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Thermostat Die Erfindung bezieht sich auf einen Thermostaten mit
eine Temperaturfühler und einem Schaltorgan für einen Verbraucher, insbesondere
auf einen Raumthermostaten.
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Es sind zahlreiche Arten von mechanisch arbeitenden Raumthermestaten
bekannt geworden. Da bei ihnen die Schaltleistung direkt aus der Temperaturdifferenz
aufgenemmen werden muss, wird das Fühlerorgan entweder senr gress oder die Schaltdifferenz
muss gross werden. Auch cle Zeitkonstante eines solcnen Reglers ist verhältnismassig
gross. Durch eine thermisene Rückführung wird
versucht, hier Abhilfe
zu schaffen. Trotzdem sind bei mechanischen Raumthermostaten die zum Schalten notwendige
Temperaturdifferenz, d.h. die Schalthysterese, und die Zeitkonstante relativ gross
und die Thermostaten sind gegen Umwelteinflüsse empfindlich.
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Wenn man als Raumthermostat elektronische Thermostate einsetzen will,
die beispielsweise mit einem elektrischen Widerstandsfühler arbeiten, so wird die
Schaltleistung nicht aus der Temperaturdifferenz entnommen, sondern durch einen
Verstärker auf gebracht. Ein elektrischer Widerstandsfühler lässt sich ausserdem
sehr klein und massearm herstellen. Es kann damit eine sehr genaue Temperaturansteuerung
erreicht werden und der Raumthermostat lässt sicn, was bei Massenartikeln sehr wictitig
ist, sehr leicht an unterschiedliche Gegebenheiten anpassen. Es ist jedoch ein wesentlicher
Nachteil, dass der elektronische Verstärker elektrische Energie benötigt und diese
zwangsläufig in Wärme umgesetzt wird. Wenn man also den Fühler in der unmittelbaren
Nachbarschaft des Verstärkers anbringen will und ihn mit diesem zusammen in ein
Gehäuse integrieren will, bestent eine thermische Rückkopplung zwischen dem Verstärker
und dem Fühler Diese verfälscht die zu messende Temperatur und eine genaue Messung
ist daher unmöglich.
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wesentlich ist dabei, dass zum Energieverbrauch des Verstärkers selbst
der Verbrauch des Elementes für die Spannungstransformation, beispielsweise eines
Transformators, dazukommt, da man einen solchen Verstärker wohl zwangsläufig aus
dem Netz speisen muss. Es ist daher notwendige entweder den Verstärker oder zumindest
aber sein Netzteil gesondert von dem Fühler anzubringen, was nicht nur erhöhte Baukosten,
sondern auch erhöhte Verlegungskosten und Schwierigkeiten
für die
Reparatur mit sich bringt. Wollte man aber die thermische Rückkopplung zwischen
dem Fühler und dem Verstärker hinnehmen, so würde ein sehr ungenau arbeitender Thermostat
entstehen, der darüberhinaus noch bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche
Fehlerwerte aufweist und weiterhin Netzspannungsschwankungen als Fehler mit auf
die gemessene Temperatur überträgt.
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Um der Notwendigkeit der Spannungs transformation zu entgehen, könnten
zwar elektronische Bauelemente für Netzspannung eingesetzt werden, die jedoch so
teuer sind, dass der Raumthermostat dadurch unwirtschaftlich werden würde.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Raumthermostaten zu schaffen,
der bei sehr einfachem und wirtschaftlichem Aufbau genaueste Temperaturreglung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch einen Thermostaten gelöst
mit einer für Klein spannung ausgelegten und mit Blindstrom aus dem Netz gespeisten
elektronischen Schaltung zur Auswertung des Messwertes des Messfühlers und zur Umsetzung
dieses Messwertes in ein Schaltsignal für das Schaltorgan.
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Dieser Blindstrom speist entweder das Schaltorgan, beispielsweise
die Spule eines Schaltrelaissoder wird durch ein kurzschliessendes Bauelement am
Relais vorbeigeführt.
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Durcn den Blindstromcharakter ist die entstehende Wirkleistung sehr
gering. Obwohl die elektronische Schaltung keine Mittel zur Spannungstransformation
benötigt, kann es unmittelbar an das Wechselstromnetz angeschlossen verden. Der
Blindstrom wechselt somit zwangsläufig in jeder Periode die Richtung. Bei jedem
Richtungswechsel wird der bestehende Kurzschluss aufgehoben und eine erneute Messung
durchgeführt.
Bevor die Spannung in der elektronischen Schaltung den von elektronischen Niederspannunys-Bauelementen
noch sicher beherrschten Kleinspannungsbereicn verlässt, wird je nach Messwert im
Soll-Ist-Wert-Vergleich entweder wieder ein Kurzschluss hergestellt oder der Kurzschlusstrom
auf ein Schaltorgan, beispielsweise ein ebenfalls für Niederspannung ausgelegtes
Schaltrelais, geleitet. Es werden somit für die elektronische Schaltung nur Niederspannungs-Bauelemente
benötigt, die den Aufbau einer kleinen, einfachen und wirtschaftlich herstellbaren
Schaltung ermöglichen. Der in Wärme umgesetzte Leistungsbedarf der Schaltung einschlxsslich
des Schaltorgans liegt so niedrig, dass nunmehr auch ein unmittelbarer Zusammenbau
von Fühler und elektronischer Schaltung möglich wäre.
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Die Leistung kann beispielsweise unter 1 W gesenkt werden.
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Die geringe Baugrösse der Schaltung ermöglicht es jedoch auch noch,
selbst bei einem sehr klein gebauten Thermostaten eine gewisse räumliche Trennung
zwischen der elektronischen Schaltung und dem Schaltorgan einerseits und dem Fühler
andererseits durchzuführen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
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Die einzige Zeichnungsfigur zeigt ein Schaltbild eines Raumthermostaten
nach der Erfindung.
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Die in der Zeichnung dargestellte Schaltung ist mit ihrem Anschluss
2 an die Netzphase eines normalen Wechselstromnetzes angeschlossen, während der
Anschluss 3 der Nulleiteranschluss ist. An einen Anschluss 1 kann ein Verbraucher
angeschlossen
werden. Dieser Anscnluss 1 ist mit der spannungsführenden
Phase 2 über einen Schaltkontakt 30 eines als Relais ausgebildeten Schaltorgans
verbindbar, wenn die zugehörige Relaisspule 13 stromdurchflossen ist.
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Zwiscnen die Anschlüsse 2 und 3 sind ein Widerstand 6 und zwei Kondensatoren
4 und 5 geschaltet. Zwischen beiden Kondensatoren 4, 5 ist über einen weiteren Widerstand
7 eine Gleichrichterbrücke aus Dioden 8,9,10,11 angeschlossen, deren dem Widerstand
7 gegenüberliegender Eckpunkt mit dem Nulleiteransceluss 3 verbunden ist. An die
beiden seitlichen Eckpunkte der Gleichrichterbrücke sind zwei Zweige 31, 32 der
elektronischen Schaltung angeschlossen.
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Die beiaen Zweige 31, 32 können durch zwei Thyristoren 12, 23 miteinander
verbunden werden, und zwar kann der Thyristor 12 im Falle seines Durcnschaltens
die Zweige 31 und 32 kurzschliessen, so dass die gesamte Messchaltung 33 stromlos
wird. Wenn dagegen der Thyristor 23 durchschaltet, so fliesst ein Strom über die
Spule 13 des Relais.
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Zwischen die Zweige 31 und 32 ist die Messchaltung 33 eingeschaltet.
An den Zweig 31 ist ein Trimmwiderstand 19 angeschlossen, von dessen beiden Ausgangsanschlüssen
die Zweige einer Nessbrücke ausgehen. Der eine Brückenzweig 34 entnält, in Reine
geschaltet, einen Widerstand 17, einen als veränderlichen Widerstand ausgebildeten
Messfühler 15 und einen danintergeschalteten Widerstand 22. Der andere Brückenzweig
35 enthält einen Widerstand 18, einen dahintergeschalteten weiteren Festwiderstand
u und einen als Einstellpotentiometer @@sgebildeten verstellbaren Widerstand 16.
Diesem ist ein Festwiderstand 21 parallelgeschaltet.
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Durch zwei Transistoren 24, 25 ist die Messchaltung als ein bistabiles
Schaltglied, dOh. eine bistabile Kippstufe, ausgebildet. Die Transistoren sind jeweils
mit ihrer Basis an den einen Zweig und mit ihren Kollektoren an den anderen Zweig
der Brücke angeschlossen, so dass die Basis des Transistors 24 und des Kollektors
des Transistors 25 an den Brückenzweig 34 zwischen dem Widerstand 17 und dem Messfühler
15 angeschlossen sind, während die Basis des Transistors 25 und der Kollektor des
Transistors 24 zwischen den Widerständen 18 und 20 des Brückenzweiges 35 liegen.
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Die beiden Emitter der Transistoren sind über eine Diode zwischen
dem Thyristor 23 und der Relaisspule 13 angeschlossen Eine Z-Diode 14 bildet zusammen
mit dem Widerstand 22 eine Überbrückung des Relaisspule, ihre Sperr- bzw. Begrenzungsrichtung
ist derart gewählt, dass sie die Spannung an der Relaisspule begrenzt. Die Zündelektrode
des Kunschlussthyristors 12 ist an den Brückenzweig 34 zwischen dem Widerstand 17
und dem Messfühler 15 angeschlossen und die Zündelektrode des Thyristors 12 an den
Brückenzweig 35 zwischen den Widerständen 18 und 20.
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Eine ausgeführte, besonders vorteilhafte Schaltung nach Fig 1 ist
Wie folgt bestückt: Widerstand 6 330 Ohm Widerstand 7 100 Ohm Widerstände 17,18
200 Ohm Widerstand 22 11 Ohm Widerstand 20 820 Ohm Widerstand 21 2 kOhm poltentiometer
16 2 kOh Trimmer 19 47 kOhm
Kondensator 4 0,47y»F Kondensator 5
0,22frF Dioden 8,9,10,11,26 1N4148 Z-Diode 14 BZX 79 C 36 Transistoren 24,25 BC
238 Thyristoren 12,23 BRY 56 Relais 13,30 V23016-B0030- (Siemens) C 401 Messfühler
15 NTC-Widerstand, 1 kR bei 250C Die Funktion dieser Schaltung ist wie folgt: Nachdem
die Schaltung mit den Anschlüssen 2 und 3 mit dem Netz und mit dem Anschluss 1 mit
dem Verbraucher verbunden ist und durch Einstellung des Trimmwiderstandes 19 abgeglichen
ist, ist sie einsatzbereit.
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Der Kondensator 5 lädt sich mit einer der jeweiligen Netzspannungsphase
entsprechenden Polarität auf. Gleichzeitig beginnt hinter dem Gleichrichter 8,9,10,11
die Spannung anzusteigen. Beide Basisspannungen der Transistoren 24 und 25 beginnen
zu steigen. Je nach dem von der Einstellung des Potentiometers 16 einerseits und
von der Temperatur des temperaturabhängigen Messfühlers 15 andererseits abhängigen
Brücken gleichgewicht wird einer der beiden Transistoren vor dem anderen leitend.
Im gleichen Augenblick wird die Basisspannung des anderen Transistors abgesenkt
und ein Durchsteuern dieses Transistors verhindert.
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Die beiden Transistoren 24 und 25 bilden also den eigentlichen Messverstärker.
Ist das Brückengleichgewicht derart, dass der Transistor 24 durchschaltet, so ist
der Transistor 25 für diese Wechselstromhalbperiode gesperrt, da seine Basis-Emitter-Spannung
soweit abgesenkt wird, dass er nicht mehr leitend werden kann. Der durchgeschaltete
Transistor 24
erhöht nun den durch den Widerstand 16 fliessenden
Strom soweit, dass der daran mit seiner Zündelektrode angeschlossene Thyristor 23
zündet. Der Strom kann nunmehr über die Relaisspule 13 fliessen, die in den aus
den Zweigen 31 und 32 unter Zwischenschaltung des Thyristors 23 bestehenden Kreis
eingeschaltet ist.
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Durch die Zündung des Thyristors 23 wird die Messchaltung 33 praktisch
kurzgeschlossen und die Spannung in ihr soweit abgesenkt, dass der Transistor 24
wieder sperrt und eine Erwärmung des Fühlerwiderstandes 40 durch den Strom praktisch
nicht auftritt. Der Messtrom aus der Messchaltung floss vorzugsweise ebenfalls über
die Relaisspule 13, war er so gering, dass er das Relais nicht zum Anziehen bringen
konnte.
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Dieser und der infolge des Zündens des Thyristors fliessende Strom
sorgen für eine Selbsthaltung des Thyristors 23.
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Die Begrenzungsspannung der Diode 14 ist doppelt so hoch gewählt wie
die Betriebsspannung des Relais. Dadurch ist ein steiler Stromanstieg in der Relaisspule
gewährleistet und der Relaisanzug erfolgt binnen kürzester Zeit, d.h. etwa innerhalb
von fünf Millisekunden. Da der Strom der Spannung um 900 elektrisch vorauseilt,
erfolgt das Schliessen des Relais nahe dem Nulldurchgang der Netzspannung. Beim
Nulldurchgang des Stromes fliesst der Freilaufstrom der Relaisspule über die Z-Diode
14 und den Widerstand 22.
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Es erfolgt damit eine definierte Anhebung des Basispotentials des
Transistors 24. Somit sorgt der sehr niederohmige Widerstand 22 für eine erwünschte
Schalthysterese, die sehr gering, jedoch mit grosser Genauigkeit festgelegt werden
kann. Mit anderen Worten: der Transistor 24 erhält, so lange der Relaisstrom fliesst,
eine definierte Bevorrechtigung gegenüber dem Transistor 25. Es ist also möglich,
zur
Veränderung oder Einstellung der Schalthysterese den Widerstand 22 zu verändern.
Das Relais bleibt also, ohne zu flattern und ohne auf minimale Schwankungen der
Temperatur anzusprechen, eingeschaltet und der Verbraucher 1, im Falle eines Raumthermostaten
eine Heizung, bleibt so lange eingeschaltet, wie das Relais angezogen hat.
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Dadurch erfolgt eine Erwärmung des Raumes. Wenn diese um die durch
die Schalthysterese bestimmte Temperaturdifferenz höher ist als der entsprechende
Ausschaltwert, dann hat sich infolge dieser Temperaturerhöhung der Widerstandswert
des Messfühlers 15, eines NTC-Widerstandes, soweit abgesenkt, dass infolge einer
dementsprechenden Verstimmung der Messbrücke der Transistor 25 vor dem Transistor
24 leitend wird.
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Der Transistor 24 wird durch die Kippschaltung blockiert und der Thyristor
12 zündet. Auch in diesem Fall wird sofort die Messchaltung abgeschaltet, da sie
ebenso wie die Relaisspule 13 in dem Teil der elektronischen Schaltung ist, der
durch den Thyristor 12 kurzgeschlossen wird. Die Relaisspule wird also stromlos
und das Relais fällt ab.
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Durch Wahl der Zeitkonstante dieses Kreises ist auch der Abfallpunkt
des Relais so vorherbestimmt, dass die Öffnung des Relaiskontaktes 30 nahe dem Nulldurchgang
der Netzspannung erfolgt. Dadurch werden Kontaktabbrände und Netzstörungen auf ein
Minimum herabgesetzt. In dieser Schaltstellung ist der Transistor 24 nicht mehr
bevorrechtigt und die Verstimmung der Brücke muss wieder um eine Schaltdifferenz
in die entgegengesetzte Richtung geführt werden, bevor ein erneutes Umschalten erfolgt.
Praktisch erfolgt bei jedem Nulldurchgang des Blindstromes, also einhundert Mal
in der Sekunde, eine erneute Entscheidung, ob der eine oder andere bistabile Zustand
der Kippschaltung herbeigeführt werden
soll und damit der Raum
geheizt werden soll oder nicht, Die Schalthysterese verhindert jedoch zu häufiges
Schalten. Die von der Messchaltung 33 getroffene Entscheidung, ob der eine oder
andere Zustand vorliegt, erfolgt jedoch im Kleinspannungsbereich (bei ca. 6 Volt)
und sofort danach wird die Messbrücke kurzgeschlossen (entweder durch in Thyristor
12 oder durch den Thyristor 23). Daher können sämtliche Bauelemente a:s Niederspannungs-Bauelemente
ausgebildet sein und auch Störspitzen des Netzes wirken sich nicht aus, da die volle
Netzspannung in der Schaltung überhaupt nicht zur Wirkung kommt. Von der elektronischen
Schaltung braucht lediglich der als Blindstrom-Begrenzer wirkende Kondensator 4
für Netzspannung ausgelegt zu sein. Mittels der Widerstandskombination 20,21 kann
die Messchaltung an gewünschte Kennlinien angepasst werden. Je nach der Ausbildung
der Fühler (NTC- oder PTC-Widerstände) oder der Tatsache, ob eine Einschaltung des
Verbraucners bei sinkender Temperatur (Heizungsregelung) oder bei steigender Temperatur
(Kühlungsregelung) erfolgen soll, können Messfühler 15 und Potentiometer 16 gegeneinander
ausgetauscht werden.
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Der beschriebene Raumthermostat arbeitet ausserordentlich zuverlässig
und es kommt unter keinen Umständen zu einem Schwingen zwischen dem Messkreis.und
dem Kurzschlussthyristor, wodurch sich die Spannung langsam höher aufbauen könnte
und es zu einer Zerstörung des Messkreises kommen würde. Die beschriebene Anordnung
und Ausbildung der Z-Diode 14 und der Relaisspule 13 sorgt nicht nur dafür, dass
das Relais ausserordentlich schnell anzieht, sondern auch dass das Relais ausserordentlich
erwärmungsarm arbeitet. Dabei wirkt der Blindstromwiderstand in der Relaisspule
zur Begrenzung des Stromes mit. Bei der beschriebenen Bauart beträgt die Leistungsaufnahme
der Relaisspule
nur 0,3 Watt, was etwa einem Viertel der Nennerwärmung
der Relaisspule entspricht.
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Infolge der Vollweggleichrichtung durch die Gleichrichterbrücke d,9,10,11
erfolgt eine Messung und erneute Entscheidung über den Zustand bei jedem Nulldurchgang.
Wenn nur eine Einweg-Gleichrichtung vorgesehen ist, so wird nur bei jedem zweiten
Nulldurchgang gemessen.