DE2923819C2 - Schaltung zur Regelung einer beheizten Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Regelung der Temperatur einer mit einer Wechselstromquelle beheizten Vorrichtung in Reihenschaltung mit einem steuerbaren Halbleitergleichrichterelement, dessen Zündstrom durch Spannungsteilung unter Phasenvoreilung von der Wechselstromquelle abgeleitet wird und über einen thermisch mit der beheizten Vorrichtung verbundenen und auf die Nenntemperatur ansprechenden wärmeempfindlichen Thyristor umleitbar ist.

Eine solche Schaltung ist bekannt aus der US-Patentschrift 39 59 621. Dabei wird zur Steuerung eines Schaltthyristors ein wärmeempfindlicher Thyristor verwendet. Mit diesem kann die gewünschte Temperatur der beheizten Vorrichtung eingehalten werden. Bei einer flächigen beheizten Vorrichtung kann es jedoch zu erheblichen örtlichen Unterschieden der Temperatur kommen. Während einzelne Bereiche noch relativ niedrige Temperatur haben, können andere Bereiche der flächigen beheizten Vorrichtung schon überhitzt sein. Dieses Problem ist insbesondere gravierend, wenn zwischen der Einschalttemperatur und der Ausschalttemperatur eine relativ hohe Temperaturdifferenz besteht. Die Verwendung von temperaturempfindlichen Halbleiterelementen zur Temperatursteuerung ist bereits aus der US-PS 30 79 484 bekannt. Dabei wird auch bereits ein Einstellwiderstand zur Einstellung der Schalttemperatur des Halbleiterbauteils verwendet.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß eine örtliche Überhitzung der flächigen beheizbaren Vorrichtung verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß parallel zu dem auf die Nenntemperatur ansprechenden wärmeempfindlichen Thyristor eine Vielzahl von über die flächig ausgebildete beheizte Vorrichtung verteilten und mit dieser thermisch verbundenen auf eine zulässige Höchsttemperatur ansprechenden wärineempfindlichen Thyristoren sowie eine Konstantspannungsdiode geschaltet sind und daß die Steuerelektrode des Halbleitergleichrichterelements über einen Widerstand des Spannungsteilers mit den Anoden der wärmeempfindlichen Thyristoren verbunden ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

! 5 F i g. 1 eine erste Ausführungsform der Schaltung, und F i g. 2 eine weitere Ausführungsform der Schaltung. F i g. 1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform der Heizvorrichtung für eine elektrisch beheizbare Matte. Die Schaltung gemäß F i g. 1 umfaßt Widerstände 8a, Sb, 8c, welche zueinander in Reihe geschaltet sind, sowie einen Kondensator 9, welcher mit einer Elektrode der Wechselstromquelle 1 an einem Ende verbunden ist und mit dem anderen Endt mit einem Ende des Widerstands 8a. Ferner ist ein Thyristor 10 vorgesehen, dessen Anode mit einer Elektrode der flächigen beheizten Vorrichtung 3 verbunden ist und dessen Kathode mit der anderen Elektrode der Wechselstromquelie 1 verbunden ist und dessen Steuerelektrode mit der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 8£> und 8c verbunden ist. Eine Konstantspannungsdiode 11 liegt zwischen der Verbindungsstelle der Widerstände 8a und Sb und der Kathode des Thyristors 10. Ferner ist ein wärmeempfindlicher Thyristor 12 vom η-Typ mit einer Steuerelektrode vorgesehen, welcher parallel zur Diode 11 liegt und thermisch mit der Vorrichtung 3 verbunden ist. Ein Kondensator 13 verbindet die Steuerelektrode des wärmeempfindlichen Thyristors 12 mit der Anode desselben, und ein variabler Widerstand 14 liegt parallel zum Kondensator 13. Ferner ist eine Vielzahl wärmeempfindlicher Thyristoren 15a—15/7 vorgesehen zur Verhinderung einer Überhitzung. Sie liegen parallel zur Diode U und sind thermisch mit der flächigen Vorrichtung 3 verbunden. Eine Vielzahl von Kondensatoren t6a—16/izur Verhinderung von Störspannungen verbindet jeweils die Anoden der wärmeempfindlichen Thyristoren 15a— 15n mit den Steuerelektroden derselben. Widerstände 17a—17n dienen der Einstellung der Temperatur. Sie liegen parallel zu den Kondensatoren 16a—16/?.

so Im folgenden soll die Arbeitsweise dieses Heizgeräts gemäß F i g. 1 erläutert werden. Der Widerstand 14 wird derart eingestellt, daß die Schalttemperatur des temperaturempfindlichen Thyristors 12 für die Temperaturregelung auf 30 bis 35° C eingestellt wird. Die Widerstände 17a—17/7 werden derart bemessen, daß die Schalttemperatur der wärmeempfindlichen Thyristoren zur Verhinderung eines Überhitzens 15a—15n etwa 70°C beträgt. Wenn man mit dem Einspeisen eines Stroms durch die elektrische Wechselstromquelle 1 beginnt, so ist die Temperatur des flächigen Heizelements 3 zunächst niedrig, und der wärmeempfindliche Thyristor 12 sowie die anderen wärmeempfindlichen Thyristoren 15a—15n befinden sich im AUS-Zustand. Der Steuerelektrodenstrom, welcher gegenüber der Spannung der Spannungsquelle eine Phasenvoreilung zeigt, fließt über den Kondensator 9 und die Widerstände 8a und Sb zur Steuerquelle des Thyristors 10. Der Thyristor 10 wird bei etwa Null-Phase

eingeschaltet. Somit fließt ein Halbwellensirom durch die Vorrichtung 3, und ihre Temperatur wird allmählich erhöht Sobald die Temperatur der Vorrichtung 3 die Schalttemperatur des wärmeempfindlichen Thyristors 12 für die Temperatursteuerung erreicht, wird der wärmeempfindliche Thyristor 12 eingeschaltet Nun wird der Steuerelektrodenstrom des Thyristors 10 umgeleitet und gelangt zum wärmeempfindlichen Thyristor 12, so daß der Thyristor 10 gesperrt wird. Nunmehr fließt der elektrische Strom nicht mehr durch die Vorrichtung 3, und diese kühlt sich ab. Sobald sie abgekühlt ist, wird der wärmeempfindliche Thyristor 12 wieder gesperrt, und die Temperatursteuerung wiederholt sich auf diese Weise.

Wenn nun aus irgendeinem Grund in der Vorrichtung 3 eine örtliche Überhitzung auftritt z. B. eine örtliche Erhitzung auf etwa 70⁰C, so kommt es zur Durchschaltung eines oder mehrerer wärmeempfindlicher Thyristoren 15a—15n. Daher fließt nun der Steuerelektrodenstrom des Thyristors 10 durch die wämeempfindlichen Thyristoren 15a—15/?, welche sich im EIN-Zustand befinden, so daß der Thyristor 10 gesperrt wird und das flächige Heizelement nicht n.ehr von Strom durchflossen wird. Auf diese Weise wird eine Überhitzung verhindert.

Fig.2 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Heizgeräts. In diesem Fall wird die flächige beheizbare Vorrichtung 3 durch eine Vollweg-Nullspannungs-Schalteinrichtung über ein Triac 18 getrieben. Dieses Triac 18 liegt in Reihe zur Vorrichtung 3 und beide Enden dieser Reihenschaltung sind mit der Wechselstromquelle 1 verbunden. Ein Widerstand 19 verbindet die Steuerelektrode des Triacs 18 mit der Anode des Thyristors 10. Ein Kondensator 20 ist einerseits mit der Verbindungsstelle zwischen dem _J5 Widerstand 19 und dem Thyristor 10 verbunden und andererseits mit einem Widerstand 21, dessen anderes Ende mit der Anode eines Thyristors 22 verbunden ist, dessen Kathode mit dem anderen Ende der Wechselstromquelle 1 verbunden ist. Eine Gleichrichterdiode 23 ist mit ihrer Kathode mit der Anode des Thyristors 22 verbunden und mit ihrer Anode mit der Kathode des Thyristors 22. Eine Diode 24 dient zur Verhinderung einer Steuerelektrodensperrspannung und liegt zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors 22. Ein Widerstand 25 liegt zwischen dem 72-Anschluß des Triacs 18 und der Steuerelektrode des Thyristors 22 und ein Kondensator 26 liegt parallel zum Widerstand 25.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieser elektrischen Heizeinrichtung für eine elektrisch beheizbare Matte erläutert werden. Wenn die Temperatur der flächigen Vorrichtung 3 niedrig ist, so befinden sich alle wärmeempfindlichen Thyristoren 12 und 15ü— 15n im AUS-Zustand. Wenn die Wechselstromquelle 1 einen Strom mit einer negativen Halbwelle einspeist, so fließt dieser Strom mit einer Phasenvoreilung relativ zur Spannung der Wechselstromquelle 1 durch den Kondensator 9, die Widerstände 8a, Sb zur Steuerelektrode des Thyristors 10, wodurch dieser eingeschaltet «j wird. Daher fließt der Strom zur Steuerelektrode des Triacs 18, und zwar über die geschlossene Stromschleife, bestehend aus Wechselstromquelle 1, flächiger beheizbarer Vorrichtung 3, Τί-Anschluß des Triacs 18, Steuerelektrode des Triacs 18, Widerstand 19, Thyristor «,5 10, Wechselstromquelle 1. Hierdurch wird das Triac 18 eingeschaltet. Auf diese Weise wird der Strom in das flächige Heizelement eingespeist und dieses wird aufgeheizt Andererseits fließt ein /.adestrom durch die Diode 23 und den Widerstand 21 zum Kondensator 20, wodurch dieser mit der in F i g. 2 gezeigten Polarität aufgeladen wird. Während der positiven Halbwelle der Wechselstromquelle 1 wird der Thyristor 10 gesperrt Der Steuerelektrodenstrom gelangt nun durch den Widerstand 25 und den Kondensator 26 zur Steuerelektrode des Thyristors 22, wodurch dieser eingeschaltet wird. Hierdurch wird die im Kondensator 20 gespeicherte Ladung entladen, und zwar über die geschlossene Stromschleife, bestehend aus Widerstand 21, Thyristor 22, flächiger Vorrichtung 3, Ti-Anschluß des Triac, Steuerelektrode des Triac, Widerstand 19. Hierdurch wird das Triac 18 eingeschaltet Somit wird das Triac 18 in diesem Moment bei der Null-Phase der Wechselstromspannung getriggert Dieser Vorgang wird wiederholt, wodurch das flächige Heizelement 3 aufgeheizt wird.

Wenn die Temperatur des flächigen Heizelements 3 die Schalttemperatur des wärmeempfindlichen Thyristors 12 erreicht, so wird dieser eingeschaltet, und der Steuerelektrodenstrom des Thyristors 10 fließt zum wärmeempfindlichen Thyristor 12, wodurch der Thyristor 10 und das Triac 18 gesperrt werden. Während der negativen Halbwelle werden die Ladungen nicht im Kondensator 20 gespeichert, so daß während der positiven Halbwelle der Wechselstromquelle das Triac 18 im gesperrten Zustand verbleibt.

Die wärmeempfindlichen Thyristoren für die Verhinderung einer Überhitzung 15a— 15n sind jeweils parallel geschaltet. Wenn in einem bestimmten Bereich des flächigen Heizelements 3 eine örtliche Überhitzung eintritt, so steigt die Temperatur in diesem Bereich. Wenn die Temperatur über den eingestellten Temperaturwert des zugeordneten, wärmeempfindlichen Thyristors zur Verhinderung eines Überhitzens steigt, so wird dieser Thyristor eingeschaltet, und der Steuerelektrodenstrom des Thyristors 10 wird nunmehr über den wärmeempfindlichen Thyristor zur Verhinderung eines Überhitzens geleitet. Daher werden der Thyristor 10 und das Triac 18 gesperrt und der Strom fließt nicht mehr über die flächige Vorrichtung 3, so daß die Überhitzung desselben vermieden wird.

Natürlich können die wärmeempfindlichen Thyristoren zur Verhinderung eines Überhitzens 15a—15n in jeder gewünschten Zahl parallelgeschaltet werden, je nach der Fläche der flächigen Vorrichtung 3.

Bei dieser Ausführungsform werden wärmeempfindliche Thyristoren vom n-Steuerelektrodentyp verwendet. Man kann jedoch anstelle dieser Thyristoren auch wärmeempfindliche Thyristoren vom p-Steuerelektrodentyp einsetzen. Natürlich müssen in letzterem Falle der Widerstand und der Kondensator zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des jeweiligen wärmeempfindlichen Thyristors liegen.

Wie oben beschrieben, wird eine elektrische Heizeinrichtung für eine elektrisch beheizbare Matte geschaffen, mit der die folgenden Effekte erzielt werden können:

(a) Die Temperatur des flächigen Heizelements kann nach Wunsch variiert werden, und zwar stufenlos, indem man lediglich den Wert des Widerstands zwischen Steuerelektrode und Anode des wäriieempfindlichen Thyristors 12 ändert;

(b) die Temperatur des flächigen Heizelements wird durch die Umgebungstemperatur nicht beeinflußt, da der wärmeempfindliche Thyristor 12 eine

Rückkopplungsregelwirkung aufweist;

(c) eine örtliche Überhitzung kann wirksam vermieden werden. Hierdurch werden Brände verhindert. (e) Ferner wird die Temperatur in wirksamer Weise gesteuert. Dies gelingt durch die Parallelschaltung -, der wärmeempfindlichen Thyristoren für die Verhinderung eines Überhitzens 15, und zwar parallel zum wärmeempfindlichen Thyristor für die Temperatursteuerung 12;

(d) den Rundfunkempfang beeinträchtigende Störun- in (f) gen werden nicht erzeugt und müssen nicht in Betracht gezogen werden, da die Thyristoren und das Triac bei Nullphase der Stromquelle gezündet werden;

die Schalttemperatur der wärmeempfindlichen Thyristoren wird nicht durch Änderung der Widerstände 8a, Sb und des Kondensators 9 variiert sowie durch Spannungsänderungen aufgrund der Einfügung der Konstantspannungsdiode zwischen Anode und Kathode des wärmeempfindlichen Thyristors; und

aufgrund der Steuerung mit Hilfe von Halbleiterschaltern kann eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer erwartet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Regelung der Temperatur einer mit einer Wechselstromquelle beheizten Vorrichtung in Reihenschaltung mit einem steuerbaren Halbleitergleichrichterelement, dessen Zündstrom durch Spannungsteilung unter Phasenvoreilung von der Wechselstromquelle abgeleitet wird und über einen thermisch mit der beheizten Vorrichtung verbundenen und auf die Nenntemperatur ansprechenden wärmeempfindlichen Thyristor umleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem auf die Nenntemperatur ansprechenden wärmeempfindlichen Thyristor (12) eine Vielzahl von über die flächig ausgebildete beheizte Vorrichtung (3) verteilten und mit dieser thermisch verbundenen auf eine zulässige Höchsttemperatur ansprechenden wärmeempfindlichen Thyristoren (15a— i5n) sowie eine Konstantspannungsdiode (11) geschaltet sind und daß die Steuerelektrode des Halbleitergleichrichterelements (10) über einen Widerstand (Sb) des Spannungsteilers (Sa-Sc) mit den Anoden der wärmeempfindlichen Thyristoren (12,15a— 15/i^verbunden ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Einstellwiderstand (14) zwischen der Steuerelektrode und der Anode des wärmeempfindlichen Thyristors (12) für die Temperatursteuerung.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantspannungsdiode (11) zwischen der Anode und der Kathode des wärmeempfindlichen Thyristors (12) für die Temperatursteuerung liegt.