DE2508336A1

DE2508336A1 - Thermorelais mit einem verbundelement aus einem bimetall und einem steuerbaren halbleiter als heizer

Info

Publication number: DE2508336A1
Application number: DE19752508336
Authority: DE
Inventors: Siegfried Schwarz
Original assignee: Landis and Gyr AG
Current assignee: Landis and Gyr AG
Priority date: 1975-02-04
Filing date: 1975-02-26
Publication date: 1976-08-05
Also published as: DE2508336B2; FR2300409A1; FR2300409B1; DE2508336C3; CH589356A5

Description

[LArJDISiOYH) LANDlS & GYR AG CH-63O1 Zug, Schweiz

Thermorelais mit einem Verbundelement aus einem Bimetall und einem steuerbaren Halbleiter als Heizer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermorelais mit einem Verbundelement aus einem Bimetall und einem steuerbaren Halbleiter als Heizer, insbesondere für Anwendung in Ueberwachungsgeräten für Heizungsanlagen.

Einleitung

Ueberwachungs- und Regelgeräte für Heizungs- und ähnliche Anlagen benötigen Antriebe, die Programmschaltwerke betätigen. Zum Zwecke der Kosteneinsparung werden vorzugsweise mit Bimetall-Elementen ausgestattete Relais eingesetzt. Die Tendenz zur Miniaturisierung hat auch auf diesem Gebiet besondere Entwicklungen gezeitigt.

Stand der Technik

Es ist ein Thermorelais bekannt, bei welchem ein mit Schaltkontakten versehenes Bimetall mit einem Halbleiter, Vorzugs-

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weise mit einer Z-Diode durch Löten oder Kleben zu einem Verbundelement mit Schnappverhalten verbunden ist. Um möglichst grosse Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur zu erzielen, wird das Halbleiter-Element in einem Bereich seiner Charakteristik betrieben, in welchem mit einer gegebenen Spannung eine starke Aenderung der Heizleistung erfolgt. Anstelle der Z-Dioden können ebenfalls Transistoren verwendet werden, wobei allerdings nicht aufgezeigt ist, wie eine Temperaturkompensation erreicht werden kann. Bei einer anderen bekannten Umschalteinrichtung werden zwei gegeneinander gestellte Bimetallstreifen verwendet, die mit je einem Transistor wärmeleitend verbunden sind, welche vorzugsweise in den Ausgangskreis eines transistorisierten Differenzverstärkers geschaltet sind. Durch die Gegeneinanderschaltung der Bimetallstreifen und durch eine wärmeleitende Brücke zwischen beiden kann eine gewisse Temperaturkompensation erreicht werden.

Aufgabenstellung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Thermorelais mit einem Verbundelement aus einem Bimetall und einem steuerbaren Halbleiter zu schaffen, das zusätzlich zu den Vorteilen der bekannten Einrichtungen eine verbesserte Temperaturkompensation bei langen und kurzen Verzögerungszeiten erlaubt und eine Programmierung dieser Zeiten auch bei kleinem Material- und Raumbedarf gestattet.

Kennzeichen der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Thermorelais der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein nichtsteuerbares temperatur-kompensierendes Element mit einem steuerbaren Schaltelement auf der gleichen Halbleiterscheibe monolithisch integriert sind.

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Die Einstellung kurzer und langer Verzögerungszeiten kann dadurch erreicht werden, dass die Heizleistung für die Erhitzung des Bimetalls durch eine Schaltung zur Behebung von Störungen durch Unterspannung bei langen Aufheizzeiten verzögert abgegeben wird.

Die Programmierung der Aufhaizzeiten kann dadurch geschehen, dass die Verzögerungszeiten durch Aenderung des Wärmeflusses von Heizer und Bimetall bestimmt werden.

Beschreibung der Zeichnungsfiguren
Die Zeichnungsfiguren zeigen:

Fig. 1 eine Grundschaltung eines Thermorelais,

Fig. 2 ein spannungsgeregeltes Thermorelais mit konstanter Heizleistung, .

Fig. 3 ein umgebungstemperatur-kompensiertes Thermorelais,

Fig. 4 ein Diagramm mit normalem und verbessertem Temperaturverlauf,

Fig. 5. ein Thermorelais mit zwei Temperaturfühlern,

Fig. 6 die elektronische Schaltung des Relais gemäss Fig. 5 für konstanten Wärmefluss,

Fig. 7 ein integriertes Halbleiterelement für das Thermorelais nach Fig. 5 und 6 mit integriertem Wärmewiderstand R# in der Aufsicht,

Fig. 8* einen Querschnitt durch das Element nach der Fig. 7,

Fig. 9 ein Diagramm mit Temperaturverlauf bei Abkühlung und Aufheizung mit konstantem Wärmestrom und

Fig. 1O die elektronische Schaltung gemäss Fig. mit kontaktloser Programmierung der Verzögerungszeiten .

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Die Grundschaltung eines Thermorelais nach der Fig. 1 zeigt die mit einem Bimetall verbundenen elektronischen Elemente. Diese bestehen aus einer mit strichpunktierten Linien dargestellten Halbleiter-Scheibe 1 und hybriden Schaltelementen Diode D1, Widerstand R1 und Widerstand R2. Die Halbleiter-Scheibe enthält einen Transistor T1, dessen vollkommene thermische Verkopplung mit einem Bimetall durch Löten oder Kleben durch doppelte Striche angedeutet sind. Der Transistor T1 bildet zusammen mit einer Z-Diode Z1, einem Widerstand R3 und einer Diode D2 in bekannter Weise eine Konstantstromquelle, deren Heizleistung N von der Versorgungsspannung linear abhängig ist. Die Heizleistung N = U. 1 konsi:. wird zum Hauptteil vom Transistor T1 aufgebracht. Die Versorgungsspannungen erhält das Heizelement in Form der beschriebenen Stromquelle von Wechselstromanschlüssen P und Mp über nichtdargestellte Schalter, die Diode D1, den Vorwiderstand R1 für die Z-Diode Z1 und über den Schutzwiderstand R2 für den Transistor T1. Der Transistor T1 und die Diode D2 sind Bestandteil der gleichen Halbleiter-Scheibe 1 und ergeben durch die thermische Kopplung eine optimale Temperaturkompensation des Transistors T1ι wie dies durch einen geschweiften Pfeil angedeutet ist. Der Festwiderstand R3 besorgt die Konstantstrom-Einstellung und er kann durch externe Beschaltung mit einem weiteren Widerstand zwischen den Anschlusspunkten α und b gegebenenfalls von aussen beeinflusst werden. Die mit gestrichelt gezeichneten Anschlüssen versehene Z-Diode Z2 schützt den Transistor T1 zusammen mit dem Widerstand R2 vor unerwünschten Spannungsspitzen im Netz.

Die Grundschaltung nach Fig. 1 ermöglicht also im Schlussergebnis eine konstante Heizleistung bei fester Speisespannung für den Transistor T1 oder eine weitgehend lineare, von der Höhe der Speisespannung abhängige Heizleistung für den mit dieser Halbleiter-Scheibe 1 verbundenen Bimetallschalter.

In der Fig. 2 ist die temperaturstabilisierte Stromquelle 1A mit der Z-Diode Z1 mit den gleichen Bezeichnungen wie in

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Fig. 1 dargestellt. Der Verbindungspunkt b der Basis B1 des Transistors T1 mit dem Widerstand R3 und der Diode D2 ist mit dem Kollektor C2 eines mit einem Transistor T3 zusammen einen Differenzverstärker bildenden Transistors T2 verbunden. Die zusammengefassten Emitter E2, E3 des Differenzverstärkers T2, T3 sind über einen Emitterwiderstand R7 an die durch die Z-Diode Z1 weitgehend stabilisierte Gleichspannung angeschlossen. Die Basis B2 des Transistors T2 ist an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R4 und R5 angeschlossen. Die Basis B3 des Transistors T3 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R5 und dem Mittelpunkt des aus den Widerständen R6 und RS gebildeten Spannungsteilers verbunden, wobei der Widerstand R8 an der durch die Z-Diode Z1 stabilisierten Gleichspannung und der Widerstand R6 an der Leitung Mp liegt. Sämtliche Teile, mit Ausnahme der Diode D1 und der Widerstände R1, R2 und R4 sind Bestandteil einer Halbleiter-Scheibe 2. Diese ist auf die unter Fig. 1 genannte Weise mit dem Bimetallstreifen verbunden, was durch Doppelstriche bei den Transistoren T1, T2 und T3 angedeutet ist.

Die Heizleistungsstabilisierung der Schaltung nach Fig. 2 arbeitet folgendermassen:

Erwünscht ist eine konstante, durch den Transistor T1 aufgebrachte Heizleistung. Das setzt voraus, dass dessen Kollektor-Strom umgekehrt proportional zu den Schwankungen der Netzspannung ist und dass der Kollektorstrom multipliziert mit der Netzspannung eine Konstante ergibt. Der Differenzverstärker T2, T3 verstärkt die Schwankungen der Netzspannung zwischen den Basisanschlüssen B2, B3 derart, dass der Kollektorstrom von T1 umgekehrt proportional der Netzspannungsschwankungen wird. Steigt die Netzspannung zwischen den Anschlüssen P und Mp, so wird der Strom durch den Transistor T2 kleiner und damit der Strom des Transistors T1. Die Summe der Kollektorströme durch die Transistoren T2, T3 bleibt erhalten. Die Verstärkung des Differenzverstärkers wird durch die Widerstände R4, R5, R6, R8 so eingestellt, dcss die Heiz-

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leistung des Transistors T1 unabhängig von der Betriebsspannung wird.

Eine weitere Regelschaltung gemäss der Fig. 3 der Zeichnung wird für die Kompensation der Umgebungstemperatur benutzt. Dieser Schaltung liegt wieder die Stromquelle 1A Fig. 2 mit der Z-Diode Z1 zugrunde. Die an dieser Z-Diode Z1 abgenommene Spannung wird über einen Widerstand R9 zum Verbindungspunkt α übertragen. Mit Hilfe einer an der Anschlussklemme Mp liegenden und an den Verbindungspunkt α angeschlossenen Reihenschaltung aus einem festen Widerstand R1O und einem Heissleiter NTC wird auf bekannte Weise der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die an der Basis B1 des Transistors T1 anstehende Spannung kompensiert. Der Heissleiter kann an einem geeigneten Ort ausserhalb der aus der Stromquelle 1A der Z-Diode Z1 und den Widerständen R9, R1O bestehenden integrierten Schaltung angeordnet sein, so dass er gegebenenfalls schneller auf wechselnde Umgebungstemperatur reagieren kann.

Im Diagramm nach der Fig. 4 ist die Uebertemperatur in Funktion vonder Zeit für ein Thermorelais aus einem Verbund von Bimetall mit einem steuerbaren Halbleiter als Wärmequelle aufgetragen. Die gestrichelt gezeichnete Kurve gilt für ein Relais mit konstanter Heizleistung, die praktisch lineare ausgezogene Linie für Aufheizung mit einem konstanten Wärmestrom. Es ist aus der gestrichelten, in einer e-Funktion ansteigenden Kurve zu ersehen, dass sich die Temperatur bei Aufheizung mit konstanter Heizleistung asymptomatisch einem strichpunktiert dargestellten Temperaturwert nähert. Wenn die Aufheizung von Natur aus lange Zeiten benötigt, was für gewisse Anwendungen nicht umgangen werden kann, so kann bei Unterspannung im Versorgungsnetz der Fall eintreten, dass die benötigte Heiztemperatur überhaupt nicht, also theoretisch nur bei unendlicher Aufheizzeit erreicht werden kann.

Um diesem Uebelstand abzuhelfen, werden der wärmeabgebende Halbleiter T1 und das Bimetall 4 gemäss Fig. 5 durch einen

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Wärmewiderstand R# von vorbestimmter Grosse getrennt. Auf diese Weise gelingt es mit Hilfe einer geeigneten Schaltung die praktisch lineare, in der Fig. 4 ausgezogene Aufheizungslinie zu erreichen, wobei durch den Wärmewiderstand R# ein konstanter Wärmestrom fliesst. Bei einer allfällig auftretenden Unterspannung im Netz verändert sich die Steilheit dieser Aufheizgerade nicht, solange der Wärmestrom konstant gehalten wird. Die Verzögerungszeit ti ist daher nur noch von der Umgebungstemperatur anhängig.

Der Transistor T1 ist bei dieser Ausführungsform Bestandteil einer Verstärkerschaltung gemäss Fig. 5, die durch je einen Temperaturfühler 5 und 6 in Kontakt mit dem Verstärker und mit dem Bimetallstreifen 4 derart geregelt wird, dass sich zwischen den beiden Fühlern eine konstante Temperaturdifferenz ergibt, die unabhängig von der absoluten Grosse der Temperaturregelung ist. Dadurch wird der Wärmestrom

in K)

Ein integriertes Halbleiter-Element 7 nach der Fig. 6 zum Heizen des Thermorelais nach der Fig. 5 enthält als steuerbaren Halbleiter einen mit einer Stromquelle versehenen Komparator 8, der in bekannter Weise über Zuleitungen 9 und 1O mit Gleichspannung versorgt wird. Die Eingänge des Komparators 8 sind mit je einem Temperaturfühler 5 und 6 der Fig. 5 versehen. Diese können in der Ausführungsform der Fig. 6 aus mit Vorwiderständen RI1 und R12 versehenen Dioden D3 und D4 bestehen, wobei die Verbindung zwischen dem Widerstand R11 und der Diode D3 mit dem nichtinvertierenden und die Verbindung zwischen dem Widerstand R12 und der Diode D4 mit dem invertierenden Eingang des Komparators 8 zusammengeschaltet sind. Die beiden Widerstände R11 und R12 können gegebenenfalls durch eine hybride Beschaltung extern abgeglichen werden. Die beiden Temperaturfühler erhalten ihre Versorgungs-Gleichspannung über eine mit zwei gleichen Wider-

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ständen R13 eingestellte Z-Diode Z3 von den beiden Gleichstromanschlüssen 9 und 10. Der Komparator 8 besorgt den Hauptanteil der Beheizung des Thermorelais. Der eine aus der Diode D4 bestehende Temperaturfühler steht in direktem Kontakt mit dem Komparator 8, was mit einem ersten geschweiften Pfeil angedeutet ist. Der zweite, aus der Diode D3 bestehende Temperaturfühler kann über den in der Fig. 5 dargestellten Wärmewiderstand R# mit dem Verstärker getrennt sein. Als Wärmewiderstand Rj? kann aber auch, wie dies durch den zweiten geschweiften Pfeil 11 angedeutet und in der Fig. 7 und 8 näher gezeichnet ist, auf der gleichen Halbleiter-Scheibe des integrierten Halbleiter-Elements 7 in geringer örtlicher Entfernung mitintegriert sein.

Das in Fig. 7 in der Aufsicht und in Fig. 8 im Querschnitt gezeichnete integrierte Halbleiter-Element 7 nach der Schaltung der Fig. 6 ist im Querschnitt durch Aetzung U-förmig ausgebildet und an den Stellen 11 mit dem Bimetallstreifen 4 verlötet. Auf seiner dem Bimetall abgewendeten Seite ist im Zentrum der Halbleiter-Scheibe der Komparator 8 und/oder eine separate Endstufe desselben angeordnet. In unmittelbarem Kontakt mit dem steuerbaren Element 8 ist der Temperaturfühler 5 der Fig. 5 integriert. In einiger Entfernung von diesem, beispielsweise in einer Ecke der Halbleiterscheibe 7, ist der zweite Temperaturfühler 6 der Fig. 5 integriert. Der Zwischenraum zwischen den beiden Temperaturfühlern 5 und 6 bildet den Wärmewiderstand Rj? der Fig. 5. Dadurch kann die Herstellung des Thermorelais stark vereinfacht werden.

Die Regelung der Temperaturfühler D3, D4 mit dem Komparator 8 arbeitet derart, dass die Temperaturdifferenz zwischen diesen Fühlern konstant bleibt. Die Temperaturdifferenz zwischen den Fühlern kann durch Verwendung des hybriden Widerstandes R14 verkleinert werden.

Wird der konstante Wärmestrom mit Erreichen der Verzögerungszeit ti nach dem Diagramm der Fig. 9 erniedrigt, so kühlt das

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Verbundelement ab und erreicht nach der Abkühlzeit t2 den unteren Schaltpunkt. Durch erneutes Aendern des Wärmestromes sind weitere in ihrer Verzögerungszeit definierte Schaltzyklen möglich.

Da das Anbringen von mehr als zwei Anschlüssen an dem integrierten steuerbaren Halbleiter je nach Grosse erschwert sein kann, wird in Fig. 1O gezeigt, wie eine kontaktlose Aenderung des Wärmestromes durch Beeinflussung eines Fotowiderstandes R15 durch eine Lichtquelle 1_1 möglich ist.

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Claims

PATENTANSPRUECHE

1.7 Thermorelais mit einem Verbundelement aus einem Bimetall und einem steuerbaren Halbleiter als Heizer, insbesondere für Anwendung in Ueberwachungsgeräten für Heizungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass ein nichtsteuerbares temperaturkompensierendes Element mit einem steuerbaren Schaltelement auf der gleichen Halbleiterscheibe monolithisch integriert ist.

2. Thermorelais nach dem Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung für die Erhitzung des Bimetalls durch eine Schaltung zur Behebung von Störungen durch Unterspannung bei langen Aufheizzeiten verzögert abgegeben wird.

3. Thermorelais nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konstantstromquelle (1 A) auf der Halbleiterscheibe (1, 2) integriert ist.

4. Thermorelais nach dem Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzogerungszeiten durch Aenderung des Wärmeflusses von Heizer und Bimetall bestimmt werden.

5. Thermorelais nach dem Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelschaltung zur Konstanthaltung der Wärmeleistung auf der Halbleiterscheibe integriert ist.

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6. Thermorelais nach dem Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelschaltung mit einem hybriden temperaturempfindlichen Widerstand (NTC) zur Kompensation von Schwankungen der Umgebungstemperatur auf der Halbleiterscheibe integriert ist.

7. Thermorelais nach dem Anspruch 1 und 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als steuerbarer Halbleiter ein Komparator (8) vorgesehen ist und dass zwischen diesem und dem Bimetall (4) ein Wärmewiderstand (Rs?) geschaltet ist, über welchen ein konstanter Wärmestrom fliesst und mit welchem auf entgegengesetzten Seiten je ein Temperaturfühler (5, 6) in wärmeleitendem Kontakt steht, welche den Komparator (8) derart regeln, dass eine konstante Temperaturdifferenz zwischen diesem und dem Bimetall (4) aufrechterhalten wird.

8. Thermorelais nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum zwischen dem ersten in Kontakt mit dem steuerbaren Schaltelement (8) stehenden Temperaturfühler (D4) und dem zweiten Temperaturfühler (D3) auf der Halbleiter-Scheibe (7) als Wärmewiderstand (R??) ausgebildet ist.

9. Thermorelais nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekopplung von Bimetall (4) und Komparator (8) dur'ch einen hybriden Widerstand (R14) zwischen den Verbindungspunkten des ersten Temperaturfühlers (D4) mit seinem Vorwiderstand (R12) und des zweiten Temperaturfühlers (D3) mit seinem Vorwiderstand (R11 ) bestimmt wird.

10. Thermorelais nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekopplung von Bimetall (4) und Komparator (8) durch einen kontaktlos beeinflussbaren Widerstand (R15) zwischen den Verbindungspunkten des ersten Temperaturfühlers (D4) mit seinem Vorwiderstand (R12) und des zweiten Temperaturfühlers (D3) mit seinem Vorwiderstand (R11) bestimmt wird.

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