-
Schaltung für elektrisch betriebene Heiz- oder Wärme-
-
geräte, insbesondere schmiegsame Wärmegeräte Zusatz zu Patent ...
(Patentanmeldung P 27 57 334.8-34) Die Erfindung betrifft eine Schaltung für elektrisch
betriebene Heiz- oder Wärmegeräte, insbesondere schmiegsame Wärmegeräte, mit einem
Temperaturregelkreis für den Heizleiter des Gerätes, einem in Serie mit dem Heizleiter
an der Betriebsspannung liegenden steuerbaren, insbesondere elektronischen Meßschalter
und einem Taktgenerator zum periodischen Öffnen und Schließen des Meßschalters,
wobei der Istwertgeber des Temperaturregelkreises unmittelbar der Heizleiter selbst
ist, der in den öffnungsinterval len des Meßschalters von einem Meßstrom durchflossen
ist, der klein im Vergleich zu dem in den Schließintervallen des Meßschalters fließenden
Heizstrom ist und dessen Spannungsabfall am Heizleiter die Temperaturistwertspannung
für den Temperaturregelkreis bildet, und wobei im Temperaturregelkreis ein Speicher
vorgesehen ist, der das in den offnungsintervallen erhaltene Ergebnis der Istwertmessung
für die Steuerung der Speisung des Heizleiters im Jeweils
folgenden
Schließintervall des Meßschalters speichert..
-
Pei der aus dem Hauptpatent bekannten Schaltung dieser Art ist die
Betriebsspannung eine niedere Gleichspannung von 12 Volt, wie sie beispielsweise
in Kraftfahrzeugen zur Verfügung steht. Der Meßschalter bildet zugleich das Stellglied
des Temperaturregelkreises, steuert also nicht nur den Meß-, sondern auch den Heizstrom
durch den Heizleiter. Der Meßstrom wird von einem Konstantstromgenerator erzeugt,
der aus der Betriebsspannung über einen Spannungsregler gespeist wird. Ein Betrieb
dieser Schaltung mit Wechselspannung aus dem Netz ist nicht ohne weiteres möglich.
-
Schaltungen für mit Wechselspannung aus dem Netz betriebene geregelte
elektrische Heiz- oder Wärmegeräte sind beispielsweise aus der DE-PS 27 20 153 bekannt.
Sie besitzen eine an der Betriebswechselspannung liegende Serienschaltung aus dem
Heizleiter des Gerätes und einen durch Zündsignale steuerbaren bidirektionalen Schalter,
insbesondere Triac, und einen Zündsignalgenerator für die den Stromfluß im bidirektionalen
Schalter auslösenden Zündsignale. Der Temperaturregelkreis, in dem der bidirektionale
Schalter das in die Regelstrecke eingreifende Stellglied darstellt, arbeitet mit
einem das Heiz- oder Wärmegerät überwachenden, vom Heizleiter getrennten Temperaturfühler
als Istwertgeber, ferner mit einem von einer stabilisierten Speisespannung versorgten
Sollwertgeber
und einem Istwert-Sollwert-Komparator,von dem der
Zündsignalgenerator so geführt ist, daß die Zündsignale nur bei unter der Sollwerttemperatur
liegender Istwerttemperatur entstehen. Diese bekannten Schaltungen ermöglichen jedoch
nicht wie die nach dem Hauptpatent eine Istwertbildung unmittelbar durch den Heizleiter
als Istwertgeber.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltung
nach dem Hauptpatent so weiter auszubilden, daß sie mit Wechselspannung aus dem
Netz, also 220 V, betrieben werden kann.
-
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei Betrieb
mit einer Wechselspannung die Öffnungsintervalle des Meßschalters kurz im Vergleich
zur Halbwellendauer der Betriebswechselspannung sind und etwa in deren Spannungsscheitel
liegen, daß die den Meßschalter öffnenden Taktimpulse höchstens nur in jeder zweiten
Halbwelle auftreten, daß parallel zum Meßschalter ein Meßwiderstand und in Serie
mit dieser Parallelschaltung und mit dem Heizleiter ein in bekannter Weise das Stellglied
des Temperaturregelkreises bildender steuerbarer bidirektionaler Schalter vorgesehen
sind, und daß ein den bidirektionalen Schalter in bekannter Weise steuernder Ziindsignalgenerator
außer vom Speicher auch vom Taktgenerator so geführt ist, daß unabhängig vom Zustand
des Speichers und damit der Istwerttemperatur jedenfalls in den Halbwellen, in welchen
vom Taktgenerator
ein den Meßschalter öffnender Taktimpuls erzeugt
wird, ein dem Taktimpuls vorausgehendes Ziindsignal auftritt.
-
Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht im wesentlichen
darin, daß die erfindungsgemäße Schaltung mit einer hohen Wechselspannung, insbesondere
aus dem üblichen 220 V-Netz, betrieben und dennoch auf einen selbständigen Istwertgeber
im Temperaturregelkreis verzichtet werden kann. Die Bildung und Messung des Istwertes
erfolgt nur in bestimmten Halbwellen der Betriebs spannung während des Spannungsmaximums
und während eines im Vergleich zur Halbwellendauer sehr kurzen Zeitintervalles.
Das ergibt eine optimale Meßempfindlichkeit bei im zeitlichen Mittel sehr geringer
Belastung des zum Meßschalter parallelen Meßwiderstandes. Der bidirektionale Schalter
muß zwar in denjenigen Halbwellen, in welchen die Istwertbildung und -messung erfolgt,
zuvor gezündet worden sein, und zwar auch dann, wenn die in einer vorhergegangenen
Halbwelle erfolgte frühere Messung ergeben hat, daß der Temperaturistwert schon
den So7orrt erreicht oder überschritten hat. Dennoch kann der Regelbereich für die
Heizleiterleistung sehr einfach dadurch alen Wünschen angepaßt werden, daß die Anzahl
der Halbwellen, nach welchen Jeweils ein Taktimpuls und damit eine Istwertbildung
und -messung erfolgt, entsprechend gewählt wird.
-
Eine wegen ihrer Einfachheit besonders bevorzugte Ausfiihrungsform
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschalter ein unidirektionaler Schalter ist,
dem ein in Sperrichtung des Schalters leitendes Ventil parallel geschaltet ist,
und daß die Taktimpulse nur in Halbwellen stets gleicher, der Flußrichtung des unidirektionalen
Schalters entsprechender Polarität auftreten und dazu der Takt generator eine ihn
bei falscher Halbwellenpolarität sperrende Überwachungsschaltung aufweist.
-
Zweckmäßig ist der Meßwiderstand im Widerstandswert klein im Vergleich
zum Heizleiter. Das Widerstandsverhältnis kann bei 220 V Betriebswechselspannung
1:40 bis 1:50 betragen, so daß die im Öffnungsintervall des Meßschalters am Meßwiderstand
abfallende Spannung gering im Vergleich zur Betriebswechselspannung ist und daher
eine einfache Verarbeitung beim Istwert-Sollwert-Vergleich ermöglicht. Hinsichtlich
der Sollwert bildung ist bevorzugt vorgesehen, daß der Sollwertgeber des Temperaturregelkreises
eine Serienschaltung aus Widerständen und einem Potentiometer ist, de parallel zu
der Serienschaltung aus dem Heizleiter und den beiden Schaltern unmittelbar an der
Betriebswechselspannung liegt. Bei der Istwertmessung während des Öffnungsintervalle-s
des Meßschalters bilden daher die Serienschaltung aus dem Meßwiderstand, dem bidirektionalen
Schalter und dem Heizleiter einerseits und
die der Sollwertbildung
dienende Serienschaltung andererseits die beiden Zweige einer unmittelbar von der
Betriebswechselspannung gespeisten Meßbrücke.
-
Schwankungen in der Scheitel spannung er Betrieb wechselspannung werden
daher aus dem Istwert-SolI-wert-Vergleich eliminiert. Die sich durch das kleine
Widerstandverhältnis zwischen Meßwiderstand und Heizleiterwiderstand ergebende geringe
Briickenempfindlichkeit wird durch die hohe Speisespannung der Brücke im Meßintervall
wettgemacht. Wege dieses geringen Brückenverhältnisses und der hohen Speisespannung
können sich auch Schwankungen in der Flußspannung des bidirektionalen Schalters
nicht störend auf die Istwertmessung auswirken.
-
Im folgenden wird die Frfindung an einem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel näher erläutert; die einzige Figur zeigt schematisch das Schaltbild
einer erfindungsgemäßen Schaltung.
-
In der Zeichnung ist eine mit Wechselspannung von 220 V betriebene
Schaltung für elektrische Heiz- oder Wärmegeräte, insbesondere schmiegsame Wärmegeräte
dargestellt. Der Nulleiter der Betriebsspannung ist mit 0, der Fhasenleiter mit
R, der Heizleiter des Gerätes mit RH bezeichnet. In Serie mit dem Heizleiter RH
liegen an der Betriebsspannung 0, R zwei mit 51 und S2 bezeichnete steuerbare Schalter,
von welchen der SchalterS1 als bidirektionaler Schalter, nämlich als Triac, und
der im folgenden als Meßschalter bezeichnete Schalter
S2 als Transistor
ausgebildet ist. Parallel zum Meßschalter S2 und Jeweils in Serie mit dem Heizleiter
RH und dem bidirektionalen Schalter S1 liegen ein Meßwiderstand RH' und ein Ventil
D1, dessen Flußrichtung der des Meßschalters S2 entgegengesetzt ist.
-
Die Schaltung verfügt weiter über einen Zündsignalgenerator ZG, der
den Stromfluß im bidirektionalen Schalter S1 auslösende Zündsignale erzeugt, und
zwar gesteuert durch die Betriebswechselspannung in der Weise, daß die Zündsignale
im wesentlichen im Nulldurchgang der Betriebswechselspannung entstehen. Die Schaltung
verfügt weiter über einen Taktgenerator TG zum periodischen Öffnen und Schließen
des Meßschalters S2, sowie über einen Temperaturregelkreis für den Heizleiter RH.
Der Istwertgeber des Temperaturregelkreises ist unmittelbar der Heizleiter RH selbst,
der in den Öffnungsintervallen des Meßschalters S2 von einem Meßstrom durchflossen
ist, der dem Heizleiter RH über einen Meßwiderstand RH' und den bidirektionalen
Schalter S1 zugeführt wird. Die am Heizleiter RH durch den Meßstrom bei offenem
Meßschalter 52 entstehende Spannung ändert sich nach Maßgabe des im Ausführungsbeispiel
positiven Temperaturkoeffizienten des Heizleitermateriales entsprechend der Heizleitertemperatur,
Parallel zu der Serienschaltung aus dem Heizleiter RH, dem bidirektionalen Schalter
S1 und dem Meßwiderstand RH' liegt ebenfalls unmittelbar an der Betriebswechselspannung
0, R eine Serienschaltung aus Widerständen R1, R2 und einem Potentiometer P
das
als Sollwertsteller dient und an dessen Abgriff daher die Sollwertspannung abgenommen
wird. Die zwischen dem Meßwiderstand RH' und dem bidirektionalen Schalter S1 abgenommene
Istwertspannung wird in einem Komparator K mit der Sollwert spannung verglichen.
Dem Komparator ist ein aus zwei Verknüpfungsgliedern G2, G3 gebildeter Speicher
nachgeschaltet, dessen Zustand außer vom Ausgang des Komparators K auch vom Taktgenerator
TG über eine Reset-Leitung L1 bestimmt wird.
-
Der Ausgang des Speichers führt über die Leitung L2 zusammen mit dem
Taktgenerasor TG über die Leitung L3 den Zündsignalgenerator ZG. Im einzelnen erzwingt
der Taktgenerator TG über die Leitung L3 die Abgabe eines Zündimpulses für den bidirektionalen
Schalter S1 Jedenfalls in denJenigen Halbwellen der Betriebswechselspannung, in
welchen der Meßschalter S2 über die Leitung L4 vom Taktgenerator TG zur Meßwertbildung
vorübergehend geöffnet wird. Diese Zündimpulse in den der Istwertmessung dienenden
Halbwellen der Betriebswechselspannung erfolgen unabhängig vom Zustand des Speichers
G2, G3. Dieser Speicherzustand bestimmt nur in den dazwischen liegenden Halbwellen
die Zündsignalerzeugung, nämlich in der Weise, daß die Zündimpulse auch in den auf
das Öffnungsintervall des Meßschalters S2 folgenden Halbwellen entstehen, wenn in
diesem öffnungsintervall die Temperaturistwertspannung im Sinne niedrigerer Temperatur
unter der Sollwertspannung gelegen hat. Anderenfalls bleiben die Zündimpulse Jedenfalls
bis zur
Halbwelle mit dem nächstfolgenden, den Meßschalter S2 öffnenden
Taktimpuls aus und der bidirektionale Schalter S1 bleibt entsprechend geschlossen.
Jeder Taktimpuls des Taktgenerators TG setzt über die Reset-Leitung L1 zunächst
den Speicher G2, G3, so daß das im Ausgang des Komparators entstehende Ergebnis
des Istwert-Sollwert-Vergleiches den Speicherzustand neu bestimmen kann.
-
Im Ausführungsbeispiel erfolgen die Taktimpulse ausschließlich in
der negativen Halbwelle der Betriebswechselspannung und nur während eines sehr kurzen
Zeitinteryalles, wenn die negative Halbwelle ihren Scheitelwert erreicht hat. Die
zur Istwertmessung erforderlich Zündung des Triacs S1 wird, wie schon erwähnt, über
die Leitung L3 erzwungen. Damit diese nur vom Taktgenerator TG erzwungenen Zündungen
des Triacs 51 nicht versehentlich auch in positiven Halbwellen der Betriebswechselspannung
erfolgen kann, besitzt der Taktgenerator TG eine in der Figur nicht dargestellte
Uberwachungsschaltung, die den Taktgenerator TG bei positiver Halbwellenpolarität
sperrt, was in der Zeichnung durch die der Polaritätsüberwachung dienende Wirkungsverbindung
L5 angedeutet ist.
-
Die negativen Halbwellen, in welchen der Meßschalter S2 durch die
Taktimpulse geöffnet wird, entsprechen seiner Flußrichtung. In den positiven Halbwellen
fließt
der dann allein durch den bidirektionalen Schalter S1 gesteuerte Heizstrom über
das Ventil D1. Die Verlustleistung am Meßwiderstand RH' wird während der positiven
Netzhalbwelle durch das Ventil Dl und während der negativen Netzhalbwellen durch
den allenfalls bis auf das kurze Öffnungsintervall normalerweise geschlossenen Schalter
S2 auf einen sehr kleinen Wert reduziert.
-
Einer besonderen Steuerung der Abfragung des Komparatorausganges durch
den Taktgenerator bedarf es nicht, weil der vor der Abfragung geschlossene eßschalter
S2 einen scheinbar zu hohen Temperaturistwert vortäuscht.
-
Wenn die Öffnung des Meßschalters S2 und damit die zwangsweise Zündung
des Triacs 51 durch den Taktgenerator TG in jeder negativen Halbwelle der Betnebswechselspannung
durchgeführt wird, dann steht für den Regeleingriff nur der Leistungsbereich von
50 0/o bis 100 O/o der vollen Heizleistung zur Verfügung. Soll die Leistung dagegen
weiter herabregelbar sein, muß zwischen den Halbwellen, in welchen der Meßschalter
S2 jeweils geöffnet wird, eine größere Anzahl von Halbwellen liegen. Wird die Öffnung
des Meßschalters S2 beispielsweise nur noch bei Jeder zehnten negativen Halbwelle
vorgenommen, beträgt der Regelbereich schon zwischen 5 96 und 100 % der vollen Leistung.
Öffnung des Meßschalters in Jeder 50. Halbwelle ergibt schon eine regelbare Minimalleistung
von 1 %.
-
Leerseite