DE3733294A1 - Schaltung zur steuerung der elektrischen leistung fuer einen verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Steuerung der elektrischen Leistung für einen Verbraucher mit einer Temperaturregelung, bei der ein Komparator eine tempera­ turabhängige Spannung mit einer Temperatur-Sollwertspan­ nung vergleicht.

Bei temperaturgeregelten elektrischen Heizkörpern, die bekanntlich Wärme liefern, oder bei einem temperaturge­ regelten Fön, der bekanntlich Warmluft liefert, wird die elektrische Leistung für das Gerät vorteilhafterweise getaktet. Ohne getaktete Leistungszufuhr würde ein sol­ cher Fön kurzzeitig z. B. zu heiße Luft liefern und da­ durch den Benutzer gefährden. Auch bei Heizkörpern sorgt die getaktete Leistungszufuhr für eine Konstanz der vom Heizkörper gelieferten Wärme.

Elektrische Geräte dürfen jedoch nicht zu schnell ge­ taktet werden, da ein zu schnelles Takten von den Strom­ kunden in Gestalt von Helligkeitsschwankungen bei Be­ leuchtungskörpern wahrgenommen würde. Die Häufigkeit, mit der ein elektrisches Gerät getaktet werden darf, hängt von der elektrischen Leistung ab, die das Gerät erfordert. Je höher die elektrische Leistung ist, die ein Gerät aufnimmt, desto weniger schnell kann die zu­ geführte elektrische Leistung getaktet werden. Bei einem Fön mit etwa 1 kW Leistung darf beispielsweise 1 mal pro Sekunde geschaltet werden. Bei einem elektrischen Heiz­ körper dagegen mit einer Leistung von 2,2 kW z. B. darf nur 2 mal pro Minute geschaltet werden.

Die Steuerung der elektrischen Leistung, die einem Ver­ braucher zugeführt wird, und damit die Temperaturrege­ lung der vom Verbraucher abgegebenen Wärmeleistung er­ folgt in bekannter Weise durch einen Spannungsvergleich, bei dem mittels eines Komparators eine temperaturabhän­ gige Spannung mit einer Sollwertspannung verglichen wird. Der Sollwertspannung, die beispielsweise mittels eines Potentiometers eingestellt wird, wird gemäß der Fig. 1 bei diesem Vergleich eine Rampenspannung über­ lagert. Während die Istwert-Spannung auf die Sollwert- Spannung hochläuft, wird dem Verbraucher gemäß der Fig. 1 eine elektrische Leistung zugeführt, da ja der Ver­ braucher eine Wärmeleistung mit einer Temperatur abgeben soll, die der Sollwert-Spannung entspricht. Schneidet die Istwert-Kurve gemäß der Fig. 1 die der Sollwert- Spannung überlagerte Rampenspannung, so wird die elek­ trische Leistungszufuhr für den Verbraucher gemäß der Fig. 1 abgeschaltet, damit der Istwert-Anstieg im Soll­ wertbereich abgeflacht wird. Dabei ist angestrebt, daß die Istwert-Kurve ohne Überschwingen in die Sollwert- Gerade übergeht. Gemäß der Fig. 1 wird die elektrische Leistungszufuhr für den Verbraucher erst wieder einge­ schaltet, wenn die Istwert-Kurve die Rampenkurve erneut schneidet. Die Leistungszufuhr für den Verbraucher wird gemäß der Fig. 1 erst dann wieder gestoppt, wenn die Istwert-Kurve die Rampenkurve ein weiteres Mal schnei­ det. Das Ein- und Ausschalten der dem Verbraucher zuge­ führten elektrischen Leistung im Sollwert-Spannungsbe­ reich bzw. Rampenspannungsbereich führt gemäß der Fig. 1 zu einer Abflachung der Istwert-Kurve, die schließlich in Übereinstimmung mit der Sollwert-Kurve verläuft.

Je genauer die Istwert-Temperatur der voreingestellten Sollwert-Temperatur entsprechen soll, desto flacher bzw. kleiner muß die der Sollwert-Spannung überlagerte Ram­ penspannung sein. Je genauer die Temperaturregelung sein soll, desto schwerer ist auf der anderen Seite das Pro­ blem der Mindesttaktzeit zu lösen. Denn je flacher die der Sollwert-Spannung überlagerte Rampenspannung ist, desto näher liegen Istwert und Sollwert um den Schalt­ punkt des Spannungskomparators und desto leichter kön­ nen Störsignale das Schaltverhalten des Spannungskompa­ rators in ungewünschter Weise beeinflussen. Hinzu kommt, daß bei einer Zunahme der zu schaltenden elektrischen Leistung ja auch das τ der Rampenspannung entsprechend zunimmt und dadurch auch die Zeit entsprechend vergrö­ ßert wird, während der unerwünschte Störsignale sehr nahe beim vorgewählten Schaltpunkt des Komparators auf­ treten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Steuerung der elektrischen Leistung für einen Ver­ braucher anzugeben, die möglichst störungssicher ist. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung der eingangs er­ wähnten Art nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Fig. 2 zeigt eine Schaltung nach der Erfindung. Die Schaltung der Fig. 2 zeigt links einen Spannungsteiler, der aus den Widerständen R ₁ und R ₂ besteht. Parallel zu diesem Spannungsteiler ist eine Diodenkette (D ₁, D ₂, D ₃) in Reihe mit einem Widerstand R ₃ geschaltet. Der Zweig mit der Diodenkette liefert eine temperaturabhängige Istwert-Spannung, die dem einen Eingang des Spannungs­ komparators K zugeführt wird. Dem anderen Eingang des Spannungskomparators K wird die dem Spannungsteiler (R ₁/R ₂) entnommene Sollwert-Spannung zugeführt.

Wie die Schaltung der Fig. 2 zeigt, sind bei der Schal­ tung nach der Erfindung drei Detektoren vorgesehen, und zwar ein Detektor für die positive Halbwelle der Netz­ spannung, ein Detektor für die negative Halbwelle der Netzspannung und ein Nullpunktdetektor, der im Nullpunkt der Netzspannung einen Impuls liefert. Den drei Detek­ toren wird die Netzspannung über einen gemeinsamen Wi­ derstand R _syn zugeführt. Die Schaltung der Fig. 2 ent­ hält weiterhin drei Speicher (1, 2, 3). Der erste Spei­ cher 1 ist der sogenannte Fensterspeicher, dessen Setz­ eingang das Ausgangssignal des Detektors für die posi­ tive Halbwelle und dessen Rücksetzeingang das Ausgangs­ signal des Detektors für die negative Halbwelle zuge­ führt wird.

Die Schaltung der Fig. 2 enthält außerdem fünf Gatter G ₁, G ₂, G ₃, G ₄ und G ₅. Dem Gatter G ₁ wird das Signal des Q-Ausganges des ersten Speichers 1, das Ausgangssignal des Spannungskomparators K sowie das Ausgangssignal des Nullpunktdetektors zugeführt. Das Gatter G ₂ erhält die­ selben Signale, nur das Komparatorsignal wird dabei in­ vertiert. Während der Ausgang des Gatters G ₁ mit dem Setzeingang des zweiten Speichers (Istwert-Speicher) 2 verbunden ist, ist der Ausgang des Gatters G ₂ mit dem Rücksetz-Eingang des zweiten Speichers 2 verbunden. Dem Gatter G ₃ wird das Signal des -Ausganges des zweiten Speichers 2 sowie das Ausgangssignal des Detektors für die negative Halbwelle zugeführt. Dem Gatter G ₄ wird das Signal des Q-Ausganges des zweiten Speichers 2 sowie das Ausgangssignal des Detektors für die negative Halbwelle zugeführt. Die Gatter G ₃ und G ₄ bedienen den dritten Speicher (Ausgangsspeicher) 3, und zwar wird das Aus­ gangssignal des Gatters G ₃ dem Rücksetzeingang des drit­ ten Speichers 3 und das Ausgangssignal des Gatters G ₄ dem Setzeingang des dritten Speichers 3 zugeführt. Das fünfte Gatter G ₅ erhält das Signal des Q-Ausganges des dritten Speichers 3 sowie das Ausgangssignal des Null­ punkt-Detektors.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach der Erfindung er­ gibt sich aus der Schaltung der Fig. 2 in Verbindung mit den Diagrammen der Fig. 3. Die Kurve 1 der Fig. 3 zeigt den Verlauf der Netzspannung. Die Kurve 2 der Fig. 3 zeigt das Ausgangssignal des Detektors für die positive Halbwelle der Netzspannung und die Kurve 3 das Ausgangssignal des Detektors für die negative Halbwelle der Netzspannung. Nach der Kurve 3 liefert der Detektor für die positive Halbwelle während der positiven Halb­ welle der Netzspannung einen Impuls und nach der Kurve 3 liefert der Detektor für die negative Halbwelle während der negativen Halbwelle der Netzspannung einen Impuls. Die Kurve 4 zeigt das Ausgangssignal des Nullpunktdetek­ tors, der nach der Kurve 4 in jedem Nullpunkt der Netz­ spannung einen Impuls liefert.

Die Kurve 5 der Fig. 3 zeigt das Ausgangssignal (Q- Ausgang) des ersten Speichers 1, des sogenannten Fen­ ster-Speichers. Da der Ausgang des Detektors für die positive Halbwelle mit dem Setzeingang des ersten Spei­ chers 1 und der Ausgang des Detektors für die negative Halbwelle mit dem Rücksetzeingang des ersten Speichers 1 verbunden sind, erscheint am Ausgang des ersten Spei­ chers 1 ein Impuls mit dem Einsetzen des Ausgangsimpul­ ses des Detektors für die positive Halbwelle der Netz­ spannung, der endet, wenn das Ausgangssignal des Detek­ tors für die negative Halbwelle der Netzspannung ein­ setzt. Die Impulse der Kurve 5 beginnen demzufolge in den positiven Halbwellen und enden in den auf die posi­ tiven Halbwellen folgenden negativen Halbwellen mit Er­ scheinen des Ausgangssignals des Detektors für die nega­ tiven Halbwellen. Die Impulse der Kurve 5 sind somit breiter als die Impulse des Detektors für die positive Halbwelle (Kurve 2).

Die Kurve 6 der Fig. 3 ergibt sich aus der logischen Und-Verknüpfung der Kurve 4 und der Kurve 5 der Fig. 3. Das daraus resultierende Signal der Kurve 6 wird nun zusammen mit dem Komparatorsignal entsprechend der Kurve 7 mit Hilfe des Gatters G ₁ der Fig. 2 dazu verwendet, den Istwert-Speicher 2 der Fig. 2 in den Zustand = 1 zu setzen, was auch in der Kurve 8 der Fig. 3 zu sehen ist. Da das Rücksetzen des Speichers 2 mit Hilfe des Gatters G ₂, das das invertierte Ausgangssignal des Kom­ parators K (dargestellt durch den Invertierungspunkt am Eingang von Gatter G ₂) wiederum mit dem Abfrage-Kompara­ torfenster entsprechend der Kurve 6 der Fig. 3 verknüpft, vorgenommen wird, kann der Speicher 2 nur in diesen schmalen Zeitausschnitten wieder zurückgesetzt werden. Da der größte Teil der auftretenden Störungen (weil mei­ stens durch Phasenanschnittsteuerungen, betrieben am gleichen Netz, hervorgerufen), periodisch mit quasi-kon­ stanter Phasenlage auftritt, werden diese Störungen durch die oben beschriebene Abfragefensterbildung unwirksam. Weil das Umschalten in den Zustand "Ein" des Speichers 2 theoretisch auch erst in der letzten "Mikrosekunde" die­ ses Abfragefensters passieren kann, darf der eigentliche Ausgangsimpuls zur Ansteuerung des Leistungsbauelementes (Triac) nicht gleichzeitig mit dem Setzen von Speicher 2 auftreten, weil dieser Ausgangszündimpuls eine entspre­ chende Mindestdauer, vorgegeben durch die Nulldurchgangs­ impulse (Kurve 4 von Fig. 3) haben muß. Um diese Min­ destbreite zu garantieren, wird ein weiterer Speicher, der Ausgangsspeicher 3 aus der Fig. 2, durch Verknüp­ fung des Ausgangssignals von Speicher 2 mit Hilfe des Gatters G ₄ mit dem Detektor für die negativen Halbwellen erst mit dem Beginn des negativen Halbwellensignals in den Zustand "Ein" bzw. nach Wiederabschalten von Spei­ cher 2 mit Beginn der darauffolgenden negativen Halb­ welle unter Zuhilfenahme von Gatter G ₃ zurückgesetzt. Die Verknüpfung des Ausgangssignals Q des Ausgangsspei­ chers 3 mit dem Nulldetektorsignal unter Zuhilfenahme des Gatters G ₅ aus der Fig. 2 liefert nun die zur An­ steuerung des Leistungsbauelementes dienenden Ausgangs­ impulse der Steuerelektronik gemäß Kurve 10 der Fig. 3.

Claims (2)

1. Schaltung zur Steuerung der elektrischen Leistung für einen Verbraucher mit einer Temperaturregelung, bei der ein Komparator eine temperaturabhängige Spannung mit einer Temperatur-Sollwertspannung vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß Detektoren für die positiven Halb­ wellen, die negativen Halbwellen und den Nulldurchgang der Betriebsspannung vorgesehen sind, daß ein erster Speicher vorgesehen ist, dem als Setzsignal die Detektor­ signale für die positiven Halbwellen und dem als Rück­ setzsignal die Detektorsignale für die negativen Halb­ wellen zugeführt werden, daß ein erstes und ein zweites Gatter vorgesehen sind, denen je das Ausgangssignal des ersten Speichers, das Ausgangssignal des Nullpunktdetek­ tors und das Ausgangssignal des Komparators zugeführt werden, wobei das zweite Gatter das invertierte Kompa­ ratorsignal erhält, daß ein zweiter Speicher vorgesehen ist, dessen Setzeingang das Ausgangssignal des ersten Gatters und dessen Rücksetzeingang das Ausgangssignal des zweiten Gatters zugeführt werden, daß ein drittes und ein viertes Gatter vorgesehen sind, wobei dem drit­ ten Gatter die Detektorsignale für die negativen Halb­ wellen sowie das Signal des -Ausganges des zweiten Speichers und dem vierten Gatter die Detektorsignale für die negativen Halbwellen sowie das Signal des Q-Ausgan­ ges des zweiten Speichers zugeführt werden, daß ein dritter Speicher vorgesehen ist, dessen Rücksetzeingang das Ausgangssignal des dritten Gatters und dessen Setz­ eingang das Ausgangssignal des vierten Gatters zugeführt werden, und daß ein fünftes Gatter vorgesehen ist, des­ sen einem Eingang das Signal des Q-Ausganges des dritten Speichers sowie das Ausgangssignal des Nullpunktdetek­ tors zugeführt werden.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren über einen gemeinsamen ohmschen Wider­ stand an der treibenden Netzspannung liegen.