DE3425831A1

DE3425831A1 - Heating device

Info

Publication number: DE3425831A1
Application number: DE19843425831
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7813 Staufen Buchmann; Uwe 7816 Münstertal Höfling
Original assignee: Janke & Kunkel KG
Current assignee: Janke & Kunkel KG
Priority date: 1984-07-13
Filing date: 1984-07-13
Publication date: 1986-01-16

Abstract

A heating device for laboratory apparatuses has an actuating element consisting of a parallel circuit of at least one electromechanical switch (9) and at least one semi-conductor switch (10). These two parallel-connected switches are driven by means of a controller or actuator in such a manner that the switching-on time and the switching-off time of the electromechanical switch (9) in each case occur within the switching-on phases of the semiconductor switch (10). In consequence, the life of the relay can be considerably increased and, at the same time, it also results in only a minimum power loss, and hence a small amount of heating of the actuating element, occurring. <IMAGE>

Description

Heizvorrichtung Heater

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für Laborgeräte, insbesondere für ein Heizbad zur Temperierung einer Badflüssigkeit od. dgl., wobei die Heizvorrichtung ein Stellglied zum Ein- und Ausschalten von der Heizung aufweist, das mit einem Steller oder Regler in Steuerverbindung steht.The invention relates to a heating device for laboratory equipment, in particular for a heating bath for controlling the temperature of a bath liquid or the like. The heating device has an actuator for switching on and off of the heater, which with a Actuator or controller is in control connection.

Solche Heizvorrichtungen haben häufig hohe Heizleistungen und es ergeben sich dementsprechend hohe Betriebsströme, die von dem Stellglied geschaltet werden müssen.Such heating devices often have high heating powers and result accordingly high operating currents that are switched by the actuator have to.

Bei Heizbädern od. dgl., bei denen die Temperaturkonstanz-Anforderungen vergleichsweise gering sind, kann als Schaltglied ein Relais eingesetzt werden, da dieses bei geringer Schalthäufigkeit eine ausreichende Lebensdauer aufweist bei gleichzeitig geringem übergangswiderstand und entsprechend geringer Verlustleistung. Trotzem ist -durch den hohen Heizstrom und die zu schaltende Spannung ein entsprechender Kontaktabbrand vorhanden.In heating baths or the like, where the temperature stability requirements are comparatively low, a relay can be used as the switching element, because this has a sufficient service life with low switching frequency at at the same time low contact resistance and correspondingly low power loss. Nevertheless, due to the high heating current and the voltage to be switched, a corresponding one Contact wear present.

Bei Heizbädern mit höheren Anforderungen an die Regelgenauigkeit und den dabei auftretenden häufigen Ein- und Ausschaltvorgängen werden als Stellglieder anstatt Relais Halbleiterschalter verwendet. Diese haben jedoch den Nachteil, daß durch die daran abfallende Restspannung entsprechend hohe, abzuführende Verlustleistungen auftreten, deren Abführen insbesondere dann problematisch ist, wenn bei hohen Umgebungstemperaturen gearbeitet wird. In der Praxis können insbesondere auch durch die kompakte Bauweise von Heizbädern Umgebungstemperaturen im Bereich des Stellgliedes bzw. von weiteren Steuereinrichtungen, von bis zu 800 C auftreten. Das notwendige Abführen der Verlustleistung ergibt dann in nachteiliger Weise eine noch weitere Erhöhung der Umgebungstemperatur.For heating baths with higher demands on the control accuracy and the frequent switch-on and switch-off processes that occur are used as actuators semiconductor switch used instead of relay. However, these have the disadvantage that due to the residual voltage dropping thereon, correspondingly high power losses to be dissipated occur, the removal of which is particularly problematic when at high ambient temperatures is being worked on. In the Practice can in particular also through the compact design of heating baths ambient temperatures in the area of the actuator or from other control devices, of up to 800 C occur. The necessary Dissipating the power loss then disadvantageously results in yet another Increase in the ambient temperature.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung is-t es, eine Heizvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der bei hoher Schalthäufigkeit zur Erzielung einer guten Regelgenauigkeit das Stellglied trotz dieser hohen Schalthäufigkeit eine lange Lebensdauer bei gleichzeitig geringer Verlustleistung aufweist.The object of the present invention is to provide a heating device of To create the type mentioned at the beginning, in the case of high switching frequency to achieve the actuator has good control accuracy despite this high switching frequency has a long service life with low power loss at the same time.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen, daß das Stellglied aus einer Parallelschaltung wenigstens eines elektromechanischen Schalters und wenigstens eines Halbleiter-Schalters besteht, und daß die Ansteuerung beider Schalter derart vorgesehen ist, daß jeweils der Einschalt- und der Ausschaltzeitpunkt des elektromechanischen Schalters innerhalb der Einschaltphase des Halbleiter-Schalters liegt.To solve this problem, it is proposed according to the invention in particular that that the actuator consists of a parallel connection of at least one electromechanical Switch and at least one semiconductor switch consists, and that the control both switches is provided in such a way that the switch-on and switch-off times of the electromechanical switch within the switch-on phase of the semiconductor switch lies.

Der Halbleiter-Schalter übernimmt somit im wesentlichen die Schaltfunktion, während der elektromechanische Schalter jeweils di.e Zwischenphase der Einschaltdauer übernimmt. Somit können die an sich gegensätzlichen Forderungen nach hoher Lebensdauer des Stellgliedes bei praktisch keiner Verlustleistung realisiert werden.The semiconductor switch essentially takes on the switching function, during the electromechanical switch the intermediate phase of the switch-on duration takes over. Thus the contradicting demands for a long service life of the actuator can be realized with practically no power loss.

Zweckmäßigerweise sind als Halbleiter-Schalter ein Triac, ein Thyristor oder ein Transistor und als elektromechanischer Schalter ein Relais vorgesehen. Mit einer Parallelschaltung aus diesen Bauteilen kann das erfindungsgemäße Stellglied für unterschiedliche Einsatzzwecke verwendet werden.A triac, a thyristor, is expediently used as the semiconductor switch or a transistor and a relay as an electromechanical switch. With a parallel connection of these components, the actuator according to the invention can be used for different purposes.

Vorzugsweise ist der Halbleiter-Schalter mit seinem zulässigen Dauergrenzstrom aufzeigen Bruchteil des Heizstromesausgelegt, wobei der Dauergrenzstrom des Halbleiter-Schalters vorzugsweise etwa 1/10 des Heizstromes beträgt.The semiconductor switch is preferably with its permissible continuous limit current indicate fraction of the heating current, the permanent limit current of the semiconductor switch is preferably about 1/10 of the heating current.

Da der Halbleiter-Schalter jeweils nur für kurze Zeit während der Einschalt- und der Ausschaltphase belastet ist, genügt eine derartige Dimensionierung für einen störungsfreien Betrieb. Der Halbleiter-Schalter kann somit eine vergleichsweise kleine Baugröße aufweisen und ist auch wesentlich preisgünstiger und kleiner als bei einer Auslegung für einen Dauerbetrieb bei vollem Heizstrom.Since the semiconductor switch only lasts for a short time during the Such a dimensioning is sufficient for trouble-free operation. The semiconductor switch can thus be a comparatively have small size and is also much cheaper and smaller than in the case of a design for continuous operation with full heating current.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert.Additional refinements of the invention are set out in the further subclaims listed. The invention with its essential details is based on the following the drawing explained in more detail.

Es zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht eines zum Teil aufgebrochen dargestellten Heizbades, Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild einer Heizvorrichtung und Fig. 3 drei einander zugeordnete Diagramme mit Darstellung der Schaltzustände am Halbleiter-Schalter,am - elektromechanischen Schalter und am Verbraucher.It shows: FIG. 1 a side view of what is shown partially broken away Heating bath, FIG. 2 a simplified circuit diagram of a heating device, and FIG. 3 three associated diagrams showing the switching states on the semiconductor switch, on - electromechanical switch and on the consumer.

Ein Heizbad 1 (Fig. 1) weist einen Badbehälter 2 mit einem darunter angeordneten Standgehäuse 3 zur Aufnahme einer hier nicht näher dargestellten Heizvorrichtung, die mit einem Regelgerät 4 verbunden ist, auf. Das Regelgerät 4 beinhaltet unter anderem ein Stellglied sowie einen Regler.A heating bath 1 (Fig. 1) has a bath container 2 with one underneath arranged standing housing 3 for receiving a heating device not shown here, which is connected to a control device 4 on. The control device 4 includes other an actuator and a controller.

Bei dem Heizbad 1 kann mittels eines Einstellknopfes 5 eine gewünschte Temperatur der im Badbehälter 2 befindlichen Flüssigkeit od. dgl. eingestellt werden.In the heating bath 1, a desired one can be set by means of an adjusting knob 5 The temperature of the liquid in the bath tank 2 or the like can be set.

Fig. 2 zeigt in einem BRockschaltbild ein Regelgerät mit einem Regler oder Steller 6, der mit einem im ganzen mit 7 bezeichneten, strichliniert umrandeten Stellglied in Steuerverbindung steht.WDas Stellglied 7 ist in Reihe mit einer vom Netz zu versorgenden Last, die hier durch eine Heizung 8 gebildet ist, geschaltet.Fig. 2 shows a block diagram of a control device with a controller or actuator 6, which is outlined by a dashed line denoted as a whole by 7 Actuator in control connection The actuator 7 is in series with a load to be supplied from the network, which is formed here by a heater 8 is switched.

Erfindungsgemäß ist nun das Stellglied, 7 aus einer Parallelschaltung eines elektromechanischen Schalters 9§und eines Halbleiter-Schalters 10 gebildet. Im Ausführungsbeispiel dient als elektromechanischer Schalter ein Relais und als Halbleiter-Schalter 10 ein Triac.According to the invention is now the actuator 7 from a parallel circuit an electromechanical switch 9§ and a semiconductor switch 10 are formed. In the exemplary embodiment, a relay is used as the electromechanical switch and as Semiconductor switch 10 a triac.

Üblicherweise werden bei solchen Laborgeräten Zeitpunkt regler verwendet, die im Bereich des Soll-Temperaturwertes der Badflüssigkeit je nach Temperatur-Istwert die Heizung ein- und ausschalten. Ist eine hohe Regelgenauigkeit gefordert, so erfolgen in vergleichsweise kurzen Abständen Heizphasen geringer Länge. Dementsprechend muß das Stellglied 7 häufig ein- und ausgeschaltet werden. Die Ansteuerung der beiden Schalter 9 und 10 ist nun so vorgesehen, daß jeweils der Einschalt- und der Ausschaltzeitpunkt des elektromechanischen Schalters 9 innerhalb der Einschaltphase des Halbleiter-Schalters 10 liegt. Dies ist gut in Fig. 3 erkennbar.Time regulators are usually used in such laboratory devices those in the range of the target temperature value of the bath liquid depending on the actual temperature value switch the heating on and off. If a high level of control accuracy is required, this is done Short-term heating phases at comparatively short intervals. Accordingly, must the actuator 7 can be switched on and off frequently. The control of the two Switches 9 and 10 are now provided so that the switch-on and switch-off times of the electromechanical switch 9 within the switch-on phase of the semiconductor switch 10 lies. This can be seen clearly in FIG. 3.

Dabei zeigt das Diagramm A den Schaltzustand des Halbleiter-Schalters 10, während in dem Diagramm B der zugeordnete Schaltzustand des elektromechanischen Schalters 9 dargestellt ist. Für eine Heizphase t1 bis t6 (Diagramm C) erfolgt zunächst zum Zeitpunkt t1 die Ansteuerung des Halbleiter-Schalters 10, so daß dieser leitend wird. Die Heizung 8 wird somit ab diesem Zeitpunkt t1 über den Halbleiter-Schalter 10 versorgt. Zum Zeitpunkt t2 (Diagramm B) erfolgt dann eine Zuschaltung des elektromechanischen Schalters 9 und Übernahme der Stromversorgung der Heizung 8 durch ihn. Bei diesem Schaltvorgang (t2) tritt eine wesentlich geringere Belastung des Relaiskontaktes auf, da hierbei die Schaltspannung entsprechend dem Spannungsabfall über dem Halbleiter-Schalter 10 nur etwa 1 Volt beträgt. Nach dem Schließen des Kontaktes des elektromechanischen Schalters 9 erfolgt die Versorgung der Heizung 8 über diesen.Diagram A shows the switching state of the semiconductor switch 10, while in diagram B the associated switching state of the electromechanical Switch 9 is shown. For a heating phase t1 to t6 (diagram C) takes place first at time t1 the control of the semiconductor switch 10, so that it is conductive will. The heater 8 is thus over the semiconductor switch from this point in time t1 10 supplied. At time t2 (diagram B), the electromechanical is then switched on Switch 9 and take over the power supply of the heater 8 through him. With this one Switching process (t2) results in a significantly lower load on the relay contact on, because here the switching voltage corresponds to the voltage drop across the semiconductor switch 10 is only about 1 volt. After closing the contact of the electromechanical Switch 9 is used to supply the heater 8 via this.

Der Halbleiter-Schalter 10 könnte zwar über die gesamte Heizphase t1 bis t6 angesteuert bleiben, jedoch ergibt sich eine vereinfachte Ansteuerschaltung und auch eine geringere Ansteuerleistung, wenn der Halbleiter-Schalter 10 in der Zwischenphase abgeschaltet wird. Fig. 3 läßt in den Diagrammen A und B erkennen, daß der Einschaltzeitpunkt t2 und der Ausschaltzeitpunkt t5 des elektromechaniscflen Schalters 9 durch separate Einschaltphasen t1 bis t3 und t4 bis t6 überdeckt sind. Erwähnt sei noch, daß die in Fig. 3 im Diagramm A dargestellten Einschaltphasen tatsächlich die Ansteuerphasen des Halbleiter-Schalters 10 wiedergeben.The semiconductor switch 10 could indeed over the entire heating phase t1 to t6 remain activated, but results a simplified one Control circuit and also a lower control power if the semiconductor switch 10 is switched off in the intermediate phase. Fig. 3 leaves in the diagrams A and B. recognize that the switch-on time t2 and the switch-off time t5 of the electromechanical Switch 9 are covered by separate switch-on phases t1 to t3 and t4 to t6. It should also be mentioned that the switch-on phases shown in FIG actually reproduce the control phases of the semiconductor switch 10.

Die vorbeschriebene Funktion mit zeitlich gestaffelter Übernahme der Stromversorgung der Heizung 8 beim Ein- und Ausschalten wäre bereits dann gegeben, wenn der elektromechanische Schalter 9 und der Halbleiter-Schalter 10 gleichzeitig angesteuert werden würden. In diesem Falle würde der Ansteuerzeitpunkt t2 des elektromechanischen Schalters 9 mit dem Zeitpunkt t1 zusammenfallen. Bedingt durch die mechanische Trägheit des elektromechanischen Schalters 9 würde J sich bereits eine Verzögerung einstellen, so daß auch dadurch bereits die zeitlich versetzte Übernahme durch den elektromechanischen Schalter 9 gegeben wäre. Gleiches gilt auch für den Ausschaltvorgang. Bevorzugt ist jedoch für den elektromechanischen Schalter zusätzlich eine Einschaltverzögerung sowie eine Ausschaltverzögerung gegenüber dem jeweiligen Einschaltzeitpunkt t1 und t4 des Halbleiter-Schalters 10 vorgesehen.The above-described function with staggered takeover of the Power supply of the heater 8 when switching on and off would already be given when the electromechanical switch 9 and the semiconductor switch 10 at the same time would be controlled. In this case, the activation time t2 would be the electromechanical Switch 9 coincide with time t1. Due to the mechanical inertia of the electromechanical switch 9, J would already have a delay before so that the delayed takeover by the electromechanical Switch 9 would be given. The same applies to the switch-off process. Preferred however, there is an additional switch-on delay for the electromechanical switch as well as a switch-off delay compared to the respective switch-on time t1 and t4 of the semiconductor switch 10 is provided.

Die Einschaltphasen t1bis t3 und t4 bis t6 des Halbleiter-Schalters 10 betragen vorzugsweise etwa 30 Millisekunden.The switch-on phases t1 to t3 and t4 to t6 of the semiconductor switch 10 are preferably about 30 milliseconds.

Sie können jedoch bedarfsweise auch wesentlich weniger, beispielsweise 3 Millisekunden oder wie schon vorbeschrieben sich überdeckend über den gesamten Einschaltzeitpunkt bis t6 erstrecken, ohne daß dadurch die Funktion beeinträchtigt ist. Durch die bevorzugt nur kurzen Einschaltphasen des Halbleiter-Schalters 10 besteht die Möglichkeit, diesen hinsichtlich seines Dauergrenzstromes auf einen Bruchteil des Heizstromes auszulegen. Für'die vorgesehenen Einschaltabschnitte kann ein Halbleiter-Schalter, beispielsweise ein Triac ohne weiteres etwa zehnfach überlastet werden. Man kommt somit mit einer sehr kleinen Baugröße und auch geringen Kosten aus.However, if necessary, you can also use considerably less, for example 3 milliseconds or as already described overlapping over the entire Extend the switch-on time to t6 without impairing the function is. Due to the preferably only short switch-on phases of the semiconductor switch 10 there is the possibility of reducing this to a To be designed as a fraction of the heating current. For the envisaged switch-on sections a semiconductor switch, for example a triac, is easily overloaded about ten times will. So you come with a very small size and also low cost.

Um den Sicherheitsbestimmungen zu genügen, weist zumindest die Steuerverbindung 11 zu dem Halbleiter-Schalter 10 eine galvanische Trennung 12, z. B. einen Optokoppler, einen Piezokoppler oder einen Transformator auf. Gegebenenfalls könnte auch in der Steuerverbindung 13 zu dem elektromechanischen Schalter 9 eine galvanische Trennung 12 vorgesehen sein. Bei Verwendung eines Relais ist dies jedoch in der Regel nicht erforderlich, da das Relais selbst eine galvanische Trennung bildet.In order to meet the safety regulations, at least the control connection 11 to the semiconductor switch 10 a galvanic separation 12, z. B. an optocoupler, a piezo coupler or a transformer. If necessary, it could also be in the Control connection 13 to the electromechanical switch 9, a galvanic separation 12 may be provided. However, this is usually not the case when using a relay required because the relay itself forms a galvanic separation.

Erwähnt sei noch, daß als Halbleiter-Schalter 10 außer dem in Fig. 2 gezeigten Triac, je nach Anwendungsfall auch ein Thyristor oder ein Transistor eingesetzt werden kann.It should also be mentioned that the semiconductor switch 10 in addition to the one shown in FIG. 2 triac, depending on the application also a thyristor or a transistor can be used.

Durch den zum Relais 9 parallel geschalteten Halbleiter-Schalter 10 wird eine erheblich höhere Lebensdauer der Relaiskontakte erreicht, da die notwendige Schaltleistung wesentlich reduziert ist Außerdem tritt praktisch kein Schaltfunke auf, so daß der Störpegel etwa um den Faktor 10 reduziert ist. Gleichzeitig wird die auftretende Verlustleistung am Stellglied derart vermindert, daß praktisch keine Erwärmung auftritt.By the semiconductor switch 10 connected in parallel to the relay 9 a considerably longer service life of the relay contacts is achieved, since the necessary Switching capacity is significantly reduced In addition, there is practically no switching spark so that the noise level is reduced by a factor of about 10. At the same time will the power loss occurring at the actuator so reduced that practically none Warming occurs.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. All of the features shown in the description, the claims and the drawing can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.

Claims

Heating device claims 1. Heating device for laboratory equipment, in particular for a heating bath for controlling the temperature of a bath liquid or the like. The heating device has an actuator for switching on and off of the heater, which with a Actuator or regulator is in control connection, that is, g e n n z e i c h -n e t that the actuator ia from a parallel connection of at least one electromechanical Switch (9) and at least one semiconductor switch (10), and that the Control of both switches is provided in such a way that each of the switch-on and the switch-off time of the electromechanical switch within the switch-on phase of the semiconductor switch (10) is located.

2. Heating device according to claim 1, characterized in that the Switch-on and switch-off times of the electromechanical switch (9) by separate Switch-on phases of the semiconductor switch (10) are covered and that the semiconductor switch (10) in the intermediate area during the switch-on phase of the electromechanical switch (9) is turned off.

3. Heating device according to claim 1 or 2, characterized in that that as a semiconductor switch (10) Triac, a thyristor or a Transistor and a relay are provided as an electromechanical switch (9).

4. Heating device according to one of claims 1 'to 3, characterized in that that at least the control connection (11) to the semiconductor switch (10) is a galvanic Separation (12), e.g. B. an optocoupler, a piezo coupler or a transformer having.

5. Heating device according to one of claims 1 to 4, characterized in that: that for the electromechanical switch (9) a switch-on delay and a Switch-off delay compared to the respective switch-on time of the semiconductor switch (10) is provided.

6. Heating device according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the switch-on and switch-off time of the electromechanical switch (9) overlapping switch-on phase of the semiconductor switch (10) at least 3 milliseconds, is preferably 30 milliseconds.

7. Heating device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the semiconductor switch (10) with its permissible continuous current limit on one Fraction of the heating current is designed, and that the continuous limit current of the semiconductor switch (10) is preferably about 1/10 of the heating current.