DE2753508C2 - Schaltung zur Steuerung des Pulspausenverhältnisses des Arbeitszustandes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Steuerung des Pulspausenverhältnisses des Arbeitszustandes einer Wärmequelle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

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 Wärmenuelle 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.

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 mehrerern Meßwerten, wie z. B. der Raum-, Außen-, Vorlauf- oder Rücklauftempe ratur der Heizungsanlage zu steuern, wobei eine Min desteinschaltdauer der Wärmequells innerhalb der Periode gegeben sein soll, dies aber insbesondere mit einfachen und billigeren Mitteln als im Hauptpatent zu tun. 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 zeigt

F i g. 1 eine Prinzipskizze einer elektrischen Schaltung,

F i g. 2 die Ladespannungskennlinie eines Kondensators über die Zeit mit kontinuierlicher und diskontinu- ierlicher Ladung,

F i g. 3 die Ladekennlinie eines Kondensators bei diskontinuierlicher Ladung im vergrößerten Ausschnitt im Schaltbereich und die Fig. 4 bis7 Spannungsverläufe an bestimmten Punk ten der Schaltung nach F i g. 1.

In allen sieben Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.

Gemäß F i g. 1 liefert ein Sägezahnspannungsgenerator 1 auf seine Ausgangsleitung 2 eine Sägezahnspan- nung uv konstanter Höhe und Frequenz, deren Form aus den F i g. 4 bis T 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 Fig.2. Die Ausgangsleitung 2 des Sägezahnspannungsgenerators 1 ist auf den invertierenden Eingang eines Komparators 4 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 temperaturabhängige Spannung liefert, die mit einem Soll-Wert verglichen wird, so daß mithin auf der Leitung 6 dem Komparator die Rc gelabweichung direkt zugeführt wird.

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 eiern invertierenden Eingang 11 eines

ca weiteren Komparators 12 verbunden, dessem nicht invertierenden Eingang 13 eine in der Höhe einstellbare Gleichspannung £/«_e/auf einer Leitung 14 zugeführt ist Der Ausgang 7 des Komparators 4 ist zusätzlich auf den Eingang eines /j-stufigen Binärzählers 15 geführt, so daß dieser Zähler mit einer Spannung U_e an seinem Eingang gespeist ist

Die Stufenzahl des Binärzählers beträgt n, so daß am Ausgang 16 des Binärzählers nach Ablauf einer Zeit entsprechend dem Produkt aus der Periodendauer der

eo Sägezahnspannung 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.

Der Emitter des Transistors J9 liegt gleichfalls auf Nullpotential, der Kollektor ist über einen Widerstand 22 mit dem Eingang 11 des Komparators 12 verbunden.

Am Eingang 11 des !Comparators 12 liegt auch ein Ladekondensator 23.

Der Ausgang 24 des !Comparators 12, an dem die Spannung zm 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 Ölkessels.

Der Aufbau des Sägezahnspannungsgenerators 1 in F i g. 1 gehl aus der F i g. 8 hervor: Zwischen Batteriespannung und dem Null-VoJi-Potential 21 liegt eine Sericnschallung zweier Widerstände 29 und 30 mit zwischenliegendem Unijunktiontransistor 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.

Die Spannung uv, deren Verlauf aus den F i g. 4 bis 7 hervorgeht, entsteht dadurch, daß ausgehend von dem Wert 0 V am Kondensator 34 dieser über den Widerstand 33 von der Batteriespannung geladen wird. 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. I η F i g. 2 ist auf der Abszisse das Verhältnis der Zeit zur Zeitkonstante dargestellt und in der Ordinate das Verhältnis von ujuc d. h., das Verhältnis der Kondensalor-lsl-Spannung zur Spannung am Ausgang 7 des Komparator 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 U₁Ju₁. = I ersichtlich. Weiterhin ist dort die Ladekurve 3 des Kondensators bei Ladung durch eine Konslantspannungsquelle zu ersehen, die Anfangssteigung der Kurve 3 entspricht der Steigung der Kurve 36. Schließlich sind noch die beiden Spannungswerte Up._cr einge/.eichnct die auf der Leitung 14 in Fig. 1 anstehen. Diese Spannung ist einmal in Höhe von Ur_ci\ = 0,5 u_c gemäß Kurve 37 und zum anderen Ukc/2 = 0,7 u_c entsprechend Kurve 38 gewählt. Diese Kurven verlaufen parallel zur Abszisse. Sodann ergeben sich aus der F i g. 2 zwei treppenartige Kurven 39 und 40, jeweils die Spannung u_c darstellend, jedoch bei getakteter erfind'jiigsgcmäßer Aufladung. Bei der Kurve 39 ist das Verhältnis von Kondensator-Ladezeit zu Ausschaltzeit 1:1, bei der Kurve 40 ist Jie Kondensator-Ladezeit nur V5 der Gesamtzeit T. Das führt dazu, daß eine Mindesteinsehalldaucr (Min-ED) beim Schnittpunkt der Kurve 3 mil der Referenzspannung projiziert auf die Abszisse gegeben ist, eine erste Abschaltung der Wärmequelle erfolgt, wenn die Kurve 40 die Spannung Uni-n schneidet und eine zweite mögliehe Abschaltung der Wärme- ω quelle gegeben ist, wenn beispielsweise dieselbe Kurve 40 die höhere Spannung Uncf2 schneidet. Man erkennt hieraus, daß die klcinstmögliche Zeil — entsprechend der Mindesteinschaltdauer — dadurch entsteht, daß die Aufladekurvc 3 die entsprechende Referenzspannungskurve schneidet. Verzöger' man nunmehr durch Takten die Aufladung, so kann durch Wahl des Pulspausenverhiihnisscs die Aufladekurve des Kondensators immer flacher gelegt werden, so daß die Kurve erst später, weit nach Ablauf der Mindesteinschaltzeit, die entsprechende Referenzspannungskurve schneidet. Man erkennt hieraus, daß eine Verzögerungszeit nicht nur durch Wahl eines größeren Kondensators oder kleineren Aufladcstroms mil allen seinen Nachteilen (I.eckströme!) cr/ielt werden kann, sondern auch durch geeignete Wahl einer Pulsation der Aufladung.

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 ujuc. Entladen würde dann der Kondensator nicht nach einer e-Funktion als stetige Kurve, sondern treppenförmig.

Der erzielbjre technische Fortschritt wäre in jedem Fall der gleiche.

Die Funktion der Schaltung nach Fig.'- und 8 soll nunmehr anhand der Spannungsdiagramme der F i g. 1 bis 7 erläutert werden.

In F i g. 3 ist zunächst einmal der Verlauf der Spannung Uc ar.·! 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 773, die Impulspause ²h T. Das Pulspausenverhältnis dieser Spannung hängt davon ab, in welchem Bereich zwischen U_mi„ und U_milx die Sägezahnspannung des Sägezahnspannungsgenerators 1 von der Spannung um geschnitten wird. Im dargestellten Fall ist angenommen, daß der Wert der Spannung um etwa Vi des Spitzenwertes der Sägezahnspannung beträgt. Würde z. B. die Spannung um durch die Fußpunkte der Sägezahnspannung verlaufen, so wäre u_e = 0. Würde die Spannung um identisch sein mit den Spitzenwerten der Sägezahnspannung, so wäre u_c eine ununterbrochene Gleichspannung. Zwischen diesen beiden Möglichkeiten sind alle Pulspausenverhältnisse der Spannung u_c denkbar.

Jeweils eine Periode, während der die Wärmequelle vom Relais 27 betätigt wird, ergibt sich aus Her Zeit Tals Produkt aus der Periodendauer der Spannung u_c und der Stufenzahl η des Binärzählers 15. 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 Kondensctorladespannung u_c auf der Leitung 11, die beide dem Komparator 12 zugeführt werden.

Ausgehend vom Zeitpunkt t = 0 wächst die K.ondensatorladespannung u_c gemäß der Kurve 42 in F i g. 3. 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 T/, 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 lei-

tend gewordene Transistor 19 entlädt den Kondensator 23 schlagartig, so daß u_c vom erreichten Wert auf 0 zurückgeht. Anschließend beginnt die nächste Periode Ti.

Wird davon ausgegangen, daß der Augenblickswert s 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 u_e und damit die Ladezeit des Kondensators 23 pro Einschaltdauer der Ladespannung für diesen Kondensator.

Dadurch, daß die Kondensatorladespannungskurve 3 in F i g. 2 nicht linear zeitabhängig verläuft, würden sich Zeitfehler ergeben wenn der Anstieg der Sägezahnspannung seinerseits linear zeitabhängig wäre. 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.

Anhand der Fig.4 bis 7 sollen nun einige diskrete Fälle des Verhältnisses von um zum Spitzenwert der Sägezahnspannung untersucht werden: F i g. 4 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 i. Damit ist die Impulsspannung u_c = 0, die Referenzspannung liegt zu jedem Zeitpunkt oberhalb u_c 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 weite· hin, daß Transistor

ler mit Gleichspannung gespeist ist, kann er keine Impulse zählen, weshalb keine Perioden mehr folgen, solange UMi größer ist als Uv-

Ähnlich liegt der Fall gemäß F i g. 7, wenn zwar ein Wärmebedarf vorliegt, dieser aber zwischen 0 und der Mindesteinschaltdauer liegt: In diesem Fall ist die Rcgelabweichungsspannung um* etwas, aber nur wenig kleiner als der Spitzenwert der Sägezahnspannung in. Das bedeutet, daß bereits z. B. der erste Impuls ck-r Spannung u_e ausreicht, den Kondensator 23 voll zu luden.

Transistor 26 fortlaufend düfehgeschaiiei ist, das

Relais 27 unter Spannung steht Das bedeutet eine Einschaltdauer von 100% für einen relativ großen Wärmebedarf.

In F i g. 5 sind die Verhältnisse so, daß eine Einschaltdauer von ca. 50% resultiert Das bedeutet daß die Spannung Um2 in diesem Falle etwa '/3 der Spitzenspannung der Sägezahnspannung uv beträgt. Jeweils in den Punkten 44 und 45 schneidet die Sägezahnspannung uv die Regelspannungsabweichung u»2. so daß für die Spannung (/„-damit ein bestimmtes Pulspausenverhältnis festliegt. Mit diesem Pulspausenverhältnis wird der Kondensator 23 geladen. Zu dem Zeitpunkt zu dem die Kondensatorladespannung die eingestellte Referenzspannung Uitef aui 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.

In F i g. 6 ist der Fall dargestellt, daß überhaupt kein Wärmebedarf vorliegt, die Einschaltdauer also 0 wird. Dieser Fall tritt dann ein, wenn die Regelabweichungsspannung umj größer ist als der Spitzenwert der Sägezahnspannung uv- In diesem Fall ist die Spannung u_c eine konstante Gleichspannung, der Kondensator wird gemäß asr Kurve 3 aufgeladen. Die Kondensatorspannung schneidet die Referenzspannung zum frühest möglichen Zeitpunkt so daß für die Wärmequelle lediglich einmalig die Mindesteinschaltzeit resultiert Da der ZähHierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Steuerung des Puispausenverhältnisses des Arbeitszustandes einer Wärmequelle, wobei in Abhängigkeit von einer nach Maßgabe einer gemessenen Größe variablen Gleichspannung und einer periodisch zeitabhängigen Spannung, deren Werte in einem Komparator verglichen werden, als Ergebnis des Vergleiches ein Schaltglied für die Wärmequelle für eine bestimmte Dauer innerhalb der Periode betätigt ist, wobei dem Schaltglied ein Gleichspannungsimpuls von der Länge der Mindesteinschaltdauer der Wärmequelle innerhalb der Periode zugeführt ist und das Schaltglied dann ein Stellsignal für die Wärmequelle abgibt, wenn innerhalb der Periode der Komparator durchschaltet, dessen Dauer der Zeitspanne vom Periodenbeginn bis zum Durchschalten des Komparators, mindestens aber^sr Mindesteinschaltdauer entspricht, insbesondere nach Patent 27 07 591, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (7) des Komparators (4) sowohl mit einem Ladekondensator (23) als auch mit einem Impulszähler (15) verbunden ist, dessen Ausgang (16) einen Entlade- bzw. Ladeschalter (19) für den Kondensator betätigt und daß die Kondensatorspannung mit einer Referenzspannung in einem weiteren, das Wärmequellenstellglied (27) betätigenden Komparator (12) verglichen ist

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d?3 -der Impulszähler (15) als Binärzähler ausgebildet ist

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kondensator (23) und dem seine Aufladung steuernde, ι Komparator (4) eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode (8) vorgesehen ist

4. Schaltung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nichtlinearität der Kondensatorladespannung über die Zeit derart kompensiert ist, daß die periodisch zeitabhängige Spannung Uv eine entsprechende Nichtlinerarität in ihren ansteigenden Teüen aufweist