DE3414946C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Regeln einer be
stimmten Temperatur eines Heizelements nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Eine derartige Regelschaltung zur Regelung der Temperatur
eines Heizelements ist aus der US-PS 42 36 064 bekannt.
Diese bekannte Regelschaltung umfaßt ein Heizelement, fer
ner einen Fühler zum Fühlen einer Temperatur des Heizele
ments, einen Verstärker, dessen erster Eingang mit
einem Ausgang des Fühlers versorgt wird und an dessen zwei
ten Eingang wenigstens eine erste Bezugsspannung angelegt
wird, um das Heizelement auf einer vorbestimmten Temperatur
zu halten.
Aus der US-PS 35 53 429 ist eine Temperatursteuerschaltung
bekannt, die auf der Verwendung von Wechselstrom basiert,
wobei aber die Wechselstromversorgung aus einer einzigen
Quelle stammt, d. h. die Spannung der Wechselstromquelle
ist nicht umschaltbar. Bei dieser bekannten Schaltungs
anordnung wird einer Vergleichsstufe bzw. einem
Verstärker einerseits ein die Temperatur eines Heizele
ments wiedergebendes Signal und andererseits eine Bezugs
spannung eingegeben und daraus ein Signal abgelei
tet, welches zur Steuerung des Leitwertes eines Verstär
kerelements verwendet wird, welches in Reihe mit dem Heiz
element in einem Wechselstromkreis liegt.
In einem Farbstrahldrucker wird im allgemeinen ein Heiz
element zum Regeln der Temperatur der Farbe verwendet, welche von einem Kopf mit einer vorbe
stimmten, entsprechenden Temperatur ausgestoßen wird.
Eine herkömmliche Schaltung zum Ansteuern des Heizelements
weist einen Fühler oder Sensor, welcher auf eine Tempera
tur des Heizelements anspricht, einen Fehlerverstärker,
dessen invertierender Eingang mit einem Ausgang des Füh
lers versorgt wird, und dessen nichtinvertierender Ein
gang wahlweise mit einer verhältnismäßig hohen Bezugs
spannung, welche an den Heizer währen der Aufbau- bzw.
Aufheizzeit des Heizers angelegt wird, und mit einer Be
zugsspannung versorgt wird, die an den Heizer angelegt
wird, um die Farbe auf der entsprechenden Temperatur zu
halten, und einen Ausgangstransistor auf, an dessen Basis
eine Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers angelegt wird,
dessen Kollektor mit einer Energiequelle verbunden ist und
dessen Emitter mit dem Heizelement verbunden ist.
In der Heizelement-Ansteuerschaltung der vorstehend be
schriebenen Ausführung wird etwas Wärme beim Aufheizen
des Heizelements erzeugt, da der Ausgangstransistor nur
wenig Energie bei der Aufbaustufe verbraucht. Solange das
Heizelement jedoch unter stationären oder normalen Be
triebsbedingungen arbeitet, um die entsprechende Farb
temperatur aufrechtzuerhalten, ist der Abfall am Kollek
tor des Transistors groß, so daß eine beträchtliche Wär
me erzeugt wird, wodurch der Energieverbrauch größer wird.
Daher muß eine Wärmesenke vorgesehen sein, und somit ein
zusätzlicher Raum, um diese unterzubringen, was dann eine
insgesamt sperrige und teuere Ausführung zur Folge hat.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
eine Regelschaltung zum Regeln der Temperatur eines Heiz
elements der angegebenen Gattung zu schaffen, durch wel
che die Verlustenergie, welche in den Steuerelementen zur
Ansteuerung des Heizelements auftritt, sowohl während der
Aufheizphase als auch während der Konstanthaltephase stark
reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeich
nungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltung wird
erreicht, daß die Verlustleistung nahezu auf Null reduziert
werden kann, was zur Folge hat, daß der betreffende Aus
gangstransistor bei der Schaltung nach der Erfindung nicht
mehr auf einem Kühlkörper montiert werden braucht, so daß
dadurch auch Platz und Raum eingespart werden kann.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 eine elektrische Schaltung einer
herkömmlichen Heizelement-Ansteuerschaltung
zum Steuern der Farbtemperatur in einem
Farbstrahldrucker;
Fig. 2 eine Schaltung zum Regeln einer bestimmten
Temperatur eines Heizelements mit Merkmalen nach der
Erfindung, und
Fig. 3 ein der Fig. 2 ähnliche Regel-Schaltung
einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfin
dung.
Bevor die Erfindung im einzelnen näher beschrieben wird,
wird zuerst eine herkömmliche, in Fig. 1 dargestellte
Heizelement-Ansteuerschaltung beschrieben, die in einem
Farbstrahldrucker untergebracht ist. Die in ihrer Gesamt
heit mit 10 bezeichnete Heizelement-Ansteuerschaltung weist
einen Fühler 12 zum Fühlen einer Temperatur
eines Heizelements 14 auf. Der Ausgang des Heizelement-
Temperaturfühlers 12 wird zu einem invertierenden Eingang
eines Verstärkers 16 weitergeleitet. Die Ausgangs
spannung des Verstärkers 16 wird wiederum an eine
Basis eines Ausgangstransistors 18 angelegt, welcher einen
Emitterfolger darstellt. Der Kollektor des Ausgangstran
sistors 18 ist mit einer Spannungsquelle von +24 V und
sein Emitter ist mit dem Heizelement 14 verbunden. Der nicht
invertierende Eingang des Verstärkers 16 ist mit
einem beweglichen Kontakt 20 m eines Schalters 20 verbunden.
Eine Bezugsspannung Vref 1, die notwendig ist, um dem Heizelement
14 in der Aufbauphase viel Energie zuzuführen, ist an
einem festen Kontakt 20 f 1 des Schalters 20 angelegt, während
eine Bezugsspannung Vref 2, die notwendig ist, um das Heizelement
12 während eines stationären oder normalen Betriebs auf
einer vorbestimmten Temperatur zu halten, an den anderen
feststehenden Kontakt 20 f 2 angelegt wird. Im allgemeinen
ist eine Leistung von etwa 10 W während einer Aufheizphase
des Heizelements 12 und eine Leistung von etwa 2 bis 3 W für
einen stationären Betrieb erforderlich. Wenn die Versor
gungsspannung mit ihrer vollen Größe (von beispielsweise
23 V) verwendbar ist, dann beträgt der Widerstand des Heiz
elements 14 etwa 53 Ω und somit ist eine von dem Transistor
18 verbrauchte Leistung von etwa 0,4 W gering, so daß dies
kaum eine Wärmeerzeugung zur Folge hat. Während eines
stationären Betriebs (bei welchem 3 W verbraucht werden
sollen) erfordert jedoch das Heizelement 14 nur 12,6 V,
so daß eine Spannung von etwa 12 V zwischen dem Kollektor
und dem Emitter des Transistors 18 angelegt ist. Folglich
fließt ein Strom von etwa 0,24 A durch den Transistor 18,
was zu einem Verlust am Kollektor von etwa 2,9 W führt.
Die sich ergebende beträchtliche Wärme, die durch den
Transistor erzeugt worden ist, muß dann mit Hilfe einer
Wärmesenke aufgenommen bzw. abgeführt werden.
Anhand von Fig. 2 und 3 werden zwei Ausführungsformen mit Merkmalen nach der
Erfindung beschrieben, welche den vorstehend beschriebenen
Nachteil nicht mehr aufweisen. In Fig. 2 ist eine in ihrer
Gesamtheit mit 30 bezeichnete Regelschaltung
gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt.
In Fig. 2 sind gleiche oder ähnliche Bauelemente wie die
jenigen, welche in Fig. 1 dargestellt sind, mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist
die Regelschaltung 30 zwei Ausgangstransisto
ren 32 und 34 auf, an deren Basis jeweils eine Ausgangs
spannung V 1 eines Verstärkers 16 angelegt ist. Der
Kollektor des Transistors 34 ist mit einer Spannungsquelle
von +24 V verbunden, und sein Emitter ist mit dem Kollektor
des Transistors 32 verbunden. Der Emitter des Transistors
32 ist mit einem Heizelement 14 verbunden. Eine Verbindungs
stelle A zwischen dem Emitter des Transistors 34 und dem
Kollektor des Transistors 32 ist über eine Diode 36 mit
einer Spannungsquelle von +15 V verbunden. Um die Beschrei
bung zu vereinfachen, ist angenommen, daß die Diodenspan
nungen VB 1 und VB 2 und die Kollektor-Sättigungsspannung
Vce der Transistoren 32 und 34 im allgemeinen 1 V ist.
Die Ausgangsspannung V 1 des Verstärkers 16 soll nun
mehr ansteigen, bis sie 14 V erreicht. Dann wird eine Span
nung von 13 V an das Heizelement 14 angelegt, da die Dioden
spannung des Transistors 32 und die Kollektorsättigungs
spannung V ce normalerweise 1 V sind. Da die Diodenspannung
Vb 2 des Transistors 34 inzwischen 0 V ist, ist der Tran
sistor 34 nichtleitend gehalten, so daß ein Strom dem Heiz
element 14 von der +15 V-Energiequelle zugeführt wird. Bei
einem zusätzlichen Anstieg der Spannung V 1 auf 14,5 V er
reicht der Transistor 32 die Sättigung, wodurch die an das
Heizelement 14 angelegte Spannung unverändert, d. h. bei
13 V gehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt bleibt der Tran
sistor 34 noch in dem nichtleitenden oder gesperrten Zu
stand, da seine Diodenspannung Vb 2 0,5 V ist. Wenn die
Spannung V 1 weiter auf 15 V erhöht wird, beginnt der Tran
sistor 34 leitend zu werden, wodurch sich die an das Heiz
element angelegte Spannung von 13 V auf 15 V ändert. Auf
diese Weise ist die in Fig. 2 dargestellte Schaltung wirk
sam, um den Energieverlust beachtlich herabzusetzen.
Anhand von Fig. 3 wird eine in ihrer Gesamtheit mit 40
bezeichnete, zweite Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung beschrie
ben. In Fig. 3 sind dieselben oder ähnliche Bauelemente
wie diejenigen, welche in Fig. 2 dargestellt sind, mit
den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Regelschaltung
40 ist eine Reihenschaltung aus Dioden
42 und 44 zwischen den Ausgangsanschluß des Verstärkers
16 und die Basis des Transistors 32 geschaltet. Eine Diode
46 ist zwischen den Ausgangsanschluß des Verstärkers
16 und die Basis des Transistors 34 geschaltet. Ferner ist
ein Widerstand 48 zwischen den Verbindungspunkt zwischen der
Diode 46 und der Basis des Transistors 34 und den Verbindungs
punkt zwischen dem Emitter 32 des Transistors 34 und dem
Kollektor des Transistors 32 geschaltet.
Wenn nunmehr die Ausgangsspannung V 1 des Verstärkers
16 14 V ist, wird durch den Einfluß der Diodenspannungen der
Dioden 42 und 44 und der Diodenspannung Vb 1 des Transistors
32 eine Spannung von 11 V an das Heizelement 14 angelegt.
Da zu diesem Zeitpunkt die Diode 46 nicht leitend ist, ist
die Diodenspannung Vb 2 des Transistors 34 0 V, so daß auch
der Transistor 34 in dem nichtleitenden oder gesperrten Zu
stand verbleibt. Bei einem Anstieg der Spannung V 1 auf 14,5 V
bleibt der Transistor 34 noch nicht leitend, da die Heiz
elementspannung 11,5 V ist und die Diodenspannung Vb 2 des
Transistors 34 0,5 V ist. Bei einem weiteren Anstieg der
Spannung V 1 auf 15 V, nimmt die Heizelementspannung auf 12 V
zu, und die Diodenspannung Vb 2 des Transistors 34 steigt
auf 1 V an, worauf dann der Transistor 34 leitend zu werden
beginnt. Wenn die Spannung V 1 auf 16 V angestiegen ist, wird
die Heizelementspannung 13 V, und der Transistor 34 wird voll
ständig leitend, wodurch dann das Heizelement 14 sowohl von
der +24 V-Energiequelle als auch von der +15 V-Energiequelle
versorgt wird. Ein weiteres Ansteigen der Spannung V 1 auf
20 V führt zu einer Heizelementspannung von 17 V, macht die
Spannung an dem Verbindungspunkt A 18 V und sperrt die Diode
16, wodurch dann die Zufuhr von der +15 V-Energiequelle zu
dem Heizelement 14 abgeschaltet wird. Durch eine Regelschaltung
mit dem vorstehend beschriebenen
Aufbau wird der Leistungsverlust bei dem stationären Betrieb
auf (14 V-12,6 V) × 0,24 A = 0,34 W verringert, und dadurch
wird eine Wärmeerzeugung unterdrückt, so daß die Notwendig
keit eines speziellen Kühlkörpers bzw. einer Wärmesenke
u. ä. entfällt.
Die Dioden 42, 44 und 46 sind Niveauverschiebungsdioden,
und ihre Anzahl hängt von den verwendeten Transistoren ab
und ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform be
schränkt. Der Widerstand 48 dient dazu, den Transistor 34
zu sperren, um ihn (34) sicher abzuschalten und kann daher
in gewissen Anwendungsfällen entfallen. Die Diode 36 wird
verwendet, um zu verhindern, daß ein Strom in die +15 V-
Energiequelle fließt, wenn die Energiequelle auf die
+24 V-Energiequelle geschaltet wird. Obwohl bevorzugte Aus
führungsformen mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt und beschrieben
sind, wobei bestimmte numerische Werte angegeben sind,
ist es für den Fachmann offensichtlich, daß dies keine
Beschränkung ist sondern nur zur Erläuterung dient.
Gemäß der Erfindung ist somit eine Regelschaltung
geschaffen, welche den Energieverlust an einem
Ausgangstransistor während eines stationären Betriebs
des Heizelements herabsetzt, welche eine hinreichend große
Energie bei einem Aufbau bzw. bei einem Aufheizen des
Heizelements liefert und eine lineare Temperatursteuerung
bewirkt.
Claims (3)
1. Schaltung zum Regeln einer bestimmten Temperatur
eines Heizelements, mit einem Fühler zum Erfassen der
Ist-Temperatur des Heizelements, einem Verstärker, des
sen erster Eingang mit einem Ausgang des Fühlers ver
bunden ist, und an dessen zweiten Eingang wenigstens
eine erste Bezugsspannung als Sollwert angelegt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Bezugsspannung zwischen einem ersten und einem zweiten Wert umschaltbar ist, und
- b) eine Reihenschaltung aus zwei Ausgangstransistoren (32, 34) an den Ausgang des Verstärkers (16) ange schaltet ist, wobei jeder Ausgangstransistor mit einer eigenen Spannungsquelle (15 V, 24 V) verbunden ist, derart, daß während einer Aufheizphase an das Heizelement (14) eine höhere Spannung und während einer Warmhaltephase an das Heizelement (14) eine niedrigere Spannung angelegt wird, wobei zur Aus wahl der jeweiligen Spannungsquelle (15 V, 24 V) je der der Ausgangstransistoren (32, 34) einzeln vom Verstärker (16) ansteuerbar ist.
2. Regelschaltung nach Anspruch 1, gekenn
zeichnet durch mindestens einer Diode (46), wel
che zwischen dem Ausgang des Verstärkers (16) und dem
Steuereingang des ersten Ausgangstransistors (34) ge
schaltet ist.
3. Regelschaltung nach Anspruch 1, gekenn
zeichnet durch zwei Dioden (42, 44), welche in
Reihe zwischen dem Ausgang des Verstärkers (16) und dem
Steuereingang des zweiten Ausgangstransistors (32) ge
schaltet sind.
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |