DE2508336C3 - Mit einem durch Stromwärme beheizten Bimetall versehene Einrichtung zum Regeln und/oder Steuern von Heizungsanlagen o.dgl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht: sich auf eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches I genannten Gattung.

(Jberwachungs- und Regelgeräte für Heizungs- und ähnliche Anlagen benötigende Antriebe, die Programmschaiiwerke 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. Dabei ist es bekannt, bei der Herstellung von integrierten Schaltungen z. B. durch LASER el. Widerstände zu beeinflussen.

Eine Einrichtung der eingangs genannten Art, die als Thermorelais dient, ist bereits bekannt (DE-AS 12 36 655). Dort ist ein mit Schaltkontakten versehenes Bimetall mit einem Halbleiter, vorzugsweise mit einer Z-Diode durch Löten oder Kleben zu einem Verbundelement mit Schnappverhalten verbunden. 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 Änderung der Heizleistung erfolgt. Anstelle der Z-Diode können ebenfalls Transistoren verwendet werden, wobei allerdings nicht aufgezeigt ist, wie eine Temperaturkompensation erreicht werden kann. Hierdurch beansprucht die integrierte Baueinheit bei geringem Materialbedarf einen nur geringen Raum. Die durch die Integrierung zu einer Gesamt-Baueinheil in engen Kontakt gebrachten einzelnen Bauelemente bzw. -Segmente vermeiden überdies lange Wärmeleitungswegs. Die Temperaturkompensation wird dadurch verbessert. Die Verzögerungszeit kann dann auf verschiedene und anhand von Beispielen nach erläuterter Weise programmiert werden, z. B. dadurch, daß die Verzog erungszeiten durch Änderung des Wärmeflusses von Heizer und Bimetall bestimmt werden.

Bei einer anderen bekannten Umschalteinrichtung werden zwei gegeneinander gestillte 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.

.vs Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Einrichtung zu schaffen, die zusätzlich zu den Vorteilen der bekannten Einrichtungen eine verbesserte Temperaturkompensation insbesondere bei langen und kurzen Verzögerungszeiten erlaubt und bei geringem

<«> Raumbedarf einfach herstellbar ist Außerdem ist die Programmierbarkeit der Verzögeningszeit trotz kleinem Material- und Raumbedarf erwünscht

Die Erfindung besteht in der im Kennzeichenteil des Patentanspruches I genannten Lösung.

ft.s 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 Einstellung des Konstantstromes erlaubt eine leicht zu beeinflussende Programmierung der Verzögerungszeit

Weitere Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus Unteransprüchen. s

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine Grundschaltung einer als Thermorelais dienenden Einrichtung,

Fig.2 ein spannungsgeregeltes Thermorelais mit to konstanter Heizleistung,

F i g. 3 ein umgebungstemperatur-kompensiertes Thermorelais,

F i g. 4 ein Diagramm mit normalem und verbessertem Temperaturverlauf,

F i g. 5 ein Thermorelais mit zwei Temperaturfühlern,

F i g. 6 die elektronische Schaltung des Relais gemäß F i g. 5 für konstanten WärmefluB,

F i g. 7 ein integriertes Halbleiterelement für das Thermorelais Fig.5 und 6 mit integrieren! Wärmewiderstand R # in der Aufsicht,

F i g. 8 einen Querschnitt durch das Element nach der F ig. 7,

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

F i g. 10 die elektronische Schaltung gemäß F i g. 5 mit kontaktloser Programmierung der Verzögerungszeiten.

Die Grundschaltung eines Thermorelais nach der F i g. 1 zeigt die mit einem Bimetall verbundenen elektronischen Elemente. Diese bestehen aus einer mit strichpunktierten Linien dargestellten Halbleiter-Scheibe 1 und' hybriden Schaltelementen Diode Di, Widerstand Al und Widerstand RX Die Halbleiter-Scheibe enthält einen Transistor Tl, dessen vollkommene thermische Verkopplung mit einem Bimetall durch Löten oder Kleben durch doppelte Striche angedeutet sind. Der Transistor Ti bildet zusammen mit einer Z-Diode Zi, einem Widerstand A3 und einer Diode D 2 in bekannter Weise eine Konstantstromquel- ₄c· Ie, deren Heizleistung N von der Versorgungsspannung linear abhängig ist Die Heizleistung

N=U- /con&i

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wird vom Hauptteil vom Transistor Ti aufgebracht. Die Versorgungsspannungen erhält das Heizelement in Form der beschriebenen Stromquelle von Wechselstromanschlüssen P und Mp über nicht dargestellte Schalter, die Diode DI₁ Jen Vorwiderstand R 1 für die Z-Diode Z1 und über den Schutzwiderstand R 2 für den Transistor Ti. Der Transistor Ti und die Diode D2 sind Bestandteil der gleichen Halbleiter-Scheibe 1 und ergeben durch die thermische Kopplung eine optimale Temperaturkompensation des Transistors Ti, wie dies durch einen geschweiften Pfeil angedeutet ist. Der Festwiderstand Λ 3 besorgt die Konstantstrom-Einstellung, und er kann durch externe Beschattung mit einem weiteren Widerstand zwischen den Anschlußpunkten a und b gegebenenfalls von außen beeinflußt werden. Die u> mit gestrichelt gezeichneten Anschlüssen versehene Z-Diode Z2 schützt den Transistor TX zusammen mit dem Widerstand Ä2 vor unerwünschten Spannungsspitzen im Netz.

Die Grundichaltung lach F i g. I ermöglicht also im ^ Schlußergebnis eine konstante Heizleistung bei fester Speisespannung für den Trtruiitor Ti oder eine weitgehend lineare, vo .1er Höhe der Speisespannung abhängige Heizleistung für den mit dieser Halbleiter-Scheibe 1 verbundenen Bimetallschalter.

In der F i g. 2 ist die temperaturstabilisierte Stromquelle 1 A mit der Z-Diode Zi mit den gleichen Bezeichnungen wie in Fig. 1 dargestellt Der Verbindungspunkt öder Basis B i desTransistpors Ti mit dem Widerstand R 3 und der Diode D 2 ist mit dem Kollektor C2 eines mit einem Transistor T3 zusammen einen Differenzverstärker bildenden Transistor T2 verbunden. Die zusammengefaßten Emitter £2, £3 des Differenzverstärkers T2, T3 sind über einen Emitterwiderstand Rl an die durch die Z-Diode Zi weitgehend stabilisierte Gleichspannung angeschlossen. Die Basis B 2 des Transistors T2 ist an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R 4 und RS angeschlossen. Die Basis B 3 des Transistors T3 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R 5 und dem Mittelpunkt des aus du Widerständen R 6 und R 8 gebildeten Spannungsteilen, verbunden, wobei der Widerstand R 8 an der durch die Z-Diode Zi stabilisierten Gleichspannung und der Widerstand R 6 an der Leitung Mp liegt Sämtliche Teile, mit Ausnahme der Diode D1 und der Widerstände R 1, R 2 und R 4 sind Bestandteile einer Halbleiter-Scheibe 2. Diese ist auf die unter F i g. 1 genannte Weise mit dem Bimetallstreifen verbunden, was durch Doppelstriche bei den Transistoren TI₁ T2und Ti angedeutet ist

Die Heizleistungsstabilisierung der Schaltung nach F i g. 2 arbeitet folgendermaßen:

Erwünscht ist eine konstante, durch den Transistor Ti 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 B 2, B 3 derart daß der Kolektorstrom von Ti umgekehrt proportional der Netzspannungsschwankungen wird. Steigt die Netzspannung zwischen den Anschlüssen P und Mp, so wird der Strom durch den Transistor T7 kleiner und damit der Strom des Transistors Tl. Die Summe der Kollektorströme durch die Transistoren T2, 7'3 bleibt erhalten. Die Verstärkung des Differenzverstärkers wird durch die Widerstände RA, R5, R6, R8 so eingestellt, daß die Heizleistung des Transistros Tl unabhängig von der Betriebsspannung wird

Eine weitere Regelschaltung gemäß der F i g. 3 der Zeichnung wird für die Kompensation der Umgebungstemperatur benutzt. Dieser Schaltung liegt wieder die Stromquelle iA Fig.2 mit der Z-Diode Zi zugrunde. Die an dieser Z-Diode Zl abgenommene Spannung wird über einen Widerstand R 9 zum Verbindungspunkt a übertragen. Mit Hilfe einer an der Anschlußklemme Mp liegenden und an den Verbindungspunkt a angeschlossenen Reihenschaltung aus einem fester· Widerstand R IC und einem Heißleiter NTC wird auf bekannte Weise der Einfluß der Umgebungstemperatur auf die an der Basis B1 des Transistors Tl anstehende Spannung kompensiert Der Heißleiter /.arm an einem geeigneten Ort außerhalb der aus der Stromquelle iA der Z-Diode Zi und den Widerständen R 9, RiO bestehenden integncrten Schaltung angeordnet sein, so daß er gegebenenfalls schneller auf wechselnde Umgebungstemperatur rtagieren kann.

Im Diagramm nach der F i g. 4 i«t die Übertemperatur in Funktion von der 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 Übelstand abzuhelfen, werden der wärmegebende Halbleiter Π und das Bimetall 4 gemäß F i g. 5 durch einen Wärmewiderstand R & von vorbe-Komparators 8 zusammengeschaltet sind. Die beiden Widerstände Λ11 und Λ12 können gegebenenfalls durch eine hybride Beschattung extern abgeglichen werden. Die beiden Temperaturfühler erhallen ihre Versorgungs-Gleichspannung über eine mit zwei gleichen Widerständen /? 13 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 D 4

ίο bestehende Tenperaturfühler steht in direktem Kontakt mit dem Komparator 8, was mit einem ersten geschweiften Pfeil angedeutet ist Der zweite, aus der Diode D 3 bestehende Temperaturfühler kann über den in der Fig.5 dargestellten Wärmewiderstand R& mit dem VerstSrker getrennt sein. Als Wärmewiderstand R& kann aber auch, wie dies durch den zweiten geschweiften Pfeil 11 angedeutet und in der F i g. 7 und 8

siimmter Größe «»eirennt. Auf diese Weise gelingt es mit näher gezeichnet ist, auf dergleichen Halbieiter-Scheibc

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 Verzögemngszeit 11 ist daher nur noch von der Umgebungstemperatur abhängig.

Der Transistor 7Ί ist bei dieser Ausführungsform Bestandteil einer Verstärkerschaltung gemäß F i g. 6, 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 Größe der Temperaturregelung ist. Dadurch wird der Wärmestrom

W =

Ct in K)

Ein integriertes Halbleiter-Element 7 nach der Fi g. 6 zum Heizen des Thermorelais nach der F i g. 5 enthält als steuerbaren Halbleiter einen mit einer Stromquelle versehenen Komparator 8, der in bekannter Weise über Zuleitungen 9 und 10 mit Gleichspannung versorgt wird, mit Gleichspannung versorgt wird. Die Einginge des Komparators 8 sind mit je einem Temperaturfühler 5 und 6 der Fig.5 versehen. Diese können in der Ausführungsform der F i g, 6 tus mit Vorwiderständen All und Λ12 versehenen Dioden D3 und DA bestehen, wobei die Verbindung zwischen dem Widerstand R ί 1 und der Diode D 3 mit dem nichtinvertierenden und die Verbindung zwischen dem Widerstand R 12 und der Diode DA mit dem invertierenden Eingang des des integrierten Halbleiter-Elements 7 in geringer örtlicher Entfernung mitintegriert sein.

Das in F i g. 7 in der Aufsicht und in F i g. 8 im Querschnitt gezeichnete integrierte Halbleiter-Element 7 nach der Schaltung der F i g. 6 ist im Querschnitt durch Ätzung U-förmig ausgebildet und an den Stellen 11 mit

2j dem Bimetallstreifen 4 verlötet Auf seiner dem Bimetall abgewandten Seite ist im Zentrum der Halbleiter-Scheibe der Komfjrator 8 und/oder eine separate Endstufe desselben angeordnet In unmittelbarem Kontakt mit dem steuerbaren Element 8 ist der Temperaturfühler 5

.ίο der F i g. 5 integriert In einiger Entfernung von diesem, beispielsweise in einer Ecke der Halbleiterscheibe 7, ist der zweite Temperaturfühler 6 der F i g. 5 integriert. Der Zwischenraum zwischen den beiden Temperaturfühlern 5 und 6 bildet den Wärmewiderstand R & der F i g. 5. Dadurch kann die Herstellung des Thermorelais stark vereinfacht werden.

Die Regelung der Temperaturfühler D 3, D 4 mit dem Komparator 8 arbeitet derart, daß die Temperaturdifferenz zwischen diesen Fühlern konstant bleibt Die Temperaturdifferenz zwischen den Fühlern kann durch Verwendung des hybriden Widerslandes R 14 verkleinert werden.

Wird der konstante Wirmestrom mit Erreichen der Verzögerungszeit t1 nach dem Diagramm der F i g. 9 erniedrigt, so kühlt das Verbundelement ab und erreicht nach der Abkühlzeit 12 den unteren Schaltpunkt Durch erneutes Ändern des Wirmestromes sind weitere in ihrer Verzögerungszeit definierte Schaltzyklen möglich.

Da das Anbringen von mehr als zwei Anschlüssen an

dem integrierten steuerbaren Halbleiter je nach Gröls. erschwert sein kann, wird in Fig. 10 gezeigt, wie eine kontaktlose Änderung des Wirmestromes durch Beeinflussung eines Fotowiderstandes R15 durch eine Lichtquelle L1 möglich ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Mit einem durch Stromwärme beheizten Bimetall vei~sehene Einrichtung zum Regeln und/oder Steuern von Heizungsanlagen oder dergleichen, die «in scheibenartiges, steuerbares Halbleiter-Heizelement für das Bimetall eines Thermorelais aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Heizelement eine mit einem nicht ι ο steuerbaren lemperaturkompensierenden Element und einem mittels eines Widerstandes (R 3, R&) steuerbaren Schall element (8) monolithisch integrierte Bauein heit (I; 2; 3; 7) bildet

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantstromquelle (IA)mh der Baueinheit (2; 3) integriert ist

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verzögerungskreis das Erhitzen des Bimetaiis (4) durch Ändern des Wärmeflusses von Halbleiter-Heizelement und Bimetall (4) verzögert

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelschaltung zum Konstanthalten der Wärmeleistung mit der Baueinheit (2) integriert ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelschaltung mit einem Heißleiter (NTC) zur Kompensa.. 011 von Schwankungen der Umgebungstemperatur mil der Baueinhe¹* (3) integriert ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Hei?^:siter (NTC) außen befindet.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturkompensierende Element zwei im Abstand voneinander in der Baueinheit (7) befindliche Temperaturfühler (5,6) aufweist

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Heizelement einen Komparator (8) aufweist und der Wärmewiderstand (R #) zwischen diesem Komperator (8) und dem' Bimetall (4) geschaltet ist und daß der Wärmewiderstand (R ft) in wärmeleitendem Kontakt zwischen die Temperaturfühler (5,6) geschaltet ist weiche den Komparator (8) derart regeln, daß sich eine konstante Temperaturdifferenz zwischen diesem und dem Bimetall (4) einstellt

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet daß die Temperaturfühler (S, 6) mit Vorwiderständen (RW, R 1:2) versehene Dioden (O3,D4)sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß die Wärmekopplung zwischen dem Bimetall (4) und dem Komperator (8) durch einen hybriden Widerstand 'R14) zwischen den Verbindungspunkten der einen Diode (DA) mit ihrem Vorwide:stand (R 12) und der anderen Diode (D 3) mit derem Vorwiderstand (R 11) gebildet ist

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wännekopplung zwischen dem Bimetaii (4) und dem Komparator (8) durch einen kontaktlos beeinflußbaren Widerstand (R 15) zwischen den VerbindungspunlUen der einen Diode (Di) mit ihrem Vorwiderstand (R\2) und der anderen Diode (D3) mit deren Vorwiderstand (R W) gebildet ist.