DE3708610A1 - Regelvorrichtung fuer eine elektrische heizanlage, insbesondere eines haushaltsherdes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für eine elektrische Heizanlage insbesondere eines Haushaltsherds, mit einem in Reihe zu einer elektrischen Heizvorrichtung geschalteten Leistungsschalter, der oberhalb von vorgebbaren Soll­ wert-Temperaturen geöffnet ist. Bekannte Regelvorrichtungen für elektrische Heizanlagen in Haushaltsherden weisen gewöhn­ lich einen temperaturabhängigen Leistungsschalter auf, der bei Erreichen der eingestellten Sollwert-Temperatur den Heizstrom abschaltet und bei einem Absinken der Temperatur um einen gewissen Betrag unter diesem Wert wieder einschaltet. Bei derartigen Zweipunkt-Reglern hängt das Regelspiel, also die infolge des Regelverhaltens auftretenden Temperaturdifferenzen, von der zugeführten Leistung ab. Da bei Backöfen und Herdplatten diese zuge­ führte Leistung sehr groß ist und im allgemeinen zwei kW beträgt, ergibt sich ein sehr großes Regelspiel, das sich bei der Zubereitung gewisser Gerichte störend bemerk­ bar machen kann.

Die Leistung könnte zwar prinzipiell zweistufig zugeführt werden, d.h. unterhalb eines bestimmten Temperatur-Soll­ werts erfolgt die Aufheizung über eine einzige Heizvorrichtung, während bei einem höheren Temperatur-Sollwert die Aufhei­ zung über zwei Heizvorrichtungen erfolgt. Da hierfür auch zwei teure Leistungsschalter erforderlich wären, würde dies insgesamt zu einer kostenmäßig und montagemäßig auf­ wendigen Heizanlage führen.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Regelvorrich­ tung für eine elektrische Heizanlage zu schaffen, die nur eine einzige Heizvorrichtung und einen einzigen Leistungs­ schalter benötigt und durch die das Regelspiel wesentlich reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Leistungsschalter elektrisch steuerbar ausgebildet und unterhalb der jeweils vorgegebenen Sollwert-Temperatur mit einer getakteten Steuerspannung beaufschlagt ist, deren Tastverhältnis in Funktion zum jeweils vorgegebenen Temperatur-Sollwert steht.

Durch die erfindungsgemäße Regelvorrichtung erfolgt somit eine automatische Anpassung der Heizleistung an den jeweils vorgegebenen Temperatur-Sollwert, indem das Tastverhältnis der Steuerspannung entsprechend verändert wird. Bei höheren Sollwerten nimmt dabei das Verhältnis von Impulsbreite zur Impulspause zu, während es in Richtung zum niedrigeren Sollwert abnimmt. Da somit die Leistung automatisch an die für die jeweilige Temperatur notwendige Leistung angepasst wird, werden die Regelschwingungen bzw. das Regelspiel auf den kleinst möglichen Wert reduziert, so daß die eingestellte Sollwert-Temperatur gegenüber herkömmlichen Heizanlagen wesentlich exakter eingehalten wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Regelvorrichtung möglich.

Zur Steuerung des Leistungsschalters erweist sich eine eine Schalthysteresis aufweisende Vergleichsvorrich­ tung als besonders zweckmäßig, die mit einem Temperatur- Sollwert-Signal einerseits und einem Signal eines Temperatur­ sensors zur Bestimmung des Temperatur-Istwert anderer­ seits beaufschlagt ist. Auf diese Weise kann eine Trennung von Leistungsschalter und Temperatursensor erfolgen, so daß dieser an der günstigsten Stelle plaziert werden kann. Die Temperaturerfassung und der Vergleich können dabei in exakter Weise rein elektronisch erfolgen, insbesondere mittels eines Schmitt-Triggers. Zur Einstellung der Steuer­ spannung und vorzugsweise auch zur wenigstens teilweisen Durchführung des Vergleichsvorgangs eignet sich besonders ein Mikrorechner. Dabei kann die Vergleichsvorrichtung diesem Mikrorechner nachgeschaltet sein oder sie ist wenigstens zum Teil Bestandteil des Mikrorechners. Der Mikrorechner kann dabei auch vollständig beide Funktionen übernehmen, also den Vergleichsvorgang und die Erzeugung der Steuerspannung.

Zur Vorgabe der Temperatur-Sollwerte eignet sich besonders eine als Tastatur ausgebildete Eingabevorrichtung, wobei der eingegebene Sollwert auf einer als LCD- oder LED-Display ausgebildeten Eingabevorrichtung angezeigt werden kann. Dieser Sollwert wird zum einen der Vergleichsvorrichtung zugeführt und steuert zum anderen die Einstellung des Tastverhältnisses der Steuerspannung.

Die Einstellung des Tastverhältnisses D erfolgt besonders günstig nach der Funktion D=T _s /A-B, wobei A und B Konstanten sind und T _s in der Einheit °C einzusetzen ist. Für einen üblichen Haushaltsbackofen haben sich dabei die Werte A 3 und B = 9 als besonders geeignet erwiesen.

Um eine schnelle Aufheizphase vor allem bei mittleren Temperatur-Sollwerten zu erreichen, wird bei Vorgabe eines über einem vorgebbaren Grenzwert liegenden Temperatur-Soll­ werts eine den Leistungsschalter während der ersten Aufheizphase durchgehend in seiner geschlossenen Schaltstellung haltende Steuerspannung erzeugt. Dadurch erfolgt die Aufheizphase bei größtmöglicher Heizleistung, und erst die folgenden Heizphasen erfolgen dann mit der jeweils zugeordneten getakteten Steuerspannung. Ein der­ artiger Grenzwert liegt vorzugsweise zwischen 100 und 120 C°.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungs­ weise.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Eingabetastatur 10 mit einem Mikrocomputer 11 verbunden, wie er in vielfacher Ausführung beispielsweise als 1-Chip- Mikrocomputer im Handel erhältlich ist. An diesen Mikro­ computer 11 ist zur Anzeige der angegebenen Temperatur-Soll­ werte ein Display 12 ausgangsseitig angeschlossen. Ein erster Steuerausgang 13 des Mikrocomputers 11 ist über ein RC-Glied 14 mit dem nicht-invertierenden Eingang eines als Schmitt-Trigger geschalteten Operationsverstärkers 15 verbunden. An der invertierenden Eingang des Operationsver­ stärkers 15 ist der Ausgang eines Temperatursensors 16 angeschlossen, der bei Bedarf noch einen Signalverstärker enthalten kann. Der Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist einmal über eine Mitkopplungsleitung 17 mit dem Mikrocomputer 11 und weiterhin mit einem Eingang eines UND- Gatters verbunden. Ein zweiter Steuerausgang 19 des Mikrocom­ puters 11 ist an einen zweiten Eingang des UND-Gatters 18 angeschlossen, dessen Ausgang am Steuereingang eines Leis­ tungsschalters 20 liegt. Dieser Leistungsschalter 20 kann bei­ spielsweise als Relais oder als elektronischer Leistungs­ schalter ausgebildet sein. Die Schaltstrecke dieses Leistungsschalters 20 liegt im Wechselstromschaltkreis einer elektrischen Heizvorrichtung 21.

Diese elektrische Heizvorrichtung 21 kann beispielsweise in einem Backofen oder in einer Herdplatte eines Haus­ haltsherdes angeordet sein, wobei der Temperatursensor 16 dann jeweils eine entsprechende Position einnimmt. Selbst­ verständlich ist die Anwendung nicht auf Haushaltsherde beschränkt, sondern auf alle anderen Arten von Heizanlagen verwendbar, bei denen eine Verringerung der Regelschwingungen erreicht werden soll.

Die Wirkungsweise soll im folgenden anhand des in Fig. 2 dargestellten Signaldiagramms erläutert werden. Zunächst wird über die Eingabetastatur 10 der gewünschte Temperatur- Sollwert eingegeben, z.B. 190 °C.

Dieser Sollwert erscheint am ersten Steuerausgang 13 als Soll­ wert-Signal und wird über das RC-Glied 14 dem Operations­ verstärker 14 zugeführt, wo es mit dem durch den Temperatur­ sensor 16 ermittelten Istwert-Signal verglichen wird.

Durch das RC-Glied können Störimpulse ausgefiltert werden und ein integrales Verhalten erreicht werden. Durch die Mitkopplungsleitung 17 ist der Operationsverstärker 15 in Zusammenwirkung mit dem Mikrocomputer 11 als Schmitt- Trigger geschaltet, der eine gegenüber der Ausschaltschwelle T 1 niedrigere Einschaltschwelle T 2 aufweist, so daß ein Hysterese-Verhalten bewirkt wird. Wird die Schwelle T 1 überschritten, so wechselt der Ausgang des Operationsver­ stärkers 15 von einem 1-Signal zu einem 0-Signal, während dies bei Unterschreitung der Einschaltschwelle T 2 umge­ kehrt ist. Es ist selbstverständlich möglich, einen völlig separaten Schmitt-Trigger dem ersten Steuerausgang 13 nachzuschalten, wie es auch möglich ist, den Schmitt- Trigger im Mikrocomputer zu integrieren, d.h. seine Funktionen softwaremäßig zu realisieren.

Am zweiten Steuerausgang 19 wird eine getaktete Steuerspan­ nung erzeugt, deren Tastverhältnis D mit dem vorgegebenen Temperatur-Sollwert T _s über die Funktion D = T₅/A-B verknüpft ist. Dabei sind A und B Konstanten und T _s ist in der Einheit °C einzusetzen. Für Haushaltsbacköfen haben sich beispielsweise die Werte A = 3 und B = 9 als günstig erwiesen. Je größer der vorgegebene Sollwert ist, desto größer wird das Tastverhältnis, d.h. das Verhältnis von Impulsbreite zur Impulspause. Dadurch erfolgt eine automatische Anpassung der Heizleistung an die jeweils gewünschte Sollwert-Temperatur, was zu minimalen Regelschwingungen führt.

Im UND-Gatter 18 wird das Ausgangssignal U ₁₅ des Operations­ verstärkers 15 mit der getakteten Steuerspannung am zweiten Steuerausgang verknüpft, so daß die Signalfolge U ₁₈ entsteht, die zur Steuerung des Leistungsschalters 20 herangezogen wird. Diese weist im dargestellten Aus­ führungsbeispiel etwa das Tastverhältnis 1 auf, d.h. die maximal mögliche Heizleistung wird halbiert.

Ein Temperaturverlauf I einer bekannten Regelvorrichtung weist große Regelschwingungen auf. Zum Zeitpunkt t 1 wird nach einer ersten Aufheizphase mit maximaler Heizleistung der Ausschaltschwellwert T 1 erreicht, so daß ein vorgesehener Leistungsschalter gemäß dem Signalverlauf U ₀ den Heizstrom unterbricht. Dieser wird zum Zeitpunkt t 2 bei Erreichen des unteren Einschaltschwellwerts T 2 wieder eingeschaltet, wobei wiederum die volle Heizleistung vorliegt. Ein weiteres Ausschalten erfolgt zum Zeitpunkt t 4 und ein weiteres Einschalten wiederum zum Zeitpunkt t 6.

Ein Temperaturverhalten, wie es dagegen bei der in Fig. 1 beschriebenen Regelvorrichtung auftreten kann, ist durch die Temperaturkennlinie II dargestellt. Bei dieser Dar­ stellung wird davon ausgegangen, daß der Temperatur-Sollwert T _s einen Wert aufweist, zu dessen Erreichen etwa die halbe Heizleistung erforderlich ist, die sich durch ein Tastver­ hältnis von etwa 1 gemäß U ₁₈ äussert. Der Temperaturan­ stieg erfolgt daher langsamer und der obere Ausschalt­ schwellwert T 1 wird erst zum Zeitpunkt t ₃ erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wechselt das Ausgangssignal U ₁₅ des Operations­ verstärkers 15 von einem 1-Signal zu einem 0-Signal, und der Heizstrom wird unterbrochen. Erst zum Zeitpunkt t _5, also beim Unterschreiten des unteren Einschalt-Schwellwerts T 2, wird wieder ein getakteter Heizstrom bis zum Zeitpunkt t ₇ zu­ geführt. Durch diese Leistungsanpassung an den Temperatur- Sollwert werden die Regelschwingungen gegenüber den Herkömmlichen reduziert. Vor allem bei sehr niedrigen Temperatur- Sollwerten wird das Verhältnis zwischen den herkömmlichen Regelschwingungen und den durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung bewirkten noch wesentlich größer. Gerade bei niedrigen Temperaturen sind jedoch Regelschwingungen oft besonders unerwünscht, so z.B. beim gehen von Hefeteig von 40°C und bei der Herstellung von Baiser bei 70°C. Große Regelschwingungen können dabei das erwünschte Back- oder Kochergebnis in Frage stellen.

Um insbesondere bei hohen Temperatur-Sollwerten eine zulange erste Aufheizphase zu vermeiden, kann diese mit der vollen Heizleistung durchgeführt werden, d.h. während der ersten Aufheizphase wird am zweiten Steuerausgang 19 eine kontinuierliche Steuerspannung erzeugt, durch die währ­ end eines Signals U ₁₅ der Leistungsschalter 20 in seiner geschlossenen Stellung gehalten wird. Erst ab der zweiten Aufheizphase wird dann eine getaktete Steuerspan­ nung vorgegeben. Diese Umschaltung der Steuerspannung während der ersten Aufheizphase erfolgt zweckmäßigerweise ab einer Grenztemperatur von etwa 100 bis 120°C. Gleich­ falls ist es möglich, grundsätzlich unterhalb einer vorbestimmten Temperatur von beispielsweise 80°C für die erste Aufheizphase eine kontinuierliche Steuer­ spannung vorzugeben. Selbstverständlich ist es auch in Abwandlung von Fig. 1 möglich, die Funktionen der Bauteile 14, 15, 17, 18 im Mikrorechner 11 zu integrieren und rein digital auszuführen, so daß an einem Ausgang dieses Mikrorechners 11 direkt die Steuerspannung U ₁₈ abgenommen werden kann.

Claims (16)

1. Regelvorrichtung für eine elektrische Heizanlage, insbesondere eines Haushaltsherds, mit einem in Reihe zu einer elektrischen Heizvorrichtung geschalteten Leistungs­ schalter, der oberhalb von vorgebbaren Sollwert-Temperaturen geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs­ schalter (20) elektrisch steuerbar ausgebildet und unterhalb der jeweils vorgegebenen Sollwert-Temperatur mit einer getakteten Steuerspannung beaufschlagt ist, deren Tastverhältnis (D) in Funktion zum jeweils vorge­ gebenen Temperatur-Sollwert (T _s ) steht.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ansteuerung des Leistungsschalters (20) eine eine Schalthysteresis aufweisende Vergleichs­ vorrichtung (15) vorgesehen ist, die mit einem Temperatur- Sollwert-Signal einerseits und einem Signal eines Temperatursensors (16) zur Bestimmung des Temperatur- Istwerts andererseits beaufschlagt ist.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung (15) als Schmitt-Trigger ausgebildet ist.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einen Mikrorechner (11) enthält.

5. Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung (15) dem Mikrorechner (11) nachgeschaltet ist.

6. Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung (15) wenigstens zum Teil Bestandteil des Mikrorechners (11) ist.

7. Regelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Mikrorechner (11) ein Operationsver­ stärker (15) nachgeschaltet ist, dessen Mitkopplungs­ leitung (17) zum Mikrorechner (11) rückgeführt ist.

8. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingabevor­ richtung (10) zur Vorgabe der Temperatur-Sollwerte sowie eine Anzeigevorrichtung (12) für dieselben vorgesehen ist.

9. Regelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabevorrichtung (10) als Tastatur und die Anzeige­ vorrichtung (12) als LCD- oder LED-Display ausgebildet ist.

10. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsvorrichtung (15) ein Tor (18) nachgeschaltet ist, dessen Eingänge mit dem Ausgangsignal der Vergleichsvorrichtung (15) sowie mit der Steuerspannung beaufschlagt sind und dessen Ausgang direkt oder indirekt am Steuereingang des Leistungschalters (29) angeschlossen ist.

11. Regelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Tor (18) als UND-Gatter ausgebildet ist.

12. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Funktion des Tast­ verhältnisses (D) aus D = T₅/A-B ergibt, wobei (A) und (B) Konstanten sind und (T _s ) in der Einheit °C zu bestimmen ist.

13. Regelvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß A im wesentlichen den Wert 3 aufweist.

14. Regelvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß B im wesentlichen den Wert 9 aufweist.

15. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorgabe eines über einem vorgebbaren Grenzwert liegenden Temperatur-Sollwerts eine den Leistungsschalter (20) während der ersten Auf­ heizphase durchgehend in seiner geschlossenen Schalt­ stellung haltende Steuerspannung vorliegt.

16. Regelvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert im wesentlichen 100 bis 120°C beträgt.