DE3123523A1

DE3123523A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung eines elektrischen geraetes

Info

Publication number: DE3123523A1
Application number: DE19813123523
Authority: DE
Inventors: Günter R.J. 5882 Meinerzhagen Kullik
Original assignee: BAER ELEKTROWERKE KG
Current assignee: BAER ELEKTROWERKE KG
Priority date: 1981-06-13
Filing date: 1981-06-13
Publication date: 1982-12-30

Description

Kennwort: "Wärmekupplung"
Schaltungsanordnung zur Steuerung eines elektrischen Gerätes Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines elektrischen Gerätes, wie Heizgerät, Klimagerät, Haartrockner, Lüftermotor, Pumpe od,dgl., das einen Stromverbraucher, wie Heizelement od.dgl., aufweist, der über einen Leistungsschaltkreis in Abhängigkeit eines wärmeempfindlichen Steuerteiles ein- oder ausschaltbar ist. Derartige Schaltungsanordnungen werden vielfach verwendet. Bei Geräten mit großer Heizleistung, beispielsweise bei Heizgeräten, haben sich jedoch derartige Geräte nicht bewährt, da durch das Ein- und Abschalten von Heizelementen mit großer Leistung (mehrere KW's) im Stromnetz plötzlich störende Belastungen auftreten, und zum anderen eine exakte Regulierung der Wärmeabgabe des Heizelementes nicht möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Stromverbraucher, wie Heizelement od.dgl., des elektrischen Gerätes in mehrere Elemente unterteilt ist, wobei die Ein- und Ausschaltung der Elemente voneinander getrennt erfolgt, und bei der eine feinstufige Regelung für das elektrische Gerät gegeben ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaltungsanordnung wenigstens einen weiteren Leistungsschaltkreis umfaßt, über den ein zweiter Stromverbraucher des elektrischen GErätes in Abhängigkeit der Ein- und Ausschaltzeit des ersten Stromverbrauchers regelbar ist. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß bei einem Gebrauch des elektrischen Gerätes nicht alle Stromverbraucher während der gesamten Einschaltzeit am Stromnetz angeschlossen sind, sondern in Abhängigkeit des Bedarfs jeweils einzelne Stromverbraucher ein- und ausgeschaltet werden können.
Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zur Riegelung der weiteren Stromverbraucher in den weiteren Leistungsschaltkreisen jeweils ein wärmeempfindliches Steuerteil vorgesehen, der über eine Wärmeleitung mit einem im ersten Leistungsschaltkreis angeordneten wärmeabgebenden Bauteil kuppelbar ist. Durch diese Kupplung ist es in einfacher Weise möglich, die weiteren Stromverbraucher zu- oder abzuschalten, so daß sich eine besonders preiswerte Ausführung für das elektrische Gerät ergibt. Von Vorteil ist es hierbei, wenn das wärmeabgebende Bauteil einen Ohm'schen Widerstand umfaßt, da so eine kostengünstige Ausführungsform geschaffen wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das wärmeabgebende Bauteil parallel einem für den ersten Stromverbraucher vorgesehenen Leistungsschalter angeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß Beim Abschalten des Leistungsschalters tritt eine Erwärmung des Bauteiles auf, wodurch dann diese Erwärmung die Steuerteile in den weiteren Leistungsschaltkreis beeinflußt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt das wärmeabgebende Bauteil parallel dem ersten Stromverbraucher. Hierdurch wird gewährleistet, daß schon während der Einschaltzeit des ersten Stromverbrauchers die Steuerbefehle an die weiteren Stromverbraucher abgegeben werden können.
Günstigerweise umfaßt das wärmeabgebende Bauteil einen temperaturabhängigen Widerstand, da es sich gezeigt hat, daß hierdurch eine einfache Regelung möglich ist.
Zweckmäßigerweise ist das wärmeempfindliche Steuerteil als mechanischer Thermoschalter, wie ein auf Wärme ansprechender Öffner oder Schließer, ausgebildet, da hierdurch eine preisgünstige Ausführungsform geschaffen wird.
Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der wärmeempfindliche Steuerteil als bei einer bestimmten Temperatur seinen Widerstandswert sprunghaft verändernder Halbleiterwiderstand, wie Heiß- oder Kaltleiter, ausgebildet, da auf diese Weise eine feinfühlige Regelung der Stromverbraucher erzielbar ist.
Besonders empfehlenswert ist es, wenn zu Einschaltung wenigstens des ersten Stromverbrauchers ein Nullpunktschalter vorgesehen ist.
Durch einen solchen Schalter ist es möglich, ohne störende Schaltgeräusche und/oder Stromnetzbeeinflussungen das elektrische Gerät ein - und abzuschalten. Darüberhinaus ergibt sich ebenfalls eine feinstufige Regelung durch die Schaltanordnung.
Auf der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für ein elektrisches Gerät mit parallel zum Leistungsschalter liegendem wärmeabgebendem Bauteil, Fig. 2 eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 1, jedoch mit einem wärmeabgebenden Bauteil parallel zum Stromverbraucher und Fig. 3 und 4 Diagramme von am Nullpunktschalter auftretenden Spannungen.
In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines elektrischen Heizgerätes aufgebaut. Dieses Heizgerät umfaßt drei Stromverbraucher, R1, R2, R3. Hierbei sind diese drei Heizelemente in getrennten Leistungsschaltkreisen I, II und III vorgesehen.
Die drei Leistungsschaltkreise I, II, III werden jeweils durch einen elektronischen Schalter, wie Triac TR1, TR2 und TR3 geschaltet. Zur Ein- und Ausschaltung des ersten elektronischen Schalters ist ein Nullpunktschalter N vorgesehen. Dieser Nullpunktschalter ist als ein handelsübliches IC-Glied ausgebildet. Der Nullpunktschalter ist weiterhin mit einem nicht dargestellten Sägezahnimpulsgenerator versehen. Am Nullpunktschalter ist weiter ein sogenannter Sollwertgeber RS angeschlossen, sowie ein temperaturabhängiger IST-Wert-Fühler RI. Mit dem Sollwertgeber wird die gewünschte Temperatur eingestellt, während der IST-Wert-Fühler die tatsächlich gemessene Temperatur angibt. Aus diesen beiden Größen wird eine Differenzspannung gewonnen, die dann in eine Steuerspannung für den Nullpunktschalter umgewandelt wird. Es sei hier hervorgehoben, daß die Stromversorgung für den Nullpunktschalter sowie dem Sollwert geber und IST-Wert-Fühler nicht dargestellt wurde.
Parallel dem ersten elektronischen Leistungsschalter TR 1 ist ein wärmeabgebendes Bauteil RH vorgesehen. Dieses Bauteil ist im vorliegenden Falle als Ohm'scher Widerstand ausgebildet.
Das wärmeabgebende Bauteil RH steht in thermischem Kontakt mit wärmeempfindlichen Steuerteilen TII und TIII. Diese Steuerteile sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als sogenannte öffner ausgebildet, d.h., ab einer bestimmten Temperatur wird der Stromfluß in den Steuerteilen unterbrochen.
Die Steuerteile TII und TIII dienen zur Ansteuerung der elektronischen Schalter TR2, TR 3. Ihnen nachgeschaltet ist jeweils ein nicht näher bezeichneter Widerstand vorgesehen, durch den die elektronischen Schalter jeweils ihren Zündimpuls erhalten.
Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, ist die Schaltungsanordnung an ein Stromnetz angeschlossen. Um die Schaltungsanordnung vom Stromnetz durchtrennen zu können, dient ein Schalter S.
Zur Funktion der Schaltungsanordnung sei nun auf folgendes hingewiesen: An dem Sollwertgeber RS wird die gewünschte Temperatur eingestellt, sodann wird über den Schalter S das elektrische Gerät eingeschaltet.
Da die Steuerteile T2, T3 in ihrer Schließstellung sind, erhalten die elektronischen Schalter TR2 und TR3 ihre Zündimpulse, so daß die Heizelemente R2 und R3 am Stromnetz angeschlossen sind. Der elektronische Schalter TR1 wird ebenfalls angesteuert, und zwar erhält er seine Zündspannung über den Nullpunktschalter N, so daß auch das Heizelement R1 am Stromnetz liegt. Das Heizgerät ist also voll eingeschaltet.
Im Nullpunktschalter wird, wie bereits erwähnt, eine sägezahnartige Spannung US erzeugt, wie in Fig. 3 dargestellt. Darüberhinaus wird im Nullpunktschalter N die sich aus dem Sollwertgeber und IST-Wert-Fühler ergebende Differenzspannung gemessen und in eine zur Differenzspannung umgekehrt proportionale Steuerspannung UST umgewandelt. Es sei hier bemerkt, daß die Steuerspannung in Fig. 3 ebenfalls eingezeichnet ist, wobei angenommen wird, daß diese Spannung UST beim Aufheizen zunächst linear ansteigt.
Beim Aufheizen der Heizelemente wird die Differenzspannung zwischen dem Sollwertgeber und dem IST-Wert-Fühler immer kleiner, so daß sich die Steuerspannung UST vergrößert.
Der Nullpunktschalter N kann den Leistungsschalter TR1 immer dann durchsteuern, wenn bei einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung der Augenblickswert der Steuerspannung größer oder gleich ist dem Augenblickswert der sägezahnartigen Spannung. Durch die sie vergrößernde Steuerspannung wird also nach einer bestimmten Heizzeit pro Sägezahnabschnitt der Leistungsschalter immer später durchgesteuert.
In Fig. 4 ist punktiert der Verlauf der Netzspannung in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei in voll ausgezogenen Linien dargestellt ist, wenn der Schalter TR1 durchgeschaltet ist, d.h. das Heizelement R1 sich erwärmt.
Wie aus den beispielhaften Skizzen hervorgeht, umfaßt ein Sägezahnimpuls vier Perioden der Wechselspannung. Wie aus einem Vergleich der Fig. hervorgeht, wird, je größer die Steuerspannung ist, desto weniger der Schalter TR1 durchgesteuert ist, so daß sich das heizelement weniger erwärmt. Sobald nun die Steuerspannung genau so groß wie die größte Spannung des Sägezahnimpulses ist, wird der elektronische Schalter nicht mehr durchgesteuert,sondern der Schalter bleibt gesperrt, d.h., das Heizelement R1 erwärmt sich nicht weiter. Hierdurch liegt nunmehr parallel zum elektronischen Schalter TR1 die volle Netzspannung, so daß nun das wärmeabgebende Bauteil RH von Strom durchflossen wird und sich erwärmt. Da das Bauteil RH, wie gestrichelt angedeutet, in wärmeleitfähigem Kontakt mit den Steuerteilen T2, T3 liegt, erwärmen sich diese auch. Hierbei sind die Schalter T2 und T3 so ausgelegt, daß, sobald durch das Erwärmen des Bauteiles RH eine bestimmte Temperatur erreicht wird, das Steuerelement TII sich öffnet,so daß dann der elektronische Schalter TR2 ebenfalls gesperrt bleibt und das Heizelement R2 sich nicht weiter erwärmt. Wird schließlich eine noch höhere Temperatur erreicht, so öffnet auch das Steuerteil T3, so daß insgesamt in der Schaltungsanordnung die Heizelemente R1 bis R3 vom Strom getrennt sind.
Es sei hier noch nachgetragen, daß die Erwärmung des Bauteiles RH und somit der Steuerteile T2, T3 bereits dann beginnt, wenn das Heizelement R1 langsam abgeschaltet wird, d.h. wenn pro Sägezahnabschnitt verspätet der Leistungsschalter durchgesteuert wird.
Auch wenn die Heizelemente R1 bis R3 vom Strom getrennt sind, wird der Steuerteil RH noch weiter vom Strom durchflossen, wobei trotz Aufheizung durch die besondere Auslegung des Bauteiles nur ein äußerst minimaler Stromverbrauch auftritt und das Bauteil RH eine bestimmte Temperatur nicht überschreitet.
Sobald nunmehr die Temperatur am IST-Wert-Fühler RI absinkt und eine Differenzspannung und somit eine Steuerspannung auftritt, erhält der Schalter TR1 wieder eine Zündspannung und das Heizelement R1 liegt wieder an Netzspannung. So lange dann das Heizelement R1 an der Netzspannung liegt, fließt kein Strom mehr durch das Bauteil RH, so daß dieses sich langsam abkühlen kann, wobei je nach Dauer und Absinken unter eine bestimmte Temperatur die Steuerteile TII, TIII sich wieder schließen, und somit die Heizelemente R2 und R3 wieder eingeschaltet sind.
Sollte die Aufheizung des Heizelementes nur von kurzer Dauer sein, um Temperaturwert am IST-Wert-Fühler in Bezug auf die Temperatur im Soll-Wert-Fühler ausgleichen zu können, und die in Fig. 4 dargestellte abwechselnde Ein- undAusschaltung des Heizelementes R1 auftreten, so verliert der Bauteil RH u.U. nicht genügend Wärme und die Schalter TR2 und TR3 halten keine Zündspannung, so daß sie nicht durchgesteuert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist die Schaltungsanordnung nur zwei Heizelemente auf. Im GEgensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegt nunmehr das wärmeabgebende Bauteil RH parallel dem Heizelement R1. Das Steuerteil TII ist nunmehr als Schließer ausgebildet. Sobald der elektronische Schalter TR1 durchgesteuert ist, erwärmt sich wiederum der Widerstand RH und somit der Schalter TII. Ab einer bestimmten Temperatur schließt das Steuerteil T2, so daß der Schalter TR2 durchgesteuert wird und auch das Heizelement R2 mit Strom versorgt wird. Sollte nunmehr die im IST-WertFühler gemessene Temperatur gleich der am Sollwertgeber eingestellten Temperatur sein, so wird der Schalter TR1 wiederum gesperrt, so daß sowohl durch das Heizelement R1 als auch durch de Bauteil RH kein Strom mehr fließt, lediglich fließt noch ein Strom durch das Heizelement R2. Hierdurch kann aber nunmehr der Bauteil RH und somit das Steuerteil TII abkühlen, so daß schließlich das Steuerteil T2 in seinen Öffnungszustand wiederum übergeht. Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, daß bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine langsame Abschaltung des Heizelementes RI eintritt, da, je geringer die Differenzspannung bzw. je größer die Steuerspannung ist, der Schalter TR1 immer weniger eingeschaltet wird.
Weiter sei noch vorgetragen, daß bei den dargestellten Ausführungsbeispielen angenommen wurde, daß ein Sägezahnimpuls vier Perioden der Wechselspannung umfaßt. Es sei hier bemerkt, daß selbstverständlich der Sägezahnimpuls auch eine größere Länge aufweisen kann, so daß bedeutend mehr Perioden umfaßt werden. Hierdurch wird die Abschaltung feinstufiger.
Wie bereits erwähnt, sind die dargestellten Schaltungsanordnungen für ein Heizgerät nur eine beispielsweise Verwirklichung der Erfindung. Diese ist nicht darauf beschränkt. Vielmehr sind noch mancherlei andere Anwendungen und Änderungen möglich. Bei einem einfachen Ausführungsbeispiel könnte statt des Nullpunktschalters mit dem elektronischen Leistungsschalter ein herkömmlicher Thermoschalter genommen werden, der auf eine bestimmte Temperatur einstellbar ist. Wiederum würde aber bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nach jedem Abschalten des Heizelementes R1 eine Aufheizung des Steuerteiles RH beginnen und somit die weitere Abschaltung der Steuerteile TII und TIII einleiten. Statt der dargestellten Ansteuerung für die Leistungsschalter TR2 und TR3 könnte auch für jeden dieser Schalter ein Nullpunktschalter verwendet werden, so daß die Einschaltung der weiteren Heizelemente nur im Nulldurchgang der Wechselspannung erfolgen würde. Weiter könnte die Ein- und Ausschaltung der einzelnen Stromverbraucher statt über die elektronischen Schalter unmittelbar über die Steuerteile erfolgen, hierbei könnten die iteuerteile als mechanischer Schalter, wie Thermoschalter oder als Halbleiterelement, wie Heiß- oder Kaltleiter ausgebildet sein. Darüberhinaus könnte die gezeigte Schaltungsanordnung auch bei anderen elektrischen Geräten verwendet werden, beispielsweise bei einer Pumpenanordnung, um so beispielsweise zunächst mit einer Anzahl von Wasserpumpen den Flüssigkeitsspiegel zu senken, wobei schließlich dann zur Konstanthaltung der Höhe des Wasserspiegels nur noch eine Pumpe in Betrieb wäre. Es sei weiter noch darauf hingewiesen, daß statt der Wärmekupplung zwischen dem wärmeabgebenden Bauteil und dem Steuerteil des weiteren Leistungsschaltkreises auch die Differenzspannung zwischen Sollwertgeber und IST-Wert-Fühler unmittelbar zur Steuerung der weiteren Heizelemente verwendet werden.
Leerseite

Claims

Kennwort "Wärmekupplung" Ansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Steuerung eines elektrischen Gerätes, wie Heizgerät, Klimagerät, Haartrockner, Lüftermotor, Pumpe odOdglO, das einen Stromverbraucher, wie Heizelement od.dgl aufweist, der über einen Leistungsschaltkreis in Abhängigkeit eines wärmeempfindlichen Steuerteiles ein-oder ausschaltbar ist, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltungsanordnung wenigstens einen weiteren Leistungsschaltkreis (II, III,) umfaßtgüber den ein zweiter Stromverbraucher (R2, R3) des elektrischen Gerätes in Abhängigkeit der Ein- oder Ausschaltzeit des ersten Stromverbrauchers (R1) regelbar ist 2 Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des weiteren Stromverbrauchers (R2, R3) im weiteren Leistungsschaltkreis (II, III) jeweils ein wärmeempfindlicher Steuerteil (TII, TIII) vorgesehen ist, der über eine Wärmeleitung mit einem im ersten Leistungsschaltkreis (I) angeordneten wärmeabgebenden Bauteil (RH) kuppelbar ist 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeabgebende Bauteil (RH) einen Ohm'schen Widerstand umfaßt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeabgebende Bauteil (RH) parallel einem für den ersten Stromverbraucher (R1) vorgesehenen Leistungsschalter (TR1) angeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzichnet, daß das wärmeabgebende Bauteil (RH) parallel dem ersten Stromverbraucher (R1) liegt.

6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabgebende BAuteil (RH) einen temperaturabhängigen Widerstand umfaßt.

7. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Steuerteil (TII, TIII) als mechanischer Thermoschalter, wie auf Wärme ansprechender öffner oder Schließer, ausgebildet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Steuerteil (TII, TIII) als ein bei einer bestimmten Temperatur seinen Widerstandswert sprunghaft verändernder Halbleiterwiderstand, wie Heiß-oder Kaltleiter, ausgebildet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einschaltung wenigstens des ersten Stromverbrauchers (R1) ein Nullpunktschalter (N) vorgesehen ist.