DE2619101C3 - Anordnung zum Konstanthalten der Betriebstemperatur eines elektrischen Heizleiters - Google Patents

Description

einmal die Spannung über dem Heizleiter erfassende, Meßkanäle, die je einen Gleichrichter in Brückenschaltung enthalten und einer der Meßkanäle einen veränderbaren Bewertungswiderstand als Sollwerteinsteller enthält, zusammengeführt und gemeinsam mit einem Glättungskondensator abgeschlossen, mit dem Eingang eines Operationsverstärkers in Integrationsschaltung verbunden sind und mit diesem gemeinsam die Vergleichse'nrichtung bilden, und daß die zwei von den Meßspannungen hervorgerufenen durch die Meßkanäle dem Eingang des Operationsverstärkers zugeführten entgegengesetzt gepolten Meßströme mittels des Bewertungswiderstandes auf bei einer stationären Solltemperatur des Heizleiters gleiche Amplituden eingestellt sind und die Zeitflächen der Spannung über dem Heizleiter und des Heizstromes durch denselben mittels eines durch die Vergleichseinrichtung gesteuerten kontaktlosen Schalters in einem bestimmten Verhältnis zueinander gleichgroß geregelt sind und damit die Temperatur des Heizleiters auf Solltemperatur gehaiten wird.

Bei dieser Anordnung wird einer weiteren Ausbildung der Erfindung entsprechend eine Grundeinste'lung des Stellgliedes für den Leerlaufbetrieb dadurch ermöglicht, daß der Ausgang des Reglers über Ablösedioden mit dem Abgriff eines ohmschen Spannungsteilers verbunden ist, von welchem der Verbindung der Dioden ein die Betriebsgrundeinstellung des Stellglieds festlegendes Gleichspannungspotential zugeführt ist, das vom Ausgang des Reglers abgeblockt ist. Um eine bessere Regeldynamik zu erreichen, ist einer zusätzlichen weiteren Ausbildung der Erfindung gemäß der Ausgang des Reglers über Ablösedioden mit dem Abgriff eines weiteren ohmschen Spannungsteilers verbunden, von welchem der Verbindung der Dioden ein eine gewählte Betriebseinstellung des Stellgliedes festlegendes Gleichspannungspotential zugeführt ist, und es ist dieser Spannungsteiler beim Einschalten des Heizstromes vorübergehend an eine Gleichspannung schaltbar. Eine derart ausgebildete Anordnung ist für Wechselstrom wie auch für Gleichstromanwendungen mit jeweils günstigem Regelungsverhalten verfügbar und überdies für den automatischen Betriebsablauf bei Heizmaschinen verwendbar.

Zum Konstanthalten der Temperatur eines mit Gleichstrorf, versorgten Heizleiters kann erfindungsgemäß ein durch die Vergleichseinrichtung analog gesteuerter Halbleiterwiderstand oder ein mit veränderbarem Tastverhältnis und/oder Tastfrequenz geschalteter Halbleiterschalter als elektronisches Stellglied verwendet werden.

Anhand Cer Zeichnung ist nachstehend als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Wechselstromanwendung beschrieben. Die Zeichnung zeigt das Schaltbild einer Anordnung zum Konstanthalten der Betriebstemperatur der Heizleiter einer Folienschweißmaschine.

In der Zeichnung links ist ein Heizstromkreis mit dem Heizleiter, einem als Stellglied verwendeten Triac und einem Stromwandler in Reihenschaltung dargestellt.

Der Heizleiter 1 habe einen positiven Temperaturkoeffizienten. Als Stellglied kommen auch Thyristoren, Transistoren sowie auch Stelltransformatoren, Stellwiderstände oder magnetische Verstärker in Betracht. Von Heizleiter 1 und vom Stromwandler 3 gehen ein Spannungsmeßkana! Γ und ein Strommeßkanal 3' aus, die an einer Vergleichsstelle 1,3 zusammengeführt sind. Dieser ist über den Meßkanal Γ ein von einer Gleichspannung und Meßspannung U\, die mittels eines Transformators Tr und eines Brückengleichrichters C₁ erzeugt wird und an einem Widerstand B i liegt, und die der Heizleiterspannung proportional ist, hervorgerufener Meßstrom, und über den Meßkanal 3' ein von einer Gleichspannung und Meßspannung £4 die mittels eines Brückengleichrichters G 3 erzeugt wird und an einem Widerstand J33 liegt und die dem Heizstrom proportional ist, hervorgerufener entgegengesetzt gepolter Meßstrom zugeführt. In den Meßkanälen Γ und 3'

ίο liegen ein veränderbarer ohmscher Bewertungswiderstand F\ bzw. ein ohmscher Festwiderstand A3. Der hinter der Vergleichsstelle 1, 3 (Knoten) gebildete Differenzstrom der Meßströme wird durch einen Kondensator C geglättet und ist über einen ohmschen Widerstand Rq mit dem invertierenden Eingang »—« eines Operationsverstärkers 4 zugeführt. Dieser ist mit einem auf den Eingang »—« rückkoppelnden Reihen-ÄC-GIied Ri, Q als integrierender Verstärker beschaltet. Das RC-G\ied bildet zusammen mit dem Widerstand Ro einen Spannungsteiler. Der Ausgar des Operationsverstärkers 4 ist über eine Biockdiodo f>4 und einen ohmschen Widerstand Ra mit dem Steuerungseingang eines dem Stellglied und Triac 2 zugeordneten Impulsgebers 7 verbunden, welcher mit einem LJ Ji -Osziliator arbeitet. Das Zeitglied Rj, Q des Oszillators enthält einen Transistor Tals gesteuerten Widerstand. Der Impulsgeber 7 erhält eine trapezförmige Betriebsgleichspannung aus der Wechselstromquelle R, M_p des. Stromkreises mit dem Heizleiter 1, so daß der Impulsgeber mit der Wechselstromquelle synchronisiert ist Die Elemente Γ, 3', 4 bilden zusammen eine Vergleichseinrichtung der Anordnung für die eine geglättete Gleichspannung, die gleichfalls aus der Wechselstromquelle R, M_püber einen Gleichrichter Dm einem Kondensator Q erzeugt wird, als Betriebsspannung dient. Der Ausgang des Operationsverstärkers 4 ist über Ablösedioden Da, Ds, D* an den Abgriffen von ohmschen Spannungsteilern Sps und Spt angeschlossen, welche an der Betriebsgleichspannung der Vergleichseinrichtung liegen. Der Spannungsteiler S/% ist schaltbar min- !s eines Kontaktes S. Die Verbindung der Dioden Da, Di und Db liegt im Steuerungskanal 4' des Operationsverstärkers 4 und ist über einen ohmschen Widerstand Ri an die Betriebsspannung angeschlossen.

Wie der Zeichnung zu entnehmen ist. sinu die Widerstände B\ und Bj, ferner der Spannungsteiler Sp·, und Sph und der Kondensator G des Impulsoszillator· Zeitglieds sowie auch ein Zündübertrager Zdes UJT an Bezugspotential der geglätteten Betriebsgleichspan·

-,ο nung der Anordnung angeschlossen.

Mit dem Triac 2 kann der Heizstrom durch Phasenanschnittsteuerung verändert werden. Fließt im Stromk^reis des Heizleiters der Heizstrom, so wird der Vergleichsstelle t, 3 die durch die gleichgerichteten Meßspannungen U-.. Uj hervorgerufenen Meßströme einander entgegengesetzt gepolt zugeführt. Der Bewertungswiderstand Pi. der als Sollwerteinsteller (für eine gewünschte Betriebstemperatur) dient, wird (zuvor) so eingestellt, daß o'.e zwei Meßströme gleichgroße

bO Amplituden erhalten, wenn der Heizleiter I eine gewünschte, stationäre Betriebstemperatur hat. Wird im stationären Betrieb die Temperatur des Heizleiters höher als die gewünschte Betriebstemperatur, so wird, weil der Widerstand des Heizleiters dann zunimmt, die Amplitude der dem Heizstrom proportionalen Meßspannung U₃ kleiner als die Amplitude der von der Heizleiterspannung abgeleiteten Meßspannung U\. Der Operationsverstärker 4 in Integrationsschaltune

steuert dabei am Ausgang A zunehmendes Potential und es wird dadurch der Kollektorstrom des Transistors T des Impulsgebers 7 verringert. Dabei wird die Ladezeit des Zeitglieds mit dem Kondensator Q langer und der Steuerwinkel des Triacs 2 wird entsprechend größer. Bei dem betreffenden Regelvorgang wird die den Heizleitern über den Triac zugeführte Leistung so weit verringert, bis die gewünschte Betriebstemperatur wieder erreicht wird. Wird umgekehrt die Temperatur des Heizleiters niedriger als die gewünschte Betriebstemperatur, so wird die Amplitude der Meßspannung Ui größer als die der Meßspannung U\, weil nun der Widerstand des Heizleiters geringer wird. Der Operationsverstärker steuert dabei abnehmendes Potential am Ausgang A, so daß der Steuerwinkel des Triacs kleiner und die zugeführte Leistung so weit erhöht wird, bis die gewünschte Temperatur wieder erreicht wird.
Am Differenzeingang des Operationsverstärkers 4 positiv als bei A. so daß die Diode D₄ sperrt und den Ausgang A von 4 vom Potential abblockt. Der Übergang in den stationären Heizbetrieb, von dieser Lccrlaufeinstellung ausgehend, wird alsdann durch den Operationsverstärker mit sinkendem Potential am Ausgang A gesteuert. An der Verbindung der Dioden D₄ und D% wird mittels des Spannungsteilers Sp$ und des ohmschen Widerstandes /?5 über die Diode D% aus der geglätteten Betriebsgleichspannung ein festes Potential so lange vorgegeben, als die Diode D₄ und Df, gesperrt ist. Wenn die Diode D₄ nicht mehr gesperrt ist. wird das Steuerpotential im Steuerkanal zum Impulsgeber 7 vom Ausgang A her verändert vorgegeben, bis der Steuerwinkel des Triacs 2 an die stationäre, gewünschte Betriebstemperatur der Heizleiter hochgefahren ist.

Die Höhe der Eingangsspannung U_e am als Regler dienenden Operationsverstärker 4 ist vom .Steuerwinkel des Triacs 2 mit abhängig. Um eine größere

wird der zeitliche VpHaiif Her Mp[Utrrtm«>.Hiff»r»r>> H»r Rp^el^cschwindigkei! beirr. Einschalten des Ksizssrc-

durch die Meßspannungen U\ und Ui moduliert ist, als Eingangsspannung U_r(t) erfaßt, durch die der in Integrationsschaltung verwendete Operationsverstärker so gesteuert wird, daß am Verstärkerausgang A eine zeitlich veränderliche glatte Gleichspannung U.\ (t) auftritt. Diese stellt sich mit guter Näherung als Integral der Eingangsspannung U_e (t)dar, durch die Beziehung.

Das Stellglied Triac und nicht nur speziell dieses wird jn im Leerlaufbetrieb aus Gründen der Regelungsstabilität zweckmäßig unter einem Steuerwinkel kleiner als 180° el angesteuert. Hierfür wird eine Grundeinstellung des gesteuerten Ladewiderstandes (Transistor T) im Impulsgeber 7 vorgesehen, indem mittels der Schaltung s> 5 ein bestimmtes Steuerpotential im Steuerkanal des Operationsverstärkers 4 hinter der Diode D₄ fest vorgegeben wird. Das Potential ist ausreichend weniger mes zu erreichen, wird kurzzeitig und vorübergehend der Spannungsteiler Spt, mittels des Kontaktes 5 an die Betriebsgleichspannung U_f angeschaltet. Dadurch wird das Gleichspannungspotential an der Verbindung der Dioden Da, D·, und Db negativer, so daß die Dioden D₄ und Ds sperren. Der Kondensator C\ der Rückführung des Operationsverstärkers 4 wird über R\ und die Dioden D» oder D>, ferner über Dt, und den Spannungsteiler Spf, auf eine vorgegebene Gleichspannung geladen. Der Kontakt 5 wird alsdann wieder geöffnet. Durch das Laden des Rückführungskondensators Q hat der Ausgang A des Operationsverstärkers 4 das gleiche Gleichspannungspotential wie vorher der Abgriff des Spannungsteilers 5p&, so daß die Diode Df, sperrt. Die Diode D₄ ist in Durchlaßrichtung geschaltet. Durch das Aufreißen des als Regler arbeitenden Operationsverstärkers 4 ist am Vergleichspunkt 1, 3 sofort eine größere Regelabweichung vorhanden, die entsprechend schnell ausgeregelt wird.

H'crzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Konstanthalten der Betriebstemperatur eines elektrischen Heizleiters mit Hilfe eines im Stromkreis des Heizleiters liegenden Stellgliedes und einer das Stellglied nach dem ohmschen Widerstand des Heizleiters steuernden Vergleichseinrichtung mit einem den Heizleiterstrom über einen Gleichrichter erfassenden Meßkanal, der mit einem Glättungskondensator abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei, einmal den Heizstrom und einmal die Spannung über dem Heizleiter (1) als zwei zueinander entgegengesetzt gepolte Meßspannungen (lh, Ui) an je einem Widerstand (Bi, B\) erfassende Meßkanäle (Γ, 3'), die je einen Gleichrichter in Brückenschaltung (G 1, G 3) enthalten und einer der Meßkanäle (1') einen veränderbaren Bewertungsviderstand (P\) als Sollwerteinsteller enthält, zusammengeführt und gemeinsam mit einem Glättungskondensator (C) abgeschlossen, mit dem Eingang eines Operationsverstärkers in Integrationsschaltung (4) verbunden sind und mit diesem gemeinsam die Vergleichseinrichtung bilden, und daß die zwei von den Meßspannungen (U% U\) hervorgerufenen durch die Mebtcanäle dem Eingang des Operationsverstärkers zugeführten entgegengesetzt gepolten Meßströme mittels des Bewertungswiderstandes (P\) auf bei einer stationären Solltemperatur des Heizleiters gleiche Amplituden eingestellt sind uno die Zeitflächen der Spannung über dem Heizleiter und de·. Heizsiiomes durch denselben mittels eines durch dip Vergleichseinrichtung gesteuerten kontaktlosen Scha ers (2) in einem bestimmten Verhältnis zueinander gleichgroß geregelt sind und damit die Temperatur des Heizleiters auf Solltemperatur gehalten wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zum Konstanthalten der Betriebstemperatur eines mit Gleichstrom betriebenen Heizleiters, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Vergleichseinrichtung analog gesteuerter Halbleiterwiderstand oder ein mit veränderbarem Tastverhältnis und/oder Tastfrequenz geschalteter Halbleiterschalter als elektronisches Stellglied dient.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (A)des Reglers (4) über Ablösedioden (D*. Di) mit dem Abgriff eines ohmschen Spannungsteilers (Spi) verbunden ist, von welchem der Verbindung der Dioden ein die Betriebsgrundeinstellung des Stellglieds (2) festlegendes Gleichspannungspotential zugeführt ist, das vom Ausgang des Reglers abgeblockt ist.

4. Anordnung nach Anspruch I oder 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (A) des Reglers (4) über Ablösedioden (Dt. D₁,) mit dem Abgriff eines weiteren ohmschen Spannungsteilers (Spb) verbunden ist, von welchem der Verbindung der Dioden ein eine gewählte Betriebseinstellung des Stellgliedes (2) festlegendes Gleichspannungspotential zugeführt ist, und daß dieser Spannungsteiler beim Einschalten des Heizstromes vorübergehend an eine Gleichspannung (U_g) schaltbar ist.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Konstanthalten der Betriebstemperatur eines elektrischen Heizleiters mit Hilfe eines im Stromkreis des Heizleiters liegenden Stellgliedes und einer das Stellglied nach dem

5 ohmschen Widerstand des Heizleiters steuernden Vergleichseinrichtung mit einem den Heizleiterstrom über einen Gleichrichter erfassenden Meßkanal, der mit einem Glättungskondensator abgeschlossen ist

Derartige Anordnungen sind für die Stromversorgung von Heizstromverbrauchern jeglicher Art verwendbar, wie zum Beispiel bei sogenannten Folienschweißmaschinen wie auch zur Stromversorgung bei Haushaltsgeräten und elektrischen Heizkörpern. Als Temperaturfühler sind dabei zumeist Thermoelemente gebräuchlich.

Aus der physikalisch-elektrischen Meßtechnik ist es vom Prinzip her bekannt, die Temperatur eines elektrischen Heizleiters aus dem ohmschen Widerstand zu bestimmen, wobei die Temperaturabhängigkeit des ohmschen Heizleiterwiderstandes zugrunde gelegt wird (s. z. B. von Angerer-Ebert »Technische Kunstgriffe bei physikalischen Untersuchungen«, Widerstandsthermometer S. 224; Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1952).

Das gleiche Prinzip wurde schon angewandt (s. DE-PS 3 08 321) zur Regelung der Temperatur eines Heizkörpers nach ehern Widerstand, und zwar einem durch den Heizkörper beheizten Widerstand, indem dieser auf einen Vergleichswiderstandswert geregelt wird, wobei der beheizte und der Vergleichswiderstand in einer Meßbrücke liegen. Diese Anwendung erbringt den Vorteil, daß für eine elektronische Temperaturregelung eine elektrische Größe als Istwert der Temperatur praktisch ohne Verzögerung verfügbar ist.

Durch DE-AS 16 15 310 ist eine Einrichtung für eine elektronische Temperaturregelung von Heizelementen bekannt, die zwei Meßkanäle, davon ein gleichrichtender, den Heizstrom erfassender Meßkanal mit einem Glättungskondensator, aufweist. I'rese Einrichtung ermöglicht eine Heizleistungsregelung in wählbaren Bereichen der Heizelementetemperatur. Für die Konstantregelung der Betriebstemperatur von elektrischen Heizleitern sind bei bestimmten Anwendungen, und speziell bei Folienschweißmaschinen Temperaturfühler zu träge. Der Hei/Mrom bei Folienschweißmaschinen ist ein Wechselstrom, der mit Hilfe eines Triacs oder mit Thyristoren durch Phasenanschnittsteuerung konstantgehalten wird, wobei der Anschnittwinkel zwischen zwei Gren/Iagen, ein* mit großen Anschnittwinkeln für den Leerlaufbetrieb und eine mit kleinem Anschnittwinkel für den Schweißbetrieb, verändert werden kann. Bei jeder Änderung der Betriebsbedingung, z. B. bei Netzspannungsänderungen oder Änderungen der Kühlung der Heizleiter durch die sogenannten Schweißbakken. müssen diese Grenzlagen neu festgelegt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art zum elektronischen Konstanthalten der Betriebstemperatur eines elektrischen Heizleiters mit Hilfe eines Reglers und mit geringstmöglichen Mitteln so auszubilden, daß die Heizleitertemperatur, von einer durch Betriebsänderungen nicht beeinflußbaren Betriebsgrundeinstellung des Stellgliedes ausgehend, nach dem temperaturabhängigen ohmschen Widerstand des Heizleiters auf einer

(,·-, beliebig vorzugebenden Höhe konstantregelbar ist.

Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale, nämlich dadurch, daß zwei, einmal den Heizstrom und