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Schaltung zur Steuerung des Pulspausenverhält-
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nisses des Arbeitszustandes einer Wärmequelle.
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Zusatz zum Patent (Patentanmeldung P 2707591.8/16) Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Steuerung des Pulspausenverhältnisses
des Arbeitszustandes einer Wärmequelle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Nach dem Hauptpatent wird hierbei die linear periodisch zeitabhängige
Spannung durch einen Digital/Analogwandler gebildet, der von einem Oszillator über
einen Binärzähler mit einer Impulsspannung
einstellbarer Frequenz
beaufschlagt ist. Diese Spannung wird zusammen mit einer Vergleichsspannung mittels
eines Komparators verglichen, der nach Maßgabe dieses Vergleichs indirekt die Wärmequelle
schaltet. Zur Ermittlung der Zeit für die Mindesteinschaltdauer der Wärmequelle
innerhalb einer Periode ist ein zweiter, von einem Oszillator angestoßener Zähler
vorgesehen, der ein Signal dafür gibt, daß, wenn ein Einschalten der Wärmequelle
innerhalb der fraglichen Periode erfolgt, die Wärmequelle über die Mindesteinschaltzeit
eingeschaltet bleibt.
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Diese Schaltung ist wegen der Verwendung von zwei Zählern relativ
aufwendig, so daß gegenüber dem Hauptpatent die Aufgabe besteht, das Pulspausenverhältnis
der Betriebszustände der Wärmequelle in Abhängigkeit von einem oder mehreren Meßwerten,
wie z. B. der Raum-, Außen-, Vorlauf- oder Rücklauftemperatur der Heizungsanlage
zu steuern, wobei eine Mindesteinschaltdauer der Wärmequelle innerhalb der Periode
gegeben sein soll, dies aber insbesondere mit einfachen und billigeren Mitteln als
im Hauptpatent zu tun.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht gegenüber dem Hauptpatent in eigenständig
erfinderischer Weise in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen, ein Ausführungsbeispiel
ist aus der
Beschreibung und den Figuren der Zeichnung ersichtlich:
Es zeigen Figur eins eine Prinzipskizze einer elektrischen Schaltung Figur zwei
die Ladespannungskennlinie eines Kondensators über die Zeit mit kontinuierlicher
und diskontinuierlicher Ladung, Figur drei die Ladekennlinie eines Kondensators
bei diskontinuierlicher Ladung im vergrößerten Ausschnitt im Schaltbereich und die
Figuren vier bis sieben Spannungsverläufe an bestimmten Punkten der Schaltung nach
Figur eins.
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In allen sieben Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die
gleichen Einzelheiten.
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Gemäß Figur eins liefert ein Sägezahnspannungsgenerator 1 auf seine
Ausgangsleitung 2 eine Sägezahnspannung uV konstanter Höhe und Frequenz, deren Form
aus den Figuren vier bis sieben jeweils ersichtlich ist. Wesentlich ist, daß die
ansteigende Flanke des Sägezahns ähnlich durchgebogen ist, wie die Ladekennlinie
eines Kondensators bei kontinuierlicher Ladung, vergleiche Kurve 3 in Figur zwei.
Die Ausgangsleitung 2 des Sägezahnspannungsgenerators 1 ist auf den invertierenden
Eingang eines Komparators II geschaltet, dessen nicht invertierender Eingang 5 mit
einer Spannungsquelle für eine analoge Gleichspannung verbunden ist, die z. B. aus
einer Brückenschaltung stammt, in der ein Brückenwiderstand eine Raum-, Außentemperatur-,
Vorlauf-, Rücklauf- oder ähnliche temperaturabängige Spannung liefert, die mit einem
Soll-Wert verglichen wird, sodaß mithin auf der Leitung 6 dem Komparator die Regelabweichung
direkt zugeführt wird.
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Der Ausgang 7 des Komparators ist über eine für positive Spannung
in Durchlaßrichtung gepolte Diode 8 und zwei Widerstände 9 und 10, von denen der
erste einstellbar ist, mit dem invertierenden Eingang 11 eines weiteren Komparators
12 verbunden, dessem nicht invertierenden Eingang 13 eine in der Höhe einstellbare
Gleichspannung URef auf einer Leitung 14 zugeführt ist.
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Der Ausgang 7 des Komparators 4 ist zusätzlich auf den Eingang eines
n-stufigen Binärzählers 15 geführt, so daß dieser Zähler mit einer Spannung ue an
seinem Eingang gespeist ist.
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Die Stufenzahl des Binärzählers beträgt n, so daß am Ausgang 16 des
Binärzählers nach Ablauf einer Zeit entsprechend dem Produkt aus der Periodendauer
der Sägenzahnspannung und der Stufenzahl des Zählers ein Impuls erscheint; die dort
auftretende Impulsspannung ist mit uR bezeichnet. Die Spannung wird über einen Kondensator
17 an eine Basis 18 eines Transistors 19 geführt, wobei die Basis 18 über einen
Widerstand 20 mit Nullpotential 21 verbunden ist.
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Der Emitter des Transistors 19 liegt gleichfalls auf Nullpotential,
der Kollektor ist über einen Widerstand 22 mit dem Eingang 11 des Komparators 12
verbunden. Am Eingang 11 des Komparators 12 liegt auch ein Ladekondensator 23.
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Der Ausgang 24 des Komparators 12, an dem die Spannung uA gegenüber
Nullpotential abfällt, ist über einen Widerstand 25 mit einer Basis eines Transistors
26 verbunden, in dessen Stromkreis eine
von einer Diode 28 überbrückte
Wicklung eines Steuerrelais 27 für eine Wärmequelle liegt. Die Relaiswicklung 27
ist praktisch gleichbedeutend mit dem Stellglied der Wärmequelle, beispielsweise
dem Magnetventil eines blkessels.
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Der Aufbau des Sägezahnspannungsgenerators 1 in Figur eins geht aus
der Figur 8 hervor: Zwischen Batteriespannung und dem Null-Volt-Potential 21 liegt
eine Serienschaltung zweier Widerstände 29 und 30 mit zwischenliegendem Unijunktion-Transistor
31, dessen Steuerelektrode 32 mit der Batteriespannung über einen weiteren Widerstand
33 und mit dem Null-Volt-Potential 21 über einen Kondensator 34 verbunden ist. Am
Verbindungspunkt des Widerstandes mit dem Kondensator und der Steuerelektrode wird
die Spannung uV abgegriffen, die auf der Leitung 2 dem Komparator 4 zugeführt wird.
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Die Spannung uV, deren Verlauf aus den Figuren vier bis sieben hervorgeht,
entsteht dadurch, daß ausgehend von dem Wert O V am Kondensator 34 dieser über den
Widerstand 33 von der Batteriespannung geladen wird.
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Der Ast 35 der Kennlinie stellt die normale Ladekurve eines Kondensators
dar. Nach Erreichen des Spannungsdurchbruchspunktes des Unijunktion-Transistors
wird dieser leitend und entlädt den Kondensator 34 schlagartig auf 0. Anschließend
beginnt der Ladezyklus von neuem. In Figur zwei ist auf der Abszisse das Verhältnis
der Zeit zur Zeitkonstante dargestellt und in der Ordinate das Verhältnis von uc/ûe,
d. h., das
Verhältnis der Kondensator-Ist-Spannung zur Spannung
am Ausgang 7 des Komparators 4. Die Periodendauer T der Sägezahnspannung auf der
Leitung 2 ist gleichfalls in der Abszisse aufgetragen. So ist aus dem Diagramm zunächst
einmal aus der Kurve 36 die Gerade vom Nullpunkt bis zum Verhältnis Uc/ue = 1 ersichtlich.
Weiterhin ist dort die Ladekurve 3 des Kondensators bei Ladung durch eine Konstantspannungsquelle
zu ersehen, die Anfangssteigung der Kurve 3 entspricht der Steigung der Kurve 36.
Schließlich sind noch die beiden Spannungswerte URef eingezeichnet, die auf der
Leitung 14 in Figur eins anstehen. Diese Spannung ist einmal in Höhe von URef1 =
0,5 ue gemäß Kurve 37 und zum anderen URef2 = 0,7 ue entsprechend Kurve 38 gewählt.
Diese Kurven verlaufen parallel zur Abszisse. Sodann ergeben sich aus der Figur
zwei zwei treppenartige Kurven 39 und 40, jeweils die Spannung uc darstellend, jedoch
bei getakteter erfindungsgemäßer Aufladung. Bei der Kurve 39 ist das Verhältnis
von Kondensator-Ladezeit zu Ausschaltzeit 1:1, bei der Kurve 40 ist die Kondensator-Ladezeit
nur 1/5 der Gesamtzeit T.
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Das führt dazu, daß eine Mindesteinschaltdauer (Min-ED) beim Schnittpunkt
der Kurve 3 mit der Referenzspannung projiziert auf die Abszisse gegeben ist, eine
erste Abschaltung der Wärmequelle erfolgt, wenn die Kurve 40 die Spannung URef1
schneidet und eine zweite mögliche Abschaltung der Wärmequelle gegeben ist, wenn
beispielsweise dieselbe Kurve iio die höhere Spannung URef2 schneidet. Man erkennt
hieraus, daß die kleinstmögliche Zeit - entsprechend der Mindesteinschaltdauer -dadurch
entsteht, daß die Aufladekurve 3 die entsprechende Referenzspannungskurve
schneidet.
Verzögert man nunmehr durch Takten die Aufladung, so kann durch Wahl des Pulspausenverhältnisses
die Aufladekurve des Kondensators immer flacher gelegt werden, so daß die Kurve
erst später, weit nach Ablauf der Mindesteinschaltzeit, die entsprechende Referenzspannungskurve
schneidet. Han erkennt hieraus, daß eine Verzögerungszeit nicht nur durch Wahl eines
größeren Kondensators oder kleineren Aufladestroms mit allen seinen Nachteilen (Leckströmel)
erzielt werden kann, sondern auch durch geeignete Wahl einer Pulsation der Aufladung.
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Es soll bei dieser Gelegenheit auch betont werden, daß sich die dargestellte
Schaltung und Anwendung nicht nur auf die Aufladung eines Kondensators, sondern
ebensogut auf die Entladung beziehen kann. Alle Spannungsverläufe würden dann nicht
bei 0 beginnen, sondern im Punkt 1 bezüglich des Spannungsverhältnisses von Kondensatorspannung
zu Ausgangsspannung des Komparators 4 Uc/ue. Entladen würde dann der Kondensator
nicht nach einer e-Funktion als stetige Kurve, sondern treppenförmig.
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Der erzielbare technische Fortschritt wäre in jedem Fall der gleiche.
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Die Funktion der Schaltung nach Figuren eins und acht soll nunmehr
anhand der Spannungsdiagramme der Figuren vier bis sieben erläutert werden.
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In Figur drei ist zunächst einmal der Verlauf der Spannung ue am Ausgang
7 des Komparators 4 über die Zeit T dargestellt. Es handelt sich hier um eine Impulsspannung
konstanter Höhe und Frequenz mit der jeweils gleichen Periodendauer T. Die Spannungsimpulsbreite
beträgt z. B. jeweils T/3, die Impulspause 2/3 T. Das Pulspausenverhältnis dieser
Spannung hängt davon ab, in welchem Bereich zwischen Umin und Umax die Sägezahnspannung
des Sägezahnspannungsgenerators 1 von der Spannung uM geschnitten wird. Im dargestellten
Fall ist angenommen, daß der Wert der Spannung uM etwa 2/3 des Spitzenwertes der
Sägezahnspannung beträgt. Würde z. B. die Spannung uM durch die Fußpunkte der Sägezahnspannung
verlaufen, so wäre ue = 0. Würde die Spannung uM identisch sein mit den Spitzenwerten
der Sägezahnspannung, so wäre ue eine ununterbrochene Gleichspannung. Zwischen diesen
beiden Möglichkeiten sind alle Pulspausenverhältnisse der Spannung ue denkbar.
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Jeweils eine Periode, während der die Wärmequelle vom Relais 27 betätigt
wird, ergibt sich aus der Zeit T als Produkt aus der Periodendauer der Spannung
ue und der Stufenzahl n des Binärzählers 15.
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Entsprechend der Stufenzahl des Binärzählers wird die Periodendauer
T multipliziert und so die Periodenzeit TZ erreicht. Zum Zeitpunkt T = 0 ist der
Transistor 26 leitend, die Wärmequelle 27 also eingeschaltet. Das ist immer dann
der Fall, wenn die Referenzspannung auf der Leitung 14 größer ist als die Kondensatorladespannung
u0 auf der Leitung 11, die beide dem Komparator 12 zugeführt werden.
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Ausgehend vom Zeitpunkt t = 0 wäclsst die Kondensatorladespannung
uc gemäß der Kurve 42 in Figur drei. In dem Moment, indem die Kurve 42 die Referenzspannungskurve
im Punkt 43 schneidet, schaltet der Komparator 12 um, der Transistor 26 wird gesperrt
und die Wicklung des Relais 27 stromlos. Damit erlischt die Wärmelieferung durch
die Wärmequelle für die jeweilige Periodenzeit Tz. Nach Ablauf der Periodenzeit
TZ, deren Länge von der Stufenzahl des Binärzählers 15 und der Frequenz der Sägezahnspannung
abhängt, wird mit dem Umschalten der letzten Stufe des Binärzählers auf der Leitung
16 ein Spannungsimpuls erscheinen, der vom Kondensator 17 und dem Widerstand 20
differenziert wird und den Transistor 19 durchschaltet. Der leitend gewor dene Transistor
19 entlädt den Kondensator 23 schlagartig, so daß uc vom erreichten Wert auf 0 zurückgeht.
Anschließend beginnt die nächste Periode Tz Wird davon ausgegangen, daß der Augenblickswert
der Spannung uM sich während einer Periode Tz nur sehr wenig ändert, so hängt die
Einschaltdauer der Wärmequelle bezogen auf die Periodenzeit TZ nur davon ab, wie
groß das Verhältnis der Spannung uM zur maximalen Spitzenspannung der Sägezahnspannung
ist. Nach diesem Verhältnis bemißt sich nämlich die Breite der Impulse der Spannung
ue und damit die Ladezeit des Kondensators 23 pro Einschaltdauer der Ladespannung
für diesen Kondensator.
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Dadurch, daß die Kondensatorladespannungskurve 3 in Figur zwei nicht
linear zeitabhängig verläuft, würden sich Zeitfehler ergeben, wenn
der
Anstieg der Sägezahnspannung seinerseits linear zeitabhängig wäre.
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Um diesen Zeitfehler zu kompensieren, ist die Kurve 35 - die Anstiegsflanke
des Sägezahns - zeitabhängig so nichtlinear ausgebildet, daß sie den Zeitfehler
der Kurve 3 gerade kompensiert.
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Anhand der Figuren vier bis sieben sollen nun einige diskrete Fälle
des Verhältnisses von uM zum Spitzenwert der Sägezahnspannung untersucht werden:
Figur vier stellt den Fall dar, daß ein sehr großer Wärmebedarf vorliegt. In diesem
Fall ist uM 0, die Sägezahnspannung UV liegt in jedem möglichen Zeitpunkt oberhalb
von UM. Damit ist die Impulsspannung ue 0, die Referenzspannung liegt zu jedem Zeitpunkt
oberhalb uc der Kondensatorladespannung, da der Kondensator nicht mehr geladen wird.
Die Entladeimpulse des Zählers über den Transistor 19 sind wirkungslos, der nicht
geladene Kondensator 23 kann nicht mehr entladen werden, das bedeutet, daß der Komparator
12 dauernd positive Spannung auf seinem Ausgang 24 führt, das bedeutet weiterhin,
daß der Transistor 26 fortlaufend durchgeschaltet ist, das Relais 27 unter Spannung
steht. Das bedeutet eine Einschaltdauer von 100 % für einen relativ großen Wärmebedarf.
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In der Figur fünf sind die Verhältnisse so, daß eine Einschaltdauer
von ca. 50 % resultiert. Das bedeutet, daß die Spannung uM in diesem Falle etwa
1/3 der Spitzenspannung der Sägezahnspannung UV beträgt.
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Jeweils in den Punkten 44 und 45 schneidet die Sägezahnspannung UV
die
Regelspannungsabweichung uM, so daß für die Spannung Ue damit ein bestimmtes Pulspausenverhältnis
festliegt. Mit diesem Pulspausenverhältnis wird der Kondensator 23 geladen. Zu dem
Zeitpunkt, zu dem die Kondensatorladespannung die eingestellte Referenzspannung
URef auf der Leitung 14 erreicht, kippt der Komparator und das Relais 27 wird stromlos.
Der Binärzähler hat zu diesem Zeitpunkt aber noch nicht seinen Endstand erreicht,
erst nach Ablauf der gesamten Zähldauer entsprechend Stufenzahl mal Periodendauer
der Sägezahnspannung erscheint auf dem Ausgang 16 der Impuls, der zum Entladen des
Kondensators 23 führt, anschließend beginnt eine neue Periode.
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In Figur sechs ist der Fall dargestellt, daß überhaupt kein Wärmebedarf
vorliegt, die Einschaltdauer also 0 wird. Dieser Fall tritt dann ein, wenn die Regelabweichungsspannung
uM größer ist als der Spitzenwert der Sägezahnspannung UV. In diesem Fall ist die
Spannung Ue eine konstante Gleichspannung, der Kondensator wird gemäß der Kurve
3 aufgeladen. Die Kondensatorspannung schneidet die Referenzspannung zum frühest.
möglichen Zeitpunkt, so daß für die Wärmequelle lediglich einmalig die Mindesteinschaltzeit
resultiert.
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Da der Zähler mit Gleichspannung gespeist ist, kann er keine Impulse
zählen, weshalb keine Perioden mehr folgen, solange uM größer ist als uV.
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Ähnlich liegt der Fall gemäß Figur sieben, wenn zwar ein Wärmebedarf
vorliegt, dieser aber zwischen 0 und der Mindesteinschaltdauer liegt: In diesem
Fall ist die Regelabweichungssgannung uM etwas, aber nur wenig kleiner als der Spitzenwert
der Sägezahnspannung UV. Das
bedeutet, daß bereits z. B. der erste
Impuls der Spannung ue ausreicht, den Kondensator 23 voll zu laden.
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