DE2554237A1

DE2554237A1 - Temperaturgeregelte heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2554237A1
Application number: DE19752554237
Authority: DE
Inventors: Eugen Jaeger; Wolfgang Jaeger; Heinz Dipl Ing Mueller
Original assignee: EUGEN JAEGER oHG ELEKTROMECHAN
Current assignee: EUGEN JAEGER oHG ELEKTROMECHAN
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1975-12-03
Publication date: 1977-06-16

Description

Temperaturgeregelte Heizvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine temperaturgeregelte Heizvorrichtung für Flüssigkeitsbäder, insbesondere für Aquarien, phototechnische Bäder, Laboratoriumseinrichtungen, für Bäder zur Beschichtung von Materialien und dergl., wobei ein stabförmiges, von einer die Temperatur des Bades abtastenden Reglereinrichtung gesteuertes Heizelement mindestens teilweise in das Bad eintaucht.
Solche temperaturgeregelten Heizvorrichtungen sind bekannt; sie werden sehr häufig bei Aqu.arien, nicht selten aber auch bei anderen Flüssigkeitsbädern, insbesondere in Labors od.
dergl. verwendet, um die Temperatur des Wassers oder der zu erhitzenden Flüssigkeit in gewünschter Weise zu steuern und auf konstante Werte einzuregeln. Bisher wurden in Verbindung mit den bekannten, stabförmigen Heizelementen, die üblicherweise aus einer Glasummantelung bestehen, in welcher die Heizwicklung angeordnet ist, dadurch in ihrem Betriebsverhalten geregelt, daß mechanisch arbeitende Regler, beispielsweise Bimetallregler, nach Art eines Zweipunktreglers dieHeizwicklung im Heizelement mit der Versorgungsspannung verbinden oder diese Verbindung bei Erreichen der gewünschten Temperatur auftrennen.
Für bestimmte Anwendungsfälle ist bei solchen, mittels Bimetallregler arbeitenden Heizvorrichtungen gegebenenfalls nachteilig, daß aufgrund der Zweipunktcharakteristik und der vorgegebenen Ansprechempfindlichkeit des Bimetallelementes der an sich konstant zu haltende Wert einer Schwankung unterworfen ist, bei sehr großer Schalthäufigkeit kann es auch zu einer Abnutzung der Schaltkontakte kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche temperaturgeregelte Heizvorrichtung so auszubilden, daß sich die Temperatur des zu überwachenden und in seiner Temperatur zu beeinflussenden Bades schnell auf den gewünschten Temperaturwert hinführen und dort im wesentlichen ohne Schwankungen halten läßt.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs genannten, temperaturgeregelten Heizvorrichtung und besteht erfindungsgemäß darin, daß ein die Stromzufuhr zum Heizelement steuernder elektronischer Heizungsregler vorgesehen ist, der mit einem temperaturempfindlichen Schaltelement (Kaltleiter) die Badtemperatur erfaßt und seine Stromversorgung von der gleichen Netzspannungsquelle ableitet, die auch das Heizelement versorgt.
In diesem Zusammenhang ist von besonderer Bedeutung der Umstand, daß der Heizungsregler nicht nach dem Prinzip der Phasenanschnittsteuerung bei der Versorgung des Heizelementes mit dem nötigen Strom arbeiten kann bzw. soll, sondern eine Lösung gefunden werden mußte, die in der Lage ist, das Heizelement entweder voll an seine Stromversorgung zu legen oder im wesentlichen voll abzuschalten, wobei auf eine weitere Zwischenlösung weiter unten noch bei der Beschreibung eines ausführlichen Aus führungsbeispiels eingegangen wird.
Außerdem wird bevorzugt der Heizungsregler mit in der stabförmigen Umhüllung des Heizelementes untergebracht, daher steht ihm nur ein relativ geringer Raum zur Verfügung, in welchem die elektronischen Elemente, insbesondere auch die für Stromversorgung der Heizeinrichtung selbst bestimmten Schaltungselemente untergebracht werden können. Aufgrund dieses geringen Raumbedarfes ist ein normales Netzteil nicht möglich, die Erfindung umfaßt daher insbesondere auch eine Stromversorgungsschaltung, die zur Spannungsuritersetzung ohne Transformator auskommt und aus der angelegten Netzversorgungsspannung die niedrigen Gleichspannungswerte gewinnt, die für den elektronischen Schaltungsbereich des Heizungsreglers zur Stromversorgung erforderlich sind.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.
Im folgenden werden anhand der Figuren Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1a ein an sich bekanntes Heizelement, wie es insbesondere zur Temperaturregelung bei Aquarien und sonstigen Flüssigkeitsbädern verwendet.wird, Figur lb einenEZzungsregler, der ebenfalls im Temperaturbereich des zu regelnden Flüssigkeitsbades untergebracht ist und elektrisch die Stromversorgung des Heizungselements nach Figur la steuert, Figur 2 eine temperaturgeregelte Heizvorrichtung, die in einem Gehäuse Heizelement und elektronischen Heizungsregler umfaßt, Figur 3 zeigt die Wiedergabe von Kurvenverläufen, die die Temperatur über der Zeit darstellen, und zwar einmal bei Verwendung eines üblichten beispielsweise bimetallgesteuerten Heizungsreglers und zum anderen bei elektronischer Regelung der Stromversorgung des Heizelementes, Figur 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung von Gleichstromverbrauchern mit geringem Stromverbrauch unmittelbar aus dem Wechselstromnetz, wobei in der Schaltung der Figur 4 auch der Heizwiderstand des Heizelementes angegeben ist, Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Regelschaltung, die von der Stromversorgungsschaltung der Figur 4 gespeist ist und Figur 6 zeigt Spannungsverläufe an den Eingängen eines zum Heizungsregler gehörenden, vergleichenden Differenzverstärkers und die sich aus diesen Spannungsverläufen ergebenden Zündimpulse für eine zur Speisung des Heizelementes verwendete Leistungsschaltanordnung, schließlich zeigt die Darstellung der Figur 7 in einer perspektivischen Vorderansicht in vergrößerter Darstellung den Abdeckkappenbereich des Heizelementes mit verbesserten Möglichkeiten zur Temperatureinstellung.
Weiter vorn ist schon darauf hingewiesen worden, daß sich die erfindungsgemäße Heizvorrichtung für jede beliebige Art von zu erwärmenden oder zu erhitzenden Bädern und beliebige Anwendungsfälle eignet; im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren in Form eines Aquariumheizers, also einer Heizvorrichtung für den Bereich der Aquaristik beschrieben, wobei es sich aber versteht, daß dies lediglich zum besseren Verständnis erfolgt und nicht einschränkend gemeint ist.
In Figur la ist eine mögliche Ausführungsform eines Heizelementes mit getrennter Reglereinrichtung vorgesehen. Das Heizelement 1 besteht aus einem hohlen Glas staub oder einer Glasummantelung 2, in welcher sich die eigentliche, von dem speisenden Wechselstrom durchflossene Heizwendel befindet.
In Figur 2 ist die Heizwendel 3 genauer dargestellt; sie ist auf ein schmaleres Glas röhrchen 4 gewickelt; Glasröhrchen mit aufgewickelter Heizwendel 3 sind dann in das unten geschlossene Glasrohr 2 der Figur 1a eingebracht und in die Zwischenräume zur Isolierung und Wärmeübertragung feiner Sand eingestampft. Auf das oben offene Glasrohr 2 ist eine abdichtende Kappe 6 aus einem elastischen Material, bevorzugt aus Gummi aufgesetzt, die im oberen Bereich einen Durchführungsnippel 5 für die Netzanschlußleitung 7 bildet, die die Heizwendel 3 mit Strom versorgt. Die zu diesem Heizelement 1 gehörende Reglereinrichtung ist in Figur 1b separat dargestellt und mit dem Bezugszeichen 8 versehen; es versteht sich, daß die Reglereinrichtung 8 so mit dem Zuführungskabel 7 für das Heizelement 1 verbunden ist, daß die Reglereinrichtung die Steuerung der Stromzufuhr zum Heizelement 1 kontrolliert und bestimmt.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel zur relativen Anordnung von Heizelement und Reglereinrichtung ist in Figur 2 dargestellt, auf die soeben schon Bezug genommen wurde; bei dieem Ausführungsbeispiel befindet sich das Heizelement 1' im unteren Teil des unten abgeschlossenen Glasrohrs 2'; der sonstige Aufbau ist im wesentlichen identisch zu dem Heizelement der Figur la. Zwischen dem Heizelement 1' der Figur 2 und der darüber angeordneten Reglereinrichtung 8' befindet sich eine Dichtung 9, die beispielsweise aus einem geeigneten elastomeren Material sein kann und über mehrere umlaufende Dichtungslippen verfügt, so daß eine sichere Abdichtung des in den unteren Teil im Bereich des Heizelementes 1' einfüllten Sandes gegenüber den elektronischen Schaltungselementen der darüber angeordneten Regeleinrichtung 8' sichergestellt ist.
Sämtliche bisher erläuterten und bevorzugt innerhalb von Glasröhren 2 oder 2' angeordneten Systeme, werden mit dem zu erwärmenden und in seiner Temperatur bevorzugt konstant zu haltenden und zu überwachenden Bad dadurch in Kontakt gebracht, daß sie in dieses Bad soweit eingebracht werden, daß bevorzugt ein Teilbereich unterhalb der jeweiligen Kappendichtungen 6, 6', 6" noch frei bleibt. Die Befestigung an den inneren Wänden des das Bad aufnehmenden Behälters, beispielsweise also des Aquariums, kann mit Hilfe von geeigneten und an sich bekannten Gummisaugern 10 erfolgen.
Es ist wesentlich, daß auch die Regeleinrichtung körperlich mit dem zu überwachenden Bad in Kontakt kommt, um so unmittelbar die Temperatur des Bades abtasten und entsprechende Schaltbefehle geben zu können. Daher ist die Reglereinrichtung dann, wenn sie nicht ohnehin zusammen mit dem Heizelement in einem stabförmigen Glasrohr 2' zusammen angeordnet ist, wie die Figur 2 zeigt, in einem getrennten Glasrohr 2" untergebracht, welches, wie Figur 1b zeigt, ebenfalls innerhalb des Bades angeordnet wird. Es versteht sich, daß bei räumlich getrennter Ausbildung von Heizelement und Regeleinrichtung entsprechende elektrische Verbindungskabel vorgesehen sind, beispielsweise in der Weise, daß der Stecker des Zuleitungskabels 7 für das Heizelement 1 in eine der Regeleinrichtung 8 zugeordnete und von dieser gesteuerten Steckdose eingeführt ist. Das ganze System, entweder entsprechend den Figuren la und 1b oder der Figur 2, wird dann mit Netzspannung verbunden, wobei bei Verwendung einer elektronischen Regeleinrichtung besonders Art und Aufbau des Stromversorgungsteils und der Regelanordnung selbst von Bedeutung ist, da neben dem nur geringen zur Verfügung stehenden Raumangebot für eine solche Regeleinrichtung auch noch die Erzeugung der Versorgungsgleichspannung, abgeleitet aus der zugeführten Wechselspannung,erfolgen muß. Im folgenden wird daher zunächst auf die elektronische Regeleinrichtung 8 bzw. 8' genauer eingegangen.
Die einen wesentlichen Teilbereich vorliegender Erfindung umfassende Regeleinrichtung besteht aus einer Stromversorgungsschaltung 11, die in Figur 4 genauer dargestellt ist und aus der eigentlichen Regelschaltung 12, die in Figur 5 gezeigt ist.
In der Schaltung der Figur 4 ist neben der Stromversorgungsschaltung, die die erforderlichen Gleichspannungen für den Reglerteil 12 erzeugt, auch der Schaltungsteil 25 gezeigt, der das Heizelement bzw. dessen Heizwendel 3 mit der notwendigen Energie versorgt.
Den Eingangsklemmen 14 und 14' wird die Netzwechselspannung zugeführt, die beispielsweise 220 Volt betragen kann. Die Stromversorgungsschaltung 11 für den Reglerteil 12 umfaßt dann schaltungsmäßig zunächst einen Kondensator 15, der als Wechselstromwiderstand wirkt und mit einem Vorwiderstand 16 in Reihe geschaltet is.t. C,eaclenenfalls kann jedoch dieser Widerstand sehr niederohmig sein oder ganz weggelassen werden, worauf weiter unten noch eingegangen wird. Mit dem Kondensator 15 weiterhin in Reihe geschaltet ist mindestens eine gleichrichtende Diode 17; bei dem därgestellten Ausf-ührungsbeispiel sind zwei antiparallel liegende Dioden 17 und 17' vorgesehen, da auf diese Weise beide Halbwellen der zugeführten Wechselspannung zur Cleichspannungserzeugung ausgenutzt werden können. Mit jeder der Dioden 17 und 17' ist dann noch ein weiterer Kondensator 18 und 18' in Reihe geschaltet, in denen dann die gewünschte (erforderliche) Gleichspannungsenergie gespeichert wird. Parallel zu diesen Kondensatoren 18 und 18' liegen in entsprechender Polung Zenerdioden 19 und 19'. Falls gewünscht, können, wie gestrichelt lei 20 und 20' angedeutet, zwischen die jeweiligen Zenerdioden und die zugeordneten Kondensatoren 18 und 18' noch Widerstände geschaltet werden.
Die Wirkungsweise der Stromversorgungsschaltung 91 der Figur 4 ist dann so, daß bei Anlegen einer Wechselspannung zwischen die Anschlußklemmen 14 und 14' entsprechend Mittelpunktsanschluß MP und Phase R - die Wechselspannung kann üblicherweise die Werte 220 V und 50 Hz aufweisen - im Kondensator 15 ein Strom nach der bekannten Beziehung I = C.
dt fließt.
Da dieser Strom mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung seine Polarität ändert, handelt es sich um einen Wechselstrom, der dann, wenn er von der Klemme 14' zur Klemme 14 fließt, über die Diode 17 fließt und dabei den nachgeschalteten Kondensator 18 in der angegebenen Weise auflädt, so daß sich an der Ausgangsleitung 21 eine positive Spannung ergibt; fließt der Strom bei Änderung seiner Polarität von der Klemme 14 zur Klemme 14', dann wird über die Diode 17' der Kondensator 18 in der Weise aufgeladen, daß an der Ausgangsleitung 21' eine negative Spannung abfällt.
Ein Rückfluß der Ladungen über den Kondensatoren 18 und 18' in den Kondensator 15 wird durch die vorgeschalteten Dioden 17 und 17' verhindert, daher ergibt sich je nach Bemessung des Schaltkreises und der gegebenenfalls vorhanden Widerstände 20 und 20' und der Durchbruchsspannung der Zenerdioden 19 und 19' auf den Leitungen 21 und 21' eine Gleichspannung, die beispielsweise bei der Leitung 21 +12 Volt und bei der Leitung 21' -12 Volt betragen kann.
Parallel zu der Reihenschaltung des Widerstandes 16 mit dem Kondensator 15 ist noch ein hochohmiger Widerstand 22 geschaltet, der bei Abschalten des Systems von der Netzspannung die Ladung im Kondensator 15 abbaut; der Widerstand 16 begrenzt den Einschaltstrom des Kondensators 15, was besonders dann von Bedeutung ist, wenn in schneller Folge die Schaltung mit dem Netz verbunden und wieder abgetrennt wird; es können sich dann am Kondensator 15 Ladungen jeweils entgegengesetzter Polarität aufbauen, was zu relativ hohen Strömen beim erneuten Einschalten führen kann. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die soeben beschriebene Stromversorgungsschaltung 11, aber auch die anderen, im folgenden noch zu beschreibenden Schaltungen und Schaltsysteme auch für sich allein gesehen verwendet werden können und daher eine erfinderische Bedeutung auch ohne Bezugnahme auf eine temperaturgeregelte Heizvorrichtung aufweisen.
Ein weiterer Vorteil der Stromversorgungsschaltung 11 der Figur 4 ergibt sich durch die Zuschaltung zu dem die Heizwendel 3 umfassenden Schaltungssystem 25. Dieses Schaltungssystem besteht im wesentlichen aus der Reihenschaltung des Heizers bzw. der Heizwendel 3, die in Figur 2 schon erwähnt worden ist und eines Leistungshalbleiterschalters 26, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel bevorzugt ein sogenannter Triac ist.
Der Triac verfügt übereinen Steuereingang 27, eine diesem Steuereingang 27 entsprechend zugeführte Spannung schaltet den Triac 26 leitend und legt dann die Heizwendel 3 an die Wechselstromversorgung an den Klemmen 14 und 14'. Es versteht sich, daß bei der körperlichen ausgeführten Schaltung der Triac 26 als Schaltungsbaustein zusammen mit den anderen elektronischen Schaltungselementen der Figuren 4 und 5 zusammen auf einer Trägerplatte aufgebaut ist, die in Figur 2 im oberen Teil des Heizelementes gezeigt und mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. Hierauf wird weiter unten noch eingegangen.
Mit Bezug auf die Zusammenschaltung der Stromversorgungsschaltung 11 mit dem Schaltsystem 25 für die Speisung der eizwendel sei darauf hingewiesen, daß es beim Einsatz von Leistungshalbleitern, wie der Triac 26 einen darstellt, erforderlich ist, einen Schutz gegen auftretende Uberspannungen vorzusehen.
Ein solcher Schutz kann aus bekannten RC-Gliedern aufgebaut sein, die die Uberspannungsenergie aufnehmen; der Schutz kann an sich auch aus Elementen bestehen, die bei Erreichen einer bestimmten Spannung leitend werden, also etwa aus Selenüberspannungsableitern oder Glimmlampen.
Bei der vorliegenden Schaltung nach Figur 4 ist als Uberspannungsschutz ein RC-Glied vorgesehen und es ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung vorliegender Erfindung, daß ein solcher Schutz gegen Uberspannungen von dem weiter vorn schon erwähnten Kondensator 15 für die Stromversorgungsschaltung mit übernommen wird; das bedeutet, daß dieser Kondensator 15 nur oi nmn t vorgesehen zu sein braucht. Bei einer üblichen RC-Schutzbeschaltung darf im übrigen der weiter vorn schon erwähnte Widerstand 16 eine gewisse Größe nicht unterschreiten, damit Schwingungen zwischen dem Kondensator 15 und den stets vorhandenen Netz-Induktivitäten gedämpft werden können. Diese Dämpfung ist umso besser, je größer der Widerstand 16 ist; andererseits ist jedoch die Schutzfunktion der üblichen RC-Schutzbeschaltung umso geringer, je größer der Widerstand 16 ist, da sich an diesen Widerstand eine einlaufende Überspannung aufbauen kann. Auch hier ist die erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltung nach Figur 4 insofern hilfreich, als bei dieser Schaltung der Widerstand 16 sehr niederohmig gemacht werden kann (und beispielsweise nur wenige Ohm betragen kann), dennoch können Ladungserhöhungen am Kondensator 15 durch vorausgegangene Überspannungen keine Resonanzschwingungen verursachen, da diese Energie in die Kondensatoren 18 und 18' geladen wird und die Dioden 17 und 17' die in diese Kondensatoren geladene Energie abblocken.
Wird durch die ausgeführte Elektronikschaltung eine den Versorgungsspannungen von z.B. + 12 V überlagerte Welligkeit von sich aus kompensiert, dann kann, wie weiter vorn schon erwähnt, auf die Reihenwiderstände 20 und 20' verzichtet werden, auch die Zenerdioden 19 und 19' wirken lediglich als Spannungsbegrenzer und zur Spannungssymmetrierung.
Ebenfalls weiter vorn ist schon darauf hingewiesen worden, daß einer der Parallelzweige aus Diode 17' und Kondensator 18' auch weggelassen werden kann, da eine nachgeschaltete Elektronikschaltung auch mit einer Versorgungsspannung von z.B. + 12 V oder + 24 V arbeiten kann; man verliert dann jedoch 50% der von dem Kondensator 15 gelieferten Energie, so daß dieser Kondensator dann auf seinen doppelten Wert erhöht werden muß.
Eine Doppelweggleichrichtung ist daher einer solchen Kapazitätserhöhung des Kondensators, insbesondere wegen des beschränkten Einbauvolumens, vorzuziehen.
Die von der Stromversorgungsschaltung 11 der Figur 4 erzeugten Gleichspannungswerte werden den Eingangsklemmen 30 (+ 12 V) und 31 (- 12 V) der Regelschaltung der'Figur 5 zugeführt, die an ihrer Einaanasklemme 32 auch noch neben das Bezugspotential b v /33 mit der Versorgungswechselspannung 220V/50 Hz versorgt wird. lyle Regelschaltung 12 der Figur 5 umfaßt einen als Differenz-Operationsverstärker ausgebildeten Vergleicher 34, dessen einem Eingang 35 eine der Badtemperatur proportionale und daher den Ist-Wert darstellende Spannung zugeführt wird; diese Ist-Wertspannung läßt sich jedoch, wie weiter unten noch erläutert wird, durch externe Betätigung nach Wunsch beeinflussen, dem anderen Eingangsanschluß 36 des Verstärkers oder Vergleichers 34 wird ein gleichbleibender, aus der etzspannung gewonnener Spannungsverlauf zugeführt, worauf weiter unten noch eingegangen wird. Zunächst sei darauf hingewiesen, daß auch die in Figur 5-dargestellte Regelschaltung in ihrem erfinderischen Gehalt unabhängig von den sonstigen beschriebenen Schaltungskomponenten ist und eine eigenständige Entwidiung darstellt, die zur Regelung und Beeinflussung von Leistungshalbleiterschaltern verwendet werden kann, insbesondere dort, wo es neben einer einzuhaltenden Genauigkeit notwendig ist, diesen Regelvorgang so zu gestalten, daß die Gesamtschaltung einschließlich des Schaltungssystems 25 der Figur 4 zur Wechselspannungsspeisung des Heizwiderstandes 3 funkstörsicher ausgelegt ist. Bei den beengten räumlichen Verhältnissen, die hier eingehalten werden müssen, wenn beispielsweise die Regeleinrichtung 8' mit im Gehäuse des IIeizelementes untergebracht ist, kommen getrennte Funkentstörmittel nicht in Frage und können auch nicht eingesetzt werden; es verbietet sich daher eine Phasenanschnittsteuerung, wie sie im allgemeinen bei der Steuerung von Verbrauchern über Halbleiterleistungsschalter vorgenommen wird. Die erfindungsgemäße Regelschaltung 12 ist daher so ausgelegt, daß grundsätzlich volle Halbwellen geschaltet werden, d.h. die Aussteuerung des weiter vorn schon erwähnten Triacs 26 muß exakt im Nulldurchgang der Netzspannung erfolgen. Dies ist der Grund, warum ein getrennter Verstärker und entsprechende Versorgungsspannungen vorhanden sein müssen.
Hierzu umfaßt die Regelscaltung 12 der Figur 5 noch einen Transistor 37, dessen Emitter über einen Widerstand 38 mit Masse verbunden ist; der Kollektor des Transistors 37 ist über einen weiteren Widerstand 39 zur Klemme 30 mit der verbunden: positiven Versorgungsspannung, beispielsweise + 12 V/ außerdem gelangt die Kollektorspannung des Transistors 37 über eine Verbindungsleitung 40 auf den weiter vorn schon erwähnten Eingang 36 des Verstärkers 34. Im Basiskreis des Transistors 37 ist eine Diode 41 angeordnet und so gegen Masse geschaltet, daß negative Halbwellen einer speisenden Versorgungsspannung, beispiesweise der Netzspannung 220 V/50 Hz, die über einen Widerstand 42 auf die Basis des Transistors 37 gelangt, gegen Masse abgeleitet bzw. kurzgeschlossen werden.
Mit Masse ist weiterhin noch ein einstellbarer Widerstand, der beispielsweise als Potentiometer 43 ausgebildet sein kann, verbunden; in Reihe mit diesem Potentiorzeter 43 liegt ein weiterer Widerstand, der temperaturabhängig ausgebildet ist und beim Ausführungsbeispiel ein Kaltleiter 44 ist. Dieser Kaltleiter ist Teil der auf dem Träger 28 aufgebauten Schaltung und erfährt hierdurch auch die Temperatur des umgebenden Bades. Der Verbindungspunkt des Potentiometers 43 mit dem Kaltleiter 44, der außerdem noch mit der Mittelanzapfung 45 des Potentiometers verbunden ist, liegt an dem anderen Eingangsanschluß 35 des Verstärkers 34. Es ergibt sich dann die mit Bezug auf Figur 6 im folgenden erläuterte Wirkungsweise der Regelschaltung 12 nach Figur 5. Durch die Netzspannung wird der Transistor 37 über den Widerstand 42 sofort nach dem Nulldurchgang der Netzspannung, d.h. wenn ein Anstieg auf positive Werte erfolgt, aufgesteuert, er gelangt daher in seinen leitenden Zustand. Während der negativen Halbwelle ist der Transistor 37 gesperrt, so daß an seinem Kollektor die volle positive Versorgungsspannung von beispielsweise 12 Volt abfällt, wie in Figur 6 dargestellt. In Figur 6 ist die steuernde Netzspannung gestrichelt, jedoch nicht maßstäblich mit eingezeichnet. Durch das Leitendwerden des Transistors 37 bei Nulldurchgang der Netzspannung an seinem Basisanschluß wird das Potential am Kollektor des Transistors 37 und damit am Eingang 36 des Verstärkers 34 von bisher beim Ausführungsbeispiel + 12 V nach unten gezogen, wird jedoch wegen des Emitterwiderstandes 38 auf etwa + 1 V begrenzt. Es versteht sich, daß die im folgenden und bisher angegebenen numerischen Zahlenwerte lediglich beispielshalber angeführt sind und dem besseren Verständnis der Schaltung dienen. Sobald dann die Netzspannung an der Basis des Transistors 37 weiter ansteigt, steigt auch das Potential am Emitter des Transistors 37 an, da das Emitterpotential im wesentlichen dem Basispotential folgt, welches aus der Netzspannung an der Eingangsklemme 32 mit Hilfe des die Widerstände 42 und 38 umfassenden Spannungsteilers abgeleitet ist. Andererseits kann jedoch das Kollektorpotential des Transistors 37 gegenüber dem Emitterpotential nicht negativ sein, daher muß das Potential am Kollektor und damit am Eingang 36 des Verstärkers 12 mit dem Emitterpotential ansteigen.
Es ergibt sich dann der Kurvenverlauf I der Figur 6, der den Spannungsverlauf am Kollektor des Transistors 37 bzw. am Eingang 36 des Verstärkers 34 angibt.
Der Verstärker vergleicht, wie weiter vorn schon erwähnt, die Spannung an seinen beiden Eingängen 36 und 35, wobei sich das folgende Schaltverhalten des Verstärkers ergibt. Ist das Potential am Eingang 35 negativer als am Eingang 36, dann ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vereinbarungsgemäß der Ausgangsanschluß 46 des Verstärkers 34 negativ, im umgekehrten Falle positiv. Der Verstärker 34 verfügt über eine sehr hohe Verstärkung, so daß schon eine Polaritätsänderung um wenige Milivolt an den Eingängen 35 und 36 genügen, um einen Wechsel in der Ausgangsspannung von beispielsweise + 12 V nach - 12 V und umgekehrt zu bewirken. Jeder dieser Polaritätswechsel gibt jedoch über den Kondensator 47 einen Zündimpuls auf den Gateeingang 27 des Triacs 26.
Der Kurvenverlauf II der Figur 6 gibt die Eingangsspannung am Eingang 35 des Verstärkers 34 aq Diese Eingangs spannung kann sich gegenüber den an sich festen und sich lediglich relativ zur angelegten Wechselspannung verändernden Potential am Eingang 36 je nachdem, ob das zu überwachende Bad zu kalt oder zu warm ist, verschieben und diese Verschiebung wird bewirkt vom Kaltleiter 44, der seinen Widerstand mit der Temperaur so ändert, daß eine höhere Temperatur eine Widerstandserhöhung bedeutet. Der durch den Kaltleiter 44 und den 3 iderstand 43 gebildete Spannungsteiler liefert dann durch Änderung seines Widerstandsverhältnisses die Potentialänderung am Eingang 35 des Verstärkers, wobei die folgenden Zusammenhänge gelten: Ist die Temperatur des Bades und damit auch die Temperatur des Kaltleiters 44 niedrig, dann ist auch sein Widerstand niedrig und das Potential am Eingang 35 verschiebt sich in Richtung auf positive Werte und folgt dabei dem an Klemme 30 angelegten positiven Potential von beispielsweise 12 V. Sobald nun entsprechend der Darstellung der Figur 6 die Linie II die nach unten gerichteten Zacken A des Kurvenverlaufs I zu schneiden beginnt, werden am Ausgang des Verstärkers 34 Zündimpulse erzeugt und dem Triac 26 zugeleitet, so daß dieser durchschaltet und es zu einer Aufheizung kommt. Dringt dabei die Linie II ausreichend weit in die Zacken felder A des Potentialverlaufs I ein, dann ergeben sich, wie die bei III dargestellten Zündimpulse zeigen, positive und negative Zündimpulse, so daß der Triac 26 durchgehend leitend ist und der Heizwicklung 3 beide Halbwellen der speisenden Wechselspannung zugeführt werden.
Es gelingt wahlweise durch entsprechende Bemessung von Schaltungselementen bei der Erzeugung der Kurvenverläufe I und II ab bestimmten Temperaturverhältnissen, nämlich dann, wem die Ist-Werttemperatur der angestrebten Temperatur nahezu gleich ist, daß die Linie II die Zacken A des Potentialverlaufs I nur noch ganz schwach schneidet, in diesem Falle kommt es zwar noch zu einer sicheren Erzeugung von Zündimpulsen für die positive Halbwelle des speisenden Wechselstroms, der negative Impuls, der in diesem Falle die Zündung des Triacs für die negative Wechselstromhalbwelle veranlassen würde, wird jedoch dann so schwach, bzw. ist soweit in den Bereich der positiven Halbwelle gerückt, daß der Zündimpuls abgeklungen ist, bevor die negative Halbwelle am Triac 26 anliegt. In diesem Falle arbeitet dann das System nur noch mit einer, nämlich der positiven Halbwelle des speisenden Wechselstroms und vermeidet dadurch gegebenenfalls auch zu starke Schwankungen des Ist-Wertes, die sich aufgrund des Zweipunktverhaltens der Regelschaltung ergeben könnten.
Diese "Unterdrückung" der negativen Halbwelle ist jedoch, wie schon erwähnt, mit von der Auslegung der Schaltung abhängig und lediglich ein zusätzlicher Vorteil, der die besonders günstige Reglercharakteristikdie sich für eine solche temperaturgeregelte Heizvorrichtung durch einen elektronischen Heizungsregler ergibt, noch unterstützt.
Der Darstellung der Figur 3 läßt sich anhand der Gegenüberstellung zweier Kurvenverläufe, die die Istwert-Tcmperaturen von Bädern über der Zeit angeben, deutlich der Unterschied entnehmen, der sich durch die Verwendung einer beispielsweise bimetallgesteuerten Heizvorrichtung (entsprechend Kurve IV und durch die Verwendung einer EIeizvorrichtung mit elektronischem Heizungsregler (Kurve V) ergibt. Die Kurvenverläufe der Figur 3 sind zwar nicht maßstäblich, es kann jedoch als Anhalt angenommen werden, daß ein Teilstrich im Zeitachsenmaßstab etwa 20 Minuten entspricht; es ergibt sich deutlich die ausgeprägte und selbstverständlich nicht erwünschte Schwankung der Badtemperatur vom gewünschten Ist-Wert, der beispielsweise 270C betragen kann, wenn mit einer bimetallgesteuerten Heizvorrichtung gefahren wird; der Kurvenverlauf V zeigt die eindeutige Verbesserung, die sich ergibt, wenn eine elektronische Regelung bei einer Heizvorrichtung , beispielsweise für Aquarien od.dergl. verwendet wird. Die Badtemperatur nähert sich im Anfang geringfügig langsamer dem gewünschten Endbe-Sichtbare reich und hält diesen ohne jede/Schwankung auf dem gewünschten Wert fest.
Zwar könnte mit Bimetallreglern grundsätzlich eine bessere Temperaturkonstanz erreicht werden. Das bedingt jedoch einen geringeren Kontaktabstand, was häufigeres Schalten und erhöhte Funkenbildung zur Folge hat; es ergibt sich dann keine Funkstörsicherheit mehr.
Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Heizvorrichtung eine Möglichkeit zur externen Einstellung und damit zur Vorgabe eines Ternperatur-Sollwertes vorsieht; eine solche Möglichkeit ist gegeben durch das Potentiometer 43.
Es ist weiter vorn schon darauf hingewiesen worden, daß im eingeschwungenen Zustand das Potential am Eingang 35 um einen festen Wert geringfügig pendelt, dieser feste Wert kann beispielsweise + 1 V sein, wenn, wie ebenfalls schon erwähnt, die untere Spitze des Zackens A der Kurve I ebenfalls bis auf 1 V absinkt. Verändert man nun das Potential am Eingang 35 durch Verstellung der Abgriffposition des Potentiometers 43 dann muß zur Herstellung des alten gewünschten Potentials von beispielsweise + 1 V am Eingang 35 ein veränderter Wide.rstandswert des Kaltleiters 44 geschaffen werden, hierzu ist jedoch eine andere Temperatur erforderlich. Es läßt sich daher durch Verstellung des Potentiometers 43 die Temperatur verändern, welche von der erfindungsgemäßen temperaturgeregelten Heizvorrichtung konstant gehalten werden soll.
Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Regelschaltung 12 ist der Umstand, daß die Aussteuerung des Triacs exakt im Nulldurchgang der Netzspannung erfolgt und daß diese Aussteuerung mit sehr einfachen Mitteln und minimalem Bauelementaufwand erreicht wird; der gleiche minimale Bauteileaufwand gilt auch für die Gesamtschaltung der Figur 4, bei der, wie weiter vorn schon erwähnt, Stromversorgungsschaltung und Schutzschaltung in einem realisiert sind.
Der Darstellung der Figur 2 läßt sich entnehmen, daß die Trägerplatte 28 für die soeben geschilderten Bauelemente des elektronischen Heizungsreglers im oberen Teil des Glasrohres 2' untergebracht ist, welches in seinem unteren Teil die Heizvorrichtung selbst aufnimmt.
Die Trägerplatte 28 ist dabei, abgesehen von ihrer Halterung durch Anlage an die Innenwandung des Glasrohrs 2', von einem Stopfen 50 gehalten, der beispielsweise aus Gummi oder einem sonstigen elastomeren Material bestehen kann und über seinen Umfang lippenartige, vorspringende Flansche aufweist zur dichten Anlage an die innere Glaswandung. Durch diesen Stopfen 50, der in den oberen offenen Endbereich des Glasrohres 2' eingeschoben wird, erstreckt sich eine Bohrung 51, die eine Drehachse 52 aufnimmt, die einen extern zugänglichen Handgriff 53 mit dem in seiner Position verdreh- oder verschiebbaren Mittelabgriff des weiter vorn schon erwähnten Potentiometers 43 verbindet. Das Potentiometer ist daher zweckmäßigerweise auf der Trägerplatte 28 in nächster Nähe zum Stopfen 50 angeordnet; es schließen sich dann auf der Trägerplatte die übrigen Bauelemente an, wobei der Kaltleiter 44, der Triac 26 und der Kondensator 15 gesondert dargestellt sind. Ergänzend hierzu befindet sich auf der Trägerplatte 28 noch eine Glimmlampe 54, die dann aufleuchtet, weizen die Heizwicklung oder Heizwendel 3 mit Strom versorgt ist; diese Glimmlampe ist auch in der Darstellung der Figur 4 mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet und liegt in Reihe mit einem Widerstand 55 parallel zur Heizwendel 3; ihr Aufleuchten ist von außen erkennbar und gibt den Betriebszustand der Heizvorrichtung an.
über die nach außen freiliegenden Teile von Glasrohr 2' Stopfen 50 und Handgriff 53 mit zugeordneter Achse ist dann noch die weiter vorn schon erwähnte Abdeckkappe 6' gestülpt, die bei diesem Ausführungsbeispiel neben der Durchführung 5' für die Speisespannungszuleitung eine bevorzugt einstückig ausgebildete, sackartige Ausstülpung 56 aufweist, wie auch noch genauer der Darstellung der Figur 7 entnommen werden kann; diese sackartige Ausstülpung 56 umgibt mit vorgegebenem Abstand den Handgriff 53 zur Verschiebung des Potentiometers 43 und ist in sich so elastisch und verdrehbar ausgebildet, daß bei Anfassen und Zusammendrücken der sackartigen Ausstülpung auch der innenliegende und bevorzugt geriffelt ausgeführte Handgriff 53 erfaßt und soweit verdreht werden kann, wie es die Elastizität der Ausstülpung 56 ermöglicht. Ein weiteres Verdrehen ist durch Loslassen und erneutes Erfassen der Ausstülpung 56 und durch diese der Handgriff 53 möglich.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung ist die Ausstülpung und auf jeden Fall der angrenzend oder unmittelbar in die Ausstülpung übergehende Oberflächenbereich 57 der Abdeckkappe 6' durchsichtig ausgebildet -wahlweise kann auch die gesamte Abdeckkappe 6' aus einem geeigneten, durchsichtigen und elastischen Kunststoff hergestellt sein -. Auf der nach außen weisenden Oberfläche des Stopfens läßt sich dann um die Drehachse 52 herum eine Skala 58 anordnen; dabei trägt zweckmäßigerweise der durch die durchsichtige Ausstülpung 56 sichtbare Handgriff entweder an seiner oberen Fläche 59 oder an einem sonstigen geeigneten Teil einen Hinweispfeil 60, der von der Bedienungsperson mit der Skala 58 in Bezug gesetzt werden kann; ist die Skala geeicht oder trägt sie Angaben, beispielsweise in Temperaturgraden oder Winkelgraden, dann läßt sich mit hoher Genauigkeit eine einmal eingestellte Temperatur wieder reproduzieren bzw. es lassen sich bestimmte gewünschte Temperaturwerte wahlweise einstellen.
Die Trägerplatte 28 ist bevorzugte in üblicher gedruckter Schaltungstechnik, beispielsweise als Printplatte ausgebildet, der weiter vorn erwähnte Verstärker 34 kann auch als integrierter Bauteil auf der Printplatte 28 befestigt werden.
Als alternative Ausgestaltung ist es schließlich noch möglich, den gesamten elektronischen Reglerteil in einem separaten Kästchen außerhalb des Bades anzuordnen, wodurch auch eine bessere Einstellung der Temperatur erreicht werden kann.
In diesem Falle muß das die Badtemperatur erfassende Element getrennt hierzu herausgeführt sein; bevorzugt kann es dann im Bereich oder Gehäuse des Heizelementes angeordnet sein. Dies ist auch deshalb zweckmäßig, da zu diesem ohnehin elektrische Verbindungsleitungen geführt sein müssen.
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Claims

Patentansprüche : O Temperaturgeregelte Ileizvorrichtung für Bäder, insbesondere für Aquarien, phototechnische Bäder, Laboratoriumseinrichtungen, für Bäder zur Beschichtung von Materialien und dergl., wobei ein stabförmiges, von einer die Temperatur des Bades abtastenden Reglereinrichtung gesteuertes Heizelement mindestens teilweise in das Bad eintaucht, d a d u r c h gekennzeichnet, daß ein die Stromzufuhr zum Heizelement (1, 1') steuernder elektronischer Heizungsregler (11, 12) vorgesehen ist, der mit einem temperaturempfindlichen Schaltungselement (Xaltleiter 44) die Badtemperatur erfaßt und seine Stromversorgung von der gleichen Netzspannungsquelle ableitet, die auch das Heizelement (1, 1') versorgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel in einem hohlen, unten verschlossenen Glasrohr (2, 2') isoliert untergebracht ist und daß sich die den Heizungsregler im wesentlichen bildenden, elektronischen Bauelemente (43, 44, 54, 26, 15) auf einer Trägerplatte (Printplatte 28) befinden, die entweder in einem oberen freien Teil des hohlen Glasrohrs (2') eingeschoben oder in einem separaten entsprechenden Glasrohr (2") angeordnet ist, welches mit dem in seiner Temperatur zu regelnden Bad in Kontakt steht oder in einem getrennten Kästchen außerhalb des Bades angeordnet sein.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Printplatte (28) an einem aus einem elastomeren Material stehenden Abschlußstopfen (50) befestigt ist, der die Printplatte (28) im Inneren des Glasrohrs (2") lagert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das oben offene Glasrohr (2") und der Stopfen (50') durch eine Abdeckkappe (6') aus elastomeren Material abgedeckt sind, die auch eine Durchführung (5') für die Wechselspannungszuleitung (7) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem odermehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Trägerplatte (28) im Bereich des Verschlußstopfens (50) ein einstellbarer Widerstand (Potentiometer 43) zur Einstellung der Badtemperatur angeordnet ist und daß eine Drehachse für den Widerstand (43) durch den Verschlußstopfen (50) bis zu einem oberhalb desselben gelagerten Handgriff (53) geführt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußkappe (6') eine elastische, sackartige Ausstülpung (56) aufweist, die einstückig an der Verhlußkappe (6') ausgebildet ist und den Handgriff (53) mit Abstand umgibt und daß mindestens die Ausstülpung, bevorzugt die gesamte Verschlußkappe (6') aus einem durchsichtigen Material, bevorzugt Kunststoff, ausgebildet ist zur Sichtbarmachung der Temperaturverstellung.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Markierungen (Temperaturgrade, Winkelgrade) tragende Skala (57) vorgesehen ist, die so angeordnet bevorzugt auf dem Abschlußstopfen (50) befestigt ist, daß ein dem Handgriff (53) zugeordneter Markierungspfeil (60) die Relativposition des Handgriffs und damit die eiestellte Temperatur angibt.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwicklung 3 des Heizelementes (1, 1') in Reihe mit einem steuerbaren Halbleiterschalter (Triac 26) geschaltet ist und an der speisenden Wechselspannung (R, Mp) liegt und daß dem Triac (26) Triggerimpulse von einer Vergleichsschaltung (12) zuführbar sind, die einen sich mit der Badtemperatur ändernden Spannungswert mit einer angelegten Konstantspannung vergleicht.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromversorgungsschaltung vorgesehen ist, die unmittelbar mit derspeisenden Wechselspannung verbunden ist und aus der Reihenschaltung eines Kondensators (15) mit mindestens einer Diode (17 , 17') und einem weiteren, auf einen Gleichspannungswert aufladbaren Kondensator (18, 18') umfaßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem einen gleichrichtenden, aus der Reihenschaltung einer Diode (17) und eines Kondensators (18) bestehenden Zweiges ein weiterer, eine Diode in umgekehrter Durchlaßrichtung (17) und einen zugeordneten Ladekondensator (18') umfassender Zweig geschaltet ist, daß die sich über den beiden Ladekondensatoren (18, 18') entwickelnden Gleichspannungen als Versorgungsspannungen für die Regelschaltung (12) verwendet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Ladekondensatoren (18, 18') entsprechend gepolte Zenerdioden (19, 19') geschaltet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Verbindungspunkte von Zenerdioden (19, 19') mit den Ladekondensatoren (18, 18') Widerstände (20, 20') geschaltet sind.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu dem den Wechsich selstrom/ändernder, Polarität erzeugendem Kondensator (15 ein Widerstand (16) und parallel zu dieser Reihenschaltung ein die Ladung des Kondensators (15) bei Abschalten abbauender der, hochohmiger Widerstand (22) geschaltet ist.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz des die Heizwendel (3) steuernden Halbleiterleistungsschalters (Triac 26) parallel zu diesem die Stromversorgungsschaltung aus Kondensator (15) und Widerstand (16) mit zugeordneten Dioden (17, 17') und Kondensatoren (18, 18') geschaltet ist, derart, daß die Stromversorgungsschaltung (11) gleichzeitig ein Überspannungsenergie aufnehmenden RC-Glied für den Triac (26) bildet.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Heizwendel (3) eine deren Betriebszustand anzeigende Glimmlampe (54) geschaltet ist.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung aus einem Transistor (37) besteht, der mit seinem Emitter über einen Widerstand (38) mit Masse (33) und mit seinem Kollektor über einen Widerstand (39) mit einer von der Stromversorgungsschaltung (11) abgeleiteten Gleichspannung verbunden ist, wobei der Basis des Transistors (37) über einen Widerstand (42) die an das Gesamtsystem angelegte Netzwechselspannung zugeführt ist und die Basis über eine für negative Halbwellen der angelegten Wechselspannung in Flußrichtung gepolte Diode (41) mit Masse verbunden ist und daß der Kollektor des Transistors (37) mit dem einen Eingang (36) einer nachgeschalteten Vergleicherschaltung (34) verbunden ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicherschaltung (34) aus einem Operationsdifferenzverstärker besteht, dessen anderem Eingang über eine Spannungsteilerschaltung (44, 43) ein sich mit der Badtemperatur und mit einer möglichen externen Einstellung ändernder Spannungswert zuführbar ist.
1a. Vorrichtung nach Anspruch 17,dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilerschaltung aus einem die Badtemperatur abtastenden und mit Gleichspannung geeigneter Polarität verbundenem Kaltleiter (44) besteht in Reihe mit einem einstellbaren Widerstand (Potentiometer 43) und daß der Verbindungspunkt von Potentiometer mit Kaltleiter dem zweiten Eingang (35) des Verstärkers (34) zugeführt ist.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der an seiner Basis wechselspannungsgespeiste Transistor (37) und die ihm zugeordneten Vorspannungselemente (Widerstände 42, 39 48) so ausgebildet ist, daß jeweils im Nulldurchgang der steuernden Wechselspannung ein unteres Konstantpotential erzeugt und dem nachgeschalteten Verstärker (34) zugeführt ist, welches dann zur Bildung von dem Triac (27) zugeführten Zündimpulsen am Ausgang (46) des Verstärkers (34) führt, wenn die von dem Transistor (37) erzeugte Spannung während des Wechselstrom-Nulldurchgangs den Spannungspegel am anderen Eingang (35) des Verstärkers (34) unterschreitet.