DE3437242C2

DE3437242C2 -

Info

Publication number: DE3437242C2
Application number: DE3437242A
Authority: DE
Inventors: Alfred 5628 Heiligenhaus De Eckerfeld
Original assignee: ECKERFELD ERIKA 5628 HEILIGENHAUS DE
Current assignee: ECKERFELD, ERIKA, 5628 HEILIGENHAUS, DE
Priority date: 1984-10-11
Filing date: 1984-10-11
Publication date: 1990-01-25
Also published as: DE3437242A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Leistungssteller, insbesondere zur Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlaufer hitzern, enthaltendThe invention relates to an electronic Power controller, in particular to regulate the Outlet temperature for electrical flowers heat, containing

(a) one of line frequency alternating voltage struck rectifier bridge, which one with twice the mains frequency pulsating equal tension supplies,
(b) a Schmitt trigger on which the pulsing DC voltage is applied for generation a rectangular pulse train with a double network frequency,
(c) a frequency divider on which the rectangle in pulse train is activated,
(d) one connected to the AC line voltage Solid state relay with zero voltage scarf ter behavior by which the performance is switchable and
(e) means for controlling the semiconductor relay in Dependence on output signals of the Fre quenz divider.

Die Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern bietet besondere Schwierigkei ten. Elektrische Durchlauferhitzer haben eine sehr hohe installierte Heizleistung von beispielsweise 22 Kilowatt. Die Auslauftemperatur muß sehr genau eingehalten werden und darf nur geringfügig um die gewünschte Temperatur schwanken. Es ist schwierig, die Heizleistung entsprechend feinfühlig zu regeln.The regulation of the outlet temperature for electrical Instantaneous water heaters are particularly difficult Electric instantaneous water heaters have a very high installed heating output of, for example 22 kilowatts. The outlet temperature must be very accurate be complied with and may only be slightly around the desired temperature fluctuate. It's tough, regulate the heating output accordingly.

Man kann die elektrische Heizleistung durch eine Phasenanschnittsteuerung stetig regeln. Eine Phasenanschnittsteuerung der hier vorliegenden hohen Leistungen ist jedoch wegen der dabei er zeugten Oberwellen und der dadurch hervorgerufenen Störungen nicht zulässig. Es ist nur zulässig, den Wechselstrom voll ein- oder auszuschalten, wobei durch einen Nullspannungsschalter dafür gesorgt wird, daß die Einschaltung und die Ausschaltung jeweils in Zeitpunkten erfolgt, in denen die Wechselspannung sowieso durch null geht, so daß kein Phasenanschnitt erfolgt.You can change the electrical heating output by a Regulate phase control continuously. A Phase control of the present one high performance, however, is because of it generated harmonics and the resulting Disruptions are not permitted. It is only allowed to Switch AC on or off fully, where ensured by a zero voltage switch will that turn on and turn off takes place at times when the AC voltage goes through zero anyway, so that no phase gating occurs.

Eine Regelung der Heizleistung durch Ein- und Aus schalten erfordert jedoch eine relativ hohe Schalt frequenz, wenn die Forderung erfüllt werden soll, daß eine gewünschte Auslauftemperatur mit hoher Genauigkeit eingehalten wird. Wenn die Heizleistung mit niedriger Schaltfrequenz ein- und ausgeschaltet würde, dann würde aus einem Durchlauferhitzer ab wechselnd kaltes oder zu heißes Wasser auslaufen, auch wenn die mittlere Heizleistung der gewünschten Temperatur entspricht. Eine hohe Schaltfrequenz der Ein- und Ausschaltung einer hohen Heizleistung führt jedoch wieder zu anderen Schwierigkeiten:
Durch die Netzimpedanz beeinflußt die hohe Heiz leistung des elektrischen Durchlauferhitzers die Netzspannung. Eine hohe Schaltfrequenz würde daher ein unangenehmes Flimmern elektrischer Glühlampen mit sich bringen. Die von den Versorgungsunter nehmen zugelassene geschaltete Heizleistung ist daher umso kleiner, je höher die Schaltfrequenz ist. Diese Forderungen stehen dem Bemühen entgegen, die Auslauftemperatur eines Durchlauferhitzers hoher Leistung mit hoher Genauigkeit zu regeln.Control of the heating power by switching on and off, however, requires a relatively high switching frequency if the requirement is to be met that a desired outlet temperature is maintained with high accuracy. If the heating output were switched on and off with a low switching frequency, then a continuous-flow heater would alternately run out of cold or too hot water, even if the average heating output corresponds to the desired temperature. However, a high switching frequency for switching a high heating power on and off leads to other difficulties:
Due to the line impedance, the high heating power of the electric instantaneous water heater influences the line voltage. A high switching frequency would therefore cause an unpleasant flickering of electric light bulbs. The higher the switching frequency, the smaller the heating power approved by the utility company. These requirements conflict with the endeavor to regulate the outlet temperature of a high-performance instantaneous water heater with high accuracy.

Bei einem aus der DE 28 37 934 A1 bekannten elektronischen Leistungssteller der eingangs genannten Art ist aus diesem Grunde die installierte Heiz leistung in wenigstens zwei Stufen zu unterteilen. Ein Regler mit einem im Auslauf angeordneten Temperaturfühler schaltet dabei für die Temperatur regelung jeweils nur eine der Stufen.In a known from DE 28 37 934 A1 electronic power controller of the type mentioned is for this reason the installed heating to divide performance in at least two stages. A regulator with one arranged in the outlet The temperature sensor switches for the temperature regulation only one of the stages.

Durch die DE 28 37 934 A1 ist weiterhin bekannt, daß zum Schalten der Stufen der Heizleistung eine für mehrere Stufen gemeinsame Heizwendelanordnung vorgesehen ist. Eine von der Netzspannung beauf schlagte Gleichrichter- und Schaltstufe erzeugt eine mit der Netzfrequenz synchrone Rechteckspan nung von der doppelten Netzfrequenz. Das Ausgangs signal des Reglers, der von einem im Auslauf ange ordneten Temperaturfühler beaufschlagt ist, liegt an Komparatoren mit abgestuften Referenzsignalen an. Die Ausgangssignale der Komparatoren und die Ausgänge des Binärzählers sind auf eine Logikschal tung aufgeschaltet, durch deren Ausgangssignal die elektronischen Schaltermittel so ansteuerbar sind, daß bei Ansprechen einer zunehmenden Anzahl von Komparatoren periodisch eine zunehmende Anzahl von Halbwellen der Netzwechselspannung durchgeschaltet wird. Bei der bekannten Anordnung ist zum Schalten der Heizleistung in zwei Stufen durch zwei Kompara toren ein Binärzähler mit einer einzigen Zählstufe vorgesehen. Die Logikschaltung weist ein UND-Glied auf, an dessen Eingängen die Zählstufe und der Aus gang des Komparators mit dem niedrigeren Referenz signal anliegt, sowie ein ODER-Glied, an dessen Eingängen der Ausgang des UND-Gliedes und der Aus gang des Komparators mit dem höheren Referenzsignal anliegen, wobei der Ausgang des ODER-Gliedes den Ausgang der Logikschaltung bildet.From DE 28 37 934 A1 it is also known that to switch the levels of heating power common heating coil arrangement for several stages is provided. One charged by the mains voltage struck rectifier and switching stage generated a rectangular chip synchronous with the mains frequency of twice the mains frequency. The exit signal from the controller indicated by one in the outlet ordered temperature sensor is located on comparators with graduated reference signals at. The output signals of the comparators and the Outputs of the binary counter are on a logic scarf device switched, by the output signal the electronic switch means can be controlled so that when an increasing number of Comparators periodically an increasing number of Half-waves of the AC mains voltage switched through becomes. In the known arrangement is for switching the heating output in two stages by two Kompara a binary counter with a single counter intended. The logic circuit has an AND gate on, at the inputs of the counter and the off gear of the comparator with the lower reference signal is present, as well as an OR gate, on the Inputs the output of the AND gate and the out of the comparator with the higher reference signal apply, the output of the OR gate the Output of the logic circuit forms.

Weiterhin ist durch die DE 28 37 934 A1 bekannt, einen Teil der Heizleistung stetig mittels eines Pulsbreitenmodulators mit fester Taktfrequenz zu regeln, wobei der Pulsbreitenmodulator vom Aus gangssignal des Reglers ansteuerbar ist. Der Puls breitenmodulator enthält einen Komparator, auf den das Ausgangssignal des Reglers sowie als Referenz signal ein Dreiecksignal fester Taktfrequenz aufge schaltet ist, so daß der Komparator ein Ausgangs signal jeweils während der Intervalle liefert, während welcher das Ausgangssignal des Reglers größer als das Referenzsignal ist. Ein bei Zuschal tung einer Stufe der Heizleistung über einen Kompa rator am Ausgang dieses Komparators auftretendes Signal ist als dem Referenzsignal überlagertes Zusatzsignal auf den Komparator des Pulsbreitenmo dulators aufgeschaltet, so daß die von dem Puls breitenmodulator gesteuerte Heizleistung um die Heizleistung der zugeschalteten Stufe vermindert wird.Furthermore, it is known from DE 28 37 934 A1 a part of the heating power continuously by means of a Pulse width modulator with a fixed clock frequency regulate, with the pulse width modulator from off output signal of the controller is controllable. The pulse wide modulator contains a comparator on the the output signal of the controller and as a reference signal a triangular signal fixed clock frequency is switched so that the comparator is an output signal delivers during the intervals, during which the output signal of the controller is larger than the reference signal. One with additional level of heating output via a compa rator occurring at the output of this comparator Signal is superimposed as the reference signal Additional signal on the comparator of the pulse width mo dulators turned on, so that of the pulse width modulator controlled heating output around the Heating power of the connected stage reduced becomes.

Durch einen Aufsatz "Triac - Schütz und Aussetzbetrieb" in "Der Elektroniker" 8 (1969), 309-315, insbesondere Seite 313, ist ein Wechselstromsteller für volle Perioden bekannt. Bei diesem Wechselstromsteller wird die Netzspannung durch einen Impulsformer in eine Rechteckspannung umgesetzt. Diese Rechteckspannung beaufschlagt einen als Frequenzteiler wirkenden Zähler. Die Zählerausgänge sind auf einen Decodierer, also eine Logikschaltung geschaltet, welche an verschiedenen Klemmen periodische Signale mit unterschiedlichen Längen erzeugt, wobei jedes Rechtecksignal ein ganzzahliges Vielfaches einer vollen Periode des Wechselstromes darstellt und mit dem Wechselstrom in Phase ist. Durch einen Wählschalter ist jeweils eines dieser Signale auf die Steuerelektrode eines Triacs aufschaltbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit eines elektronischen Leistungsstellers der eingangs genannten Art zu erhöhen.Through an essay "Triac contactor and intermittent operation" in "The Electronics Technician "8 (1969), 309-315, in particular page 313, is a AC power controller known for full periods. With this AC power controller is the mains voltage through a Pulse shaper converted into a square wave voltage. These Square wave voltage acts on a frequency divider Counter. The counter outputs are on a decoder, i.e. one Logic circuit switched, which on different terminals generates periodic signals of different lengths, whereby each square wave signal is an integer multiple of a full one Period of the alternating current represents and with the alternating current in Phase is. By means of a selector switch, one of each is Signals can be applied to the control electrode of a triac. The The invention is based, the accuracy of a task electronic power controller of the type mentioned at the beginning increase.

Dabei soll der Gleichstrommittelwert des so durch den Verbraucher fließenden Stromes null sein.The DC mean value of the consumer should flowing current be zero.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daßAccording to the invention, this object is achieved in that

(f) the frequency divider has a first output at which an output signal every third pulse set and back by the next pulse is set
(g) the frequency divider has a second output, to which chem an output signal each by an edge of each third pulse and set by the corresponding edge of the pulse after the next but one is reset and
(h) by said means for controlling the Solid state relay depending on one further switching state the first or the second output of the frequency divider to the Control input can be created.

Der Schmitt-Trigger liefert Rechteckimpulse im Be reich der Maxima bzw. Minima der Netzwechselspan nung, deren Flanken einen hinreichenden Abstand von den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung haben. Ein solcher Nulldurchgang liegt jeweils zwischen zwei benachbarten Impulsen des Schmitt-Triggers. Wenn am ersten Ausgang des Frequenzteilers durch einen solchen Impuls ein Ausgangssignal gesetzt wird und dieses Ausgangssignal durch den nächstfol genden Impuls zurückgesetzt wird, dann steht das Ausgangssignal während des dazwischenliegenden Nulldurchgangs der Wechselspannung an. Infolge dessen wird das Halbleiterrelais für die auf den Nulldurchgang folgende Halbperiode durchgeschaltet. Da nur jeder dritte Impuls der Impulsfolge ein solches Ausgangssignal setzt, wird auch nur für jede dritte Halbwelle der Netzwechselspannung das Halbleiterrelais durchgeschaltet. Das hat zur Folge, daß aufeinanderfolgende, durchgeschaltete Halbwellen entgegengesetzte Polarität haben, so daß der Gleichstrommittelwert des fließenden Stromes null wird.The Schmitt trigger supplies rectangular pulses in the loading range of the maxima or minima of the network alternating chip tion, the flanks of which are a sufficient distance of have the zero crossings of the AC mains voltage. Such a zero crossing is between two neighboring pulses of the Schmitt trigger. If at the first output of the frequency divider such a pulse set an output signal is and this output signal by the next fol resetting impulse, then that is Output signal during the intervening Zero crossing of the AC voltage. As a result which is the semiconductor relay for the on Zero crossing following half period switched through. Because only every third impulse of the pulse train occurs such an output signal is also only for every third half-wave of the AC mains voltage Solid state relay switched through. That has to Consequence that successive, switched Half waves have opposite polarity, so that the DC mean of the flowing current becomes zero.

Am zweiten Ausgang des Frequenzteilers wird ein Signal durch eine Flanke eines Impulses gesetzt und durch die entsprechende Flanke des übernächsten Impulses zurückgesetzt. Infolgedessen erscheint an dem zweiten Ausgang des Frequenzteilers ein Signal, das während zweier aufeinanderfolgender Nulldurch gänge der Netzwechselspannung ansteht. Wenn das Halbleiterrelais von dem Signal am zweiten Ausgang des Frequenzteilers gesteuert wird, dann wird jeweils eine volle Welle der Netzwechselspannung von dem Halbleiterrelais durchgeschaltet, während die daran anschließende Halbwelle nicht durchge schaltet wird. Auch bei dieser Betriebsweise sind aufeinanderfolgende, durchgeschaltete Wellen der Netzwechselspannung gegenphasig, so daß der Gleich strommittelwert des durch den Verbraucher fließen den Stromes null wird.At the second output of the frequency divider is a Signal set by an edge of a pulse and through the corresponding flank of the next but one Pulse reset. As a result, appears on a signal to the second output of the frequency divider, that during two consecutive zeros AC mains voltage is present. If that Solid state relay from the signal at the second output of the frequency divider is then controlled one full wave of AC line voltage each turned on by the solid state relay while the subsequent half-wave did not go through is switched. Even with this mode of operation successive, interconnected waves of Mains AC voltage in phase opposition, so that the same average current of the flow through the consumer the current becomes zero.

Die so an dem Frequenzteiler zur Verfügung ge stellten Signale legen die jeweilige Arbeitsweise des Halbleiterrelais bereits eindeutig fest. Sie können in verschiedener Weise auf das Halbleiter relais aufgeschaltet werden. Im einfachsten Falle sind die besagten Mittel zum Steuern des Halb leiterrelais von einem Wählschalter gebildet, dessen Stellung den besagten "weiteren Schaltzu stand" darstellt. Die Erfindung gibt aber auch die Möglichkeit, die Ausgangssignale des Frequenztei lers über eine geeignete Logikschaltung in Abhän gigkeit von einem Reglerausgangssignal so auf Halbleiterrelais in drei Phasen eines Drehstroms zu schalten, daß die Gesamtleistung in relativ kleinen Schritten geschaltet werden kann.The ge available on the frequency divider signals set the respective mode of operation of the solid-state relay is already clearly fixed. they can affect the semiconductor in different ways relays are switched on. In the simplest case are the means to control the half conductor relay formed by a selector switch, whose position the said "further Schaltzu stand ". But the invention also gives Possibility of the output signals of the frequency part lers via a suitable logic circuit in depend from a controller output signal Solid state relay in three phases of a three-phase current switch that the total output in relatively small Steps can be switched.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Embodiments of the invention are the subject of Subclaims.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nach stehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeich nungen näher erläutert: Two embodiments of the invention are in accordance with standing with reference to the associated drawing explained in more detail:

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausfüh rungsform eines elektronischen Leistungsstellers. Fig. 1 shows schematically a first embodiment of an electronic power controller.

Fig. 2 zeigt die bei dem Leistungssteller nach Fig. 1 auftretenden Signalverläufe. FIG. 2 shows the signal curves occurring in the power controller according to FIG. 1.

Fig. 3 zeigt die drei Möglichkeiten des von dem Leistungssteller durch den Verbraucher geleiteten Stromes. Fig. 3 shows the three possibilities of the run by the power regulator by the consumer current.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines elektronischen Leistungsstellers für Drehstrom, der insbesondere zur Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern geeignet ist. Fig. 4 shows another embodiment of an electronic power controller for three-phase current, which is particularly suitable for regulating the outlet temperature in electric instantaneous water heaters.

Der Leistungssteller gemäß Fig. 1 enthält eine Gleichrichterbrücke 10, die über einen Transfor mator 12 von netzfrequenter, mit der Netzfrequenz gleichphasiger Wechselspannung beaufschlagt ist. Die Gleichrichterbrücke 10 liefert an einem Ausgang 14 eine mit der doppelten Netzfrequenz pulsierende Gleichspannung. Diese pulsierende Gleichspannung ist auf einen Schmitt-Trigger 16 aufgeschaltet. Der Schmitt-Trigger 16 erzeugt eine Rechteckimpuls folge, die in der zweiten Zeile von Fig. 2 darge stellt ist. Der Schmitt-Trigger schaltet, solange das anliegende Signal einen vorgegebenen Schwell wert überschreitet. Das bedeutet, daß die Rechteck impulse 18 im wesentlich symmetrisch zu den Maxima und Minima der Netzwechselspannung und im Abstand von den Nulldurchgängen 20 der Netzwechselspannung liegen. Die Rechteckimpulsfolge ist auf einen Frequenzteiler 20 aufgeschaltet. Mit 22 ist ein Halbleiterrelais mit Nullspannungsschalter-Verhal ten bezeichnet. Das Halbleiterrelais 22 enthält einen Triac 24, der in Reihe mit einem Verbraucher 26 an der Netzwechselspannung anliegt. Es sind Mittel 28 zum Steuern des Halbleiterrelais 22 in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Frequenz teilers 20 vorgesehen. Bei der beschriebenen An ordnung besteht der Frequenzteiler 20 aus zwei J-K- Flip-Flops. Von den vier Ausgängen der J-K-Flip- Flops werden nur zwei Ausgänge benutzt. An einem ersten Ausgang 30 erscheint ein Ausgangssignal 32 (Fig. 2) welches jeweils durch eine Flanke, hier die Vorderflanke, jedes dritten Impulses 18 der Recht eckimpulsfolge gesetzt und durch die entsprechende Flanke des nächstfolgenden Impulses 18 zurückge setzt wird. Das Ausgangssignal am Ausgang 30 ist somit eine Impulsfolge, wie sie in der dritten Zeile von Fig. 2 dargestellt ist. An einem zweiten Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 erscheint ein Ausgangssignal 36, welches jeweils durch eine Flanke jedes dritten Impulses 18 der Rechteckim pulsfolge gesetzt und durch die entsprechende Flanke des jeweils übernächsten Impulses zurück gesetzt wird. Das Ausgangssignal 36 liefert eine Impulsfolge, wie sie in der vierten Zeile von Fig. 2 dargestellt ist. Das Halbleiterrelais 22 ist für jeweils eine Halbperiode der Netzwechselspannung durchschaltbar, wenn an einem Steuereingang 38 zum Zeitpunkt des Null durchgangs der Netzspannung ein Signal anliegt. Solche Halbleiterrelais sind an sich bekannt und handelsüblich erhältlich. Daher ist der Aufbau des Halbleiterrelais 22 nur schematisch angedeutet.1 contains a rectifier bridge 10 which is acted upon by a transformer 12 of line frequency, with the line frequency of in-phase AC voltage. The rectifier bridge 10 supplies an output 14 with a DC voltage pulsating at twice the mains frequency. This pulsating DC voltage is applied to a Schmitt trigger 16 . The Schmitt trigger 16 generates a rectangular pulse sequence, which is shown in the second line of FIG. 2 Darge. The Schmitt trigger switches as long as the applied signal exceeds a predetermined threshold. This means that the rectangular pulses 18 are substantially symmetrical to the maxima and minima of the AC line voltage and at a distance from the zero crossings 20 of the AC line voltage. The rectangular pulse train is applied to a frequency divider 20 . With 22 a semiconductor relay with zero voltage switch behavior is designated th. The semiconductor relay 22 contains a triac 24 , which is connected in series with a load 26 to the mains AC voltage. Means 28 for controlling the semiconductor relay 22 as a function of output signals of the frequency divider 20 are provided. In the described arrangement, the frequency divider 20 consists of two JK flip-flops. Only two of the four outputs of the JK flip-flops are used. At a first output 30 there appears an output signal 32 ( FIG. 2) which is set by a flank, here the leading flank, every third pulse 18 of the square pulse train and is reset by the corresponding flank of the next pulse 18 . The output signal at the output 30 is thus a pulse sequence as shown in the third line of FIG. 2. At a second output 34 of the frequency divider 20 an output signal 36 appears , which is set by an edge of every third pulse 18 of the rectangular pulse train and is reset by the corresponding edge of the next but one pulse. The output signal 36 delivers a pulse sequence as shown in the fourth line of FIG. 2. The semiconductor relay 22 can be switched through for a half cycle of the mains AC voltage if a signal is present at a control input 38 at the time of the zero crossing of the mains voltage. Such semiconductor relays are known per se and are commercially available. The structure of the semiconductor relay 22 is therefore only indicated schematically.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, liegt jeweils ein Nulldurchgang 20 der Netzwechselspannung zwischen zwei benachbarten Impulsen 18 der Rechteckimpuls folge. In jeden Impuls des Ausgangssignals 32 fällt ein solcher Nulldurchgang. Zwischen aufeinanderfol genden Impulsen des Ausgangssignals 32 liegen je weils zwei Nulldurchgänge der Netzwechselspannung, bei denen kein Ausgangssignal 32 am Ausgang 30 liegt. Jeder Impuls des Ausgangssignals 36 am Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 erstreckt sich über zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge 20 der Netzwechselspannung. Zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen des Ausgangssignals 36 liegt ein Null durchgang der Netzwechselspannung, bei welchem kein Signal am Ausgang 34 ansteht. Wenn das Halbleiter relais 22 von dem ersten Ausgangssignal 32 ge steuert wird, dann wird das Halbleiterrelais während jeweils einer Halbperiode der Netzwechsel spannung leitend, auf die dann jeweils zwei Halb perioden folgen, während welcher das Halbleiter relais 22 keinen Strom durchläßt. Wenn das Halblei terrelais 22 von dem zweiten Ausgangssignal 36 am Ausgang 34 gesteuert wird, dann wird es während zweier aufeinanderfolgender Halbperioden leitend, an die sich eine Halbperiode anschließt, während welcher das Halbleiterrelais 22 nicht leitend ist. Der Strom durch den Verbraucher 26 hat dann die in der vorletzten Zeile von Fig. 2 dargestellte Form.As can be seen from Fig. 2, there is a zero crossing 20 of the AC line voltage between two adjacent pulses 18 of the square pulse sequence. Such a zero crossing occurs in each pulse of the output signal 32 . Between consecutive pulses of the output signal 32 are each two zero crossings of the AC mains voltage, at which no output signal 32 is at the output 30 . Each pulse of the output signal 36 at the output 34 of the frequency divider 20 extends over two successive zero crossings 20 of the AC mains voltage. Between successive pulses of the output signal 36 there is a zero crossing of the AC line voltage, in which no signal is present at the output 34 . If the semiconductor relay 22 is controlled by the first output signal 32 ge, then the semiconductor relay becomes conductive for one half period of the mains change, which then follows two half periods, during which the semiconductor relay 22 does not let any current through. If the semiconductor relay 22 is controlled by the second output signal 36 at the output 34 , then it becomes conductive for two consecutive half-periods, followed by a half-period during which the semiconductor relay 22 is not conductive. The current through the consumer 26 then has the form shown in the penultimate line of FIG. 2.

Die Mittel 28 zum Steuern des Halbleiterrelais sind bei der Ausführungsform nach Fig. 1 von einem Wähl schalter gebildet, dessen Schalterarm 40 wahlweise an Masse (Signal "L"), an den ersten Ausgang 30, an den zweiten Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 oder an ein Dauersignal "H" anlegbar ist. Der Schalter arm 40 ist über einen Widerstand 42 mit dem Eingang 38 verbunden. The means 28 for controlling the semiconductor relay are formed in the embodiment of FIG. 1 by a selector switch, the switch arm 40 optionally to ground (signal "L"), to the first output 30 , to the second output 34 of the frequency divider 20 or to a continuous signal "H" can be applied. The switch arm 40 is connected to the input 38 via a resistor 42 .

Es können mit einer solchen Anordnung verschiedene Stromverläufe durch den Verbraucher 26 erzeugt wer den, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. Wenn der Schalterarm 40 ständig an dem Signal "L" liegt, dann ist der Triac 24 ständig gesperrt. Es fließt kein Strom. Liegt der Schalterarm 40 an dem Ausgang 30 des Frequenzteilers 20, dann wird, wie in der ersten Zeile von Fig. 3 dargestellt ist, jede dritte Halbwelle der Netzwechselspannung zum Verbraucher 26 durchgelassen. Ist der Schalterarm 40 mit dem dritten Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 verbun den, dann ergibt sich, wie schon im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wurde, ein Stromverlauf im Verbraucher 26 entsprechend der zweiten Zeile von Fig. 3. Wenn der Schalterarm 40 an das Dauersignal "H" angelegt wird, dann bleibt der Triac 24 ständig leitend. Es wird die volle Netzwechselspannung zum Verbraucher 26 durchgelassen. Dementsprechend ist der Verbraucher 26 je nach Stellung des Schalter arms 40 entweder abgeschaltet, mit 1/3 der Leistung, mit 2/3 der Leistung oder mit der vollen Leistung beaufschlagt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist in jedem Fall der Gleichstrommittelwert des durch den Verbraucher 26 fließenden Stromes null.With such an arrangement, various current profiles can be generated by the consumer 26 , as shown in FIG. 3. If the switch arm 40 is constantly on the signal "L", then the triac 24 is constantly blocked. There is no electricity. If the switch arm 40 is located at the output 30 of the frequency divider 20 , then, as shown in the first line of FIG. 3, every third half-wave of the mains AC voltage is passed to the consumer 26 . If the switch arm 40 is connected to the third output 34 of the frequency divider 20 , then, as has already been explained in connection with FIG. 2, there is a current profile in the consumer 26 corresponding to the second line of FIG. 3. If the switch arm 40 is connected to the Continuous signal "H" is applied, then the triac 24 remains constantly conductive. The full AC line voltage is passed to consumer 26 . Accordingly, depending on the position of the switch arm 40 , the consumer 26 is either switched off, charged with 1/3 of the power, 2/3 of the power or with the full power. As can be seen from FIG. 3, the DC mean value of the current flowing through the consumer 26 is zero in any case.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 enthalten die "Mittel zum Steuern des Halbleiterrelais" für ein Halbleiterrelais 44 ein erstes UND-Glied 46, dessen einer Eingang 48 an dem ersten Ausgang 30 des Fre quenzteilers anliegt sowie ein zweites UND-Glied 50, dessen einer Eingang 52 an dem zweiten Ausgang 34 des Frequenzteilers 20 anliegt und ein ODER-Glied 53 mit drei Eingängen 54, 56 und 58. Weiterhin ist ein Komparator 60 vorgesehen, der in Abhängigkeit von einem Eingangssignal an einem Ein gang 62 bei Überschreiten abgestufter Schwellwerte Ausgangssignale an einem ersten, einem zweiten und einem dritten Ausgang 64 bzw. 66 bzw. 68 liefert. Der erste Ausgang 64 des Komparators 60 ist mit dem anderen Eingang 70 des ersten UND-Gliedes 46 ver bunden. Der zweite Ausgang 66 des Komparators 60 ist mit dem anderen Eingang 72 des zweiten UND-Gliedes 50 verbunden. Die Ausgänge der UND-Glieder 46 und 50 sind mit dem ersten Eingang 54 bzw. dem zweiten Eingang 56 des ODER-Gliedes 53 verbunden. An dem dritten Eingang 58 des ODER-Glie des 53 liegt der dritte Ausgang 68 des Komparators 60. Der Ausgang 74 des ODER-Gliedes 53 steuert das Halbleiterrelais 44.In the embodiment according to FIG. 4, the "means for controlling the semiconductor relay" for a semiconductor relay 44 contain a first AND gate 46 , one input 48 of which is applied to the first output 30 of the frequency divider, and a second AND gate 50 , one of which Input 52 is present at the second output 34 of the frequency divider 20 and an OR gate 53 with three inputs 54, 56 and 58 . Furthermore, a comparator 60 is provided which, as a function of an input signal at an input 62, supplies graduated threshold values with output signals at a first, a second and a third output 64 or 66 or 68 . The first output 64 of the comparator 60 is connected to the other input 70 of the first AND gate 46 . The second output 66 of the comparator 60 is connected to the other input 72 of the second AND gate 50 . The outputs of the AND gates 46 and 50 are connected to the first input 54 and the second input 56 of the OR gate 53 , respectively. The third output 68 of the comparator 60 is located at the third input 58 of the OR gate 53 . The output 74 of the OR gate 53 controls the semiconductor relay 44 .

Bei einem Anstieg des Eingangssignals 62 erscheint ein Signal "H" nacheinander an den Ausgängen 64, 66 und 68. Bei einem relativ kleinen Eingangssignal entsprechend beispielsweise einer relativ kleinen Regelabweichung, erscheint ein Ausgangssignal an dem ersten Ausgang 64 des Komparators 60. Über das UND-Glied 46 wird daher das Signal 32 (Fig. 2) vom Ausgang 30 des Frequenzteilers 20 an dem Eingang 54 des ODER-Gliedes 53 wirksam, während an den Eingän gen 56 und 58 des ODER-Gliedes 53 kein Signal an liegt. Das damit am Ausgang 74 des ODER-Gliedes 53 erscheinende Signal 32 steuert das Halbleiterrelais 44 während jeder dritten Halbwelle auf, so daß durch den Verbraucher ein Strom entsprechend der ersten Zeile von Fig. 3 fließt. Bei einem weiteren Anstieg des Signals am Eingang 62 erscheint ein Signal "H" auch am Ausgang 66 des Komparators 60. Über das UND-Glied 50 wird jetzt das Signal 36 vom Ausgang 32 des Frequenzteilers 20 am Eingang 56 des ODER-Gliedes 53 und damit auch am Ausgang 74 des ODER-Gliedes 53 wirksam. Das Halbleiterrelais 44 wird jeweils während zwei aus drei Halbperioden der Wechselspannung aufgesteuert, so daß durch den Ver braucher ein Strom entsprechend der zweiten Zeile von Fig. 3 fließt. Schließlich wird bei einem weite ren Anstieg des Signals am Eingang 32 ein Signal "H" auch an dem dritten Ausgang 68 des Komparators 60 wirksam, der unmittelbar mit dem dritten Eingang 58 des ODER-Gliedes 53 verbunden ist. Am Ausgang 74 des ODER-Gliedes 53 erscheint daher ein Dauersignal "H". Das Halbleiterrelais 44 wird ständig aufge steuert, so daß die volle Netzwechselspannung am Verbraucher wirksam wird.When the input signal 62 rises, a signal "H" appears in succession at the outputs 64, 66 and 68 . In the case of a relatively small input signal corresponding, for example, to a relatively small control deviation, an output signal appears at the first output 64 of the comparator 60 . About the AND gate 46 , the signal 32 ( Fig. 2) from the output 30 of the frequency divider 20 at the input 54 of the OR gate 53 is effective, while at the inputs gene 56 and 58 of the OR gate 53 is no signal . The signal 32 thus appearing at the output 74 of the OR gate 53 controls the semiconductor relay 44 during every third half-wave, so that a current flows through the consumer in accordance with the first line of FIG. 3. If the signal at input 62 increases further, a signal "H" also appears at output 66 of comparator 60 . Via the AND gate 50 , the signal 36 from the output 32 of the frequency divider 20 at the input 56 of the OR gate 53 and thus also at the output 74 of the OR gate 53 is effective. The semiconductor relay 44 is turned on during two out of three half-periods of the AC voltage, so that a current flows through the United consumer according to the second line of FIG. 3. Finally, in the event of a further increase in the signal at the input 32, a signal "H" also becomes effective at the third output 68 of the comparator 60 , which is connected directly to the third input 58 of the OR gate 53 . A permanent signal "H" therefore appears at the output 74 of the OR gate 53 . The solid-state relay 44 is continuously controlled so that the full AC mains voltage at the consumer takes effect.

Bei der in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Ausfüh rung sind drei Halbleiterrelais 76, 78 und 44 für je eine Phase eines Drehstroms vorgesehen. Der Kompa rator 60 weist drei Gruppen von Ausgängen 80, 82, 84 sowie 86, 88, 90 und 64, 66, 68 auf. Jede dieser Grup pen von Ausgängen ist auf jeweils eine Logikschal tung 92, 94, 96 von zwei UND-Gliedern 98, 100 sowie 102, 104 und 46, 50 und einem ODER-Glied 106, 108, 53 geschaltet, die in der im Zusammenhang mit Gruppe 96 beschriebenen Weise verknüpft und außerdem von den Ausgängen 30,34 des Frequenzteilers 20 beauf schlagt ist. Durch die Logikschaltungen 92, 94 und 96 ist jeweils eines der drei Halbleiterrelais steuerbar.In the preferred embodiment shown in FIG. 4, three semiconductor relays 76, 78 and 44 are provided for one phase of a three-phase current. The comparator 60 has three groups of outputs 80, 82, 84 and 86, 88, 90 and 64, 66, 68 . Each of these groups of outputs is connected to a logic circuit 92, 94, 96 of two AND gates 98, 100 and 102, 104 and 46, 50 and an OR gate 106, 108, 53 , which in the context is linked to group 96 described above, and also beat from the outputs 30,34 of the frequency divider 20 beauf. Logic circuits 92, 94 and 96 each control one of the three semiconductor relays.

Bei der beschriebenen Anordnung erscheint das Sig nal "H" bei einem Anstieg des Signals am Eingang 62 nacheinander an den Ausgängen 80, 82, 84, 86, 88, 64, 66 und 68. Es wird daher über die Logikschaltung 92 zunächst das Halbleiterrelais 76 in der beschrie benen Weise in drei Stufen gesteuert, bis bei Auf treten eines Signals am Ausgang 84 die von dem Halbleiterrelais 76 gesteuerte Phase des Drehstroms voll durchgeschaltet ist. Bei weiterem Anstieg des Eingangssignals 62 wird über das Halbleiterrelais 78 die zweite Phase des Drehstroms in der beschrie benen Weise in drei Stufen gesteuert, während die erste Phase weiterhin voll durchgesteuert bleibt. Schließlich wird über die Ausgänge 64, 66 und 68 die dritte Phase des Drehstroms mittels des Halbleiter relais 44 gesteuert. Die installierte Leistung kann somit in insgesamt neun Stufen geschaltet werden.In the arrangement described, the signal "H" appears successively at an increase in the signal at the input 62 at the outputs 80, 82, 84, 86, 88, 64, 66 and 68 . It is therefore first controlled by the logic circuit 92 , the semiconductor relay 76 in the manner described in three stages until the phase of the three-phase current controlled by the semiconductor relay 76 is fully switched through when a signal occurs at the output 84 . If the input signal 62 continues to rise, the second phase of the three-phase current is controlled in three steps via the semiconductor relay 78 in the manner described, while the first phase remains fully controlled. Finally, the third phase of the three-phase current is controlled by means of the semiconductor relay 44 via the outputs 64, 66 and 68 . The installed power can thus be switched in a total of nine stages.

Bei der dargestellten Ausführung werden die drei Phasen des Drehstroms nacheinander stufenweise zugeschaltet. Es ist auch möglich, statt dessen nacheinander jede der drei Phasen mit einem Drittel der Leistung einzuschalten, dann nacheinander jede der Phasen mit zwei Drittel der Leistung und schließlich nacheinander jede der drei Phasen mit voller Leistung.In the embodiment shown, the three Phases of the three-phase current in stages switched on. It is also possible instead one after the other each of the three phases power on, then each one at a time of phases with two thirds of performance and finally using each of the three phases in turn full performance.

Eine andere Möglichkeit (bei Verwendung eines Kom parators mit drei Ausgängen) besteht darin, gleich zeitig alle drei Halbleiterrelais 76, 78 und 44 an zusteuern und in drei Stufen zu schalten.Another possibility (when using a comparator with three outputs) is to simultaneously control all three semiconductor relays 76, 78 and 44 and switch them in three stages.

Die erstere Variante erhält man dadurch, daß man die Verbindung der UND-Glieder mit den Ausgängen 82 und 86, mit den Ausgängen 84 und 64 und mit den Ausgängen 90 und 66 vertauscht. Diese Variante hat den Vorteil einer gleichmäßigeren Belastung des Drehstromnetzes. The former variant is obtained by exchanging the connection of the AND elements with the outputs 82 and 86 , with the outputs 84 and 64 and with the outputs 90 and 66 . This variant has the advantage of a more even load on the three-phase network.

Bei der dargestellten Ausführung ist das Eingangs signal am Eingang 62 des Komparators 60 von einer stetig veränderlichen Steuerspannung an einem Ein gang 110 und einer der Steuerspannung in einem Summierpunkt 112 überlagerten Dreieckspannung von einem Dreieckgenerator 114 gebildet. Eine solche Anordnung bewirkt eine Pulsbreitenmodulation, wobei die Leistung jeweils zwischen den zwei höchsten angesteuerten Leistungsstufen hin- und herge schaltet wird. Beispielsweise erscheint ein Signal "H" an dem Ausgang 90 als Dauersignal, während an dem Ausgang 64 ein Signal mit einer Impulsbreite auftritt, die sich stetig mit dem Signal am Eingang 110 ändert. Es kann auf diese Weise die zugeführte Leistung stetig verändert werden. Die gepulste Leistung entspricht dabei der Leistungsdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen. Die Frequenz, mit welcher die Leistung gepulst wird, wird durch den Dreieckgenerator 114 vorgegeben.In the illustrated embodiment, the input signal at the input 62 of the comparator 60 is formed by a continuously variable control voltage at an input 110 and a triangular voltage superimposed on the control voltage in a summing point 112 by a triangular wave generator 114 . Such an arrangement effects pulse width modulation, the power being switched back and forth between the two highest controlled power levels. For example, a signal "H" appears at the output 90 as a continuous signal, while at the output 64 a signal occurs with a pulse width that changes continuously with the signal at the input 110 . In this way, the power supplied can be changed continuously. The pulsed power corresponds to the power difference between two successive stages. The frequency at which the power is pulsed is specified by the triangle generator 114 .

Mit einer Anordnung der beschriebenen Art läßt sich eine Temperaturregelung für einen elektrischen Durchlauferhitzer durchführen, wobei die Forde rungen der DIN EN 50006/VDE 0838 erfüllt sind.With an arrangement of the type described a temperature control for an electrical Carry out a water heater, taking the Forde requirements of DIN EN 50006 / VDE 0838 are met.

Claims

1. Containing an electronic power controller, in particular for regulating the outlet temperature in electric instantaneous water heaters

(a) a rectifier bridge ( 10 ) acted upon by line frequency AC voltage, which supplies a DC voltage pulsating at twice the line frequency,
(b) a Schmitt trigger ( 16 ), to which the pulsating DC voltage is applied, for generating a square-wave pulse sequence with twice the mains frequency,
(c) a frequency divider ( 20 ) to which the right-hand corner pulse sequence is connected,
(d) a semiconductor relay ( 22 ) present at the mains AC voltage with zero voltage switch behavior, by means of which the power can be switched and
(e) means ( 28 ) for controlling the semiconductor relay as a function of output signals from the frequency divider,

characterized in that

(f) the frequency divider ( 20 ) has a first output ( 30 ) at which an output signal ( 32 ) is set in each case by an edge of every third pulse ( 18 ) and is reset by the corresponding edge of the next pulse.
(g) the frequency divider ( 20 ) has a second output ( 34 ) at which an output signal ( 36 ) is set by every third pulse ( 18 ) and is reset by the pulse after the next, and
(h) by said means ( 28 ) for controlling the semiconductor relay ( 22 ) depending on a further switching state, the first or the second output ( 30 or 34 ) of the frequency divider ( 20 ) can be applied to the control input ( 38 ).

2. Electronic power controller according to claim 1, characterized in that said means ( 28 ) for controlling the semiconductor relay are formed by a selector switch, the position of which represents said further switching state.

3. Electronic power controller according to claim 2, characterized in that via the selector switch either no signal or permanent signal to the control input ( 38 ) of the semiconductor relay ( 22 ) can be applied.

4. Electronic power controller according to claim 1, characterized in that said means for controlling the semiconductor relay ( 44 )

(a) contain a first AND gate ( 46 ), one ( 48 ) of which is present at the first output ( 30 ) of the frequency divider ( 20 ), and
(b) a second AND gate ( 50 ), one input ( 52 ) of which is applied to the second output ( 34 ) of the frequency divider ( 20 ),
(c) an OR gate ( 53 ) with three inputs ( 54, 56 , 58 ), at its first input ( 54 ) the output of the first AND gate ( 46 ) and at its second input ( 56 ) the output of the second AND element ( 50 ) is present, and
(d) comparator means ( 60 ),
- (d 1) which, as a function of an input signal determined by the required power when stepped threshold values are exceeded , deliver output signals at a first, a second and a third output ( 64, 66, 68 ) and
- (d₂) whose first output ( 64 ) with the other input ( 70 ) of the first AND gate ( 46 ), the second output ( 66 ) with the other input ( 72 ) of the second AND gate ( 50 ) and the third output ( 68 ) is connected to the third input ( 58 ) of the OR gate ( 53 ).

5. Electronic power controller according to claim 4, characterized in that

(a) one semiconductor relay ( 76, 78, 44 ) is provided for each phase of a three-phase current,
(b) the comparator means ( 60 ) have three groups of three outputs each ( 80, 82, 84; 86, 88, 90; 64, 66, 68 ) and
(c) each of these groups of outputs is connected to a logic circuit ( 92, 94, 96 ) of two AND gates ( 98, 100; 102, 104; 46, 50 ) and an OR gate ( 106, 108, 59 ) which is also acted upon by the outputs ( 30, 34 ) of the frequency divider ( 20 ), and
(d) one of the three semiconductor relays ( 76, 78, 44 ) can be controlled by the logic circuits ( 92, 94, 96 ).

6. Electronic power controller according to claim 4, characterized in that the input signal of the comparator ( 60 ) is formed by a continuously variable regulator output voltage and a delta voltage superimposed on the regulator output voltage.