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Elektrisch beheizbare Glasscheibe mit einer den Heizstrom regelnden
Schaltvorrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrisch beheizbare Glasscheibe
mit einem oder mehreren elektrischen Heizwiderständen und einer den Heizstrom regelnden
Schaltvorrichtung, die von der temperaturabhängigen Widerstandsänderung der Heizwiderstände
gesteuert wird.
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Die Regelung des Reizstromes ist insbesondere bei durchsichtigen Heizscheiben
aus Verbundglas wichtig, um Schäden an der thermoplastischen Zwischenschicht infolge
einer tiberhitzung zu vermeiden. Die Heizwiderstände liegen nämlich innerhalb oder
neben der thermoplastischen Zwischenschicht, und eine Uberhitzung dieser Zwischenschicht
kann zu bleibenden Schlieren oder zu anderen Fehlern wie Blasenbildung, Ablösungen
usw. führen, die bei der Durchsicht stören. Andererseits kann auch bei anderen Heizscheibensystemen,
bei denen die Heizwiderstände nicht innerhalb einer thermoplastischen Zwischenschicht
angeordnet sind, sondern unmittelbar auf der Glasoberfläche selbst, in manchen Fällen
eine Regelung des Heizstromes erlmnscht sein, um den Energieverbrauch zu senken
bzw. eine tberhitzung zu vermeiden.
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Es ist bekannt, bei Verbundglasscheiben mit eingelegten Widerstandsdrähten
eine Regelungsvorrichtung für den Reizstrom vorzusehen, die, wie bei. den bekannten
Brdckenschaltungen, von der temperaturabhängigen Widerstandsänderung der Her zu
drähte gesteuert wird (DD-PS 907 971).
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Meß-Regel-Systeme dieser bekannten Art unter Zuhilfenahme einer Brückenschaltung
zur Messung des elektrischen Widerstandes erfordern einen relativ komplizierten
Aufbau und sind entsprechend teuer. In der Praxis haben sich daher andere Temperaturregelsysteme
durchgesetzt, die ausnahmslos so aufgebaut sind, daß ein zusätzlicher Temperaturfühler
vorgesehen ist, der zur Steuerung der Regelvorrichtung dient.
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Elektrische Heizscheiben dieser Art sind z. B. in der US-PS 2 932
710, und in den DU-OS 2 221 o55, 2 248 o94 und 2 350 404 beschrieben.
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Heizscheiben mit einem zusätzlichen Temperaturfühler als Neßglied
für den Regelkreis sind aber auch nicht ohne Nachteile. So stört z. B., daß die
Temperaturfühler meist innerhalb der Glasscheibe sitzen. Wenn aus irgendeinem Grund
die Anschlußdrähte abreißen, oder wenn der Temperaturfühler selbst beschädigt wird
und seine Funktionsfühigkeit verliert, kann meist die Regelfunktion nicht wiederhergestellt
werden, weil der Temperaturfühler nicht ausgebaut bzw. repariert werden kann, ohne
daß die Glasscheibe zerstört wird.
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Aufbauend auf dem eingangs genannten Prinzip, für die Temperaturmessung
einer heizbaren Glasscheiben kein zusätzliches Neßglied vorzusehen, sondern die
Widerstandsänderung des Heizwiderstandes selbst als Meßgröße zu benutzen, liegt
der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Regelungsvorrichtung zu schaffen, die
einfach und robust im Aufbau ist, und die infolgedessen preiswert in der Herstellung,
betriebssicher,
und für die verschiedenen Heizscheibensysteme anwendbar ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die den
Heizstrom regelnde Schaltvorrichtung eine elektronische Schaltung, die den die Heizwiderstände
durchfließenden Strom mißt rund bei Unterschreitung eines einstellbaren Grenzwertes
den Heizstrom abschaltet, sowie einen elektronischen Taktzeitschalter umfaßt, der
bei ausgeschaltetem Heizstrom in vorbestimmen Zeitabständen den Heizstrom kurzfristig
einschaltet und den Meß- und Regelvorgang periodisch neu in Gang setzt.
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Durch die Abkehr von der eigentlichen Widerstandsmessung der Heizwiderstände
wird die komplizierte Brückenschaltung durch eine wesentlich einfachere Strommessung
ersetzt, bei der aus der änderung des den Heizwiderstand durchfließenden Heizstromes
auf die Temperatur der Heizdrähte geschlossen wird. Im ausgeschalteten Zustand wird
dann der Heizstrom periodisch kurzfristig eingeschaltet, bleibt dann eingeschaltet,
wenn die Temperatur des Heizwiderstandes unter den eingestellten Sollwert gesunken
ist, und schaltet sich nach sek kurzer Zeit wieder ab, wenn die Temperatur den eingestellen
Sollwert noch nicht unterschritten hat.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung dienen zur Messung des
die Heizwiderstände durchfließenden Stromes die an einem in Reihe mit den Heizwiderständen
geschalteten Widerstand proportional zu den Änderungen des Heizstromes auftretenden
Spcamiungsänderungen zur Ansteuerung eines die Abschaltung des Heizstromes bewirkenden
Operationsverstärkers.
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Dabei wird die Meßspannung, ggg nach Gleichrichtung, dem in-uertierenden
Eingang des Operationsverstärkers zugefunrt, während an dem nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers eine fest vorgegebene Spannung liegt.
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Weiter ist es zweckmäßig, daß die Meßspnnnung dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers unter Zwischenschaltung eines Spannungsteilers zugeführt
wird, wobei der Spannungsteiler als Einstellglied für die maximale Solltemperatur
der Glasscheibe dient.
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Bei der zur Anwendung konnenden Strommessung gehen nicht nur die Widerstandsänderungen
der Heizwiderstände, sondern auch Spannungsschwankungen im Versorgungsnetz in die
Messung ein. Dieser Nachteil kann dadurch behoben werden, daß die Versorgungsspannung
stabilisiert wird. Um den hierfür erforderlichen Aufwand zu vermeiden, wird in besonders
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung der Operationsverstärker so geschaltet,
daß sich sein Kippverhalten in Abhängigkeit von den Netzspamnungsschwamkungen ändert,
so daß die durch Netzspannungsschwankungen bedingten Auswirkungen der Stromschwankungen
durch die Verschiebung des Kippunktes kompensiert werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung erheben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles für eine Heizscheibenregelung
nach der Erfindung.
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Das Ausführungsbeispiel wird an Hand zweier Schaltpläne erläutert.
Dabei zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild des neuen Heizscheibenreglers, und Fig. 2
den elektronischen Schaltplan des eigentlichen Regelteiles in einer Detaildarstellung.
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Die elektrisch beheizbare Glasscheibe 11, die in den Schaltbildern
nur schematisch dargestellt ist, ist normalernreise eine durchsichtige Verbundglasscheibe
aus zwei Silikatglasscheiben
und einer zwischen diesen angeordneten
thermoplastischen Zwischenschicht, gewöhnlich aus Polyvinylbutyral.
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In dieser thermoplastischen Zwischenschicht sind dünne Widerstandsdrähte
als Heizlelter eingelegt, die ggf. über gemeinsame Sammelschienen in Gruppen zusammengefaßt,
und an den Klemmen 12, 13 an das Stromnetz angeschlossen sind. Anstelle von durchsichtigen
Glasscheiben kann es sich selbstverständlich auch um nicht durchsichtige Glasscheiben,
beispielsweise um Badezimmerspiegel oder um Verkehrsspiegel handeln. Immer wenn
es darauf ankommt, eine Glasoberfläche durch elektrische Beheizung von einem Feuchtigkeitsbelag
oder einem atmosphärischen Niederschlag wie Regen, Eis oder Schnee freizuhalten,
ist die Erfindung -anwendbar. Dabei brauchen die Heizleiter auch nicht unbedingt
innerhalb der thermoplastischen Zwischenschicht angeordnet zu sein, sondern können
auch auf einer Oberfläche der Glasscheibe selbst sitzen. Oder es können anstelle
von Widerstandsdrähten auch leitende Metall- oder Halbleiterschichten yorgesehen
sein.
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In dem dargestellten Schaltbeispiel ist die heizbare Glasscheibe 11
am Wechselstromnetz von 220 V angeschlossen. Der Heizstrom wird mit Hilfe des elektronischen
Beissungsschalters 14 automatisch ein- und ausgeschaltet.
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Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, umfaßt die elektronische Schaltung
folgende Teile, deren Aufbau und Funktion nachfolgend im einzelnen beschrieben wird:
den Leistungsteil A, den Spannungsversorgungsteil B, den Steuerteil. C, die Ansteuergruppe
für Triac D, sowie den eigentlichen Regelteil E.
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Der Leistungsteil A weist, in Reihe zueinander geschaltet, die Heizscheibe
11, die Priinrwickl.aiig 15 einer Drossel, und den elektronischen Leistungsschalter
14 in Form eines Triacs auf.
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Parallel zu dem elektronischen Beistungsschalter 14 ist ein aus dem
Widerstand 16 iind dem Kondensator 17 bestehendes RC-Glied als tlberspannungsschutz
für den elektronischen Leistungsschalter 14 angeordnet. Der zwischen den Klemmen
18, 19 der Primärwicklung 15 der Drossel auftretende Spannungsabfall in dem Stromkreis
der Heizscheibe ist dem jeweils fließenden Strom proportional, der seinerseits von
dem augenblicklichen Widerstand der Heizleiter und damit von der Temperatur der
Heizscheibe abhängt.
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Anstelle einer Drossel mit Primär- und Sekundärwicklung, die eine
galvanische Trennung vom Stromkreis der Heizscheibe erlaubt, kann ggf. auch eine
einfache Drossel oder eine Shunt vorgesehen sein. Voraussetzung bei Verwendung einer
Drossel ist jedoch, daß der Arbeitsbereich magnetisierungsmäßig gesehen im Linearbereich
liegt.
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Die an den Klemmen 20, 21 der Sekundärwicklung 22 der Drossel gemessene
Spannung steht in direktem Verhältnis zum Heizstrom.
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über den nachgeschalteten Gleichrichter 23 nebst Siebkette wird die
Neßwechselspannung gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Neßspannung wird über den
Spannungsteiler 24 und den Widerstand 25, dem invertierenden Eingang 4 des Operationsverstärkers
27 vom Typ TAA 761 zugeführt. I)er Spannungsteiler 24 dient als Einstellglied für
die emperaturanpassllng, d.h.
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es läßt sich damit die Temperatur einstellen, bei der die Heizscheibe
betrieben werden soll.
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über den nichtinvertierenden Eingang 3 wird dem Operationsverstärker
27 durch die Widerstände 28, 29, 31 und den einstellbaren Widerstand 30 ein Sollwert
vorgegeben. Verringert sich nun mit zunehmender Erwärmung der Heizscheibe infolge
der Erhöhung des elektrischen Widerstandes der Heizleiter die Spannung an dem invertierenden
Eingang 4, so daß
sie niedriger wird als der Sollwert am Eingang
3, dann entsteht am Ausgang 7 des Operationsverstärkers,der vorher auf Null-Potential
lag, eine Spannung, die als Steuersignal dem Logikbaustein 34 im Steuerteil C zugeführt
wird, über den Logikbaustein 34 und die Ansteuergruppe D wird infolgedessen der
elektronische Leistungsschalter 14 in Form eines Triacs ausgeschaltet, und dadurch
der Heizstromkreis unterbrochen.
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Das Teilerverhältnis der Widerstände 29, 30 und 31 am nichtinvertierenden
Eingang in Verbindung mit der Speisespannung U5 bzw. Vc bestimmt die Kippschwelle
des Operationsverstärkers. Da die Kippschwelle fest eingestellt ist, ergibt sich
eine automatische Verlagerung der Kippschwelle entsprechend den Netispannungsschwankungen,
wodurch die auf diese Netzspannungsschwankungen zurückzu-führenden Änderungen der
Meßspannung am Eingang 4 des Operationsverstärkers kompensiert werden. Es können
auf diese Weise Netzspannungsschwankungen von + 10% vom Nennwert hingenommen werden,
ohne daß dadurch die Genauigkeit der Temperaturmessung und -regelung leidet. Mit
Hilfe des regelbaren Widerstandes 30 wird der Schaltpunkt auf den gewünschten Wert
eingestellt.
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Die Schalthysterese des Operationsverstärkers ist abhängig von dem
Teilerverhältnis der Widerstände 28 und 32 sowie der Widerstände 29, 30 und 31.
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Der Steuerteil C weist einen elektronischen Zeitschalter 35 auf, der
in konstanten Zeitabständen über den Verstärker 35 und das Zündrelais 37 den Beistungsschalter
14 für eine kurze Zeitspanne einschaltet. Die Taktzeit läßt sich über den veränderbaren
Widerstand 38 einstellen. Der elektronische Zeitschalter 35 wird beispielsweise
so ausgelegt, daß der Leistungsschalter in Intervallen von twa 10 sec eingeschaltet
wird. Ist der Heizwiderstand
noch zu warm, dann wird also der Leistungsschalter
14 über den vorher beschriebenen Regel- und Steuerteil unmittelbar, d.h. in Bruchteilen
einer Sekunde, wieder ausgeschaltet.
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Nach weiteren 10 sec erfolgt eine erneute Einschaltung des Beistungsschalters
14, und der Zyklus der periodischen Temperaturabfragungwiederholt sich, bis die
Temperatur des Heizwiderstandes unter den eingestellten Sollwert gesunken ist, und
der Iteistungsschalter 14 infolgedessen eingeschaltet bleibt.
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Der Spannungsversorgungsteil B dient dazu, den Regelteil E und den
Steuerteil C einschließlich der Ansteuergruppe D für die Triac mit der nötigen Betriebsspannung
zu versorgen.
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Mit Hilfe des Transformators 41 wird die Vers orgungsspannung dem
Netz entnommen und über den Gleichrichter 42 gleichgerichtet.
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ueber den regelbaren Spannungsteiler 43 wird der Operationsverstärker
27 mit der nicht stabilisierten Spannung angesteuert, um, wie oben erwähnt, die
durch Netzscharankungen bedingten Meßspannungen zu kompensieren. Der Steuerteil
und der elektronische Taktzeitgeber dagegen werden über den Spannungsstabiiisator
44 mit einer konstanten Spannung von 15 V versorgt.