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Schaltungsanordnung zur Regelung der Temperatur eines elek-
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trischen Heizelements Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Regelung der Temperatur eines elektrischen Heizelements, welches in Reihe mit
mindestens einem Thyristor in einem elektrischen Stromkreis liegt, bei welcher der
zur Steuerelektrode des Thyristors fließende Strom durch einen temperaturabhängigen
Widerstand steuerbar ist und welche einen als Sollwertgeber dienenden, verstellbaren
ohmschen Widerstand (Potentiometer) aufweist.
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Heizelemente, deren Temperatur mit der Schaltungsanordnung nach der
Erfindung geregelt werden soll, können für die unterschiedlichsten Zwecke eingesetzt
werden. Wichtig ist nur, daß die vom Heizelement gesteuerte Wärme in irgendeiner
Weise vom temperaturabhängigen Widerstand erfaßt wird. Bevorzugtes Einsatzgebiet
der Schaltungsanordnung ist die Raumheizung. Sie kann jedoch beispielsweise auch
zum Betrieb der Heizung von Kraftfahrzeugen oder auch für Brutapparate eingesetzt
werden.
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Bei bekannten Schaltungsanordnungen wird der Stromkreis, in dem das
Heizelement liegt, beispielsweise über einen Raum-
thermostaten
geschlossen und wieder geöffnet. Bei empfindlichster Ausführung bekannter Raumthermostaten
läßt sich die Temperatur mit einer Genauigkeit von + O,50C regeln.
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Der Raumthermostat schaltet schon beim Hochlaufen einer Heizungsanlage
und auch während des Betriebs derselben ständig ein und aus. Trotz eines relativ
guten Regelergebnisses haben diese bekannten Anordnungen also Nachteile, da der
Schalter des Raumthermostaten sehr oft betätigt wird und dadurch einem Verschleiß
ausgesetzt sind. Außerdem kann der Schalter Störungen bei Empfangsgeräten hervorrufen.
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Auf dem Markt sind auch Geräte mit einer Schaltungsanordnung erhältlich,
wie sie eingangs beschrieben ist. Solche Geräte werden als "Elektronische Regler"
bezeichnet. Abweichungen von der vorgegebenen Solltemperatur erzeugen am temperaturabhängigen
Widerstand Spannungsänderungen, die nach Verstärkung entweder ein Ausgangsrelais
oder ein Triac (zwei antiparallele Thyristoren) schalten. Auch bei dieser bekannten
Schaltungsanordnung wird also geschaltet, was zu erheblichen Störungen von Empfangsgeräten
führen kann, und die Regelgenauigkeit ist nicht größer als bei Anordnungen mit Raumthermostat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
anzugeben, mit der die Temperatur eines elektrischen Heizelements ohne störende
Schaltvorgänge mit größerer Genauigkeit geregelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs geschilderten
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, - daß der temperaturabhängige Widerstand
und der ohmsche Widerstand in einem zweiten Stromkreis als Spannungsteiler geschaltet
sind, - daß der zweite Stromkreis aus einer Konstantspannungsquelle gespeist wird,
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daß die Steuerelektrode des Thyristors mit dem einen Pol der Konstantspannungsquelle
verbunden ist und - daß an den Teilerpunkt des Spannungsteilers mindestens ein Transistor
mit seiner Basis angeschlossen ist, dessen Emitter an Masse liegt, während sein
Kollektor mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist.
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Durch das Zusammenwirken des im Spannungsteiler liegenden temperaturabhängigen
Widerstandes - im folgenden nur noch kurz "Fühler" genannt - und des am Teilerpunkt
angeschlossenen Transistors ergibt sich eine schon auf kleinste Temperaturänderungen
reagierende Schaltungsanordnung. Die am Sollwertgeber eingestellte Temperatur kann
mit dieser 0 Schaltungsanordnung mit einer Genauigkeit von + 0,1°C geregelt werden.
Die hier für die Zündung des Thyristors verwendete Gleichspannungszündung führt
dazu, daß der Thyristor immer genau im Nulldurchgang des über das Heizelement fließenden
Laststroms gezündet wird, so daß Störungen von Empfangsgeräten ausgeschlossen sind.
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Die Genauigkeit der Temperaturregelung mit dieser Schaltungsanordnung
wird umso größer, je größer die Masse der Heizung ist (Speichereffekt). Mit Vorteil
läßt sich die Schaltungsanordnung daher bei Radiatoren und Fußbodenheizungen anwenden.
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Von ganz besonderem Vorteil ist die Schaltungsanordnung dann, wenn
als Heizelement ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten verwendet wird.
Die Eigenschaften von Thyristor und PTC-Widerstand ergänzen sich so hervorragend,
daß das Einschalten eines solchen Heizelements, das bei niedriger Temperatur einen
niedrigen Widerstand hat, nicht zu hohen Einschaltströmen führt. Der vom Haibleiterbauteil
"Thyristor" nach dem Zünden durchgelssene Strom steigt nämlich nur allmählich an,
wobei der PTC-Widerstand jedoch schon erwärmt wird. Er wird
durch
die Erwärmung schnell hochohmig und begrenzt dann seinerseits den im Stromkreis
fließenden Strom, wenn der Thyristor als steuerbares Halbleiterventil den vollen
Strom durchläßt. Mit dieser Schaltungsanordnung können daher PTC-Widerstände - unabhängig
von ihrer Leistung -ohne zusätzliche Schaltungsmaßnahmen direkt eingeschaltet und
in ihrer Temperatur geregelt werden.
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Die Empfindlichkeit der Regelung und damit deren Genauigkeit wird
auch durch die Art des Fühlers mitbestimmt. Als besonders günstig hat sich der Einsatz
eines Germaniumtransistors als Fühler herausgestellt, der mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke
im zweiten Stromkreis liegt und dessen Basis potentialfrei bleibt. Ein solcher Fühler
reagiert insbesondere wegen seiner geringen Masse sehr empfindlich schon auf kleinste
Temperaturänderungen, auch auf Wärmestrahlung.
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Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen
dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung die Schaltungsanordnung
nach der Erfindung.
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Fig. 2 in einem Ausschnitt die Anwendung der Schaltungsanordnung zur
Beeinflussung eines Stellantriebs.
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Fig. 3 eine Variante der Schaltung für den am Teilerpunkt angeschlossenen
Transistor.
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Fig. 4 eine Variante für den im Stromkreis des Heizelements liegenden
Thyristor.
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Mit 1 ist eine Wechselspannungsquelle bezeichnet, bei welcher es sich
beispielsweise um das 220 V-Wechselstromnetz handelt Die Wechselspannungsquelle
1 speist einen Stromkreis a, in welchem ein Heizelement 2 und ein Thyristor 3 hintereinander
angeschlossen sind. Als EIcXizelemcnt 2 ist prinzipiell jedes
bekannte
Bauteil geeignet, das elektrischen Strom in Wärme umsetzt. Vorzugsweise handelt
es sich bei dem Heizelement 2 um einen PTC-Widerstand. In dem Stromkreis a kann
auch eine Brückenschaltung (Graetz) angeordnet sein, mittels derer beide Halbwellen
des im Stromkreis fließenden Wechselstroms (Laststrom) durch den Thyristor 3 ausgenutzt
werden können.
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An die Wechselspannungsquelle 1 ist weiterhin eine Konstant-.
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spannungsquelle 4 angeschlossen, welche eine konstante Spannung von
beispielsweise 12 V liefert und von welcher ein zweiter Stromkreis b ausgeht. In
dem Stromkreis b liegen ein verstellbarer ohmscher Widerstand 5 und ein Fühler 6,
bei welchem es sich um einen temperaturabhängigen Widerstand handelt. Der eine Pol
der Konstantspannungsquelle 4 ist über einen ohmschen Widerstand 7 mit der Steuerelektrode
8 des Thyristors 3 verbunden. Statt des Wortes "Steuerelektrode" wird im folgenden
der Einfachheit halber das Wort "Gate" verwendet. An den Teilerpunkt 9 des aus Widerstand
5 und Fühler 6 gebildeten Spannungsteilers ist die Basis eines Transistors 10 angeschlossen,
dessen Emitter an Masse 11 liegt, während sein Kollektor an das Gate 8 des Thyristors
3 angeschlossen ist.
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Am Widerstand 5 kann die Temperatur eingestellt werden, die geregelt
werden soll. Er dient somit als Sollwertgeber. Als Fühler 6 können beliebige temperaturabhängige
Widerstände oder auch Dioden eingesetzt werden. Als besonders zweck mäßig hat sich
wegen seiner großen, schon bei kleinsten Temperaturänderungen wirksamen Empfindlichkeit
ein Germaniumtransistor herausgestellt, dessen Basis offen bleibt und der mit seiner
Emitter-Kollektor-Strecke in den Stromkreis b eingeschaltet wird. Die Entfernung
zwischen dem Widerstand 5 und dem Fühler 6 ist beliebig. Sie kann mehrere Meter
betragen.
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Statt des einen Transistors 10 kann an den Teilerpunkt 9 auch eine
Verstärkerschaltung (Darlington Schaltung) aus mindestens zwei Transistoren 10 und
10' entsprechend Fig. 3 angeschlossen werden. Statt des Thyristors 3 kann auch ein
sogenanntes Triac 12 nach Fig. 4 eingesetzt werden.
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Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird im
folgenden anhand der Fig. 1 und 2 am Beispiel eines Stellantriebs erläutert: Das
Heizelement 2 soll zur Beheizung eines temperaturabhängigen Dehnkörpers 13 verwendet
werden, der das Ventil 14 einer Warmwasserheizungsanlage über einen Bolzen 15 in
Richtung des Doppelpfeiles 16 hin- und herbewegen kann. Mit entsprechender Mechanik,
die bekannt und daher nicht dargestellt ist, kann das Ventil 14 bei Erwärmung des
Dehnkörpers 13 entweder geöffnet (DE-OS 31 40 472) oder geschlossen (DE-OS 29 17
506) werden. In der folgenden Erläuterung wird die Variante geschildert, bei welcher
das Ventil 14 bei Erwärmung des Dehnkörpers 13 geöffnet wird und damit die Heizung
einschaltet. Im umgekehrten Fall würde das Ventil geschlossen werden, wodurch die
Heizung abgeschaltet würde.
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Beim Einschalten der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 durch Schließen
des Schalters 17 erhält das Gate 8 des Thyristors 3 einen so hohen Strom, daß der
Thyristor gezündet und damit stromdurchlässig wird. Der Thyristor 3 wird zwar beim
Nulldurchgang des Laststroms im Stromkreis a jeweils wieder gesperrt, jedoch ist
der zum Gate 8 fließende Steuerstrom so hoch, daß er jedesmal sofort wieder gezündet
wird.
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Das Heizelement 2 wird durch den Laststrom erwärmt, wodurch auch der
Dehnkörper 13 erwärmt wird und sich ausdehnt. Er öffnet dadurch das Ventil 14 und
gibt die Warmwasserzufuhr frei. Der Raum, in dem sich auch der Fühler 6 befindet,
wird dadurch erwärmt. Voraussetzung für den geschilderten Vorgang
ist,
daß in dem zu beheizenden Raum eine niedrigere Temperatur herrscht, als sie am Widerstand
5 eingestellt ist.
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Der Transistor 10 ist dabei gar nicht oder nur gering stromdurchlässig.
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Mit steigender Temperatur im Raum wird der Fühler 6 mehr und mehr
erwärmt. Er ändert dadurch kontinuierlich, proportional zur Temperatursteigerung
seinen elektrischen Widerstandswert, wodurch das Potential am Teilerpunkt 9 des
Spannungsteilers verschoben wird. Damit ändert sich das Potential an der Basis des
Transistors 10, welcher stromdurchlässig wird bzw. dessen Stromdurchlässigkeit größer
wird. Der über den Widerstand 7 fließende Strom wird dadurch mehr und mehr über
den Transistor 10 abgeleitet. Bei einer bestimmten Basisspannung des Transistors
10 wird der Steuerstrom gegen Masse 11 kurzgeschlossen. Es wird dadurch verhindert,
daß der Thyristor 3 nach seiner Sperrung wieder gezündet wird. Im Stromkreis a fließt
dadurch kein Strom mehr und das'Heizelement 2 kühlt ab. Der Dehnkörper 13 geht dadurch
in seine Ausgangsstellung zurück und das Ventil 14 wird geschlossen.
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Da die Warmwasserzufuhr unterbrochen ist, sinkt die Temperatur im
Raum ab. Dadurch ändern sich der Widerstandswert des Fühlers 6 und das Potential
am Teilerpunkt 9.
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Der Kurzschluß des Gates 8 wird aufgehoben und der Thyristor 3 wird
wieder gezündet. Der zeitliche Abstand zwischen Kurzschluß des Gates 8 über den
Transistor 10 und Freigabe desselben zur Zündung hängt von der Empfindlichkeit des
Fühlers 6 und von der Empfindlichkeit der Bauteile der Schaltungsanordnung ab, welche
die Widerstandsänderungen des Fühlers 6 bezüglich des Steuerstroms auswerten. So
kann die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung dadurch wesentlich erhöht werden,
daß die Widerstandsänderungen des Fühlers 6 auf den durch den Transistor 10 zur
Masse 11 gegebe-
nen Strompfad verstärkt übertragen werden. Dies
kann -wie schon weiter oben erwähnt - durch den Einsatz mehrerer Transistoren 10,
10' in einer sogenannten Darlington Verstärkerschaltung (Fig. 3) erreicht werden.
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Die gleiche Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist gegeben, wenn
das Heizelement 2 zur Direktbeheizung eines Raumes verwendet wird. Besonders vorteilhaft
ist dann der Einsatz von Heizelementen mit positivem Temperaturkoeffizienten, sogenannten
PTC-Widerständen.
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