DE2823058A1

DE2823058A1 - Elektrische temperaturfuehlerschaltungsanordnung fuer ein toastgeraet

Info

Publication number: DE2823058A1
Application number: DE19782823058
Authority: DE
Inventors: Robert Joseph Salem
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1978-12-14
Also published as: IE780938L; FR2393284B1; JPS5416274A; GB1565796A; FR2393284A1; NL7805761A; IE46658B1; HK64080A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady, New York 123O5/USA

Elektrische Temperaturfühlerschaltungsanordnung für ein

Toastgerät

Die Erfindung betrifft eine elektrische Temperaturfühlerschaltungsanordnung zur Erzielung einer unabhängig von den Ausgangsbedingungen gleichmäßigen, vorwählbaren Toastfarbe des in die Toastkammer eines Toastgerätes eingebrachten Brotes oder Toastgutes.

Es wurden in der Praxis schon eine große Anzahl unterschiedlicher Temperaturfühlerschaltungen und zeitgebender Schaltungen vorgeschlagen, die dazu dienen sollen, einen automatischen Ablauf des Toastens zu gewährleisten. Nur wenige dieser Schaltungen können aber einen wirtschaftlichen Aufbau mit einer einigermaßen zufriedenstellenden Betriebsweise verbinden; es ist bisher keine Schaltung bekannt geworden, bei der diese charakteristischen Anforderungen gemeinsam in optimalen Maße vorhanden sind.

Der einfachste zeitgebende Mechanismus arbeitet vollständig nach dem sogenannten Zeitprinzip, bei dem das jeweilige Arbeitsspiel beim Toasten vollständig mit einem vorher eingestellten Zeitintervall verknüpft ist, welches entsprechend der Erzielung unterschiedlicher Toastfarben eingestellt werden kann. Derartige Mechanismen ergeben gleichmäßig die jeweils gewünschte Toastfarbe, wenn alle Ausgangsbedingungen stets die gleichen sind, wie etwa die Temperatur der Toastkammer, die Brotbeladung der Toastkammer und der Zustand des Brotes selbst. Falls sich eine dieser Bedingungen ändert,

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stellen sich auch unterschiedliche Ergebnisse ein. Wird z. B. bei der gleichen Toastfarbeneinstellung und bei gleichem Brotzustand ein zweiter Toastvorgang begonnen, bevor sich die Toastkammer wieder völlig abgekühlt hat, so ergibt sich wegen der unterschiedlichen Anfangstemperatur der Toastkammer bei dem zweiten Toastvorgang ein dunkleres Toaststück als bei dem ersten Toastvorgang. In entsprechender Weise wird bei der gleichen Toastfarbeneinstellung eine gefrorene Brotscheibe wesentlich geringer oder vielleicht gar nicht getoastet werden. Dies rührt daher, daß die zugeführte Wärme hauptsächlich dazu verwendet wird, die Temperatur des Brotes auf die Umgebungstemperatur zu bringen und die Feuchtigkeit aus dem Brot zu entfernen.

Die vielleicht am weitesten heute verbreitete Fühleinrichtung weist einen Bimetall-Zeitgeber und einen Schalter auf, wobei das Fühlglied durch einen Bimetallstreifen gebildet ist, der einen eigenen zugeordneten Heizdraht enthält. Der Bimetallstreifen ist im Abstand von dem Brot derart angeordnet, daß er insbesondere auf den Heizdraht und die Umgebungstemperatur anspricht. Zu Beginn des Toastvorganges wird der Heizdraht eingeschaltet, um den Bimetallstreifen auf eine Spitzentemperatur aufzuheizen, welche entsprechend einer vorbestimmten Toastfarbe eingestellt ist. Anschließend wird der Heizdraht abgeschaltet, womit sich der Bimetallstreifen auf eine zweite Temperatur aufkühlt, bei der ein Schalter betätigt wird, der den Toastvorgang beendet. Diese Einrichtung kann unterschiedliche Ausgangstemperaturen der Toastkammer ausgleichen und gestattet es deshalb, gleichmäßige Ergebnisse bei aufeinanderfolgenden Toastvorgängen zu erzielen. Der Bimetall-Zeitgeber kann aber keine Unterschiede der Größe der Brotbeladung des Toastgerätes oder unterschiedliche Zustände des Brotes ausgleichen. Wenn somit das Gerät auf eine vorbestimmte Toastfarbe eingestellt ist, werden zwei Brotscheiben zu einer helleren Farbe getoastet als dies bei einer einzigen Brotscheibe der Fall wäre, während drei Brot-

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scheiben noch heller ausfallen. Wenn auf der anderen Seite die Einstellung für trockenes Brot richtig ist, so wird feuchtes Brot mit verhältnismäßig heller Farbe getoastet werden.

Eine dritte auf dem Markt befindliche Toastersteuerung weist einen bimetallischen, thermischen Fühler sowie einen Schalter auf, wobei in der Nähe des Brotes ein Bimetallstreifen-Fühlelement angeordnet ist, das die Temperatur des Brotes erfühlt und einen Hebelarm zur Betätigung des Schalters bewegt. Bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur, welche einer gewünschten Toastfarbe entspricht, betätigt der Bimetallstreifen seinen Schalter, um den Toastvorgang zu beenden. Der Mechanismus enthält Kompensationseinrichtungen, die aus einem eigenen Bimetallstreifen oder einem Teil des ersten Bimetallstreifens bestehen können und die von der Umgebungserwärmung herrührende Störeffekte ausgleichen. Wenn auch dieser Mechanismus bei allen Ausgangsbedingungen eine gleiche Toastfärbung erzielen kann, so ist es trotzdem schwierig Ungenauigkeiten und Unregelmäßigkeiten bei dem eigentlichen Toasten zu vermeiden, weil bei der Konstruktion und der Montage des Mechanismus sehr genaue mechanische Toleranzen eingehalten werden müssen, die sich u. a. auf einen genauen Abstand zwischen dem Hebelarm und den Schalterkontakten,sowie zwischen dem Bimetallstreifen und der Brotoberfläche beziehen, wobei obendrein diese Abmessungen auch über längere Betriebszeiträume konstant gehalten werden müßten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Temperaturfühlereinrichtung für Toastgeräte oder dgl. zu schaffen, die es gestattet, unabhängig von der Ausgangstemperatur der Toastkammer, dem Zustand des zu toastenden Brotes oder Toastgutes, sowie der Größe der Brot- oder Toastgutbeladung des Toastgerätes immer gleichmäßige Toastergebnisse selbsttätig zu erzielen. Die Einrichtung soll sich dabei durch einen einfachen billigen Aufbau auszeichnen und ohne weiteres in einer

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elektronischen Schaltung verwirklichen lassen, so daß sie
völlig frei von sich bewegenden mechanischen Teilen ist. Dabei soll das Temperaturfühlglied in unmittelbare Berührung
mit dem Brot oder Toastgut gebracht werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte elektrische Temperaturfühlerschaltungsanordnung erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß sie

a) eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines die Temperatur des in der Toastkammer befindlichen Brotes oder Toastgutes angebenden ersten eleketrisches Signales und

b) eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signales, das eine Funktion der Umgebungstemperatur in der Nähe des Brotes oder Toastgutes ist, sowie

c) eine dritte Einrichtung zur Erzeugung eines dritten elektrischen Signales, welches eine Funktion der Differenz
zwischen dem ersten und dem zweiten Signal ist und

d) eine vierte Einrichtung zur Erzeugung eines vierten elektrischen Signales aufweist, das unveränderlich bezüglich
einer vorgegebenen, durch die jeweilige Toastfarbenvorwahl bestimmten Toastfarbe ist und daß

e) durch eine fünfte Einrichtung aus dem dritten und vierten Signal ein den Toastvorgang nach Erreichen der vorbestimmten Toastfarbe des Brotes oder Toastgutes beendendes fünftes elektrisches Signal ableitbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann diese Schaltungsanordnung eine Temperaturfühlereinrichtung mit einer veränderlichen Widerstand-Temperaturkennlinie aufweisen, wobei die
Einrichtung mit dem zu toastenden Brot oder Toastgut thermisch fest gekoppelt ist, so daß sie die Brot- oder Toastguttemperatur exakt wiedergibt.

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Weitere vorteilhafte Merkmale der neuen Schaltungsanordnung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Toastgerät mit einer elektrischen Temperaturfühler schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 das Toastgerät nach Fig. 1, geschnitten längs der Linie 2-2 der Fig. 1, in der Draufsicht, unter gestrichelter Veranschaulichung der Umrißform,

Fig. 3 das Schaltbild der Temperaturfühlerschaltungsanordnung des Toastgerätes nach Fig. 1, in schematischer Darstellung und

Fig. 4 Kennlinien zur Veranschaulichung der Betriebsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3, jeweils in schematischer Darstellung.

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In Fig. 1 ist perspektivisch ein Toastgerät 1 dargestellt, welches die neue elektronische Temperaturfühlschaltung enthält. Das Toastgerät 1 ist nach Art einer Backröhre mit einer einzigen Kammer ausgebildet; es kann deshalb vielseitig zum Backen und Dünsten zusätzlich zum Toasten von einer oder mehreren Brotscheiben verwendet werden. Die Temperaturfühlschaltung dient lediglich für den Toastbetrieb. Das dargestellte Toastgerät dient hauptsächlich lediglich zur Veranschaulichung eines derartigen Gerätes; die Temperaturfühschaltung kann naturgemäß bei den verschiedenartigsten, einkammerigen Toastgeräten oder bei den üblichen Toastern mit Brotauswurf verwendet werden.

Das Toastgerät 1 weist rechte und linke Seitenwände 3, 5, eine Rückwand 7 sowie eine Deck- und Bodenwand 9 bzw. 11 auf; es ist mit einer herausschwenkbaren Tür 13 versehen, die in Fig. 1 in der geöffneten Stellung dargestellt ist. Die zu erwärmenden Nahrungsmittel werden auf aus Draht bestehende Trägerroste 15 aufgelegt. Beim Toasten werden eine oder mehrere Brotschnitten horizontal auf die Trägerrostdrähte 15 aufgelegt. Die Erwärmung erfolgt durch parallel zueinander angeordnete, ummantelte Heizstäbe 17, von denen zwei untere Heizstäbe in dem unteren Bereich der Kammer und zwei obere Heizstäbe in dem oberen Bereich der Kammer vorgesehen sind. Die letztgenannten oberen Heizstäbe sind in Fig. 1 nicht veranschaulicht.

Die neue Temperaturfühleinrichtung 19 ist an der Unterseite der Trägerrostdrähte 15 befestigt, wie dies inbesondere aus der Querschnittsdarstellung nach Fig. 2 hervorgeht. Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel weist die Temperaturfühleinrichtung 19 einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Die entsprechende Widerstand-Temperaturkennlinie ist in dem Bereich der Betriebstemperaturen im wesentlichen linear. Die dargestellte Temperaturfühleinrichtung 19 weist eine ü-förmige Drahtkonstruktion auf. Ihre Abmessungen sind derart gewählt,

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daß die beiden Schenkel des U etwa im Abstand von 13 mm stehen, während die Länge ca. 90 mm beträgt, so daß sich eine gute thermische Ankopplung an eine darüber gelegte Brotscheibe ergibt.

Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel weist das Toastgerät 1 eine solche Größe auf, daß es maximal vier Brotschnitten gleichzeitig aufnehmen kann, von denen jede etwa ein Viertel der Fläche des Trägerrostes einnimmt. Die Fühleinrichtung 19 ist in einem dieser Auflagebereiche, und zwar vorzugsweise an dem rechten vorderen Viertel des Trägerrostes mittig angeordnet, wie dies insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht. Die dargestellte Fühleinrichtung hat den Vorteil, daß sie eine gute thermische Ankopplung an das Brot ergibt, doch können auch andere Arten und Anordnungen von Temperaturfühleinrichtungen bei der neuen Temperaturfühlschaltung verwendet werden, etwa ein üblicher Punktfühler. Außerdem kann der Fühler sowohl einen negativen als auch einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Die wesentlichen Anforderungen an den Fühler bestehen darin, daß dieser eine veränderliche Widerstand-Temperaturkennlinie mit einem verhältnismäßig hohen Temperaturkoeffizienten aufweist und über eine verhältnismäßig gute thermische Ankopplung an das Brot verfügt.

In Fig. 3 ist die neue Temperaturfühlschaltung schematisch veranschaulicht. Die Schaltung ist vollständig elektronisch; sie ergibt, wie im einzelnen noch erläutert werden wird, ein automatisches Toasten, bei dem unabhängig von der zu Beginn des Toastvorganges in der Toastkammer herrschenden Temperatur _f von dem Zustand des zu toastenden Brotes (insbesondere dem Feuchtigkeitsgehalt des Brotes) und der Brotbeladung des Gerätes (der Zahl der gleichzeitig zu toastenden Brotschnitten) vollständig gleichmäßige Ergebnisse erzielt werden.

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Der der Temperaturfühleinrichtung 19 in Fig. 1 entsprechende Temperaturfühler 19' ist an einer Seite über einen Spannungsteilerwiderstand 21 an den Ausgang einer Gleichspannungsquelle mit zugeordneter Spannungsregelschaltung 23 angeschlossen, bei der es sich um eine übliche Schaltung handelt, deren Eingang über einen EIN-AUS-Schalter SW1 an die Klemme 24 einer Wechselstromnetzleitung angeschlossen ist. Die Versorgungsschaltung 23 liefert eine gut geregelte Gleichspannung, die normalerweise innerhalb eines Bereiches von 5 % genau ist. Die andere Seite des Temperaturfühler 19' ist an eine Erdklemme 25 angeschlossen. Der Verbindungspunkt zwischen dem Temperaturfühler 19' und dem Widerstand 21 ist über einen Eingangswiderstand 27 mit der positiven Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 29 verbunden. Die negative Eingangsklemme des Operationsverstärkers 29 ist über einen Widerstand 31 an die Erde angeschlossen und außerdem über einen weiteren Widerstand 33 mit der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 29 verbunden, so daß sich eine Verstärkung von etwa vier ergibt. Der Operationsverstärker 29 und die anderen in der Schaltung vorhandenen Operationsverstärker sind handelsübliche Bauteile. Wie bereits vermerkt, weist der Temperaturfühler 19' einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, so daß als Funktion der an dem Temperaturfühler 19' anliegenden Temperatur an diesem eine Spannung auftritt, die eine im wesentlichen lineare Funktion der Temperatur innerhalb des benutzten Temperatur-Betriebsbereiches ist. Diese Spannung wird verstärkt, so daß sie als Spannung Vs am Ausgang des Operationsverstärkers 29 erscheint.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 29 ist an eine Integrationsschaltung angeschlossen, die einen Widerstand 35 und einen Kondensator 37, einen zweiten Operationsverstärker 39 und einen Widerstände 41 und 43 enthaltenden Spannungsteiler aufweist. Die Integrationsschaltung integriert die Spannung Vs mit einer RC-Zeitkonstante, die im wesent-

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lichen gleich der thermischen Zeitkonstante der Toastgerätekammer ist. Die integrierte Spannung wird an den Spannungsteiler angekoppelt, so daß eine Spannung Vu erzeugt wird, die ein vorbestimmter Bruchteil der integrierten Spannung ist und der Einwirkung der Strahlungserwärmung auf das Integral entspricht, wie dies noch erläutert werden wird. Eine Seite des Widerstandes 35 ist an die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 29 angeschlossen, während die andere Seite des Widerstandes 35 über einen in Reihe liegenden Kondensator 37 mit Erde verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 35 und dem Kondensator 37 ist an die positive Eingangsklemme des Operationsverstärkers 3 angeschlossen, dessen negative Eingangsklemme unmittelbar mit seiner Ausgangsklemme verbunden ist. Die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 39 ist außerdem mit einer Seite des Widerstandes 41 verbunden, dessen andere Seite über den in Reihe liegenden Widerstand 43 an Erde liegt. Die Spannung Vu erscheint an der Verbindungsstelle der beiden Widerstände 41, 43. Der Operationsverstärker 39 liefert die Verstärkung 1; er ist in der Schaltung insbesondere zu Zwecken der Impedanzanpassung vorgesehen.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 29 ist außerdem an einen PNP-Transistor 45 angekoppelt, um damit eine rasche Ladung des Kondensators 37 zu erzielen, wenn die Schaltung durch Betätigung des Schalters SW1 zum erstenmal an Spannung gelegt wird. Die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 29 ist demgemäß über einen Strombegrenzungswiderstand mit dem Emitter des Transistors 45 verbunden, dessen Kollektor an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 35 und dem Kondensator 37 angeschlossen ist. Die Reihenschaltung eines Widerstandes 49 und eines Kondensators 41 liegt zwischen dem Ausgang der Versorgungsschaltung 23 und Erde, wobei der Widerstand 29 an den Ausgang der Versorgungsschaltung 23 und der Widerstand 51 an Erde angeschlossen sind.

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Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 49 und dem Kondensator 41 ist mit der Basis des Transistors 45 verbunden, so daß der Transistor augenblicklich leitend wird, wenn die Stromversorgung zum erstenmal eingeschaltet wird; er bleibt im weiteren dann im nichtleitenden Zustand.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 29 ist schließlich noch über einen Widerstand 53 an die positive Eingangsklemme eines dritten Operationsverstärkers 55 angekoppelt. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 41, 43 ist über einen Widerstand 57 mit der negativen Eingangsklemme des Operationsverstärkers 55 verbunden. Ein Widerstand 59 dient dazu, die negative Eingangsklemme des Operationsverstärkers mit dessen Ausgangsklemme zu koppeln. Der Operationsverstärker 55 liefert eine Spannung Vd an seiner Ausgangsklemme, die gleich der algebraischen Differenz der an seiner positiven und an seiner negativen Eingangsklemme anliegenden Spannungen Vs und Vu ist. Die Verstärkung des Operationsverstärkers 55 beträgt etwa 1 1/2.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 55 ist über einen Widerstand 61 an die negative Klemme einer Vergleichsschaltung 63 angeschlossen. Der Abgriff eines Potentiometers ist über einen Widerstand 67 mit der positiven Eingangsklemme der Vergleichsschaltung 63 verbunden. Der Abgriff des Potentiometers 65 gibt eine konstante Spannung, die einer bestimmten Toastfarbe entspricht und über einen Bereich von Werten von Hand derart einstellbar ist, daß aus einer Anzahl möglicher Toastfarben jeweils eine ausgewählt wird. Die an dem Potentiometer 65 liegende Spannung wird von dem Ausgang der Versorgungsschaltung 23 geliefert, welche über einen festen Widerstand 69 an eine Seite des Potentiometers 65 angeschlossen ist, während die andere Seite des Potentiometers 65 über einen festen Widerstand 71 an Erde liegt, um damit den Bereich der wählbaren Spannungen zu begrenzen.

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Die Vergleichsschaltung 63 wirkt in dem Sinne, daß sie ein erstes Ausgangssignal abgibt, wenn die an ihrer positiven Klemme liegende Spannung die an ihrer negativen Klemme liegende Spannung übersteigt und daß sie außerdem ein zweites Ausgangssignal abgibt, wenn diese Spannungen umgekehrt werden, d.h. wenn die an der negativen Klemme liegende Spannung größer wird als die Spannung an der positiven Klemme.

Der Ausgang der Vergleichsschaltung 63 ist über eine Diode an eine Steuerschaltung angeschlossen, welche die Stromversorgung der Stabheizkörper 17' steuert, die den- Heizstäben 17 nach Fig. 1 entsprechen. Die Steuerschaltung enthält zwei NPN-Transistoren 7 9 in Darlington-Schaltung. Die Eingangs-Basis 80 des Transistorpaares 79 ist mit dem Ausgang eines in Blockform dargestellten üblichen Impulsgenerators mit Nulldurchgangs-Auslösung verbunden. Der Impulsgenerator 81 wird aus der Versorgungsschaltung 23 mit Gleichspannung versorgt; er erzeugt abhängig von der von der Netzklemme aus eingekoppelten Wechsel-Netzspannung einen Impuls bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung. Die Eingangs-Basis des Transistorpaares 79 ist außerdem an die Anode der Diode 77 und über einen Vorspannungswiderstand 83 an den Ausgang der Versorgungsschaltung 23 angeschlossen, welcher außerdem an die miteinander verbundenen Kollektoren des Transistorpaares 7 9 angeschaltet ist. Der Ausgangs-Emitter des Transistorpaares 79 ist über einen Widerstand 85 und eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode 87 mit der Steuerelektrode eines Thyristors 89 verbunden, welcher ein Ende der Stabheizkörper 17' mit Erde verbindet. Das andere Ende der Stabheizkörper 17' ist über einen Schalter SW2 und den Schalter SW1 an die Wechselspannungsquelle angeschlossen. Der Schalter SW2 wird beispielsweise durch Schließen der Tür des Toastgerätes umgeschaltet, um das Toasten einzuleiten. Die von dem Impulsgenerator 65 kommenden Impulse werden der Eingangs-Basis des Transistorpaares 7 9 zusammen mit der Ausgangsgröße der Vergleichsschaltung 63 zugeführt, um damit

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eine gepulste Leitfähigkeit des Transistorpaares 79 zu erzielen, wenn das erste Ausgangssignal von der Vergleichsschaltung 63 zugeführt wird. Dies hat seinerseits zur Folge, daß der Thyristor 89 leitend wird, und damit die Stabheizkörper 17' an Spannung legt. Wenn das zweite Ausgangssignal von der Vergleichsschaltung 63 kommt, wird das Transistorpaar 79 daran gehindert leitend zu werden, mit der Folge, daß die Stabheizkörper 17' abgeschaltet werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel der neuen Schaltung entsprechend Fig. 3 können die nachfolgend angeführten Bauteile und Werte verwendet werden, die jedoch lediglich beispielhaft angeführt sind und die Erfindung nicht beschränken:

Verstärker

29, 39, 55, 63 LM 324 Operationsverstärker

Transistoren

45 2N3O12

79 2N521O

Dioden

77, 87 1N914

Kondensatoren

37 22 /uf Tantal

51 50/Uf elektrolytisch

Widerstände

21 2.7K ohm

27 1OK ohm

31 10K ohm

3 3 40K Olim 35 1.5K ohm 41 55K ohm 43 59K ohm 47 2K ohm

4 9 200K ohm

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Widerstände

Potentiometer 65

1OK ohm 100K ohm 5OK ohm 1OK ohm 50K ohm 10K ohm 100K ohm 20K ohm 27K ohm 90K ohm

Temperaturfühler

250 ohm bei 20 C bis 650 ohm bei ca. 315° C

Thyristor

Wechselspannung

geregelte Gleichspannung

16 Amp 200V TI Type TIC236 100V, 60 Hz 6 V.

Um die in Fig. 3 dargestellte Temperaturfühlschaltung in Betrieb zu setzen, wird der EIN-AüS-Schalter SW1 geschlossen, womit die Schaltung an Spannunggelegt wird. Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß das Toastgerät 1 und das zu toastende Brot sich vor Beginn des ersten Toastvorganges auf Raumtemperatur befinden. Demgemäß steht der Temperaturfühler 19' auf Raumtemperatur; sein Widerstand und die an ihm auftretende Spannung sind eine Funktion dieser Temperatur. Die Fühlerspannung wird von dem Operationsverstärker 29 verstärkt, womit sich die Spannung Vs an dessen Ausgang ergibt. Die Spannung Vs in Volt und die entsprechende Fühlertemperatur Ts in Grad Celsius sind in Abhängigkeit von der Zeit in Sekunden durch eine Kurve A in Fig. 4 veranschaulicht, welche zwei aufeinanderfolgende Toastvorgänge umfaßt. Beim Schließen des Schalters SViI wird

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BAD ORIGINAL

der Transistor 45 kurzzeitig leitend, womit der Kondensator 37 praktisch auf die volle, am Ausgang des Operationsverstärkers 29 erscheinende Spannung aufgeladen wird. Der Transistor 45 wird durch die an dem Kondensator 51 sich aufbauende Spannung abgeschaltet; er bleibt dann solange abgeschaltet, wie die Stromversorgung eingeschaltet ist. Anschließend wird der Kondensator 37 über den Widerstand 35 geladen und entladen, wobei der hauptsächliche Entladungsweg über den Operationsverstärker 29 zur Erde geht. Die an dem Kondensator 37 liegende Spannung wird über den Operationsverstärker 39 in den aus den Widerständen 41, 43 bestehenden Spannungsteiler eingekoppelt; sie erscheint als Spannung Vu an dem Widerstand 43. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt die RC-Zeitkonstante des Widerstandes 35 und des Kondensators 37 in dem Bereich von 20 bis 25 Sekunden und typischerweise bei 22 Sekunden. Die Werte der Widerstände 41, 43 sind derart gewählt, daß Vu in dem Bereich von 50 bis 55 % und typischerweise 52 % der Spannung darstellt, die an dem Ausgang des Operationsverstärkers 39 auftritt. Der Grund für die Verwendung der angegebenen Zeitkonstante und dieser Spannungsteiluncj wird sogleich erläutert werden. Die Spannung Vu, welche eine veränderliche Bezugsspannung ist, ist in Abhängigkeit von der Zeit durch eine Kurve B in Fig. 4 veranschaulicht.

Wie im einzelnen ebenfalls noch erläutert werden wird, bewirkt das Einschalten der Stromversorgung für die Schaltung durch Schließen des Schalters SW1 ein Leitendwerden des Thyristors 89. Wenn somit der Schalter SW2 geschlossen wird, um damit das Toasten in Gang zu setzen, fließt Strom aus der Wechi;olstromquelle zu den Stabheizkörpern 17', die damit rasch aufgeheizt werden, wie dies durch eine Kurve C in Fig. Ί dargestellt ist. Dies hat wiederum zur Folge, daß die Temperatur des Temperaturfühlers 19' mit der Zeit ansteigt. Da der Widerstand des Temperaturfühlers 19'eine im wenent 1. ic'heii lineare Funktion der Temperatur in dem Betriebsbereich ist, nimmt auch die Spannung Vs; entsprechend mit der

η η Ί μ ^c, η / π ν h I

I ι BAD ORIGINAL

Zeit zu, wie dies durch die Kurve A veranschaulicht ist. Während die an die positive Eingangsklemme des Differenz- oder Operationsverstärkers 55 angelegte Spannung Vs zunimmt, steigt die an der negativen Eingangsklemme des Differenz- oder Operationsverstärkers 55 liegende Spannung Vu als ein Bruchteil des Integrals von Vs entsprechend dem folgenden Ausdruck:

--^ f RC J

Vu = ^ J Vs dt (1)

Darin entspricht k dem Verhältnis des Wertes des Widerstandes 43 zu der Summe der Werte der Widerstände 41, 43, während R den Widerstandswert des Widerstandes 35 und C die Kapazität des Kondensators 37 bedeuten.

Die Zunahme von Vu ist durch die Kurve B veranschaulicht. Am Ausgang des Differenz- oder Operationsverstärkers 55 wird eine Spannung Vd erzeugt, die eine Funktion der algebraischen Differenz zwischen den Spannungen Vs und Vu ist. Da sich der Wert von Vs schneller ändert als der Wert von Vu, nimmt mit steigendem Vs die Differenzspannung Vd zu. Die Art und Weise in der sich Vd ändert, kann aus einer Betrachtung der Kurven A, B entnommen werden.

Die Größe der Spannung Vd wird mit der Größe einer Spannung Vc in der Vergleichsschaltung 6 3 verglichen. Die Spannung Vc ist eine von einem verstellbaren Abgriff des Potentiometers 85 abgegriffene konstante Spannung, die einer jeweils gewählten Toastfarbe entspricht, wobei die Toastfarbe umso dunkler ist, je größer die Spannung Vc gewählt ist. Während der anfänglichen Heizstufe ist Vd kleiner als Vc, während die Vergleichsschaltung 63 ein erstes digitales Signal erzeugt. Bei der betrachteten Schaltung ist dieses erste Signal ausreichend positiv,um ein Leitendwerden der Diode 77 beim Auftreten von Signalimpulsen zu verhüten, weicht¹ von dem Impulsgenerator 81 geliefert werden, so daß diese

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Signalimpulse das Transistorpaar 79 leitend machen. Durch das Leitfähigwerden des Transistorpaares 79 werden dem Thyristor 89 Auslösesignale zugeleitet, welche ihn intermittierend leitfähig halten, um damit die Stabheizkörper 17' in dem eingeschalteten Zustand zu lassen. In dem Augenblick, in dem die Spannung Vd die Spannung Vc übersteigt, ändert sich der Ausgangszustand der Vergleichsschaltung 63 abrupt in ein zweites Digitalsignal, welches ein negatives Signal ist, das die Diode 77 leitend macht. Damit werden die Signalimpulse des Impulsgenerators 81 über die Diode 77 wirkungsvoll abgeleitet, womit das Transistorpaar 79 nicht leiten kann. Dies bedeutet, daß dem Thyristor 89 keine Auslösesignale zugeführt werden und dieser in einem nichtleitenden Zustand verbleibt, derart, daß die Stabheizkörper 17" abgeschaltet werden, womit das Toasten beendet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter SW2 normalerweise geöffnet, worauf der Toast aus dem Gerät entnommen wird.

Mit zunehmender Abkühlung der Temperatur des Temperaturfühlers 19' nimmt die Spannung Vs ab, während die Spannung Vu noch während einer Restzeit zunimmt und dann erst langsam abnimmt, weil sie bezüglich der Spannung Vs verzögert ist und nur langsam ihre Richtung ändert. Die Größe der Spannung Vd fällt deshalb schnell unter den Wert der Spannung Vc, womit der Ausgang der Vergleichsschaltung 63 auf das erste Digitalsignal übergeht, mit dem Ergebnis, daß der Thyristor 8 9 in den leitenden Zustand eingeschaltet wird. Wenn der nächste Toastvorgang durch Schließen des Schalters SW2 begonnen wird, werden die Heizstäbe 17' augenblicklich aufgeheizt, worauf der bereits beschriebene Vorgang wiederholt wird. Mit zunehmender Erwärmung des Temperaturfühlers 19' steigt die Spannung Vd wieder an, bis sie größer als die Spannung Vc wird und der Thyristor 89 wieder abgeschaltet wird, womit der zweite Toastvorgang beendet ist.

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Anhand der Kurven nach Fig. 4 sollen im folgenden die thermischen Wirkungen beschrieben werden,die während der erläuterten Toastvorgänge stattfinden und die als typisch betrachtet werden können. Aus Fig. A ist zu ersehen, daß zu dem Zeitpunkt t = O die Temperatur Ts des Temperaturfühlers 19' der Umgebungstemperatur entspricht, womit eine Spannung Vs auftritt, die geringfügig unterhalb zwei Volt liegt. Aus Kurve B ist zu entnehmen, daß die Spannung Vu geringfügig kleiner als ein Volt ist. Fig. C zeigt, daß die Stabheizkörper 17' zu dem Zeitpunkt t = O ebenfalls auf Umgebungstemperatur stehen.

Wenn der Schalter SW2 zu dem Zeitpunkt t = 15 Sekunden zur Auslösung des Toastens geschlossen wird, wird den Stabheizkörpern 17' aus der Wechselspannungsquelle Strom zugeführt, womit, wie dies die Kurve C zeigt, die Temperatur der Stabheizkörper 17' augenblicklich ansteigt. Nach Erreichen einer Temperatur von etwa 720 C beginnen sie rot zu glühen. Während des übrigen Teiles des ersten Toastvorganges erreichen die Stabheizkörper 17' eine Maximaltemperatur von etwa 875 C, wobei sie während dieser Zeit beträchtliche Beträge thermischer Energie abstrahlen. Vor dem Erreichen der Glühtemperatur erfolgt die Erwärmung des Temperaturfühlers 19* im wesentlichen durch Wärmeleitung und -konvektion. Während dieses Teils des Funktionsablaufes tritt eine verhältnismäßig kleine Temperaturzunahme an dem Temperaturfühler 19' und damit dem Brot auf, welches mit dem Temperaturfühler 19' thermisch fest gekoppelt ist und deshalb die Temperatur des Temperaturfühlers 19' gut annähert. Während dieser Zeit wird naturgemäß verhältnismäßig wenig Feuchtigkeit dem Brot entzogen. Sowie die Stabheizkörper 17' zu strahlen beginnen, wird die Feuchtigkeit rasch aus dem Brot abgeführt, womit die Temperatur des Temperaturfühlers 19' mit fortschreitendem Rösten des Brotes ebenfalls rasch zunimmt.

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Das Maß des Toastens ist eine Funktion der dem Brot lediglich mittels Strahlung zugeführten Wärmemenge Qr,sowie der gesamte Feuchtigkeitsenthalt aus dem Brot entfernt ist. Diese zugeführte Wärmemenge kann wie folgt ausgedrückt werden:

Qr = C λ tr (2)

Darin bedeutet C die spezifische Wärme des Brotes, während /^ tr die lediglich auf Strahlung zurückzuführende Temperaturzunahme des Brotes bedeutet.

Die Kurve A ist eine Funktion der Fühlertemperatur und der entsprechenden Spannung, welche auf die kombinierte Wirkung der Erwärmung durch Strahlung, Wärmeleitung und -konvektion zurückzuführen ist· Die Kurve B ist eine Funktion des Integrals der Kurve A mit einer RC-Zeitkonstante, die näherungsweise gleich der thermischen Zeitkonstante in der Toastkammer ist, wobei die Kurve B gleich dem Integral^verkleinert um einen Anteil ist, der der Wirkung der Strahlungserwärmung allein entspricht. Die Kurve B ergibt deshalb eine veränderliche Bezugsspannung, welche eine veränderliche Bezugstemperatur wiedergibt, die so betrachtet werden kann, daß sie dem Anteil der Umgebungstemperatur in der Nähe des Temperaturfühlers und des Brotes entspricht, welches sich aus der Strahlungserwärmung ergeben hat. Die Differenz zwischen den Kurven A, B bildet deshalb die auf die Strahlungserwärmung Δ tr zurückzuführende Zunahme der Brottemperatur und ergibt damit ein Maß für die dem Brot durch Strahlungserwärmung zugeführte Wärme. Durch Vergleich dieser Temperaturänderung mit einem bestimmten, einer vorbestimmten Toastfarbe entsprechenden bekannten Temperaturwert wird die jeweilige Toastfarbe unabhängig von den Ausgangsbedingungen erzielt.

Aus einer Betrachtung der Kurven A, B ist zu entnehmen, daß die dazwischen liegende Spannungsdifferenz Vd, welche /Λ tr wiedergibt, den vorgegebenen Wert Vd zu dem Zeitpunkt t = Sekunden übersteigt. Zu diesem Zeitpunkt ist der erste Toast-

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Vorgang beendet; der Schalter SW2 wird geöffnet und der Toast wird aus dem Gerät entnommen. Die Stabheizkörper 17', der Temperaturfühler 19' und die Toastkammer beginnen sich nun abzukühlen, wie dies durch die Kurven in Fig. 4 veranschaulicht ist. Es sei angenommen, daß die Toastkammer des Toastgerätes von neuem mit Brot beladen und sodann der Schalter SW2 wiederum geschlossen wird, um den zweiten Toastvorgang zu dem Zeitpunkt t = 135 Sekunden zu beginnen, womit das Aufheizen zu diesem Zeitpunkt einsetzt. Es ist zu ersehen, daß während der kurzen Abkühlungsperiode die integrierte Spannung Vu sich verhältnismäßig wenig ändert. Ihr Wert ist deshalb zu Beginn des zweiten Toastvorganges wesentlich höherals bei dem ersten Toastvorgang. Aus Kurve C ist auch zu entnehmen, daß die Stabheizkörper 17' wesentlich früher zu glühen beginnen, und zwar etwa 10 Sekunden in der Heizperiode für den zweiten Toastvorgang. Bei dem zweiten Toastvorgang wird Vd den Wert Vc somit in wesentlich kürzerer Zeit etwa zu dem Zeitpunkt t = 210 Sekunden erreichen, d.h. 7 5 Sekunden nach Beginn dieses Toastvorganges.

Die erläuterte Schaltung kann naturgemäß abgeändert und umgestaltet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann z. B. ein Temperaturfühler mit anderem Aufbau wie der dargestellte Temperaturfühler verwendet werden, etwa ein Punktfühler, der an den Trägerrostdrähten befestigt oder in deren unmittelbarer Nähe angeordnet ist. Verwendet werden könnte auch ein Temperaturfühler mit negativem Temperaturkoeffizienten, wie ein Thermistor, der dann anstelle des einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden Temperaturfühlers 19' in der Schaltung nach Fig. 3 liegt. In diesem Falle wären die Kurve A, B nach Fig. 4 das jeweilige Spiegelbild ihrer gegenwärtigen Darstellung; die Fühlerspannung Vs und deren Integrallfunktion Vu hätten im kalten Zustand den positiven Maximalwert, wobei ihr Wert mit zunehmender Temperatur abnehmen würde. Die Spannung Vd hätte dann einen negativen Wert, doch wären die grundsätzlichen

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Betriebsbedingungen der Schaltung ansonsten dieselben. Andererseits ergäbe sich bei Austausch des Widerstandes 21 durch einen Temperaturfühler mit negativen Temperaturkoeffizienten eine ähnliche Betriebsweise der Schaltung wie sie beschrieben worden ist.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Scnerrmann Dr.-Ing. R.Rüger

7300 Esslingen (Neckar). Webergasse 3. Postfach 348

24. Mai 1978 Telefon

Stuttgart (0711) 356539

PA 130 rüku ^35<1619

Telex 07 256510 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Patentansprüche

Elektrische Temperaturfühlerschaltungsanordnung zur Erzielung einer unabhängig von den Ausgangsbedingungen gleichmäßigen, vorwählbaren Toastfarbe des in die Toastkammer eines Toastgerätes eingebrachten Brotes oder Toastgutes,dadurch gekennzeichnet, daß sie

a) eine erste Einrichtung (19¹J zur Erzeugung eines die Temperatur des in der Toastkammer befindlichen Brotes oder Toastgutes angebenden ersten elektrischen Signales (Vs) und

b) eine zweite Einrichtung (39) zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signales (Vu), das eine Funktion der Umgebungstemperatur in der Nähe des Brotes oder Toastgutes ist, sowie

c) eine dritte Einrichtung (55) zur Erzeugung eines dritten elektrischen Signales (Vd), welches eine Funktion der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal (Vs, Vu) ist und

d) eine vierte Einrichtung (65) zur Erzeugung eines vierten elektrischen Signales (Vc) aufweist, das unveränderlich bezüglich einer vorgegebenen, durch die jeweilige Toastfarbenvorwahl bestimmten Toastfarbe ist und daß

e) durch eine fünfte Einrichtung (63) aus dem drittem und vierten Sicjnal (Vd, Vc) ein dt-ii Todstvorqdinj nach F,r-

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OWGJNAL INSPECTED

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reichen der vorbestimmten Toastfarbe des Brotes oder Toastgutes beendendes fünftes elektrisches Signal ableitbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (39) an den Ausgang der ersten Einrichtung (19') angekoppelt und durch sie das zweite Signal (Vu) als eine zeitverzögerte Funktion des ersten Signales (Vs) ableitbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Einrichtung eine Vergleichsschaltung

(63) aufweist, durch die das dritte und das vierte Signal (Vd, Vc) miteinander vergleichbar sind und daß durch die Vergleichsschaltung (63) das fünfte Signal als ein erstes oder zweites digitales Signal entsprechend den jeweiligen Amplituden des dritten und vierten Signales (Vd, Vu) ableitbar ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung eine verstellbare Widerstandsanordnung (69, 65, 71, 67) aufweist, deren wirksamer Widerstandswert entsprechend einer der möglichen Toastfarbeneinstellungen wahlweise einstellbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung einen Temperaturfühler (19') mit einer sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändernden elektrischen Kennlinie aufweist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß de>r Temperaturfühler (19 ') in der Toastkammer in ft'iitcr thermischer Kopplung mit dem darin befindlichen Brot- tidcr TociHtgtit angeordnet ist.

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BAD ORIGINAL
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (19¹) in der Toastkairaner in physikalischer Berührung mit dem darin befindlichen Brot oder Toastgut angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das erste bis vierte Signal jeweils durch eine elektrische Spannung (Vs, Vu, Vc und Vd) gebildet ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine an den Ausgang der ersten Einrichtung (19¹) angekoppelte Integrationsschaltung (37, 39) aufweist, durch die das erste Spannungsr signal (Vs) integrierbar und an ihrem Ausgang das zweite Spannungssignal (Vu) als Funktion des Integrals der Spannung (Vs) erzeugbar ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsschaltung eine RC-Integrationsstufe (35, 37) aufweist, deren RC-Zeitkonstante von der thermischen Zeitkonstante der Toastkammern derart abhängig ist, daß sich ein vorbestimmter Zusammenhang zwischen dem Integral der Spannung (Vs) und der Umgebungstemperatur ergibt.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsschaltung (35, 37, 39) außerdem einen Spannungsteiler (41, 43) aufweist, an dem die Spannung (Vs) liegt und durch den die Spannung (Vu) als ein vorbestimmter Bruchteil des Integrals der Spannung (Vs) derart erzeugbar ist, daß die Spannung (Vu) im wesentlichen eine Funktion des auf die Strahlungserwärmung zurückzuführenden Teils der Umgebungstemperatur ist.

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12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Einrichtung eine Vergleichsschaltung

(63) aufweist, durch die die jeweiligen Amplituden der Spannungen (Vd, Vc) miteinander vergleichbar und ein erstes und ein zweites digitales Steuersignal erzeugbar sind, wenn die Spannung (Vd) kleiner als die Spannung (Vc) bzw. wenn die Spannung (Vd) größer als die Spannung (Vc) ist.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung ein Potentiometer (65) aufweist, durch das eine einer der jeweiligen Toastfarbeneinstellungen entsprechende Spannung (Vc) einstellbar ist.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die RC-Zeitkonstante in dem Bereich von 20 bis 25 Sekunden und der vorbestimmten Bruchteil in dem Bereich von 0,50 bis 0,55 liegen.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (19¹) einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.

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