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt der Übergang von der feinstufigen, bei einer Phasenanschnittsteuerung auch kontinuierlichen Regelung auf Zweipunktregelung durch das temperaturabhängige analoge Signal mittels einer Triggerstufe, die direkt auf die Zündeinrichtung für eine Schalt-Endstufe einwirkt.

Die gewünschte Raumtemperatur und die Luftfeuchtigkeit werden mit feinem Potentio-

^und einem Hygrostaten
meter an einer mit dem Thermostaten verbundenen Bedienungseinheit eingestellt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung lassen sich mehrere Thermostaten miteinander verbinden, so daß von einem Bedienungsteil eines Thermostaten eine Umschaltung von Kühlen auf Heizen und umgekehrt möglich ist. Es ist nur darauf zu achten, daß beim Umschalten der Regelung von Kühlen auf Heizen und umgekehrt auch gleichzeitig die Umstellung von Warmwasserbetrieb auf Kaltwasserbetrieb und umgekehrt erfolgt. Die Umschaltung der Regelung läßt sich durch eine Umkehrung des analogen

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Steuersignals erreichen, während die Umstellung der Magnet- oder Servoventil fUr ι Warm- oder Kaltwasserbetrieb über Relais oder Schütze vorzugsweise mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung automatisch erfolgt.

Vorteilhaft erfolgt diese Umschaltung von Kühlen auf Heizen oder umgekehrt zentral von einem Hauptthermostaten und in den Nebenthermostaten automatisch.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß mit diesem Thermostaten bei verhältnismäßig geringen Kosten eine Regelung der Raumtemperatur sowohl bei Heiz- wie bei Kühlbetrieb in Verbindung mit Warmwasser/Kaltwasser-Konvektoren möglich ist. Durch die beschriebene Anordnung ist sogar eine weitgehende Automatisierung möglich, jedoch ist bei kleineren Anlagen eine Verwendung auch ohne die automatische Umschaltung der Magnetventile bzw. der Kaltwasser- und Warmwasser-Erzeuger gegeben.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausfuhrungsbeispiel beschrieben. Es zeigen :

Fig. 1 die Schaltung des erfindungsgemäßen Thermostaten,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Regelbereiches des

Thermostaten zwischen 0% und 100% Lüftungsleistung des Ventilators,

Flg. 3 eine schematische Darstellung für die Klimatisierung

von mehreren Räumen mit dem erfindungsgemäßen Thermostaten.

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Dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1 der Zeichnung liegt ein Thermostat Th zugrunde, der nach dem Impulslücken-Prinzip aufgebaut ist. Damit die der Nullpunktschaltung eigene Leistungsunterbrechung subjektiv nicht empfunden werden kann, andererseits kein Gleichstromanteil in den Motorenkreis gelangt, wird als Leistungspause in an sich bekannter Weise eine volle'Periode der Netzwechsel spannung gewählt, also 20 ms. Die Frequenz dieser Pause wird geregelt, beginnend bei einem Leistungsimpulsverhältnis von 1 : 1, 1 : 2, 1 : 3 usw., d.h. an die Motoren gelangt eine volle Sinusschwingung der Netzspannung mir nachfolgend 20 ms Pause, dann für die nächste Leistungsstufe zwei volle Sinusschwingungen mit nachfolgend 20 ms Pause usw. Die nichtlineare Leistungsabstufung hat den Vorteil, über die Ventilatormotorcharakteristik zu einem annähernd geradlinigen Anstieg der Lüftungsleistung zu kommen.

Der Thermostat Th besteht aus zwei Hauptteilen, der Bedienungseinheit 4 und der in einem separaten Gehäuse untergebrachten Elektronik mit Spannungsversorgungen für die Schaltung und dem Relais 6 zur Umschaltung "Kühlen - Heizen " und umget kehrt. Die weiteren Baugruppen des Thermostaten sind : netzsynchroner Taktgeber 7, monostabiler Multivibrator 8, 9, Schaltendstufe 10 mit Schutz-und Entstörmitteln, ferner Differenzverstärker 11 mit Umschalter für Kühlbetrieb und Trigger 12 für Zweipunktregelung zwischen 0% und 50% Betriebsspannung.

Die separate Bedienungseinheit 4 enthält den Fühler 13, einen NTC-Widerstand-.und das Temperaturanwahl-Potentiometer 14, außerdem einen Umschalter 15 für "Heizen - Kühlen", der die Umkehr der Regelrichtung bewirkt, ebenso wie den Wechsel von Warm- auf Kaltwasser in den Heiz- oder Kühlkörpern. Ferner ist ein Netzschalter und ein anwählbarer Hygrostat 21 vorhanden.

Die Elektronik des Thermostaten Th enthält ein Relais 6 für weitere Thermostate Th 1 - Th 3, die dann von der ersten Bedienungseinheit 4 mit dem Netzschalter und

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dem Umschalter 15 "Kühlen - Heizen" zentral bedient werden können. Dagegen ist jeder weitere Thermostat Th 1 - Th 3 mit einer eigenen Bedienungseinheit A' nur für Temperatur- und Feuchtigkeitsanwahl ausgestattet.

Die Nadelimpulse des netzsyrtchronen Taktgebers 7 lösen den monostabilen Multivibrator 8 aus, dessen Zeit von einer temperaturabhängigen Einströmung vom Differenzverstärker Il herrührend bestimmt wird. Hierbei entstehen die Phasenlagen der Vorderflanke des Sperrimpulses für das Schaltglied 10 z.B. einem Triac der Endstufe.

Der monostabile Multivibrator 9 wird ausgelöst über Signal e, seine Zeit bestimmt die definierte Leistungspause der Motoren 18.

Im Kreis des Differenzverstärkers Il befindet sich der NTC-Fühler 13. Die Zweipunktregelung wird durch das analoge Signal des Differenzverstärkers Il automatisch an der SchwelIspannung des Triggers 12 ausgelöst und wirkt dominant über Transistor T 12 auf die Endstufe 10 als Sperrsignal.

In Fig. 2 der Zeichnung ist in einer graphischen Darstellung der Regelbereich A des Thermostaten Th zwischen 0% und 100% Luftungsleistung Nl dargestellt. Indem gewählten Funktionsbeispielfür Heizbetrieb nimmt ab einer bestimmten Temperatur., etwa 19 C, die Lüftungsleisfung etwa kontinuierlich bis 25% ab und schwankt bei der angewählten Temperatur (20 C) mit einer Temperaturdifferenz von 2/10 C zwischen etwa 0% und 25%.

Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt den Aufbau einer Regelung für die Klimatisierung mehrerer Räume . Übet einem Hauptthermostaten Th sind weitere Nebenthermostate Th 1, Th 2, Th 3 angeschlossen. Der Haupfthermostat Th unterscheidet sich von den

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Nebenthermostaten lediglich dadurch, daß über die Bedienungseinheit 4 des Hauptthermostaten alle Nebenthermostate von Heiz- auf Kühlbetrieb oder von Kühl- auf Heizbetrieb umschaltbar sind. Wie bereits erwähnt, läßt sich die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit unabhängig vom Hauptthermostaten an der Bedienungseinheit der Nebenthermostate einstellen. Wie weiter aus Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Thermostate an eine Befeuchtungseinheit 17 und dem Ventilatormotor 18 angeschlossen, Der Ventilator z.B. ein Querstromgebläse ist in den Heiz- bzw. Kühlkörpern integriert die von einem Kalt/Warmwassersatz gespeist werden.

Die Erfindung ist nicht auf dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der Erfindung auch an andersartigen Regelungen verwendet werden. So läßt sich die Aufteilung des Regelbereiches in zwei Teilregelbereiche auch mit einer Phasenanschnittssteuerung verwirklichen.

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• ·· · » ··· · Bezugszeichen liste :	Th
Thermostat	4
Bedienungseinheit	5
Spannungsversorgung	6
Relais	7
Taktgeber	8
monostabiler Multivibrator -	9
π ii _	IO
Schaltendstufe	Il
Differenzverstärker	I2
Trigger	I3
Fühler	I4
Temp. Potentiometer	\5
Umschalter	Io
Netzschalter	\7
Befeuchtungseinheit	I-8
Motor	A
Regelbereich von Th	I9
HeizAühlkörper	20
Umschaltkontakt

Hygrostat - 21

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Claims (11)

1. Patentansprüche :

   I) Elektronischer Regler, wie Thermostat mit einem kontinuierlichen, feinstufigen oder Zweipunkt-Regelbereich zur temperaturabhängigen Leistungsregelung von Ventilatormotoren, insbesondere für Heiz- und Klimageräte, dadurch gekennzeichnet, daß der feinstufige bzw. kontinuierliche Regelbereich A ab einer bestimmten Luftungsleistung oder Drehzahl des Ventilatormotors automatisch in eine Zweipunktregelung übergeht.
2. 2) Elektronischer Regler, wie Thermostat ...

   nach Anspruch I dadurch gekennzeichnet, daß die Zweipunktregelung zwischen etwa 25% und 0% Lüftungsleistung bzw. etwa 50% und 0% Drehzahl des Ventilatormotors I8 erfolgt.

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3. 3) Elektronischer Regler, wie Thermostat ...

   ■ nach Anspruch I und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von kontinuierlicher bzw. feinstufiger Regelung auf Zweipunktregelung durch ein temperaturabhängiges analoges Signal des Differenzverstärkers Il mittels einer Triggerstufe 12 erfolgt, die direkt auf den Steuerteil, z.B. einem monostabilen

   : Multivibrator 9 für die Schalt-Endstufe 10 einwirkt.
4. 4) Elektronischer Regler, wie Thermostat ...

   nach Anspruch I - 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung des Thermostaten Th, Th I, Th 2, Th 3 aus einem netzsynchronen Taktgeber 7, zwei monostabilen Multivibratoren 8, 9, einer Schalt-Endstufe 10, einem Differenzverstärker II, einer Triggerstufe 12 und dem Temperaturfühler 13 besteht.
5. 5) Elektronischer Regler, wie Thermostat ...

   nach Anspruch 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, daß im Differenzverstärker Il die Umkehr der Regelrichtung von Kühlen auf Heizen und umgekehrt mittels einem Umschaltkontakt 20 erfolgt.
6. 6) Elektronischer Regler, wie Thermostat ...

   nach Anspruch I - 5 dadurch gekennzeichnet, daß dem netzsynchronen Taktgeber 7 der monostabile Multivibrator 8 nachgeschaltet ist, dessen Zeit vom temperaturabhängigen analogen Signal des Differenzverstärkers Il bestimmt wird.
7. 7) Elektronischer Regler, wie Thermostat ...

   nach Anspruch 1 - 6 dadurch gekennzeichnet, daß «dwelt dem monostabilen Multivibrator 8 der monostabiIe Multivibrator 9 als Steuerteil der Schaltendstufe 10 nachgeschaltet ist.

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8. 8) Elektronischer Regler, wie Thermostat . .T

   nach Anspruch I - 7 dadurch gekennzeichnet, daß an einem Hauptthermostaten Th /weitere Nebenthermostate Th I, Th 2, Th 3 anschließbar sind.
9. 9) ' Elektronischer Regler, wie Thermostat ...

   nach Anspruch I - 8 dadurch gekennzeichnet, daß über dem Hauptthermostaten Th alle Nebenthermostaten Th I, Th 2, Th 3 von Heiz- auf Kühlbetrieb oder von Kühl- auf Heizbetrieb umschaltbar sind.
10. 10) Elektronischer Regler, wie Thermostat ...

    nach Anspruch I - 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur und/oder · Feuchtigkeit unabhängig vom Hauptthermostaten an der Bedienungseinheit 4' der Nebenthermostaten einstellbar sind.
11. 11) Elektronischer Regler, wie Thermostat ...

    nach Anspruch I - IO dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von Kühl- auf Heizbetrieb oder von Heiz- auf Kuhlbefrieb durch einen Schalter \5 an der Bedienungseinheit 4 des Hauptthermostaten durch Umkehr der RegeI-richtung im Differenzverstärker Il und gleichzeitig oder mit geringer Verzögerung ein Wechsel von Warm- auf Kaltwasser bzw. umgekehrt erfolgt.

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