DE3804442A1 - Schaltungsanordnung fuer temperaturabhaengige heizelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung, die ein temperaturabhängiges Heizelement, das als Meßfühler dient, aufweist, welches durch eine Versorgungsspannungsquelle aufheizbar ist, und die mit einem Zeitsteuerglied zum Steuern der Versorgungsspannungs­ quelle versehen ist, wie sie beispielsweise aus der US-PS 37 89 190 bekannt ist.

Bei der bekannten Schaltungsanordnung dient das temperatur­ abhängige Heizelement, welches in Reihe mit einem tempera­ unabhängigen Widerstand geschaltet ist, als Meßfühler zur Temperaturerfassung. Für die bekannte Schaltungsan­ ordnung sind zwei unterschiedliche Versorgungsspannungs­ quellen erforderlich, und zwar eine Konstantspannungs­ quelle für die Brückenschaltung sowie eine gesonderte Versorgungsspannungsquelle zur Aufheizung des Heizelements. Eine Zeitsteuerschaltung sorgt in bestimmten Zeitabständen dafür, daß die Versorgungsspannungsquelle für das Heiz­ element abgeschaltet wird. Dann wird durch ein Sample- and-Holdglied das Brückendiagonalsignal als Istsignal gemessen und mit einem Sollsignal verglichen; die Differenz dient als Regelführungsgröße. Diese wird mit einer von einem Rampengenerator abgegebenen Rampenspannung verglichen. Bei diesem Vergleich wird ein zweites Differenzsignal erzeugt, welches festlegt, ob im nächsten, von der Zeit­ steuerschaltung gesteuerten Zyklus die Versorgungsspannungs­ quelle für das Heizelement eingeschaltet wird oder nicht.

Die bekannte Schaltungsanordnung ist daher relativ kompli­ ziert aufgebaut und benötigt zahlreiche, teilweise aufwen­ dige Bauteile. In der voranstehend beschriebenen Ausführung ist die bekannte Schaltungsanordnung nur mit einer Wechsel­ spannung für die Versorgungsspannungsquelle betreibbar. Falls ein Gleichspannungsbetrieb gewünscht ist, ist noch ein zusätzlicher Oszillator für die Brückenschaltung erforderlich.

Weiterhin ist aus der US-PS 25 22 826 ein älterer Vor­ schlag für eine Schaltungsanordnung bekannt, bei welcher ein Heizelement für Heizkissen und dergleichen, welches einen Temperaturkoeffizienten aufweist, mit weiteren Widerständen in einer Brückenschaltung angeordnet ist. Ein durch Widerstandsänderungen in der Brückenschaltung gesteuerter, an diese angeschlossener Röhrenverstärker betätigt ein Relais, das so ausgebildet ist, daß die Brückenschaltung selektiv an eine Spannungsversorgungs­ quelle legbar ist. An die Spannungsversorgungsquelle ist eine Zeitsteuervorrichtung angeschlossen, welche derart auf das Abschalten des Relais reagiert, daß nach einem festlegbaren Zeitintervall die Brückenschaltung wieder angeschaltet wird. Die Verwendung von Röhrenschal­ tungen erscheint heutzutage, wo moderne Halbleiterbauele­ mente zur Verfügung stehen, als wenig wünschenswert infolge der bekannten Probleme von Röhren in Bezug auf Kosten, Bauteilgröße, Wärmeentwicklung, Spannungsversorgung mit hohen Spannungen sowie getrennte Stromversorgung für die Röhrenheizung, und dergleichen. Eine Übertragung des in der US-PS 25 22 826 beschriebenen Schaltungsvor­ schlags auf moderne Schaltungen wie Halbleiterschaltungen ist jedoch nicht möglich, da realisierbare Verstärker wie Differenzverstärker eine endliche Gleichtaktunter­ drückung aufweisen; bei einem großem Spannungshub zwischen der Meßspannung und der Heizspannung würden derartige Schaltungen mit Differenzverstärker infolge zu großer Schalthysterese unbrauchbar werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beispielsweise aus der US-PS 37 89 190 bekannte Schal­ tungsanordnung weiterzuentwickeln und eine Schaltungs­ anordnung zur Verfügung zu stellen, welche einfacher aufgebaut ist.

Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung, die ein temperaturabhängiges Heizelement, das als Meßfühler dient, aufweist, welches durch eine Versorgungsspannungs­ quelle aufheizbar ist, und die mit einem Zeitsteuerglied zum Steuern der Versorgungsspannungsquelle versehen ist, wobei die Versorgungsspannungsquelle auch zur Versorgung der Brückenschaltung vorgesehen ist und das Brückendia­ gonalsignal zur Erfassung eines Polaritäts- oder Phasen­ wechsels an ein Schaltsteuerglied gelegt ist, dessen Ausgang mit dem Zeitsteuerglied verbunden ist, welcher eine Ein- oder Ausschaltung der Versorgungsspannungsquelle für eine festlegbare Zeitdauer einleitet.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung besteht darin, daß die Brückenschaltung und das Heizelement nicht mehr wie beim Stand der Technik von verschiedenen Spannungsquellen gespeist werden, die beim Umschalten von einem Meßzyklus auf einen Heizzyklus jeweils entkoppelt werden müßten. Darüber hinaus läßt sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie bei Gleichspannungs- als auch Wechselspannungs-Versorgungs­ spannungsquellen einsetzen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich mit verhältnismäßig wenigen, einfachen Bauteilen realisieren, so ist vorzugsweise das Schaltsteuerglied als Komparator ausgebildet, und das Zeitsteuerglied weist vorzugsweise eine monostabile Kippschaltung auf. Hierbei kann auf einfache Weise bei dem Zeitsteuerglied ein gesondertes Zeitgeberglied vorgesehen werden, das auf einfache Weise, beispielsweise mittels eines RC-Glieds, eine Zeitdauer festlegt und durch unterschiedliche Bemessung der Kompo­ nenten an unterschiedliche Einsatzzwecke leicht anpaßbar ist.

Für einen Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung an einer Gleichspannungsquelle ist vorteilhafter­ weise ein zwischen der Gleichspannungsquelle und der Brückenschaltung angeordneter Vorwiderstand vorgesehen, welcher durch eine Schalteinrichtung überbrückbar ist, die von dem Zeitsteuerglied betätigbar ist. Die Schaltein­ richtung ist vorteilhafterweise eine elektronische Schalt­ einrichtung, vorzugsweise ein Transistor.

Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung an einer Wechselspannungsquelle ist vorteilhafter­ weise eine zwischen der Wechselspannungsquelle und der Brückenschaltung angeordnete Schalteinrichtung vorgesehen, die von dem Zeitsteuerglied betätigbar ist. Im Vergleich zum Einsatz an einer Gleichspannungsquelle entfällt daher bei einer Wechselspannungsquelle in vorteilhafter Weise der Vorwiderstand. Auch für den Wechselspannungseinsatz ist die Schalteinrichtung vorteilhafterweise als elek­ tronische Schalteinrichtung ausgebildet, vorzugsweise als Triac.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch darge­ stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Versorgung mit einer Gleich­ spannungsquelle; und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, welche von einer Wechsel­ spannungsquelle versorgt wird.

Bei der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung ist eine Gleichspannungs-Versorgungsspannungs­ quelle schematisch durch zwei mit plus beziehungsweise minus bezeichnete Anschlußklemmen dargestellt. An die positive Versorgungsspannung ist eine Brückenschaltung angeschlossen, die einen ersten Zweig einer Reihenschaltung eines einen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Heizele­ ments RH und eines Widerstands R 2 und einen zweiten Brücken­ zweig einer Reihenschaltung aus drei Widerständen R 0, R 3 und R 1 aufweist. Das Brückendiagonalsignal wird einem Komparator K 1 zugeführt, und zwar einerseits über einen Abgriff des Widerstands R 3 und einen Widerstand R 9 zum positiven Eingang des Komparators K 1 und vom Verbindungs­ punkt des Heizelements RH mit dem Widerstand R 2 über einen Widerstand R 10 an den negativen Eingang (-) des Komparators K 1.

Der Ausgang des Komparators K 1 ist mit dem kathodenseiti­ gen Anschluß einer Diode D 3 verbunden, deren Anode an eine Zeitsteuerschaltung M angeschlossen ist. Im wesent­ lichen besteht die Zeitsteuerschaltung M aus einer mono­ stabilen Kippschaltung (Monoflop) sowie einem RC-Glied aus einem Widerstand R und einem Kondensator C, das als Zeitgeberglied dient. Hierzu ist der Kondensator C einer­ seits an die Diode D 3 und andererseits an die negative Versorgungsspannung angeschlossen. Der Widerstand R liegt zwischen der Diode D 3 und einer positiven Spannungsquelle (+). An den Verbindungspunkt zwischen Kondensator C und Widerstand R sowie Diode D 3 ist der negative Eingang eines weiteren Komparators K 2 angeschlossen. Mit diesem Eingang ist auch ein Anschluß eines Widerstands R 13 ver­ bunden, der zum anodenseitigen Anschluß einer Diode D 4 führt, deren Kathode mit dem Ausgang des Komparators K 2 und mit einem Widerstand R 14 verbunden ist, der an einen Widerstand R 15 angeschlossen ist, dessen anderer Anschluß an der negativen Versorgungsspannung (-) liegt. Der positive Eingang (+) des Komparators K 2 liegt an Masse. Vom Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R 14, R 15 führt eine Leitung zur Basis eines Transistors T, dessen Kollektor an den Fußpunkt der Widerstandsbrücken­ schaltung und dessen Emitter an die negative Versorgungs­ spannung (-) geführt ist. Parallel zur Emitter-Kollektor­ strecke des Transistors T ist ein Vorwiderstand R 4 zwischen die negative Versorgungsspannung und den Fußpunkt der Widerstandsbrückenschaltung geschaltet.

Schließlich sind die Eingänge des ersten Komparators K 1 zur Erzielung von Spannungsteilerschaltungen noch über einen Widerstand R 11 (negativer Eingang des Komparators K 1) beziehungsweise R 12 (positiver Eingang) mit der nega­ tiven Versorgungsspannung (-) verbunden. Während der Heizphase des Heizelements RH liegt dieses an der vollen Versorgungsspannung, da der Transistor T durchgeschaltet ist und daher der untere Fußpunkt der Widerstandsbrückenschaltung aus den Widerständen R 1, R 2, R 3, R 0 und RH über den Emitter-Kollektor-Pfad des Transistors T am negativen Pol der Versorgungsspannung liegt, während der obere Fußpunkt der Brückenschaltung am positiven Pol der Versorgungsspannung liegt. Dagegen wird für eine Temperaturmessung während der Meßphase der Transistor T ausgeschaltet, so daß jetzt nur noch eine um den Spannungsabfall am Widerstand R 4 verringerte Gleichspannung an der Brückenschaltung anliegt.

Während der Meßphase, wenn also nur eine verringerte Gleichspannung an der Brückenschaltung anliegt, kühlt sich das Heizelement RH ab, und diese Abkühlung macht sich schließlich in einem Brückendiagonalsignal bemerkbar, das dazu führt, daß der Komparator K 1 schaltet; die Aus­ gangsspannung am Komparator K 1 wird negativ. Das führt dazu, daß der Ausgang des monostabilen Multivibrators M positiv wird, und dieses an die Basis des Transistors T geführte Signal führt zum Durchschalten des Transistors T, so daß nunmehr für eine Aufheizung die volle Gleich­ spannung an der Brückenschaltung anliegt, da der Widerstand R 4 nunmehr durch den durchgeschalteten Transistor T über­ brückt ist. Die Zeitdauer, für die der Transistor T durch­ geschaltet ist, wird durch die Werte des RC-Glieds aus dem Widerstand R und dem Kondensator C bestimmt.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt, bei welcher die Versorgung mittels Wechselspannung erfolgt. Gleiche Teile sind in Abb. 2 mit denselben Bezugsziffern beziehungsweise -buchstaben bezeichnet wie in Fig. 1.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Wechselspannungs-gespeisten Schaltungsanordnung liegt die Widerstandsbrückenschaltung aus den Widerständen R 1, R 2, R 3, R 0 und dem Heizelement RH zunächst an der Versorgungs-Wechselspannung. Hierdurch wird das Heizelement RH solange erwärmt, bis das dem Eingang des Komparators K 1 zugeführt Brückendiagonal­ signal dazu führt, daß der Ausgang des Komparator K 1 positiv wird. Dies führt dazu, daß der dem Komparator K 1 nachgeschaltete monostabile Multivibrator M, der nicht retriggerbar ist, über den zwischen der Versorgungswechsel­ spannung und der Widerstandsbrückenschaltung angeordneten Triac TR die Brückenschaltung von der Versorgungsspannung trennt. Die Zeitdauer der Abtrennung wird bestimmt durch die Bemessung des RC-Gliedes aus Widerstand R und Konden­ sator C.

Dioden D 1 und D 2 sind in den Zuführungen von der Brücken­ diagonale zum jeweiligen Eingang des Komparators K 1 vorge­ sehen, damit der Komparator K 1 nur in einer Halbwelle der Versorgungswechselspannung arbeitet. Zum Schutz der Eingänge des Komparators K 1 gegen Übersteuerung ist jeweils eine zwischen den Eingang des Komparators K 1 und die Versorgungswechselspannung geschaltete Zenerdiode ZD 1 beziehungsweise ZD 2 vorgesehen.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung, die ein temperaturabhängiges Heizelement, das als Meßfühler dient, aufweist, welches durch eine Ver­ sorgungsspannungsquelle aufheizbar ist, und mit einem Zeitsteuerglied zum Steuern der Versorgungs­ spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannungsquelle auch zur Versorgung der Brückenschaltung (R 0, R 1, R 2, R 3, RH) vorgesehen ist, und daß das Brückendiagonalsignal zur Erfassung eines Polaritäts- oder Phasenwechsels an ein Schalt­ steuerglied (K 1) gelegt ist, dessen Ausgang mit dem Zeitsteuerglied (M) verbunden ist, welches eine Ein- oder Ausschaltung der Versorgungsspannungsquelle für eine festlegbare Zeitdauer einleitet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltsteuerglied ein Komparator (K 1) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitsteuerglied eine monostabile Kippschaltung (M) ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitsteuerglied (M) ein Zeitgeberglied (RC) aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannungsquelle eine Gleichspan­ nungsquelle ist und daß ein zwischen der Gleich­ spannungsquelle und der Brückenschaltung angeordneter Vorwiderstand (R 4) vorgesehen ist, welcher durch eine Schalteinrichtung (T) überbrückbar ist, die von dem Zeitsteuerglied (M) betätigbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine elektronische Schalt­ einrichtung ist, vorzugsweise ein Transistor (T).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannungsquelle eine Wechsel­ spannungsquelle ist und daß eine zwischen der Wechsel­ spannungsquelle und der Brückenschaltung angeordnete Schalteinrichtung (TR) vorgesehen ist, die von dem Zeitsteuerglied (M) betätigbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine elektronische Schalt­ einrichtung ist, vorzugsweise ein Triac (TR).