DE2608295C2

DE2608295C2 - Elektronischer Temperaturregler zur Regelung der Energiezufuhr für ein elektrisches Heizelement

Info

Publication number: DE2608295C2
Application number: DE2608295A
Authority: DE
Inventors: Heinrich-Josef Brungsberg; Hildegard Jensch; Joachim 5880 Lüdenscheid Thorwest
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1976-02-28
Filing date: 1976-02-28
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE2608295A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Temperaturregler zur Regelung der Energiezufuhr für ein

^If elektrisches Heizelement, z. B. eine Kocheinrichtung, mit einem elektronischen Steuerkreis, der als Meßzweig einen Einstellwiderstand als Sollwertgeber und einen temperaturabhängigen Widerstand als Istwertgeber enthält, dessen Ausgangssignal über ein elektromagnetisches Lastschaltglied das Heizelement ein- bzw. ausschaltet und bei dem zwischen der Versorgungsspannung und dem elektronischen Steuerkreis ein Vorwiderstand mit einer Gleichrichterdiode in Reihe liegt.

Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (Buch »Bauelemente und Schaltungen für die Haushaltelektronik« von Otto Limann, Ausgabe 196S, Seiten 87—90) wird die Versorgungsspannung über einen Transformator oder einen niederohmigen Vorwiderstand dem elektronischen Schaltkreis zugeführt, um diesem den relativ hohen Leistungsbedarf zu vermitteln. Dieser hohe Leistungsbedarf ist erforderlich, um die bekannten Lastschaltglieder, wie entweder Triac oder handelsübliche Relais, schalten zu können. In dem zur Schaltung dieser Lastschaltglieder erforderlichen Leistungsbedarf ist eine hohe Verlustleistung enthalten. So liegt die gesamte Verlustleistung bei einer Leistungsregelung für z. B. 2000 W bei einer Schaltung mit Triac bei ca. 20 W und mit einem Relais bei ca. 6 W. Es besteht dabei die Notwendigkeit, die aufgrund dwier Verlustleistung entstehende Wärme über besondere Kühlglieder abzuführen. Dies bedingt eine relativ große Bauweise für den Temperaturregler.

Bei einer anderen bekannten Ausführung eines Temperaturreglers (DE-OS 17 98 231) wird eine pulsie-

rende Gleichspannung erzeugt. Hierfür wird ein besonderes Spezialrelais benötigt, dessen Erregerleistung über der vom Standard-Gleichstromrelais liegt. Zur Erzielung eine^r ausreichenden Erregerleistung muß jedoch der Vorschaltwiderstand relativ niederohmig

gehalten sein. Dadurch tritt innerhalb der Temperaturregelungsschaltung ein relativ hoher Wärnieeffekt auf. üer aber besondere Maßnahmen zur Ableitung dieser Warme erforderlich macht. Die Folge hiervon ist ein relativ großes Bauvolumen.

^5f Weiterhin ist aus der DE-OS 21 04 618 ein Temperaturregler bekanntgeworden, der nur als Zweipunktregler eine Verstärkerschaltung lediglich mit diskreten Bauelementen besitzt. Eine solche Einrichtung ist in ihrem Aufbau relativ aufwendig und kostspielig.

⁶⁽ Außerdem wird der hierbei entfernt von der Kochstelle angeordnete Temperaturfühler durch die Umgebungstemperatur negativ beeinflußt, was sich gleichfalls negativ auf die Schaltgenauigkeit des Temperaturreg^ lers auswirkt- Ferner wird hierbei die unmittelbare

⁶'Temperatur der Kochgutmenge nicht miterfaßt.

Eine weitere Regeleinrichtung gemäß US-PS 37 35 092 ist für eine Kopiermaschine bestimmt und

ebenfalls nur als Zweipunktregler ausgelegt, wobei wie schon bei den vorgenannten Einrichtungen keine Sägezahnspannung erzeugt wird.

Schließlich ist aus der US-PS 34 28 785 eine Backofentemperatursteuerung bekanntgeworden, bei der für die Schaltung der Leistung ein Hitzdrahtrelais Verwendung findet. Infolge der Trägheit dieses Relais ergibt sich ein starkes Oberschwingen der Temperatur, wodurch die Regelung relativ ungenau wird. Auch bei dieser Regelung wird keine Sägezahnspannung erzeugt.

Außerdem ist für die Erzeugung der für die Schaltung benötigten niedrigen Versorungsspannung ein besonderer Trafo erforderlich. Das Bauvolumen wird somit ebenfalls überaus groß.

Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere im Gegensatz zu den beiden anfangs beschriebenen bekannten Einrichtungen und ausgehend von einer dieser beiden, einen elektronischen Temperaturregler zu schaffen, der mit äußerst wenigen und einfachen Bauteilen, die auf kleinstem Raum untergebracht werden können, herstellbar ist. Ferner soll ermöglicht werden, daß eine Leistungsregelung schnell und stufenlos dem erforderlichen Wert angepaßt duithführbar ist. Dabei soll die stetige Temperaturerfassung nahe am Kochgut erfolgen. Schließlich soll ein Über- oder Unterschwingen der eingestellten Temperatur vermieden werden, so daß keine überschüssige Heizleistung verbraucht wird und die Energiebilanz günstig beeinflußbar ist. Dadurch soll auch eine besondere Kühlung trotz der zu schaltenden hohen Leistung vor z. B. 2000 Watt und mehr überflüssig werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß der elektronische Steuerkreis als Sägezahngenerator zur Erzeugung einer Sägezahnspannung für eine Taktzeit ausgeführt ist, wobei die Sägezahnspannung mit der Steuerspannung des Meßzweiges verglichen wird und das Ausgangssignal zur Schaltung des Lastschaltgliedes liefert, daß das elektromagnetische Lastschaltglied für eine auf seine Schaltleistung bezogene sehr geringe Erregerleistung, z. B. Schaltleistung ca. 2000 Watt und Erregerleistung kleiner 150 Milliwatt, aufweist, und daß der Vorwiderstand relativ hochohmig, z. B. größer = 10 k-Ohm ausgelegt ist.

Nach weiterer Ausgestaltung ist ein Zweifachoperationsverstärker vorgesehen, dessen erster Verstärker als Sägezahngenerator und dessen zweiter Verstärker als Komparator wirkt, wobei die Taktzeit der Sägezahnspannung mindestens 30 s beträgt und das Ausgangssignal des Kompantors das Lastschaltglied schaltet.

Es wird hierdurch ein Pioportional-Taktregler geschaffen, mit dem es möglich ist. eine Leistungsregelung schnell und stufenlos dem erforderlichen Wert angepaßt durchzuführen, wobei die stetige Temperaturerfassung nahe am Kochgut, z. B. am Kochtopfboden, erfolgen kann und durch den dauernden Vergleich mit dem Sollwert, entsprechend der Regelabweichung proportional die Heizleistung dosiert wird. Dabei ist es insbesondere auch möglich, durch sehr kur?e l.eistungstakte bei ca. i"fo der Nennleistung niedrige Temperaturen konstant zu halten.

Da der so geschaffene integral wirkende Proportion nal-Taktregler keine Schaltdifferenz kennt, weil sich die Schaltleistung kontinuierlich ändert, bis die Söllwertab* weichung fast Null ist, gibt es kein Über' oder Unterschwingen der Temperatur. Es wird somit, keine überschüssige Heizleistung verbraucht und die Energiebilanz dadurch günstig beeinflußt.

Nach weiterer Ausgestaltung besteht die Erfindung darin, daß dem ersten als Sägezahngenerator wirkenden Operationsverstärker an seinem einen Eingang über einen Spannungsteiler eine feste Spannung zugeführt wird und dieser Eingang über einen weiteren Widerstand mit dem Ausgang rückgekoppelt ist und sein anderer Eingang über antiparallel geschaltete Dioden und diesen vorgeschaltete Einzelwiderstände mit dem Ausgang verbunden ist und daß zwischen dem anderen Eingang und der negativen Versorgungsspannung ein Kondensator geschaltet ist.

Nach weiterer Ausbildung ist der zweite als Komparator wirkende Operationsverstärker mit seinem einen Eingang mit dem anderen Eingang des ersten Operationsverstärkers verbunden und ist sein anderer Eingang mit dem Meßzweig derart verbunden, daß er über den Einstellwiderstand und einen Vorwiderstand an der positiven Versorungsspannung mit dem temperaturabhängigen Widerstand und einem weiteren Vorwiderstand an der negativen Versorgungsspannung liegt und daß sein Ausgang das Lastscf _-tglied schaltet.

Nach einer Ausgestaltung der Erfinde ng schaltet dabei der Ausgang des Komparator unmittelbar das Lastschaltglied, dessen Spule mit einer Diode parallel geschaltet und über einen Kopplungswiderstand mit dem anderen Eingang des Operationsverstärkers rückgekoppelt ist.

Schließlich besteht ein weiteres Merkmal noch darin, daß der Meßzweig so hochohmig ausgeführt ist, daß bei Isolationsfehlern, z. B. Masseschluß am t^mperaturabhängigen Widerstand, der Gleichstromanteil eines Ableitstromes unter 0,75 mA liegt

Der elektronische Temperaturregler nach der Erfin-. dung ist in der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild über den Grundaufbau des elektronischen Temperaturreglers,

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines a!s Proportional-Taktregler aufgebauten Temperaturreglers,

Fig.3 ein spezifiziertes Schaltbild des Proportional-Taktreglers.

Fig 4 ein Diagramm des Taktreglers über einen Regelvorgang bei kleiner Leistung und

Fig. 5 ein Diagramm über einen Regelvorgang bei größerer Leistung.

Der Grundaufbau des elektronischen Temperaturreglers ist in der Fig. 1 dargestellt. Dabei ist mit 1 der elektronische Steuerkreis, der als Meßzweig einen _₍Einstellwiderstand 2 als Sollwertgeber und einen temperaturabhängigen Widerstand 3 als Istwertgeber enthält. Mit dem Ausgangssignal des elektronischen Steuerkreises 1 wird ein elektromagnetisches Lastschaltglied 4 geschaltet. Zwischen der Versorgungsspannung und dem elektronischen Steuerkreis 1 ist ein relativ hochohmiger Vorwiderstand 5 mit einer Gleichrichterdiode 6 ir Reihe angeordnet. Das elektromagnetische Lastschaltglied 4 und der hochohmige Vorwiderstand 5 'ind dabei so ausgeführt und _h aufeinander abgestimmt, daß das Lastschaltglied 4 eine hohe Schaltleistung von ca. 2000 W bei einer niedrigen Erregerleistung von < 150 mW schaltet und die Verlustleistung innerhalb der Schaltung nur etwa 59% dessen ausmacht, die erforderlich ist, um ein händelsübll· ches Relais schalten zu können.

In der Fig.2 ist ein Blockschaltbild eines elektronl· sehen Temperaturreglers in der Ausführung eines elektronischen Proportionalreglers mit getakteler Energiepakeisteuerung dargestellt. Dabei bestehen die

Grundbauelemente aus einem Hauptschalter I mit einer Anzeige über den Schaltzustand, einem Netzteil II, einem Sägezahngenerator 111, einem Meßzweig IV mit Sollwertgeber und Temperaturfühler, einem Komparator V, einem Verstärker Vl und einem Lastschaltglied -, VII. Die spezielle Ausgestaltung dieses elektronischen Proportionalreglers mit getakteter Energiepaketsleuerung ist in der Fig.3 gezeigt. Danach ist dieser Proportional-Taktgeber über einen 2polig unterbrechenden Schalter 7 mit einem Wechselstromnetz w verbunden, dessen Schaltzustand durch eine Lampe 8 angezeigt werden kann. Das Netzteil Il besteht aus der Gleichrichlerdiode 6, dem Vorwiderstand 5. der die Gleichspannung für den nachfolgenden elektronischen Steuerkreis 1 vermindert, sowie einer Z-Diode 9 und π einem Kondensator 10, durch die die Versorgungsspannung des Steuerkreises stabilisiert wird.

Die Verstärkerschaltung des Steuerkreises besteht aus einem Zweifachoperationsverstärker 11 und 23. Diese können als getrennte Bauteile von völlig gleichem Typ vorgesehen werden. Sie können jedoch auch vorteilhaft in einem einteiligen integrierten Schaltkreis ausgeführt sein. Der Operationsverstärker 11 fungiert als Sägezahngenerator [II, desser. einem Eingang 12 über den aus den Widerständen 15 und 16 gebildeten Spannungsteiler eine feste Eingangsspannung zugeführt wird. Der Eingang 12 ist über einen weiteren Widerstand 17 mit dem Ausgang 14 des Operationsverstärkers 11 rückgekoppelt. Sein anderer Eingang 13 ist über antiparallel geschaltete Dioden 18 und 19 und diesen vorgeschaltete, jeweils zugeordnete Einzelwiderstände 20 und 21 mit dem Ausgang 14 verbunden. Weiterhin ist 2wischen diesem anderen Eingang 13 und der negativen Versorgungsspannung ein Kondensator 22 geschaltet.

Der zweite Operationsverstärker 23 wirkt als Komparator V, der mit seinem einen Eingang 24 mit dem anderen Eingang 13 des ersten Operationsverstärkers 11 verbunden ist Sein anderer Eingang 25 liegt über den Einstellwiderstand 2 und einen Vorwiderstand 27 an der positiven Versorgungsspannung und über den als Fühler ausgebildeten temperaturabhängigen NTC-Widerstands 3 und einen weiteren Vorwiderstand 28 an der negativen Versorgungsspannung. An dem Ausgang 26 des Operationsverstärkers 23 ist unmittelbar das elektromagnetische LastschaUglied 4 angeschlossen. Dieses wird somit von dem am Ausgang 26 des Komparators V anstehenden Signal geschaltet. Zum Schutz des Operationsverstärkers 23 gegen auftretende Rückströme vom Lastschaltglied 4 ist dessen Spule eine Diode 30 parallel geschaltet. Der mit der Spule des Lastschaltgliedes 4 verbundene Ausgang 26 des Operationsverstärkers 23 ist über einen Kopplungswiderstand 29¹ mit dem anderen Eingang 25 des Operationsverstärkers 23 rückgekoppelt Zur Erfüllung der Sicherheitsvorschriften hinsichtlich berührbarer Metallteile ist der gesamte Vorwiderstand für den temperaturabhängigen NTC-Widerstand 3 speziell durch die Auslegung der Vorwiderstände 27 und 28 so groß, daß bei auftretenden Isolationsfehlern, z.B. Masseschluß, der Gleichstromanteil eines dadurch auftretenden Ableitstromes unter 0,75 mA liegt

Nach Einschaltung des Hauptschalters 7 wird über das Netzteil II Spannung an den Zweifachoperationsverstärkers 11, 23 und seine Außenbeschaltung gelegt bi Dabei erzeugt der erste Operationsverstärker ii an seinem anderen Eingang 13 infolge der vorgesehenen Anordnung der antiparallel geschalteten Dioden 18 und 19 und der diesen vorgeschalteten Einzelwiderstände 20 und 21 von unterschiedlichem Wert eine über 30 s flach ansteigende aber steil abfallende Sägezahnspannung, die am einen Eingang 24 des zweiten Operationsverstärkers 23 iiti gleicher Weise ansteht. Diese Spannung wird in dem als Komparator wirkenden zweiten Operationsverstärker 23 mit der durch den Meßkreis am anderen Eingang 25 anstehenden Spannung verglichen, wodurch der Ausgang 26 eine positive oder negative Spannung annimmt, durch die unmittelbar das elekrornagnelische Lastschaltglied 4 geschaltet wird.

Die durch den Einstellwiderstand 2 vorgewählte Spannung am anderen Eingang 25 des Operationsverstärkers 23 wird durch die temperaturbedingte Widerstandsänderung des temperaturabhängigen Widerstandes 3 verschoben. Solange diese Spannung oberhalb der Sägezahnspannung liegt, ist das LastschaUglied 4 dauernd eingeschaltet. Liegt dagegen die Steuerspannung unterhalb der Sägezahnspannung, ist das Lastschaltglied dauernd ausgeschaltet. Zwischen der oberen und unteren Sägezahnspannung liegt der proportionale Regelbereich. Je nach Lage der Steuerspannung innerhalb dieses Bereiches, den der Sägezahn in ca. 30 s durchläuft, ergibt sich entsprechend das Ein- Aus-Verhältnis der Schaltleistung, z. B. erreicht die Sägezahnspannung nach 10 s die Steuerspannung, dann ist das Lastschaltglied 4 für 10 s eingeschaltet und die restlichen ca. 20 s ausgeschaltet. Da nach dem ersten Einschaften des Heizelementes die Temperatur zunächst niedrig und somit der temperaturabhängige NTC-Widerstand 3 hochohmig ist, liegt die Steuerspannung höher als die Sägezahnspannung, so daß die volle Heizleistung für den Aufheizvorgang eingeschaltet ist. Bei Annäherung an die Solltemperatur gemäß der Einstellung des Einstellwiderstandes 2 tritt die Steuerspannung in den Sägezahnbereich und die Leistungsreduzierung durch Takten beginnt Je näher die zu regelnde Temperatur, z. B. bei einer Kocheinrichtung, dem Einstellwert kommt, um so mehr verschiebt sich das Taktverhältnis zu längeren Auszeiten, bis eine konstante Restleistung erreicht ist. die für einen Fortkochgang ausreicht. Es wird durch den Proportionaltaktregler deshalb eine schnelle und feinstufige Leistungsregelung erzielt, weil die Schaltleistung zunächst um ein der Regelabweichung proportionales, beginnend mit 100% ED. und danach kontinuierlich änderndes Maß geschaltet wird.

In den Fig.4 und 5 ist das Schaltverhalten des Proportional-Taktreglers bei unterschiedlichem Kochgut und unterschiedlich gewählter Leistungsstufe dargestellt Dabei ist auf der Ordinate die Tempe·- "tür in "C und die eingestellte Leistung in % ED aufgetragen. Während auf der Abszisse die Aufheizzeit in Minuten angegeben ist Die Fig.4 betrifft ein Diagramm bei einer Einstellung einer niedrigen Leistungsstufe 1, entsprechend 5% ED, bei der 11 Wasser erwärmt wird. Die Kurve &K zeigt die gemessene Temperatur des Kochgutes, während die Kurve ϋ-F die gemessene Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes anzeigt Die Kurve P entspricht der erforderlichen Leistungszufuhr. Es ist zu ersehen, daß während der Aufheizperiode der Taktregler eine 100°/oige Einschaltdauer abgibt Nach Annäherung an die Solltemperatur beginnt die Leistungsreduzierung durch Takten, in dem die Einschaltzeiten kontinuierlich kleiner werden, bis für den Fonkochgang über eine längere Periode die Restleistung ausreicht und zur Einhaltung der vorgewählten Leistungsstufe dann nur kurzzeitige Einschalt

Perioden benötigt werden. Das entsprechende Diagramm der Fig.5 betrifft eine Einstellung einer mittleren Leistungsstufe 4 mit einer etwa 25%'igen Einschaltdauer, durch die 21 Wasser zum Kochen gebracht Werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Temperaturregler zur Regelung der Energiezufuhr für ein elektrisches Heizelement, z. B. eine Kocheinrichtung, mit einem elektronischen Steuerkreis, der als Meßzweig einen Einstellwiderstand als Sollwertgeber und einen temperaturabhängigen Widerstand als Istwertgeber enthält, dessen Ausgangssignal über ein elektromagnetisches Lastschaltglied das Heizelement ein- bzw. ausschaltet und bei dem zwischen der Versorgungsspannung und dem elektronischen Steuerkreis ein Vorwiderstand mit einer Gleichrichterdiode in Reihe liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Steuerkreis (1) als Sägezahngenerator (III) zur Erzeugung einer Sägezahnspannung für eine Taktzeit ausgeführt ist, wobei die Sägezahnspannung mit der Steuerspannung des Meßzweiges (IV) verglichen wird und das Ausgangssignal zur Schaltung des Lastschaltgliedes (VII) liefert, daß das elektromagnetische Lasisehaiigiied (4) für eine auf seine Schaltleistung bezogene sehr geringe Erregerleistung, z. B. Schaltleistung ca. 2000 Watt und Erregerleistung kleiner 150 Milliwatt, aufweist, und daß der Vorwiderstand 5 relativ hochohmig, z. B. größer = 10 k-Ohm ausgelebt ist.

2. Elektronischer Temperaturregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweifachoperationsverstärker (11, 23) vorgesehen ist, dessen erster Verstärker (11) als Sägezahngenerator und dessen zw- lter Verstärker (23) als Komparator wirkt, daß die Taktzeit «W Sägezahnspannung mindestens 30 s beträgt und daß das Ausgangssignal des Komparators das Lastscha'^glied (4) schaltet.

3. Elektronischer Temperaturregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten als Sägezahngenerator wirkenden Operationsverstärker (11) an seinem einen Eingang (12) über einen Spannungsteiler (15, 16) eine feste Spannung zugeführt wird und dieser Eingang über einen weiteren Widerstand (17) mit dem Ausgang (14) rückgekoppelt ist und sein anderer Eingang (13) über antiparallel geschaltete Dioden (18, 19) und diesen vorgeschaltete Einzelwiderstände (20,21) mit dem Ausgang verbunden ist und daß zwischen dem anderen Eingang und der negativen Versorgungsspannung ein Kondensator (22) geschalte« ist.

4. Elektronischer Temperaturregler nach einem der Ansprüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite als Komparator wirkende Operaim
verstärker (23) mit seinem einen Eingang (24) ir.n dem anderen Eingang (13) des ersten Operationsverstärkers (11) verbunden ist und sein anderer Eingang (25) mit dem Meßzweig (IV) derart verbunden ist, daß er über den Einstellwiderstand (2) und einen Vorwiderstand (27) an der positiven Versorgungsspannung und mit dem temperaturabhängigen Widerstand (3) und einen weiteren Vorwiderstand (28) an der negativen Versorgungsspannung liegt und daß sein Ausgang (26) das Lastschaltglied (4) schaltet.

5. Elektronischer Temperaturregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (26) des Komparators (V) Unmittelbar das Lastschaltglied (4) schaltet, dessen Spule mit einer Diode (30) parallel geschaltet und über einen Kopplungswiderstand (29) mit dem anderen Eingang

(25) des Operationsverstärkers (23) rückgekoppelt ist,

6. Elektronischer Temperaturregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dpß der Meßzweig so hochohmig ausgeführt ist, daß bei Isolationsfehlern, z. B. Masseschluß am temperaturabhängigen Widerstand (3), der Gleichstromanteil eines Ableitstromes unter 0,75 mA. liegt.