DE2635019A1

DE2635019A1 - Schaltung zur leistungssteuerung

Info

Publication number: DE2635019A1
Application number: DE19762635019
Authority: DE
Inventors: Jozef M Van Herten
Original assignee: Oce Van der Grinten NV
Current assignee: Canon Production Printing Holding BV
Priority date: 1975-08-08
Filing date: 1976-08-04
Publication date: 1977-02-24
Also published as: NL7509461A; AU1553476A; CA1062332A; US4109134A; FR2340581A1; AU500016B2; DE2635019C2; GB1552195A; JPS5221654A; FR2340581B1

Description

Schaltung zur Leistungssteuerung

Die Erfindung "betrifft eine Schaltung zur Steuerung der
von einem Schaltelement, insbesondere einem Triac, übertragenen Leistung, welches mit einem an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Leistungselement in Serie geschaltet ist.

Schaltungen der eingangs genannten Art sind bereits beispielsweise in der Zeitschrift "Radio Electronica", 1971, Band 22, Seiten 907 und 908, beschrieben und werden dort bei einem Thermostat angewandt. Das Thermostat weist einen NTC-Widerstand auf, mit welchem die Temperatur einer Flüssigkeit gemessen wird; außerdem ist ein Heizelement

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zur Aufwärmung einer Flüssigkeit auf eine exakte Temperatur vorgesehen. Sobald die Temperatur der Flüssigkeit den gewünschten Wert erreicht, wird die Stromspeisung zum Heizelement derart reduziert, daß die Temperatur auf dem gewünschten Wert gehalten wird. Das Thermostat weist einen Meßkreis und einen Leistungssteuerkreis auf. In dem Meßkreis bzw. der Meßschaltung wird die Spannung am NTC-Widerstand mit der Spannung am Ausgang eines variablen Potentiometers verglichen, dessen eingestellte Spannung den Wert festlegt, auf welchen die Temperatur stabilisiert werden soll. Wenn die Spannung am NTC-Widerstand höher als die eingestellte Spannung ist, ist die Temperatur der Flüssigkeit zu niedrig. Wegen dieser Spannungsdifferenz wird ein Strom in dem Meßkreis erzeugt, der eine Lampe aufleuchten läßt. Das Licht dieser Lampe fällt auf zwei lichtempfindliche Widerstände, die in der Leistungssteuerschaltung angeordnet sind. Das Licht bildet die einzige Verbindung bzw. Kopplung zwischen der Meßschaltung und der Steuerschaltung. Die Lichtintensität bestimmt den Stromwert, der über einen Thyristor in der Steuerschaltung zu dem Heizelement übertragen wird. Dieses Thermostat kann in all denjenigen Fällen verwendet werden, in welchen die Temperatur einer Flüssigkeit auf einen bestimmten Wert gebracht und auf diesem Wert gehalten werden muß, wie beispielsweise in Wasserbädern, Ölbädern und Entwicklerbädern (z.B. in der Halogensilber-Photographie). Auch in der Elektrophotographie bzw. Xerographie sind derartige Schaltungen bereits bekannt und werden beispielsweise in den US-PS'en 3 327 096 und 3 532 855 beschrieben, welche ., sich auf ein xerographisches Kopiergerät beziehen,-die—ia einer f-eäten^Sinrichtung vorgesehen -id, in welcher ein freies bzw. loses Pulverbild auf dem Trägermaterial mittels Hitze v^rf-liis-s-igt- wird, wobei das Trägermaterial zumeist Papier ist.

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Die oben erwähnten Schaltungen haben -insgesamt den Nachteil, daß eine Leistung kontinuierlich an das Leistungselement, d.h. eine Leistung abgebende Element angelegt wird, wenn die Steuerschaltung oder das Schaltelement ausfallenj in diesem Fall ist das Leistungselement das Heizelement. Daraus folgt, daß die Temperatur der Einrichtung, deren Teil das Heizelement ist, ständig ansteigt. Insbesondere bei Fixiereinrichtungen in elektro-(photo)graphisehen Kopiergeräten.kann dies äußerst unerwünschte Konsequenzen haben. Zumindest karbonisiert das Papier mit dem losen Pulverbild. Im ungünstigsten Fall kann jedoch das Papier Feuer fangen, so daß auch das Kopiergerät selbst in Flammen aufgehen kann. Darüber hinaus kann die ständig ansteigende Wärme Teile in dem Kopiergerät, die sich in der Umgebung des Heizelementes befinden, zerstören und letztlich können bestimmte Teile Feuer fangen. .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Leistungssteuerung zu schaffen, welche die erläuterten Nachteile bekannter Schaltungen nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteranspruchen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Schaltung der eingangs genannten Art, die mit einem Sensor versehen ist, der auf von dem Leistungselement bzw. Heizelement abgegebene Leistung anspricht. Die Sperreinrichtung ist eine impulserzeugende Einrichtung, die periodisch einen Sperrimpuls abgibt, welcher einem Signal des Sensors entspricht, um das Schaltelement zu sperren. Die erfindungsgemäße Schaltung bietet Sicherheit dafür, daß die Funktion der-Steuer-

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schaltung und/oder des Schaltelements, welches die zu dem Leistungselement bzw. Heizelement übertragene Leistung steuert, regelmäßig überwacht bzw. überprüft wird. Dies erfolgt dadurch, daß periodisch simuliert wird, daß der Sensor eine derartige Situation erfaßt, daß er das Schaltelement in den Sperrzustand verbringt, so daß keine weitere Leistung an das Leistungselement übertragen wird. Detektoreinrichtungen werden benützt, um festzustellen, wann dies der Fall ist. »'Trotz dieses Sperrsignals -w±rd jedoch Leistung au-d«ffl<[Leistungselement/ubertragen -oder'

stung aud«ffl<[Leistungselement/u lih^dßd^ffitGät mit Hilfe eines Signals abgeschaltet wird, das von der Detektoreinrichtung abgegeben wird. Vorzugsweise umfaßt die Detektoreinrichtung Spannungsdetektoren, die parallel zu dem Leistungselement geschaltet sind und ein Signal erzeugen, wenn an dem Leistungselement ein Spannungsabfall auftritt, sowie eine Einrichtung, durch welche der Sperrimpuls und das Detektorsignal zusammengefaßt bzw. kombiniert werden.

Die Einrichtung zur Erzeugung des Sperrimpulses weist vorzugsweise zwei Impulsgeneratoren auf, von welchen der erste Generator einen Impuls mit wenigstens einer halben Periode und der zweite Generator einen Impuls mit wenigstens einer Periode des Wechselstroms liefert; der zweite Impuls tritt in" dem Augenblick auf, in dem der erste Impuls beendet wird. Der Ausgang nur des zweiten Generators ist mit der Einrichtung zur Kombination des Sperrimpulses und des Detektorsignals verbunden. Ein geeigneter Spannungsdetektor besteht aus einer Licht emittierenden Diode (LED) und einem lichtempfindlichen Transistor. Jedes geeignete Element kann als Schaltelement benützt werden, beispielsweise ein Schalter, ein Transistor, ein Thyristor oder ein Triac. Abhängig von dem Bereich, in welchem die erfindungsgemäße Schaltung benützt wird oder für welchen Zweck die erfindungsgemäße Schaltung benützt wird, kann

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auch der Sensor entsprechend variiert werden. Neben den temperaturempfindlichen Sensoren, beispielsweise Thermoelementen, PTC- und NTC-Widerständen, ist es auch möglich, einen photoempfindlichen Sensor zu benützen. Ein photo- oder lichtempfindlicher Sensor kann beispielsweise bei einem Kultivierungsverfahren oder -test benützt werden, in welchem bestimmte Pflanzen, Schwämme bzw. Pilze oder dergleichen einer bestimmten Licht- oder Wärmemenge ausgesetzt werden müssen.

Die erfindungsgemäße, Sicherheit bietende Schaltung kann insbesondere dort vorteilhaft angewandt werden, wo das Leistungselement ein Heizelement ist und der Sensor ein temperaturabhängig!ger Widerstand. Besondere Beispiele dieses Anwendungsgebiets sind Fixiereinrichtungen elektro-(photoVraphischer Kopiergeräte. Bei diesem Anwendungsgebiet, in welchem die Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann und wobei das xerographische Kopiergerät eine wärmefixierende Einrichtung enthält, ist die erfindungsgemäße Schaltung in der Fixiereinrichtung vorzusehen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zur Erläuterung weiterer Merkmale anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm für die Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, und

Fig. 4 das zugehörige Impulsdiagramm für die Schaltung nach Fig. 3.

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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung. Die Temperatur eines Heizelements S, beispielsweise einer durch Hitze fixierenden Einrichtung wird durch einen NTC-Widerstand erfaßt, der in einer aus den Widerständen R1, R2, R3 und einem Potentiometer P bestehenden Brückenschaltung eingesetzt ist. Die Spannung V.der Brücke wird zu einer Steuerschaltung R geliefert, die an sich bekannt ist und die ihrerseits abhängig von der Temperatur des NTC-Widerstands ein Schaltelement (beispielsweise ein Triac T) in den Leitzustand verbringt, so daß ein Strom durch das Heizelement S fließt. Die Brücke wird durch Änderung des Potentiometers P eingestellt. Die Steuerschaltung enthält einen Α-stabilen Multivibrator A, der Impulse mit einer Impulsdauer von 30 msec und einer Impulsperiode von 5 see (vgl. Fig. 2a)liefert. An der negativen Flanke wird ein monostabiler Multivibrator B angesteuert, der ebenfalls einen Impuls mit einer Impulsdauer von 30 msec und einer Impulsperiode von 5 see liefert, wie dies bei b in Fig. 2 gezeigt ist. In dem NOR-Gatter werden die Signale gemäß Fig." 2a und 2b zusammengefaßt und in das in Fig. 2 bei c dargestellte Signal aufeinanderfolgend invertiert.

Mittels eines Transistors Tr wird der NTC-Widerstand durch

trs T

das Signal c (Fig. 2) vei4c3?e±ner^f was dazu erfolgt, um zu simulieren, daß die Temperatur sehr hoch ist. Infolgedessen wird die Steuerschaltung das Triac T, d.h. den Zweiweg-Thyristor T sperren, so daß kein Strom durch das Heizelement S hindurchgeht, welches an die Wechselspannung d angeschlossen ist. Am Heizelement S wird infolgedessen ebenfalls keine Spannung auftreten. In der LED des optischen Kopplungselements K fließt kein Strom und der lichtempfindliche Transistor im Kopplungselement K, der an eine 12 Volt-Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, wird hoch-ohmisch sein, so daß der Emitter nahezu auf 0 Volt gehalten wird. Demzufolge ist der Eingang 1

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des NAND-Gatters niedrig. Durch das Signal b erhält der Eingang 2 des NAND-Gatters einen hohen Signalwert zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, jedoch ändert sich der Ausgang des NAND-Gatters nicht.

Wenn die Steuerschaltung oder das Triac ausfallen, wird das Heizelement S auch dann leitfähig, d.h. zugeschaltet sein, wenn der Signalwert c = 1, wodurch die LED im Kopplungselement K leitfähig ist und der lichtempfindliche Transistor nieder-ohmisch wird; demzufolge tritt ein hoher Pegel am Eingang 1 des NAND-Gatters auf. Auch der Eingang 2 wird durch das Signal b auf einen hohen Wert verbracht und beide Eingänge haben nunmehr einen so hohen Wert, daß der Ausgang zeitweilig einen niedrigen Wert annimmt. Mit diesem Signal ist es möglich, irgendein Element oder dergleichen abzuschalten oder ein entsprechendes Signal zu erzeugen. Das Heizelement oder im Bedarfsfall das gesamte Kopiergerät können dann abgeschaltet werden.

Der Impuls b kann nur zu einem späteren Zeitpunkt gegenüber dem Signal c den hohen Wert, d.h. die eingestellte Impulshöhe annehmen, da das Triac gerade vorher angesteuert wipd^infolgedessen das Triac/eine halbe Periode lang im Leitzustand verbleibt. Darüber hinaus können Verzögerungen eine Rolle in der Steuerschaltung spielen.

Eine Verzogerungszeit von 30 msec zwischen den Vorderkan-" ten der Impulse b und c ist ausreichend. Der Impuls b muß auch ausreichend lange vorliegen, damit ein Stromfluß durch die LED erfolgt. Es hat sich gezeigt, daß auch hier eine Zeitspanne von etwa 30 msec zufriedenstellend ist. Die Diode D soll verhindern, daß die Sperrspannung an der LED zu hoch wird.

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Es ist möglich,' daß ein Störimpuls in der Praxis als Sperrimpuls wirkt; häufig kann der Sperrimpuls kleinere Impulsdauer als die programmierte Impulsdauer des Sperrimpulses haben und manchmal sogar kleiner als die einer halben Periode der Wechselspannung entsprechende Zeitdauer sein.

In solchen Fällen besteht das Risiko, daß das Leistungselement bzw. im vorliegenden Fall das Heizelement fälschlicherweise abgeschaltet wird, da es zu früh daraufhin überprüft wurde, ob das Schaltelement nicht irgendeine Leistung überträgt. Die Überprüfung beginnt in dem Augenblick, in welchem der Sperrimpuls endet. Wenn die Dauer des Störimpulses, der als Sperrimpuls wirkt, so kurz ist, daß der sinusförmige Wechselstrom noch nicht den Nullpunkt erreicht hat, kann der Fall auftreten, daß am Ende dieses Stör-Sperr-Impulses das Schaltelement immer noch Leistung überträgt, und zwar in voller Übereinstimmung mit der gewünschten Funktionsweise. Da von diesem Augenblick an das Schaltelement auch im Hinblick auf die NichtÜbertragung der Leistung überprüft wird und durch diese überprüfung festgestellt wird, daß das Element tatsächlich Leistung überträgt, wird auf Grund der Sicherheitseinrichtung das Leistungselement abgeschaltet.

Um dies zu vermeiden, ist darauf zu achten, daß die Überprüfung bzw. Überwachung auf die NichtÜbertragung von Leistung durch das Schaltelement nicht vor einem vorgewählten, konstanten Zeitpunkt gegeüükei¹ dem Auftreten des Sperrimpulses Eingeleitet wiri>oder bevep dej*· Stör-Sperr-Impuls endet-; diese Zeitspanne ist ausreichend groß, um sicherzustellen, daß das Schaltelement keine Leistung mehr überträgt. Wenn während der überprüfung festgestellt wird, daß das Schaltelement noch Leistung überträgt, dann ist ersichtlich, daß dies fälschlicherweise der Fall ist und daß daraufhin das Leistungselement abgeschaltet wird.

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Es muß sichergestellt werden, daß die Überwachung der NichtÜbertragung von Leistung durch das Schaltelement erst nach einer bestimmten und ausreichend langen Zeitspanne^ eginn-^-^und—zwai¹- nach dem Auftreten des Sperr-' impulses oder des Stör-Sperr-Impulses*^ dies kann durch geringfügige Änderung des Blockschaltbildes nach Fig. 1 erreicht werden, wenn die Schaltung nach Fig. 1 entsprechend Fig. 3 verändert wird. Unabhängig davon, ob der a-stabile Multivibrator A durch einen Störimpuls angesteuert wird oder nicht, gibt er einen Sperrimpuls a¹ ab, der beispielsweise eine Impulsdauer von 60 msec hat (vgl. Fig. 4). Durch diesen Impuls a¹ wird erreicht, was durch den Impuls c in Fig. 1 bezweckt wird. Im gleichen Augenblick, d.h. an der Vorderkante des Impulses a¹ wird der monostabile Multivibrator B angesteuert und gibt einen Impuls b^f konstanter Dauer, beispielsweise mit 30 msec (Fig. 4) ab. Erst nach diesen 30 msec, d.h. nach der Hinterkante des Impulses b¹ tritt der Impuls c¹ auf, der ebenfalls eine Dauer von 30 msec hat und während welcher Zeitspanne überprüft wird, ob das Triac T tatsächlich gesperrt ist, d.h. ob es keine Leistung überträgt.

Mit Hilfe dieser Schaltung wird der Einfluß des Störimpulses, zumindest was die Dauer des Sperrimpulses betrifft, beseitigt. Wenn der Störimpuls a^f sehr kurz ist, was bedeutet, daß dessen Dauer kleiner oder gleich der Impulsdauer des Impulses b¹ ist, wird kein Impuls c¹ abgegeben, so daß keine Überprüfung dahingehend stattfindet, ob das Schaltelement gesperrt ist.

Der Impuls b¹ muß wenigstens eine Dauer haben, die gleich der Dauer einer halben Periode der Wechselspannung ist. Für eine Wechselspannung mit 50 Hz bedeutet dies eine Dauer von 10 msec. In Verbindung mit den Verzögerungszeiten, die in dieser Schaltung eine Rolle spielen können, kann diese Zeit größer sein. Bei dem dargestellten

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Ausführungsbeispiel hat sich eine Dauer von 30 msec als günstig erwiesen. Der Impuls c¹ tritt nur dann auf, wenn der Impuls a¹ langer andauert als der Impuls b¹. Die Dauer des Impulses c¹, während der die Überprüfung dahingehend stattfindet, ob das Schaltelement tatsächlich gesperrt ist, kann sehr kurz sein und hängt von den Verzögerungen ab, die in den anderen Bauteilen der Schaltung auftreten können. In der erfindungsgemäßen Steuerschaltung ist eine lichtemittierende Diode vorgesehen, in welcher der Strom nur in einer Richtung fließen kann; es kann der Fall auftreten, daß die Überprüfung während der nichtleitenden Phase der Spannung an der lichtemittierenden Diode erfolgt, d.h. solange die Spannung in Sperrrichtung an der Diode anliegt. Aus diesem Grund muß der Impuls c¹- wenigstens eine Impulsdauer entsprechend einer halben Periode der Wechselspannung haben, d.h. 10 msec. Zu dieser Zeitspanne muß eine Zeit hinzugefügt werden, so daß die Spannung an der lichtemittierenden Diode einen bestimmten Schwellwert überschreiten kann, welche für Messungen notwendig ist. Nach einem Viertel der Zeitperiode, d.h. nach 5 msec, hat die Spannung ihr Maximum erreicht, so daß es günstig ist, in diesem Fall dem Impuls c¹ eine Impulsdauer von wenigstens 10 + 5 = 15 msec zu geben. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat es sich als äußerst günstig erwiesen, eine Dauer von 30 msec zu erreichen. . .

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Claims

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Patentansprüche

1.j Schaltung zur Steuerung der von einem Schaltelement, ^-^ insbesondere einem Triac, übertragenen Leistung, welches mit einem an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Leistungselement in Serie geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (A, Β) zum zeitweiligen, intervallmäßigen Sperren der Leistungsübertragung sowie eine Einrichtung (K? ^zuin~ErfasseTraer Leistung vorgesehen sind, wobei diese Leistung trotz des Sperrens von dem Schaltelement (T) übertragen wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1 mit einem Sensor, welcher auf die von dem Leistungselement abgegebene Leistung anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperreinrichtung (A, B) impulserzeugende Einrichtungen enthält, die periodisch einen Sperrimpuls abgeben, welcher einem Signal des Sensors zum Sperren des Schaltelements (T) entspricht.

Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß <ier—Sensor ^Spannuirgsueteictoreh aufweilrt, die parallel zum Leistungselement (S) geschaltet sind und die ein Signal dann abgeben, wenn ein Spannungsabfall am Leistungselement auftritt, sowie eine Einrichtung (.NAND) zum Zusammenfassen· des Sperrimpulses und des tr U jSJ

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4. Schaltung nach Anspruch 2 fixier¹ 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (A, B) zur Erzeugung des Sperrimpulses zwei Impulsgeneratoren enthält, von denen der erste Generator einen Impuls mit wenigstens einer einer halben Periode einer Wechselspannung entsprechenden Impulsdauer und der zweite Generator einen Impuls mit wenigstens einer einer Periode der Wechselspannung entsprechenden Impulsdauer erzeugt, daß der zweite Impuls in dem Augenblick eingeleitet wird, in welchem der erste Impuls endet und daß nur der Ausgang des zweiten Generators mit der den Sperrimpuls und das Sen&orsTgnal zusammenfassenden Einrichtung verbunden ist.

5· Schaltung nach Anspruch 2 und/oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Sperrimpulses zwei Impulsgeneratoren aufweist, von welchen der erste Generator einen Impuls mit einer Impulsdauer erzeugt, die größer als die halbe Periode einer Wechselspannungsquelle ist, während der zweite Generator einen Impuls erzeugt, dessen Impulsdauer wenigstens so groß wie die halbe Periode der Wechselspannung ist und daß beide Impulse gleichzeitig eingeleitet werden und daß die Ausgänge der beiden Generatoren mit der den Sperrimpuls und das Sensorsignal zusammenfassenden Einrichtung verbunden sind.

6. Schaltung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdetektoren, die parallel zum Leistungselement geschaltet sind, eine lichtemittierende Diode und einen lichtempfindlichen Transistor aufweisen.

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7. Schaltung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungselement· ein Heizelement und der Sensor ein temperaturabhängiger Widerstand (NTC) ist.

8. Anwendung der Schaltung nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer durch Hitze fixierenden Einrichtung eines xero-graphischenYTCopiergerätes' vorgesehen ist.

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