DE3909261A1 - Verfahren und system zum regeln der eingangsleistung einer elektrischen heizvorrichtung, insbesondere eines elektroherdes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsschaltanord­ nung, bei der wenigstens eine piezoelektrische Relaisein­ richtung benutzt wird, und betrifft insbesondere die Steuerung einer besonderen Art von Vorrichtung mittels ei­ ner solchen Einrichtung.

Piezoelektrische Relaiseinrichtungen sind bekannt als Ein­ richtungen, mittels welchen ein Stromfluß zu einer Bela­ stungsvorrichtung entweder eingeleitet oder unterbrochen wird. Eine bekannte piezokeramische Relaiseinrichtung für diesen Zweck ist in den beiden US-PS 46 70 782 und 46 89 517, die beide auf die Anmelderin zurückgehen, beschrieben. Die Relaiseinrichtung enthält ein piezokeramisches Biegeteil, das aus wenigstens zwei ebenen, vorgepolten, piezokerami­ schen Plattenelementen gebildet ist, die in entgegenge­ setzter Parallelanordnung, sandwichartig auf entgegengesetz­ ten Seiten von wenigstens einer zentralen, leitfähigen Oberfläche befestigt sind und äußere leitfähige Oberflächen haben, welche von einander und von der zentralen, leit­ fähigen Oberfläche durch die dazwischen befindlichen Dicken der piezokeramischen Plattenelemente getrennt sind. Beweg­ liche Kontakte, die dem beweglichen Biegeteil zugeordnet sind, wirken mit zugeordneten festen Kontakten zusammen, um einen elektrischen Stromkreis für einen Stromfluß von ei­ ner Stromquelle zu der Belastungsvorrichtung entweder zu schließen oder zu unterbrechen. Eine repräsentative Form dieser Art von Relaiseinrichtung, wie sie in den oben er­ wähnten US-Patentschriften beschrieben ist, hat ein piezo­ keramisches Biegeteil, welches mit Klemmeinrichtungen se­ lektiv vorgepolt ist, die an ungepolten Teilen befestigt sind, welche dem selektiv vorgepolten Biegeteil benach­ bart sind und dieses einseitig eingespannt mechanisch hal­ tern, um Paare von zusammenwirkenden elektrischen Kon­ takteinrichtungen zu betätigen, wobei die ungepolten Tei­ le mechanisch unbeansprucht und elektrisch neutral sind. Das Biegeteil ist so ausgebildet, daß es zur einen oder anderen Seite einer Mittelposition bewegt wird, welche das Biegeteil in einem unerregten Zustand normalerweise ein­ nimmt, um dadurch unterschiedliche Betriebsarten zu er­ möglichen. In einer Betriebsart kann die Relaiseinrichtung einfach als ein Ein/Aus-Schalter dienen, wobei ein Paar zusammenwirkender Schalterkontakte den elektrischen Strom­ kreis in bezug auf die Belastungsvorrichtung entweder her­ stellt oder unterbricht. In einer anderen Betriebsart je­ doch ist das Paar zusammenwirkender Schalterkontakte auf jeder Seite des Biegeteils vorgesehen, um eine wahlweise Speisung von mehreren Belastungsvorrichtungen zu ermög­ lichen. Beide Betriebsarten mit den bekannten Biegeschalt­ einrichtungen "bimorphen" Typs ergeben sich auf ähnliche Weise, wenn das Gleichstromerregerpotential, das benutzt wird, um die Auslenkung des Biegeteils zu bewirken, die­ selbe Polarität wie das Vorpolungspotential hat, das benutzt wird, um die vorgepolten, piezokeramischen Plattenelemente vorzupolarisieren. Die Depolarisation die durch derartiges Betreiben der Relaiseinrichtungen ver­ mieden wird, ergibt eine Dipolverstärkung, welche einen relativ langfristigen Betrieb bei Belastungsvorrichtungen ermöglicht, bei denen Lastspannungen von bis zu 5000 Volt und entsprechend starke Ströme von hunderten von Ampere benutzt werden.

Bei beiden oben beschriebenen Betriebsarten hat es sich ge­ zeigt, daß diese piezokeramischen Relaiseinrichtungen die größten Betriebs- und Konstruktionsvorteile gegenüber ent­ weder elektromagnetischen Relais oder Halbleitereinrich­ tungen erbringen, wenn sie für Leistungsschaltzwecke ein­ gesetzt werden. Diese Vorteile sind in der US-PS 46 58 154, die ebenfalls auf die Anmelderin zurückgeht, beschrieben, welche außerdem piezokeramische Relaisschaltkreise be­ schreibt, die zum Steuern von Einzel- und Doppelbelastungs­ vorrichtungen benutzt werden. Die elektromagnetischen Re­ lais, die für diesen Zweck noch weitgehend benutzt werden, bilden eine Schnittstelle zum Beispiel zwischen einer elektronischen Steuerschaltung und einem Belastungskreis, wobei die Steuerschaltung die Steuersignale niedriger Lei­ stung zum wahlweisen Erregen der Relaisspule benutzt, um die Relaiskontakte geeignet zu positionieren, welche in dem Leistungskreis zusammenwirken, und relativ höhere Lei­ stungswerte zu schalten. Wenn solche Relaiskontakte ge­ schlossen sind, wird der Strom praktisch ohne Verluste übertragen, und, wenn sie getrennt werden, wird der Last­ strom mit der Gewißheit unterbrochen, die nur ein Luft­ spalt bieten kann. Mit den Jahren haben Verbesserungen bei den elektromagnetischen Relais zu größerem Wirkungsgrad und zu geringerer physischer Größe geführt. Das heißt, diese Relais können mit Steuersignalen ziemlich geringen Energieinhalts betätigt werden, um akzeptabel hohe Werte des Laststroms zu schalten. Zum Beispiel gibt es elektro­ magnetische Relais, die mit einem 1-Watt-Steuersignal be­ tätigt werden können, um mehrere Kilowatt Leistung bei 115 oder 230 Volt Wechselspannung zu schalten. Infolgedes­ sen können elektromagnetische Relais mit Signalen betätigt werden, die durch eine Festkörpersteuerschaltungsanord­ nung erzeugt werden. Andererseits bleiben die Nachteile beträchtlich, welche mit elektromagnetischen Relais verbun­ den sind, die zum Steuern eines Stromflusses in Lastkreisen aufgrund von Steuersignalen benutzt werden. Die gegenwärtigen elektromagnetischen Relais sind zwar im Vergleich zu früheren Konstruktionen der Relais miniaturisiert worden, die zu ihrer Betätigung erforderlichen Leistungen sind aber im Vergleich zu bekannten Festkörperleistungsschaltern beispiels­ weise immer noch ziemlich groß. Die gegenwärtigen elektro­ magnetischen Relais sind noch relativ komplex und teuer in der Herstellung, da beispielsweise ihre Spulen üblicher­ weise eine Vielzahl von Windungen sehr feinen Drahtes er­ fordern. Der Spulenwiderstand verbraucht eine gewisse Lei­ stung, die durch eine akzeptabel starre Stromversorgung geliefert werden muß. Wenn beispielsweise elektromagne­ tische Relais in den Steuereinrichtungen von Haushaltsge­ räten benutzt werden, muß die Relaisbetätigungsleistung einem 115- oder 230-Volt-Wechselstromnetz entnommen wer­ den. Die erforderliche Stromversorgung, insbesondere wenn ein elektromagnetisches Relais mit einer Festkörpersteuer­ schaltung verbunden ist, verlangt einen Transformator, Elektrolytkondensatoren, Regler und Schutzeinrichtungen, damit das Vorhandensein einer zuverlässigen Quelle für den Relaisbetätigungsstrom gewährleistet ist. Solche Stromver­ sorgungen sind teuer und stellen eine beträchtliche Ver­ lustleistungsquelle dar. Darüber hinaus müssen in einigen Fällen, in denen starke Umgebungsmagnetfelder vorhanden sind, beispielsweise bei Motoranlassern, die elektromag­ netischen Relais speziell abgeschirmt werden, um Fehlan­ sprechen zu vermeiden. Die Nachteile, die mit der Ver­ wendung von elektromagnetischen Relais in einer Leistungs­ schaltanordnung verbunden sind, haben dadurch zu dem Trend geführt, Festkörperschalter wie Thyristoren, Triacs, MOSFETs, IGTs und dgl. als Leistungsschaltausgangseinrichtung zu benutzen. Solche Festkörperschalter werden zwar relativ billig und können eine kleinere physische Größe als elek­ tromagnetische Relais vergleichbarer Nennleistung haben, sie weisen jedoch einen ziemlich beträchtlichen "Ein"-Wi­ derstand auf, der bei höheren Stromstärken zu beträcht­ licher Verlustleistung führt. Daher müssen Halbleiterlei­ stungsschalter, welche zum Schalten von starken Strömen benutzt werden, mit einer richtigen Wärmeableitung versehen sein, um sie vor thermischer Beschädigung zu schützen, weshalb sie mit ihren Wärmeableitern physisch mehr Raum ein­ nehmen können als ihre als elektromagnetische Relais aus­ gebildeten Gegenstücke. Darüber hinaus müssen Festkörper­ leistungsschalter gegen mögliche Beschädigung bei Fehlan­ sprechen infolge von transienten, elektrostatischen Ent­ ladungen und elektromagnetischer Störung geschützt werden. Alle diese Schutzmaßnahmen bringen zusätzliche Kosten mit sich. Da solche Festkörperleistungsschalter keinen Luft­ spalt aufweisen, um den Stromfluß in ihrem "Aus"-Zustand zu unterbrechen, und wegen ihres Fehlbetriebes im "Ein"- Zustand hat das Versicherungslabor (Underwriters Laboratory) ihren Einsatz in zahlreichen Haushaltsgeräten mißbilligt. Diese Mißbilligung ist nur zum Teil mit einer Kombination aus Festkörperschaltern und in Reihe geschalteten elek­ tromagnetischen Relais, um so den verlangten Luftspalt zu schaffen, bei einigen Haushaltsgeräten überwunden worden.

Sämtliche vorgenannten Hauptnachteile, die mit der Ver­ wendung von entweder elektromagnetischen Relais oder Halb­ leiterschaltern als Leistungsschaltausgangseinrichtung verbunden sind, haben erneutes Interesse an piezoelektri­ schen Relais einschließlich piezokeramischen Relaiseinrich­ tungen geweckt. Die jüngsten Verbesserungen der piezokera­ mischen Materialien haben deren elektromechanischen Wir­ kungsgrad für diese Relaiszwecke verbessert. Piezo­ keramische Antriebselemente können aus einer Anzahl von unter­ schiedlichen polykristallinen Keramikmaterialien wie Barium­ titanat, Bleizirkonattitanat, Bleimetaniobat und dgl. her­ gestellt werden, welche in eine gewünschte Gestalt, z.B. zu rechteckigen Keramikplatten, vorgegossen und gebrannt wer­ den. Die piezokeramischen Relaiseinrichtungen erfordern einen sehr niedrigen Betätigungsstrom, haben eine minimale Verlustleistung beim Aufrechterhalten eines betätigten Zustands und ziehen in ihrem Ruhe- oder unerregten Zustand keinen Strom. Die elektrischen Eigenschaften der piezo­ keramischen Antriebselemente sind grundsätzlich kapazitiver Natur, weshalb piezokeramische Antriebselemente gegen umge­ bende elektrische Felder praktisch immun sind. Solche piezokeramischen Relaiseinrichtungen können in kleineren physischen Größen als elektromagnetische Relais vergleich­ barer Nennleistung hergestellt werden. Da bei den piezo­ keramischen Relaiseinrichtungen Schaltkontakte benutzt werden, ergibt die Kontakttrennung den Luftspalt in dem Lastkreis, der bei Haushaltsgeräten für die Anerkennung durch das Versicherungslabor erforderlich ist. Das Schließen dieser Relaiskontakte ergibt einen Strompfad mit ver­ nachlässigbarem Widerstand und bringt daher, anders als Festkörperleistungsschalter, praktisch keinen Verlust in dem Lastkreis mit sich. Da sich zusätzliche konstruktive und betriebsmäßige Vorteile von solchen verbesserten piezo­ keramischen Relaiseinrichtungen in den oben erwähnten US-PS 46 70 682 und 46 89 517 finden, wird auf diese be­ züglich weiterer Einzelheiten ausdrücklich verwiesen.

Die Eignung von solchen piezokeramischen Relaisein­ richtungen beim Steuern des Stromflusses innerhalb einer besonderen Vorrichtung erfordert verständlicherweise die Beachtung von noch weiteren Faktoren. Sowohl die Betriebs­ eigenschaften, die bei der Vorrichtung erwünscht sind, als auch die Umgebungsbedingungen, die angetroffen werden, müssen berücksichtigt werden. Bei besonderen Haushalts­ geräten, in denen wenigstens ein Widerstandsheizelement benutzt wird und die für verschiedene Haushaltszwecke dienen, wie z.B. Elektroherde, Toaster, elektrische Wäschetrockner und elek­ trische Bratpfannen ist es weiter erwünscht, eine solche Vorrichtung mit niedrigen Kosten herzustellen und dem Be­ nutzer einen Betrieb zu niedrigen Kosten zu ermöglichen. Das Erreichen des letztgenannten Ziels wird erleichtert durch Betreiben der Haushaltsgeräte direkt an der verfüg­ baren Netzspannungsstromversorgung mit einer minimalen Anzahl und Größe von Bauteilen in der Steuerschaltungsan­ ordnung und bei weiterem Reduzieren jedweder Empfindlich­ keit der Steuerschaltungsanordnung gegen elektromagnetische Störung und Übergangsvorgänge vom Netz her. Die Verwendung von wenigstens einer piezokeramischen Relaiseinrichtung in der Steuerschaltungsanordnung könnte theoretisch einen Stromfluß zu einem oder mehreren betriebsmäßig zugeordneten Widerstandsheizelementen am effizientesten gestatten, und zwar bei relativer Immunität gegen umgebende elektromagne­ tische Felder. Die piezokeramische Relaiseinrichtung ist weiter besonders geeignet zur Verwendung in Kombination mit elektronischen Schaltungskomponenten niedrigen Strom­ verbrauches zum Erzeugen der Steuersignale zur Betätigung des piezokeramischen Biegeteils, um dadurch zu ermöglichen, die Relaiskontakte entweder zu öffnen oder zu schließen. Eine Vereinfachung der Steuerschaltungsanordnung ist be­ sonders bei sämtlichen oben erwähnten Haushaltsgeräten erwünscht, weil sie gestattet, mehr Raum für Arbeitsaufga­ ben zu nutzen, und es leichter macht, die gesamte Steuer­ einrichtung in der Vorrichtung unterzubringen und so deren Aussehen zu verbessern.

Verständlicherweise stellt die Fähigkeit einer piezokerami­ schen Relaiseinrichtung und ihrer zugeordneten Steuer­ schaltungsanordnung, in einer Umgebung relativ hoher Tem­ peratur richtig zu arbeiten, einen weiteren wichtigen Ge­ sichtspunkt dar. Die herkömmlichen Steuereinrichtungen, die zur Zeit in Elektroherden benutzt werden, müssen bei einer Mindestumgebungstemperatur von 70°C während ausgehnten Zeitspannen arbeiten. Daher müssen die Relaiskontakte in dieser Betriebsumgebung während der relativ langen Lebens­ dauer, die von den meisten Haushaltsgeräten verlangt wird, zuverlässig öffnen und schließen. Piezokeramische Relais­ einrichtungen haben sich zwar als für einen langfristigen, zuverlässigen Betrieb geeignet erwiesen, beträchtliche Pro­ bleme sind jedoch immer noch vorhanden, die bislang nur gemildert werden konnten, indem zusätzliche Schaltungs­ einrichtungen benutzt worden sind. Insbesondere kommt es zur Lichtbogenbildung an den Kontakten aus verschiedenen Gründen, wenn die Relaiskontakte geöffnet und geschlossen werden, die zusätzliche Schaltungseinrichtungen erforder­ lich gemacht haben, um den Verschleiß an der Kontaktstelle zu verringern. Das Lichtbogenproblem, das auftritt, wenn die Kontakte geöffnet werden, ist auf einen Anstieg des wiederangelegten Vorwärtspotentials an die Kontakte zurück­ zuführen, wenn diese öffnen, was mit Snubber-Schaltungen verringert werden kann, wie es in den beiden oben erwähnten US-PS 46 58 154 und 46 70 682 vorgeschlagen ist. Das Licht­ bogenproblem, das auftritt, wenn diese Kontakte geschlossen werden, ist auf mechanisches Prellen bei dem Schließen zurückzuführen, und mit diesem Problem befaßt sich die US-PS 46 26 698, welche ebenfalls auf die Anmelderin zurück­ geht. Gemäß dem darin enthaltenen Vorschlag werden neue Nulldurchgangssynchronwechselstromschaltkreise bei einer piezokeramischen Relaiseinrichtung einschließlich Schaltungs­ einrichtungen benutzt, die am Anfang ein Erregerpotential relativ niedriger Spannung an dem piezokeramischen Biege­ teil einprägen, um dessen Bewegung sanfter zu machen und Kontaktprellen nach anfänglichem Kontaktschließen zu verhin­ dern. Es ist außerdem darin vorgeschlagen, solche Schaltungen so zu betreiben, daß der Stromfluß über die Kontakte ge­ löscht wird, wenn diese geöffnet werden, um das vorgenannte Lichtbogenproblem zu mildern. Die Größe der beiden Licht­ bogenprobleme ist anhand einer noch weiteren Empfehlung zu erkennen, welche in dieser Druckschrift enthalten ist, nämlich spezielle Kontaktmetalle zu benutzen, welche die Lichtbogenbildung aushalten, zu der es immer dann kommt, wenn die Relaiskontakte getrennt werden.

Die jüngste Gesetzgebung in vielen Staaten verlangt nun, daß Haushaltsgeräte hinsichtlich des energetischen Wirkungs­ grades Mindeststandards erfüllen. Bei den oben dargelegten Haushaltsgeräten mit elektrischen Heizelementen verlangt eine solche Forderung verständlicherweise die effiziente Ausnutzung der elektrischen Energie, wann immer die beson­ dere Vorrichtung in Betrieb ist. Zum weiteren Veranschau­ lichen der allgemeinen Natur dieses Problems in Verbindung mit dem Betrieb eines herkömmlichen Elektroherdes sei an­ gegeben, daß in einer üblichen Steuereinrichtung ein Tem­ peraturmeßelement, z.B. ein Thermostat, in Kombination mit einer programmierten Mikroprozessorsteuereinheit benutzt wird, um eine automatische Steuerung mit Temperaturrück­ führung in bezug auf die Widerstandsheizelemente vorzu­ nehmen, welche sowohl in der Kochfeld- als auch in der Backofeneinheit be­ nutzt werden. Strom wird den Widerstandsheizelementen auf­ grund der thermischen Steuereinrichtung zusätzlich auf der Basis der durch die Bedienungsperson gewählten Leistungs­ einstellung zugeführt. Der Prozentsatz an Zeit, während welchem Strom gemäß der Leistungseinstellung zugeführt wird, wird bei der bekannten Zeitverhältnisbetriebsart üb­ licherweise als Tastverhältnis oder relative Einschalt­ dauer bezeichnet. Da die herkömmlichen Widerstandsheiz­ elemente mit beträchtlicher thermischer Trägheit arbeiten, hat es sich jedoch erwiesen, daß eine solche thermische Steuereinrichtung einen ziemlich schlechten energetischen Wirkungsgrad sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Lei­ stungswerteinstellungen hat. Hinsichtlich des energetischen Wirkungsgrades bessere elektronische Steuereinrichtungen für einen Elektroherd sind in der US-PS 44 43 690 beschrie­ ben, welche ebenfalls auf die Anmelderin zurückgeht und ge­ mäß welcher die Temperaturmeßeinrichtung eliminiert werden kann. Gemäß dem verbesserten Steuersystem wird die Lei­ stungseinstellung, die durch die Bedienungsperson gewählt wird, zur Verwendung bei elektronischen Zähleinrichtungen überwacht, welche in der Mikroprozessorsteuereinheit vor­ gesehen sind und mit einer Geschwindigkeit inkrementiert oder dekrementiert werden, welche zu der Geschwindigkeit des Anstiegs oder der Abnahme der Temperatur des gesteuerten Heizelements bei dieser Leistungseinstellung ungefähr pro­ portional ist. Durch Kenntnis der vom Benutzer gewählten Leistungseinstellung und durch Zählen der Nulldurchgangs­ punkte in dem Mikroprozessor, wird die Leistungsaufnahme eines besonderen Heizelements bestimmt, indem die Wärmeverluste für verschiedene Leistungswerte empirisch bestimmt werden und die effektive Energie in der Heizeinheit bestimmt wird. Das bestimmt die Inkrementierungsgeschwindig­ keit, und der Zählwert des Zählers wird zu einem Maß für die effektive Energie in der Heizeinheit zu jeder bestimmten Zeit. Wenn die thermische Masse eines besonderen Heizele­ ments groß ist, können die Inkrementierungsgeschwindigkeiten sehr genau gewählt werden, ungeachtet der Belastungszustände. Eine Steuerung mit besserem energetischen Wirkungsgrad kann mit dem verbesserten Steuersystem erfolgen. Wenn beispiels­ weise ein gesteuertes Heizelement bereits bei einer höheren Leistungseinstellung in Betrieb ist und die Bedienungs­ person eine niedrigere Leistungseinstellung wählt, wird von dem Heizelement erst Leistung aufgenommen, wenn sie benötigt wird, um die niedrigere Leistungseinstellung aufrechtzu­ erhalten. Andererseits führt die Wahl einer höheren Lei­ stungseinstellung für ein Heizelement, das auf einer niedri­ geren Leistungseinstellung betrieben wird, dazu, daß das Heizelement die volle Leistung aufnimmt, um die Zeit zu verringern, welche erforderlich ist, um die höhere Leistungs­ einstellung zu erreichen. Da in dem verbesserten Steuer­ system keine Temperaturmeßeinrichtung oder keine Temperatur­ regelschaltungsanordnung, wie sie in herkömmlichen Steuerein­ richtungen erforderlich ist, benutzt wird, sondern vielmehr dieselbe Schaltungsanordnung der existierenden Mikroprozessor­ steuereinheit benutzt wird, ist weiter klar, daß die zusätz­ lichen Kosten für ihre Realisierung praktisch vernachlässig­ bar sind.

Gemäß der oben erwähnten US-PS 46 58 154 kann der Betrieb eines piezokeramischen Relais zug Steuern der Leistungs­ aufnahme von zwei ohmschen Belastungseinrichtungen auf eine Weise, die einen gleichzeitigen Betrieb der Belastungsein­ richtungen ausschließt, mit einem Minimum an Stromverbrauch erfolgen. Diese Betriebssteuerung der Relaiseinrichtung, wie sie in dieser US-Patentschrift beschrieben ist, benutzt eine für hohe Spannung ausgelegte integrierte Schaltungsanord­ nung, welche direkt aus einer herkömmlichen Stromquelle wie den verfügbaren 115-Volt- oder 230-Volt-Wechselstrom­ quellen gespeist wird. Damit diese Relaissteuerschaltungs­ anordnung die Leistungsaufnahme der einzelnen Heizelemente, die nun in verschiedenen elektrischen Heizvorrichtungen benutzt werden, effizient und zuverlässig steuert, ist es erforderlich, daß eine Anzahl und eine Vielfalt von noch weiteren wichtigen Kriterien erfüllt werden. Typische Kri­ terien können weiter in Verbindung mit der herkömmlichen Backofensteuereinrichtung dargestellt werden, die heutzu­ tage in einem Haushaltselektroherd benutzt wird. Bei dem Steuerungsmanagement, das in der oben erwähnten US-PS 44 43 690 sowie in anderen herkömmlichen Steuersystemen für den Elektroherd angewandt wird, wird der Belastungs­ strom der einzelnen Heizelemente durch elektromechanische Einrichtungen geschaltet. Die Schaltfunktion wird heutzutage entweder mit Festkörperschaltern wie Hochstromtransistoren, Triacs, usw. oder mit elektromagnetischen Relais ausgeführt. Die Festkörperschaltvorrichtungen erfordern, wie oben er­ wähnt, zusätzliche Wärmeableiteinrichtungen und/oder Gebläse, um funktionstüchtig zu bleiben, und zwar wegen der üblichen starken Belastungsströme, die die Heizelemente aufnehmen müssen. Darüber hinaus erfordert der Einsatz von Festkör­ perschaltvorrichtungen im Haushalt üblicherweise den Ein­ satz in Kombination mit einem elektromagnetischen Relais, um die Versicherungsforderungen einer Luftspaltunterbrechung des elektrischen Stromkreises zu erfüllen, wie es oben er­ läutert worden ist. Die elektromagnetischen Relais, die heutzutage in Verbindung mit der oben erwähnten Mikroprozes­ sorsteueranordnung in Gebrauch sind, haben den zusätzlichen Nachteil, daß das Haushaltsgerät im Betrieb Geräusch erzeugt. Da eine Relaiseinrichtung in einem Haushaltsgerät mehrmals pro Minute betätigt wird, wird ein deutliches hörbares Geräusch bei jedem Betriebszyklus verursacht, welches dem Stoß zuzuschreiben ist. Das Ersetzen der herkömmlichen Schalteinrichtungen, die heutzutage in einem elektrischen Haushaltsheizgerät benutzt werden, welches mehrere Wider­ standsheizelemente hat, durch eine piezokeramische Relais­ einrichtung bringt daher beträchtliche Vorteile mit sich. Bei dem dargestellten Elektroherd ist ein piezokeramisches Relais in der Lage, diese Belastungen hoher Wattzahl bei wenigstens einer Million und bis zu zehn Millionen Last­ spielen zu schalten, welche heutzutage während der Ent­ wurfslebensdauer des Gerätes verlangt werden. Ein relativ ruhiger Betrieb durch die Relaiseinrichtung sowie eine einfache Steuerschaltungsanordnung, die für deren Betäti­ gung benötigt wird, repräsentieren einen bedeutsamen wei­ teren Vorteil. Ein Betrieb mit besserem energetischen Wir­ kungsgrad und daher ein Betrieb zu niedrigeren Kosten durch die Bedienungsperson können bei einer piezokerami­ schen Relaiseinrichtung ebenfalls erwartet werden, die mit Mikrowattleistung im Vergleich zu der Wattleistung, welche bei den heutzutage verwendeten elektromagnetischen Relais­ einrichtungen erforderlich ist, betrieben werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines piezokerami­ schen Relais als Leistungsausgangsschalteinrichtung in dieser Art von Haushaltsgerät außerdem die gesteuerte Vorrichtung mit einfachen Festkörpersteuereinrichtungen automatisch zu betreiben.

Die übliche Schaltung für mehrere Heizelemente in einer elektrischen Heizvorrichtung ist die Parallelschaltung zwischen den Starkstromleitern, wobei die einzelnen Heiz­ elemente weiter mit wenigstens einer der heutzutage ver­ wendeten elektromagnetischen Relaiseinrichtungen in Reihe geschaltet sind. Es ist weiter üblicherweise bei Haus­ haltselektroherden erforderlich, daß zwei Schaltvor­ richtungen in Reihe mit jedem Heizelement verbunden sind, und zwar als Sicherheitsmaßnahme, um zu gewährleisten, daß jeder Starkstromleiter in der Stromversorgung unter­ brochen wird. Aus diesen Überlegungen ist zu erkennen, daß das Ersetzen der elektromagnetischen Relais durch piezokera­ mische Relaiseinrichtungen eine weit zuverlässigere Schalt­ anordnung ergibt. Der gleichzeitige Betrieb der Heizelemente aufgrund einer Funktionsstörung der Schaltvorrichtungen kann dadurch in einem viel größeren Ausmaß vermieden werden. Im Vergleich zu den elektromagnetischen Relais ermöglichen die geringere erforderliche Betätigungsleistung, der einfachere Aufbau und die einfachere Steuerschaltungsanordnung für eine piezokeramische Relaiseinrichtung sowie deren relative Immunität gegen störende Einflüsse effektiv einen ausfall­ sicheren Betrieb.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein System mit besserem energetischen Wirkungsgrad zum Regeln der elektrischen Leistung einer elektrischen Heizvorrichtung, in welcher wenigstens ein Widerstandsheizelement benutzt wird, zu schaffen.

Es ist ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine Steuereinrichtung zu schaffen, in der wenigstens eine piezo­ keramische Relaiseinrichtung benutzt wird, um die elektri­ sche Eingangsleistung einer elektrischen Heizvorrichtung, in der wenigstens ein Widerstandsheizelement benutzt wird, auf ausfallsicherere Weise zu regeln.

Noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung ist es, eine Steuereinrichtung zur Regelung der elektrischen Leistung einer elektrischen Heizvorrichtung, in welcher wenigstens ein Widerstandsheizelement benutzt wird, mit einer verbes­ serten Temperatursteuereinrichtung zu schaffen.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine verbesserte elektronische Steuereinrichtung zum automati­ schen Regeln der elektrischen Leistung einer elektrischen Heizvorrichtung, in welcher wenigstens ein Widerstandsheiz­ element benutzt wird, zu schaffen.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren zum Regeln der elektrischen Leistung einer elektrischen Heizvorrichtung, in welcher wenigstens ein Widerstandsheizelement benutzt wird, zu schaffen.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen zum Betreiben einer piezokeramischen Relaiseinrichtung, um die elektrische Eingangsleistung we­ nigstens eines Widerstandsheizelements in einer elektrischen Heizvorrichtung effizienter zu regeln.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, ein effizienteres Verfahren zu schaffen zum automatischen Re­ geln der elektrischen Eingangsleistung einer elektrischen Heizvorrichtung, in welcher wenigstens ein Heizelement be­ nutzt wird.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine elektrische Heizvorrichtung mit besserem energetischen Wir­ kungsgrad unter Verwendung einer neuen Steuereinrichtung zu schaffen, um die elektrische Eingangsleistung wenigstens eines Widerstandsheizelements zuverlässiger zu regeln.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine Steuereinrichtung zum Regeln der elektrischen Eingangslei­ stung einer elektrischen Heizvorrichtung, in welcher mehrere Widerstandsheizelemente benutzt werden, so auszubilden, daß ein unabsichtlicher gleichzeitiger Betrieb der Heizelemente vermieden wird.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine elektrische Heizvorrichtung zu schaffen, in welcher eine einfachere und billigere Steuereinrichtung zum Regeln der elektrischen Eingangsleistung wenigstens eines Widerstands­ heizelements mit einer piezokeramischen Relaiseinrichtung benutzt wird.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine elektrische Heizvorrichtung zu schaffen, in welcher eine verbesserte elektronische Steuereinrichtung benutzt wird, um die elektrische Eingangsleistung von einem oder mehreren Widerstandsheizelementen automatisch zu regeln.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, einen Elektroherd zu schaffen, in welchem eine neue Steuereinrich­ tung benutzt wird, um die elektrische Leistung von mehreren Widerstandsheizelementen zu regeln.

Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, ein Haushaltskochgerät zu schaffen, bei dem eine neue Steuer­ einrichtung benutzt wird, um die elektrische Eingangslei­ stung von wenigstens einem Widerstandsheizelement automa­ tisch so zu regeln, daß ein besserer energetischer Wir­ kungsgrad erzielt wird.

Diese und weitere Ziele der Erfindung ergeben sich deut­ licher aus der Betrachtung der folgenden ausführlichen Be­ schreibung der Erfindung.

Die Erfindung schafft eine neue Steuereinrichtung zum Re­ geln der elektrischen Eingangsleistung in verschiedenen elektrischen Heizvorrichtungen, bei denen ein oder mehrere Widerstandsheizelemente benutzt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine piezokeramische Relaiseinrichtung so an ein einzelnes Heizelement angeschlossen, daß es die Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement ermög­ licht, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil aufweist, das bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontaktein­ richtungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtungen mit der Anschlußeinrichtung des Heiz­ elements und mit der Steuerschaltungsanordnung verbunden sind, welche die piezokeramische Relaiseinrichtung be­ tätigt, die auf eine durch eine Bedienungsperson gewählte Leistungseinstellung anspricht. Die Steuerschaltungsan­ ordnung ist mit der Stromquelle und der piezokeramischen Relaiseinrichtung direkt und galvanisch verbunden, um ei­ nen Stromkreis zwischen denselben zu schließen, und kann durch eine gewählte Leistungseinstellung betätigt werden, was bewirkt, daß sich das vorgepolte, piezokeramische Biegeteil biegt und elektrischen Kontakt mit den zusammen­ wirkenden festen elektrischen Kontakteinrichtungen her­ stellt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung, wo in der beson­ deren elektrischen Heizvorrichtung wenigstens zwei Wider­ standsheizelemente benutzt werden, kann eine piezokeramische Relaiseinrichtung so angeschlossen sein, daß sie das indi­ viduelle Verbinden der Stromquelle mit jedem Heizelement ermöglicht, wobei die Relaiseinrichtung eine Anschlußein­ richtung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil, welches zusammenwirkende Kontakteinrichtungen zur indi­ viduellen Verbindung mit einer an jedem Heizelement vor­ gesehenen Anschlußeinrichtung hat, und wobei das Biegeteil auf Steuersignale anspricht, die bewirken, daß es sich biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung eines Heizelements schließt oder sich biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des anderen Heizelements schließt.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung zum Regeln der Eingangsleistung von zwei Widerstandsheizelementen in einer elektrischen Heizvorrichtung ist wiederum eine ein­ zelne piezokeramische Relaiseinrichtung so angeschlossen, daß sie die individuelle Verbindung der Stromquelle mit jedem Heizelement ermöglicht. Die Relaiseinrichtung hat weiter eine Anschlußeinrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biege­ teil, welches Kontakteinrichtungen zur individuellen Ver­ bindung mit einer Anschlußeinrichtung, die in jedem Heiz­ element vorgesehen ist, hat. Wenn es durch die Steuer­ schaltungsanordnung betätigt wird, wird das Biegeteil ver­ anlaßt, sich entweder in einer ersten Richtung zu biegen, um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und er An­ schlußeinrichtung eines Heizelements zu schließen, oder sich in einer zweiten Richtung zu biegen und einen Strom­ kreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des anderen Heizelements zu schließen.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist zur Lei­ stungsregelung von zwei Widerstandsheizelementen in einer elektrischen Heizvorrichtung eine einzige piezokeramische Relaiseinrichtung, die eine gegabelte Konstruktion mit zwei beweglichen, vorgepolten, piezokeramischen Biegeelementen hat, an die Stromquelle angeschlossen, wobei jedes Biege­ element bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrich­ tungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kon­ takteinrichtungen wiederum separat mit Anschlußeinrich­ tungen verbunden sind, die an jedem Heizelement vorge­ sehen sind, und wobei jedes Biegeelement weiter die beweg­ lichen elektrischen Kontakteinrichtungen auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen hält, wenn es in einem unerregten Zustand ist. Eine zugeordnete Steuer­ schaltungsanordnung spricht auf die Steuersignale an und bewirkt, daß das betätigte Biegeelement sich biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschluß­ einrichtung des Heizelements schließt, welches dem betätig­ ten Biegeelement betriebsmäßig zugeordnet ist.

Gemäß noch weiteren Aspekten der Erfindung kann eine ein­ zelne piezokeramische Relaiseinrichtung mit einem einzelnen Heizelement in einer besonderen Heizvorrichtung in Reihe geschaltet sein, und diese Verbindung kann bei einer Heiz­ vorrichtung doppelt vorhanden sein, die mehrere Heizelemente hat. Daher ist eine piezokeramische Relaiseinrichtung mit einem Heizelement in dem vorliegenden Steuersystem verbun­ den, um entweder als eine Ein/Aus-Leistungsschalteinrich­ tung oder als eine Dreistellungsschalteinrichtung zu arbei­ ten und in beiden Betriebsarten die zusammenwirkenden Kon­ takteinrichtungen der Relaiseinrichtung in einem ausfall­ sicheren gegenseitigen Abstand zu halten, wenn die Relais­ einrichtung aufgrund der Steuersignale in einem unerregten Zustand ist.

Die Steuersignale, mit denen die piezokeramische Relaiseinrich­ tung in der vorliegenden Steuereinrichtung betätigt wird, können auf verschiedene Weise erzeugt werden. Wie oben dar­ gelegt, können Leistungssteuersignale benutzt werden, um die bewegliche, vorgepolte Biegeteileinrichtung in der Re­ laiseinrichtung zu betätigen, wobei diese Steuersignale mit einem Leistungswert erzeugt werden, der durch eine Be­ dienungsperson gewählt wird. Die manuell betätigte Lei­ stungswähleinrichtung kann weiter zusätzliche Sicherheits­ schaltvorrichtungen enthalten, um den Strom zu unter­ brechen, der einem Heizelement zugeführt wird, wenn die Lei­ stungswähleinrichtungen in einen "Aus"-Zustand geschaltet werden. Die Leistungssteuersignale können außerdem mit einer Festkörpersteuerschaltungsanordnung in einer elektrischen Heizvorrichtung, bei der es sich beispielsweise um einen Haushaltselektroherd handeln kann, automatisch erzeugt wer­ den. Wie oben ebenfalls bereits in bezug auf dieses Gerät in Verbindung mit der oben erwähnten US-PS 44 43 690 darge­ legt, hat der Anfangsleistungswert, welcher den Heizelementen aufgrund der durch die Bedienungsperson gewählten Leistungs­ einstellung zugeführt wird, Werte, welche von denen verschieden sind, die später für die gewählte Lei­ stungseinstellung erforderlich sind. Wenn ein Heizelement, das auf diese Weise gesteuert wird, bereits mit einer höheren Leistungseinstellung arbeitet und die Bedienungsperson eine niedrigere Leistungseinstellung wählt, wird dem Heizelement erst Strom zugeführt, wenn er benötigt wird, um die niedrigere Leistungseinstellung aufrechtzuerhalten. Andererseits, die Wahl einer höheren Leistungseinstellung für ein Heizelement, das auf einer niedrigeren Leistungseinstellung in Betrieb ist, führt dazu, daß dem Heizelement der volle Strom zugeführt wird, um die Zeit zu verringern, die erforderlich ist, um die höhere Lei­ stungseinstellung zu erreichen. Auf die Offenbarung in der US-PS 44 43 690 wird speziell verwiesen, weil die vollautoma­ tische Steuereinrichtung, die darin ausführlicher beschrieben ist, benutzt werden kann, um die Steuersignale in Verbindung mit den verschiedenen Aspekten der Erfindung zu erzeugen. Tem­ peratursteuersignale werden ebenfalls gemäß den verschiedenen Aspekten der Erfindung benutzt. Demgemäß kann die Steuerschal­ tungsanordnung nach der Erfindung so ausgelegt werden, daß sie auf Steuersignale anspricht, welche mit Temperaturmeßeinrich­ tungen erzeugt werden, so daß die Temperatur, die erreicht wird, wenn ein Heizelement in Betrieb ist, mittels Tempera­ turrückführungssteuerung bestimmt werden kann. Eine präzisere Temperatursteuerung kann außerdem in der Heizvorrichtung gemäß den verschiedenen Aspekten der Erfindung erzielt werden, wo­ durch eine Festkörpertemperaturmeßeinrichtung, wie beispiels­ weise eine Thermistorvorrichtung, in der Steuerschaltungsan­ ordnung benutzt werden kann. Durch weiteres Betreiben einer piezokeramischen Relaiseinrichtung als eine Dreistellungs­ schalteinrichtung in dem Steuersystem nach der Erfindung wird es möglich, den Leistungswert weiter zu beeinflussen, der ei­ nem Heizelement in einer elektrischen Heizvorrichtung zuge­ führt wird. Daher kann bei einer elektrischen Heizvorrichtung, die aus der üblichen 230-Volt-Wechselstromquelle gespeist wird, die Relaiseinrichtung nach der Erfindung die Erfindung mit der Stromquelle so herstellen, daß die Leistung, die einem betriebs­ mäßig zugeordneten Heizelement aufgrund der vollen 230-Volt- Versorung zugeführt wird, mit höheren gewählten Leistungs­ werten zugeführt wird, wogegen eine 115-Volt-Versorgung bei niedrigeren gewählten Leistungswerten vorgesehen ist. Diese Art des Betreibens der Relaiseinrichtung kann deren Kontakt­ lebensdauer verlängern sowie die thermische Beanspruchung des zugeordneten Heizelements verringern.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat die elektrische Heizvor­ richtung die Form eines Elektroherdes, der eine Kochfeldein­ richtung sowie eine Backofeneinrichtung aufweisen kann. Das Leistungsregelsystem, das darin benutzt wird, spricht sowohl auf Leistungssteuersignale als auch auf Temperatursteuersig­ nale an, damit die Widerstandsheizelemente eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreichen. Demgemäß können verschiedene be­ kannte Einrichtungen zur Temperatursteuerung, die heutzutage für diesen Zweck in herkömmlichen Haushaltselektroherden be­ nutzt werden, ohne weiteres in dem Leistungsregelsystem nach der Erfindung vorgesehen werden, um dieses mit einer Tempe­ raturrückführungssteuereinrichtung, mit einer Proportional­ temperatursteuereinrichtung und der oben erwähnten digitalen Temperaturnachbildungssteuereinrichtung gemäß der Beschrei­ bung in der erwähnten US-PS 44 43 690 zu versehen. Eine vor­ bestimmte Temperatureinstellung kann durch eine Bedienungs­ person mit einem mechanischen Steuerknopf oder mit einer Tast­ steuereinrichtung gewählt werden, wie es bereits bei den her­ kömmlichen Elektroherden der Fall ist, wobei die gewählte Tem­ peratursteuereinrichtung ein Fehlersignal erzeugt, welches eine Funktion der Differenz zwischen der gemessenen Tempera­ tur und einer durch eine Bedienungsperson gewählten vorbe­ stimmten Temperatureinstellung ist. Eine ähnliche Wahl kann durch eine Bedienungsperson getroffen werden, um den Lei­ stungswert zu bestimmen, bei welchem ein Heizelement arbeiten soll. Zum Beispiel kann ein manuell betätigter Steuerknopf benutzt werden, um das Leistungssteuersignal als eine variable Gleichspannung auf herkömmliche Weise unter mehreren verfüg­ baren Leistungseinstellungen auszuwählen. Das Betreiben des gesamten Leistungsregelsystems auf diese Weise setzt dadurch ein Heizelement Steuersignalen aus, die am Anfang durch die Bedienungsperson durch die Wahl einer Leistungseinstellung und anschließend durch Temperaturen bestimmt werden, welche durch Betreiben des Heizelements erzielt und durch die be­ triebsmäßig zugeordnete Temperatursteuereinrichtung bestimmt werden. Bei durch eine Bedienungsperson gewählten Kochtempe­ raturen unterhalb einer Siedetemperatur kann bei einer üblichen Kochfeldeinrichtung beispielsweise die volle Leistung dem ge­ steuerten Heizelement gemäß dem oben zusammenfassend erwähn­ ten Zeitverhältnisbetrieb der Leistungssteuerung zugeführt werden, wobei der Prozentsatz an Zeit, während welchem Lei­ stung zugeführt wird, anschließend durch Steuersignale aus der betriebsmäßig zugeordneten Temperaturmeßeinrichtung reduziert wird, wenn die gemessene Temperatur den gesteuerten Tempera­ turbereich ihres Betriebes erreicht. Eine ähnliche temperatur­ gesteuerte Betriebsart kann bei der dargestellten Kochfeldein­ richtung bei einer Kochtemperaturwahl oberhalb von Siedetempe­ raturen, beispielsweise bei Brattemperaturen, benutzt werden. Wieder kann die Leistung dem gesteuerten Heizelement in einer Zeitverhältnisbetriebsart der Leistungssteuerung zugeführt werden, aber bei einem insgesamt höheren Prozentsatz der Zeit in dem Lastspiel, so daß höhere Betriebstemperaturen erzielt werden können, wobei die Leistungsaufnahme anschließend mit einer Temperatursteuerung geregelt wird, nachdem die gewünsch­ te Betriebstemperatur errreicht worden ist. Bei dem Siedetem­ peraturbetrieb ist zu erkennen, daß die Steuersignale aus der Temperatursteuereinrichtung nicht länger von Bedeutung sind, da die Steuerung des Heizens mit der Zeitverhältnisbetriebs­ art der Leistungssteuerung erzielt wird. Andererseits sei be­ achtet, daß die Temperatursteuereinrichtung in der hier dar­ gestellten Steuereinrichtung in Betrieb bleibt, um zu melden, wann Betriebstemperaturen durch das gesteuerte Heizelement erreicht werden, die oberhalb des Wassersiedepunktes (etwa 100°C oder 212°F) sind, da die Speise, die gekocht wird, schließlich sämtliche Feuchtigkeit verlieren könnte.

Bei einer typischen Backofeneinrichtung, bei der die darge­ stellte Steuereinrichtung benutzt wird, wird nur die ge­ wünschte Kochtemperatur im allgemeinen durch die Bedienungs­ person gewählt, wobei aber eine begleitende Zeitspanne ent­ weder vor der oder für die Kochdauer auch möglicherweise auf herkömmliche Art gewählt wird. Da die gewünschten Betriebs­ temperaturen bei einer üblichen Backofeneinrichtung oberhalb des Wassersiedepunktes sein werden, obgleich niedrigere Er­ wärmungstemperaturen manchmal vorgesehen sind, wird in der üblichen Betriebsart der Backofeneinrichtung eine Temperatur­ rückführungssteuerung benutzt. Demgemäß kann die Backofenein­ richtung in der hier dargestellten Steuereinrichtung durch Temperaturrückführungssteuerung betrieben werden, wobei die volle Leistung zugeführt wird, bis die Temperatur, die mit dem gesteuerten Heizelement oder den gesteuerten Heizelementen erreicht wird, in dem Steuerbereich der wählten Temperatur­ steuereinrichtung liegt. Beispielsweise kann bei einem üb­ lichen Backofen, bei dem die hier dargestellte Steuereinrich­ tung benutzt wird, zum Erzielen des üblichen Selbstreinigungs­ vorgangs die volle Leistung zugeführt werden, bis eine vor­ bestimmte, sehr hohe Temperatur erreicht ist, und anschließend kann diese Temperatur mit einer herkömmlichen Temperatursteuer­ einrichtung aufrechterhalten werden, beispielsweise mittels eines Thermostats oder einer Thermistorschaltung. Noch weitere Betriebsarten, die heutzutage bei einer herkömmlichen Back­ ofeneinrichtung benutzt werden, können verständlicherweise auf ähnliche Art bei der hier dargestellten Steuereinrichtung angewandt werden, damit Zeit-Backen, Grillen, Backen und dgl. erfolgen können.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung benutzt die Steuer­ einrichtung, in der eine piezokeramische Relaiseinrichtung verwendet wird, um die Eingangsleistung wenigstens eines Widerstandsheizelements in verschiedenen Arten von elektri­ schen Heizvorrichtungen zu regeln, eine Festkörperschaltungs­ anordnung, die mehrere wichtige Vorteile bietet. Diese Steuer­ einrichtung ermöglicht nicht nur, einen genaueren und zuver­ lässigeren Grad der Steuerung zu erzielen als bei der auf herkömmliche Weise betriebenen Vorrichtung zur Zeit möglich ist, sondern das auch mit besserem energetischen Wirkungsgrad und mit einem weit einfacheren Aufbau zu erreichen. Erstens, die oben erwähnten niedrigeren Leistungsbetriebsdaten einer piezokeramischen Relaiseinrichtung machen sie zu einer idealen Schalteinrichtung, die mit vielen Typen von Festkörperschal­ tungen niedriger Leistung betätigt werden kann. Um einfach die Art und die Vielfalt der bereits bekannten Festkörpersteuer­ schaltungsanordnungen zu zeigen, die für Haushaltsgeräte ge­ eignet sind, sei auf eine Anzahl von technischen Veröffent­ lichungen verwiesen, und zwar "Monolithic Switch System for Low Cost Power Control", Proceedings of the National Electro­ nics Conference, Band XXIII, 1967; "User Friendly Touch Controls For Home Appliances", 35th International Appliance Technical Conference, 1984; "Microcomputers, A Technique for Electronic Control In The Appliance Industry", I.E.E.E. Appliance Technical Conference, 1975; "Applications for Micro­ computer Control to Appliances", I.E.E.E. Appliance Technical Conference, 1977; und "Automatic Surface Cooking Utilizing Microprocessor Control", 37th International Appliance Tech­ nical Conference, 1986. Eine weitere Bezugnahme auf weitere, auf die Anmelderin zurückgehende US-Patentschriften, zu denen die US-PS 42 56 951, 44 24 439, 44 47 799, 42 96 449, 45 51 618 und 46 34 842 gehören, macht es ebenfalls evident, daß eine Festkörperschaltungsanordnung, in der sowohl Analog­ als auch Digitalschaltungseinrichtungen benutzt werden, für verschiedene Heizungssteuerzwecke entwickelt worden ist, zu denen entweder eine Kochfeldeinrichtung oder eine Backofen­ einrichtung in dem oben dargestellten Haushaltselektroherd gehört. Demgemäß ist in Verbindung mit diesem Aspekt der Er­ findung zu erkennen, daß die hier benutzte Festkörpersteuer­ schaltungsanordnung sowohl Analog- als auch Digitalschaltungs­ einrichtungen enthält und daher die Realisierung sowohl als inte­ grierte Hybridschaltung als auch mit diskreten Bauelementen beinhaltet.

Ein weiterer wichtiger Vorteil, der durch Betreiben der piezo­ keramischen Relaiseinrichtung mit einer Festkörperschaltungs­ anordnung erzielt wird, ist das Erfordernis einer geringeren physischen Größe, was ermöglicht, die gesamte Steuereinrich­ tung auf minimalem Raum und mit beträchtlich reduzierten Ver­ drahtungskosten unterzubringen. Es wird dadurch möglich, die gesamte Steuereinrichtung einer Kochfeldeinrichtung oder einer Backofeneinrichtung in der besonderen Heizvorrichtung, die dargestellt ist, an einer zweckmäßigen Steuerstelle unter­ zubringen und weiter diese verbesserte Steuereinrichtung als einen einzelnen einsteckbaren Modul auszubilden, was Repara­ tur und Austausch auf einfacherere Weise ermöglicht. Noch ein weiterer wichtiger Vorteil, der bei der Verwendung einer piezokeramischen Relaiseinrichtung in Kombination mit einer Festkörpersteuerschaltungsanordnung des oben dargelegten Typs erzielt wird, ist die weitere Möglichkeit, die elektromecha­ nische Thermostateinrichtung, die heutzutage üblicherweise in den herkömmlichen elektrischen Heizvorrichtungen zur Tempe­ ratursteuerung benutzt wird, durch eine Festkörpertemperatur­ steuereinrichtung zu ersetzen. Die herkömmlichen Thermostat­ einrichtungen werden benutzt, um Steuersignale mit einem ausreichenden Leistungswert zum Betätigen der betriebsmäßig zugeordneten elektromagnetischen Relaiseinrichtungen zu er­ zeugen, und es mangelt ihnen an der Fähigkeit, eine Steuerung außerhalb eines relativ schmalen Temperaturbereiches vorzu­ nehmen, während sie außerdem beträchtliches hörbares Geräusch verursachen, wenn die elektromagnetische Relaiseinrichtung be­ tätigt wird. Die Verwendung einer Festkörpertemperatursteuer­ einrichtung, beispielsweise einer Thermistorschaltung, in der Festkörpersteuerschaltungsanordnung, welche eine piezokera­ mische Relaiseinrichtung betätigt, führt zur Vermeidung bei­ der Nachteile und ergibt eine präzisere Temperatursteuerung mit einem kontinuierlichen Rückführungssignal über einem weit größeren Temperaturbereich. Auf diese Weise ist eine Bedie­ nungsperson, die diese verbesserte Steuereinrichtung benutzt, welche in dem oben dargelegten Haushaltselektroherd vorge­ sehen ist, weit besser in der Lage, die Kochtemperaturen zu erreichen, die in Kochbüchern und anderen Rezeptveröffent­ lichungen üblicherweise angegeben sind.

Eine piezokeramische Relaiseinrichtung, welche eine verbesserte Steuereinrichtung gemäß den verschiedenen Aspekten der Erfin­ dung ermöglicht, hat den vorerwähnten "bimorphen" Aufbau, bei dem das piezokeramische Biegeteil aus wenigstens zwei ebenen, vorgepolten, piezokeramischen Plattenelementen besteht, die in entgegengesetzter Parallelbeziehung sandwichartig auf ent­ gegengesetzten Seiten von wenigstens einer zentralen leit­ fähigen Oberfläche befestigt sind und äußere leitfähige Ober­ flächen haben, welche von einander und von der zentralen leit­ fähigen Oberfläche durch die Dicken der dazwischen angeordneten piezokeramischen Plattenelemente getrennt sind. Die beweg­ lichen Kontakteinrichtungen, welche dem beweglichen, piezo­ keramischen Biegeteil betriebsmäßig zugeordnet sind, können auf derselben Seite oder auf entgegengesetzten Seiten des Bie­ geteils angeordnet sowie an seitlichen Stellen vorgesehen oder sogar auf Fortsätzen positioniert sein, die mit dem Bie­ geteil verwunden sind, was alles im folgenden und in den oben erwähnten US-Patentschriften näher beschrieben ist. Noch eine weitere bevorzugte Form des piezokeramischen Biegeteils, das den "bimorphen" Aufbau hat, ist mittels Klemmeinrichtungen selektiv vorgepolt, die an und benachbart zu nichtgepolten Tei­ len auf freitragende Weise befestigt sind, zum Betätigen eines einzelnen oder von mehreren Paaren von zusammenwirkenden elektrischen Kontakten, wobei die nichtgepolten Teile mecha­ nisch unbeansprucht und elektrisch neutral sind. Eine Steuer­ schaltungsanordnung, welche die piezokeramische Relaisein­ richtung mit niedrigerem Stromverbrauch betätigt, ist an die vorgepolten, piezokeramischen Plattenelemente so angeschlos­ sen, daß sie das Gleichstromerregerpotential zum wahlweisen Biegen des Biegeteils aufgrund von Steuersignalen liefert, welche bei dem Betrieb der gesteuerten Heizvorrichtung er­ zeugt werden. Das Gleichstromerregerpotential wird vorzugs­ weise mit derselben Polarität wie das Vorpolungspotential, das zum Polarisieren der piezokeramischen Plattenelemente benutzt wird, geliefert, damit die Relaiseinrichtungen wäh­ rend des Betriebes nicht depolarisiert werden. Die Betäti­ gung einer Relaiseinrichtung auf die Steuersignale hin kann mit zugeordneten Festkörperschalteinrichtungen niedri­ gen Stromverbrauches erfolgen, wie es oben erläutert worden ist. Geeignete Relaistreiberschaltungen für den oben darge­ legten Haushaltselektroherd können einfach eine Dioden-Kon­ densatorschaltung enthalten, um das Gleichstromerreger­ potential hoher Spannung zum Betätigen der piezokeramischen Relaiseinrichtung zu erzeugen, in Kombination mit Vorwider­ standseinrichtungen für irgendwelche Steuerlogik- und aktive Halbleitervorrichtungen zum wahlweisen Anlegen der Erregung hoher Spannung an das piezokeramische Biegeteil. In einer solchen Treiberschaltungseinrichtung können in Reihe geschaltete Trennwiderstandseinrichtungen vorgesehen sein, um den Strom zu begrenzen, der aus einer Wechsel­ stromquelle aufgenommen wird, während Aufladewiderstands­ einrichtungen ebenfalls vorgesehen sein können, um das Erregerpotential zu dem piezokeramischen Biegeteil zu leiten. Die Treiberschaltungsausführungsformen können aus­ serdem erste Widerstandseinrichtungen enthalten zum Entla­ den des ersten piezokeramischen Plattenelements, wenn des­ sen Erregung beendet worden ist, zusammen mit zweiten Wi­ derstandseinrichtungen zum Entladen des zweiten piezokera­ mischen Plattenelements, wenn dessen Erregung beendet wor­ den ist. Die Steuersignale zum Betätigen dieser piezokera­ mischen Relaiseinrichtung können zwar durch verschiedene Einrichtungen erzeugt werden, wie sie oben dargelegt worden sind, die Temperatursteuersignale können jedoch in einer repräsentativen Festkörperschaltungsanordnung mit betriebs­ maßig zugeordneten Analogschaltungseinrichtungen erzeugt werden. Ein Typ einer Festkörperanalogschaltung, welche Tem­ peratursteuersignale auf diese Weise erzeugt, umfaßt eine erste Verstärkereinrichtung, welche eine Eingangsgleichspan­ nung, die eine vorbestimmte Temperatureinstellung dar­ stellt, welche durch eine Bedienungsperson gewählt worden ist, mit einer Rückführungsspannung vergleicht, die erzielt wird, indem ihre Ausgangsspannung modifiziert wird, um eine zugeordnete Kondensatoreinrichtung aufzuladen, und die Aus­ gangsspannung der ersten Verstärkereinrichtung an eine zweite Verstärkereinrichtung zum Vergleich mit einer Säge­ zahnreferenzspannung anlegt, wobei die Ausgangsspannung der zweiten Verstärkereinrichtung Steuersignale an zwei aktiven Vorrichtungen in der Steuerschaltungsanordnung ergibt. Zum automatischen Anlegen von Temperatursteuer­ signalen an zwei Heizelemente mit demselben Typ von Fest­ körpersteuereinrichtung kann eine im Handel er­ hältliche CMOS-Quad-Komparator-Vorrichtung benutzt werden, die eine doppelt vorgesehene Doppelkomparatorschaltung hat, was im folgenden noch näher beschrieben ist. In der letztgenannten Schaltungsausführungsform werden die Steuer­ signale, die an das erste Heizelement angelegt werden, in der Festkörperanalogschaltungseinrichtung mit einer er­ sten Sägezahnreferenzspannung erzeugt, die ein umgekehrtes Verhältnis in bezug auf die zweite Sägezahnreferenzspan­ nung hat, welche benutzt wird, um die Steuersignale zu erzeugen, die an das zweite Heizelement angelegt werden. Dadurch, daß die Eingangsleistung der einzelnen Heizelemente auf diese Weise geregelt wird, wird die gleichzeitige Leistungsaufnahme durch beide Heizelemente, welche die Stromversorgung überlasten kann, vermieden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen repräsentativen Elektroherd, der eine Steuereinrichtung nach der Erfindung aufweist,

Fig. 2 ein Funktionsblockschaltbild für ei­ nen Aspekt der Steuereinrichtung nach der Erfindung bei deren Ver­ wendung für die Kochfeldeinrichtung des Elektroherdes nach Fig. 1,

Fig. 3 eine ausführlichere Konstruktionsan­ sicht einer repräsentativen Lei­ stungsschalteinrichtung, welche die Kochfeldeinrichtung des Elektroherdes nach Fig. 1 steuert,

Fig. 4 ein Funktionsblockschaltbild für ei­ nen Aspekt der Steuereinrichtung nach der Erfindung bei deren Verwen­ dung für die Backofeneinrichtung des Elektroherdes nach Fig. 1,

Fig. 5 eine ausführlichere Konstruktionsan­ sicht einer repräsentativen Lei­ stungsschalteinrichtung, welche die Backofeneinrichtung des Elektroherdes nach Fig. 1 steuert,

Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild einer re­ präsentativen Steuerschaltung, die für die Kochfeldeinrichtung des Elektroherdes nach Fig. 1 verwendet werden kann,

Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild für eine andere Steuerschaltung, die für die Kochfeldeinrichtung des Elektroherdes nach Fig. 1 benutzt werden kann,

Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild einer ty­ pischen Festkörperanalogschaltungs­ anordnung, die in der Steuerschal­ tungsanordnung nach den Fig. 6 und 7 verwendet werden kann,

Fig. 9 Längsseitenansichten von drei reprä­ sentativen piezokeramischen, bimor­ phen Relaiseinrichtungen, die in der Steuereinrichtung nach der Er­ findung benutzt werden können, und

Fig. 10 ein Funktionsschaltbild, welches ei­ ne repräsentative Ausführungsform der Steuereinrichtung nach der Erfin­ dung bei deren Verwendung in dem Elektroherd nach Fig. 1 zeigt.

In den Zeichnungen sind die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit einer elektrischen Heizvorrichtung in Form eines Haushaltselektroherdes dargestellt, der von einer Bauart ist, die in den US-PS Re 26 944 und 46 39 578 ausführli­ cher beschrieben ist. Auf diese beiden US-Patentschriften, die beide auf die General Electric Company zurückgehen, wird bezüg­ lich weiterer Einzelheiten verwiesen.

Fig. 1 zeigt einen üblichen Haushaltselektroherd 10 mit einer Ausführungsform der Steuereinrichtung nach der Erfindung. Der Elektroherd 10 hat eine Kochfeldeinrichtung 12 mit vier Widerstandsheizele­ menten 14, 16, 18 und 20. Von Hand betätigte Steuerknöpfe 22, 24, 26 und 28 sind auf einer Steuertafel 30 befestigt, damit Leistungseinstellwerte für die einzelnen Heizelemente durch eine Bedienungsperson unter mehreren verfügbaren Leistungsein­ stellungen (nicht gezeigt) auf herkömmliche Weise ausgewählt werden können. Der Elektroherd 10 hat weiter zwei Widerstands­ elemente (in Fig. 1 nicht gezeigt, aber in Verbindung mit der in Fig. 4 gezeigten Backofen-Ausführungsform weiter beschrie­ ben), die in dem Backofenraum 34 angeordnet sind. Da die vor­ liegende Erfindung eine bessere Leistungsregelung einer Back­ ofen- und einer Kochfeldeinrichtung schafft, wird aber eine weitere Beschreibung in Verbindung mit der hier dargestellten Elektro­ herd-Ausführungsform für den Betrieb einer üblichen Backofeneinrichtung gegeben, bei der eine solche verbesserte Steuereinrichtung be­ nutzt wird. Demgemäß gestattet noch ein weiterer von Hand betä­ tigter Steuerknopf 36, der auf der Steuertafel 30 befestigt ist, einer Bedienungsperson, einen Leistungseinstellwert für die Steuerung der Backofeneinrichtung 32 auf dieselbe allgemeine Weise zu wählen, wie sie oben in Verbindung mit der gegenwärtig be­ nutzten Kochfeldeinrichtung beschrieben worden ist. Betriebsähnlichkeit in der Leistungssteuereinrichtung, die sowohl bei der Kochfeld­ als auch bei der Backofen-Ausführungsform vorgesehen ist, be­ ruht in einer Möglichkeit, Betriebsarten wählen zu können wie Grillen, Backen, Zeit-Backen, Selbstreinigen und "Aus"-Zustand mit dem Steuerknopf 36 für die Backofeneinrichtung 32, während Betriebs­ arten wie leicht Kochen, mittleres Kochen, Kochen und ein "Aus"- Zustand mit den Steuerknöpfen 22, 24, 26 und 28 bei der Kochfeldein­ richtung 12 eingestellt werden können. Betriebsunterschiede exi­ stieren zwischen der dargestellten Kochfeld-Ausführungsform und der dargestellten Backofen-Ausführungsform jedoch darin, daß eine Temperatur- und eine Zeitsteuereinrichtung für die Backofenein­ richtung vorgesehen sind. Demgemäß ist ein weiterer von Hand betä­ tigter Steuerknopf 38 auf der Steuertafel 30 vorgesehen, der dem Benutzer ermöglicht, die Kochtemperaturen zu wählen, die in dem Backofenraum 34 erzielbar sind, wenn die betriebsmäßig zugeordneten Heizelemente mit Temperatursteuersignalen sowie mit Leistungssteuersignalen gemäß der Steuereinrichtung nach der Erfindung betrieben werden. Ein noch weiterer herkömmlicher Zeitgeber 40 ist ebenfalls auf der Steuertafel 30 befestigt, der einer Bedienungsperson ermöglicht, die Zeitdauer für eine gewählte Betriebsart der Backofeneinrichtung 32 oder ein vorbestimmtes Zeitintervall, das dem Einleiten der gewählten Betriebsfunktion vorangeht, zu wählen.

Ein typisches Leistungsregelsystem 42, bei welchem die Steuer­ einrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit den oben be­ schriebenen Kochfeld- und Backofen-Ausführungsformen benutzt wird, ist als Blockschaltbild in Fig. 2 dargestellt. Eine illustrative Steueranordnung ist in der vorliegenden Zeichnung nur für die Widerstandsheizelemente 14, 16, 18 und 20 vorgese­ hen, die in der Kochfeldeinrichtung 12 benutzt werden, da die Steueranord­ nung für die Backofeneinrichtung 32, bei der eine Temperatursteuerein­ richtung sowie eine Leistungssteuereinrichtung benutzt werden, wie oben erwähnt in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 4 weiter beschrieben wird, die sich mit der letztgenannten Aus­ führungsform befaßt. Andererseits sollte an diesem Punkt daran gedacht werden, daß die Leistungssteuereinrichtung, die in der Kochfeld-Ausführungsform oder in der Backofen-Ausführungsform benutzt werden kann, in bezug auf beide bauliche Konfigurationen der besonderen piezokeramischen Relaiseinrichtungen, welche be­ tätigt werden, und der Steuerschaltungsanordnung, die zum Betä­ tigen dieser Relaiseinrichtungen benutzt wird, im wesentlichen dieselben bleiben. Demgemäß erzeugt eine Leistungsselektorein­ richtung 44 Steuersignale zur unabhängigen Betätigung der Heiz­ elemente 14, 16, 18 und 20 in der Kochfeldeinrichtung 12 auf Leistungsein­ stellungen hin, welche durch die Bedienungsperson unter mehreren Leistungseinstellungen ausgewählt werden, die in den Steuer­ knöpfen 22, 24, 26 und 28 zur Verfügung stehen. Diese Leistungs­ steuersignale können auf herkömmliche Weise mit Potentiometer­ einrichtungen erzeugt werden, die an den Steuerknöpfen physisch befestigt sind. Die Gleichstromsteuersignale werden durch be­ triebsmäßig zugeordnete Analog- oder Digitalschaltungseinrich­ tungen 46 weiter verarbeitet, um den Prozentsatz an Zeit zu re­ geln, in welchem einem betriebsmäßig zugeordneten Heizelement auf die oben beschriebene herkömmliche Weise für die Leistungs­ regelung bei einer Kochfeldeinrichtung Leistung zugeführt wird, wie es durch die Leistungseinstellung verlangt wird, welche durch eine Bedienungsperson gewählt wird. Die verarbeiteten Steuer­ signale werden daraufhin an weitere betriebsmäßig zugeordnete Schaltkreiseinrichtungen 48 angelegt, welche die Betätigung der piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 und 56 zur anschließenden elektrischen Verbindung der Stromquelle mit einem einzelnen Heizelement ermöglichen. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, sind die Relaiseinrichtungen jeweils mit einem einzelnen Heizelement in der dargestellten Kochfeld-Aus­ führungsform zur unabhängigen Steuerung der Leistungsaufnahme desselben in Reihe geschaltet. Die Relaiseinrichtungen sind weiter so aufgebaut und werden so betrieben, daß sie die zu­ sammenwirkenden Kontakteinrichtungen öffnen oder auf Abstand halten, wenn eine Relaiseinrichtung in einem unerregten Zustand ist, aber sich auf die oben dargelegte Weise biegen, um das zugeordnete Heizelement auf die angelegten Leistungssteuersig­ nale hin in den leitenden Zustand zu schalten. Die Zeichnung enthält weiter normalerweise offene Schaltvorrichtungen 51, 53, 55 und 57, welche gestatten, beide Starkstromleiter L ₁ und L ₂ zu unterbrechen, wenn die manuell betätigten Leistungsselek­ toreinrichtungen in einen "Aus"-Zustand geschaltet werden. Fakultative Steuerklemmen 58 sind außerdem an dem Null-Stark­ stromleiter N vorgesehen, wodurch den einzelnen piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 und 56 ermöglicht wird, die ein­ zelnen Heizelemente entweder mit einer herkömmlichen 115-Volt- Wechselstromversorgung oder mit einer herkömmlichen 230-Volt- Wechselstromversorgung zu verbinden. Eine solche fakultative Schaltanordnung kann vorgesehen sein auf grund einer zuvor er­ läuterten Möglichkeit für eine piezokeramische Relaiseinrich­ tung, sich in unterschiedlichen Richtungen zu biegen, wenn sie eine elektrische Verbindung zwischen der Stromquelle und ihren Anschlußkontakten herstellt. Auf diese Weise können die einzel­ nen Heizelemente mit einer 115-Volt-Wechselstromversorgung auf einem niedrigeren gewählten Leistungswert versorgt werden, indem eine zugeordnete Relaiseinrichtung zwischen den Null-Starkstrom­ leiter und einen der Starkstromleiter geschaltet wird, während sie mit einer 230-Volt-Wechselstromversorgung bei höheren ge­ wählten Leistungseinstellungen versehen wird, um die Vorteile zu erzielen, die ebenfalls oben erläutert worden sind.

Die Betätigung einer einzelnen piezokeramischen Relaiseinrich­ tung in der vorstehenden illustrativen Ausführungsform erfolgt, indem die Relaiseinrichtung in einen Stromkreis mit einem ein­ zelnen Heizelement gelegt wird, um die Verbindung der Strom­ quelle mit dem Heizelement zu ermöglichen. Die piezokeramische Einrichtung, die im folgenden unter Bezugnahme auf die bauli­ chen Relaiskonfigurationen ausführlicher beschrieben wird, wel­ che in Fig. 9 gezeigt sind, hat eine Anschlußeinrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepol­ tes, piezokeramisches Biegeteil, welches bewegliche elektri­ sche Kontakteinrichtungen hat, die mit festen elektrischen Kontakteinrichtungen zusammenwirken, welche Ihnen zugeordnet sind, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtungen mit der Anschlußeinrichtung des Heizelements verbunden sind und wobei die Steuerschaltungsanordnung, welche die piezokerami­ sche Relaiseinrichtung betätigt, auf eine Leistungseinstellung anspricht, die durch eine Bedienungsperson gewählt wird. Die Steuerschaltungsanordnung ist direkt und ohmisch mit der Strom­ quelle und mit der piezokeramischen Relaiseinrichtung verbun­ den, was ebenfalls ausführlicher im folgenden in Verbindung mit den elektrischen Schaltbildern nach den Fig. 6 und 7 be­ schrieben wird, um einen Stromkreis zwischen denselben zu schließen, und die durch eine gewählte Leistungseinstellung be­ tätigt wird, welche bewirkt, daß sich das vorgepolte piezokera­ mische Biegeteil biegt und elektrischen Kontakt mit den zusam­ menwirkenden festen elektrischen Kontakteinrichtungen herstellt. Eine repräsentative Steuerschaltungsanordnung, welche den Be­ trieb der Relaiseinrichtung auf diese Weise ermöglicht, kann gänzlich mit Festkörperschaltungseinrichtungen versehen sein. Demgemäß können die analog Festkörperschaltungseinrichtungen 46 mit Eingangsgleichspannungen versorgt werden, welche die gewählten Leistungswerte darstellen, um geeignete Steuersignale zu erzeugen, welche die Betätigung eines einzelnen piezokera­ mischen Biegeteils mit der betriebsmäßig zugeordneten Festkör­ perschaltkreiseinrichtung 48 ermöglichen. Eine geeignete Fest­ körperanalogschaltungseinrichtung 46 für diesen Zweck kann im wesentlichen die gleiche Schaltungseinrichtung sein, die oben in Verbindung mit dem Erzeugen von geeigneten Temperatursteu­ ersignalen gemäß einem Aspekt der Steuereinrichtung nach der Erfindung beschrieben worden ist. Wie dort erläutert, erzeugt die Analogschaltungsanordnung die Steuersignale mit einer ersten Verstärkereinrichtung, welche eine Eingangsgleichspan­ nung, die nun eine Leistungseinstellung darstellt, welche durch eine Bedienungsperson gewählt worden ist, mit einer Rückkopp­ lungsspannung, die durch Modifizieren ihrer Ausgangsspannung erzielt wird, vergleicht, um eine zugeordnete Kondensatorein­ richtung aufzuladen, und die Ausgangsspannung der ersten Verstärkereinrichtung an eine zweite Verstärkereinrichtung anlegt zum Vergleich mit einer Sägezahnreferenzspannung, wobei die Aus­ gangsspannung der zweiten Verstärkereinrichtung Steuersignale an zwei aktiven Vorrichtungen in der zugeordneten Festkörper­ schaltkreiseinrichtung 48 erzeugt. Repräsentative Festkörper­ schaltkreiseinrichtungen 48 können auch auf die zuvor beschrie­ bene Weise so vorgesehen werden, daß sie eine Schaltung aus Dioden und Kondensatoren zum Bilden des höheren Gleichspannungs­ erregerpotentials enthalten, welches ein einzelnes piezokera­ misches Biegeteil mit zwei aktiven Hochspannungsvorrichtungen wie Transistoren und dgl. betätigt. Vorwiderstandselemente können außerdem in der Treiberschaltungseinrichtung für irgend eine Steuerlogik enthalten sein, die benutzt wird, um die ein­ zelnen Heizelemente bei voll automatisierter, vorprogrammierter digitaler Steuereinrichtung zu betreiben. In weiteren repräsen­ tativen Festkörperschaltkreiseinrichtungen 48 können in Reihe geschaltete Trennwiderstandselemente vorgesehen sein, um den Strom zu begrenzen, der aus der Wechselstromquelle aufgenommen wird, während Ladewiderstandselemente außerdem vorgesehen sein können, um das Erregerpotential zu dem piezokeramischen Biege­ teil zu leiten. Solche Treiberschaltungsausführungsformen können auch erste Widerstandseinrichtungen zum Entladen der Plattenele­ mente, wenn deren Erregung beendet worden ist, enthalten.

Aus der vorstehenden Beschreibung der verschiedenen baulichen Konfigurationen, die eine piezokeramische Relaiseinrichtung bei dem elektrischen Verbinden eines einzelnen Heizelements mit der Stromquelle annehmen kann, dürfte ebenso klar hervorgehen, daß Modifizierungen in dem oben dargestellten Leistungsregel­ system möglich sind. Zum Beispiel, die Steuersignale, die in der Analogschaltungseinrichtung 46 erzeugt werden, können zwei Heizelemente betätigen, wobei die Steuersignale, die ein Heizelement betätigen, mit einer ersten Sägezahnreferenz­ spannung erzeugt werden, welche eine umgekehrte Beziehung zu einer zweiten Sägezahnreferenzspannung hat, die benutzt wird, um Steuersignale zu erzeugen, welche das andere Heiz­ element betätigen, wodurch eine gleichzeitige Stromzufuhr zu den betriebsmäßig zugeordneten Heizelementen vermieden wird. Die besondere Analogschaltungseinrichtung, die auf diese Weise betrieben wird, kann zweckmäßig ein Paar der Doppelkomparator­ netzwerke enthalten, die oben beschrieben worden sind und z. B. bei der oben erwähnten CMOS-Quad-Komparatorvorrichtung vorgesehen sind, und sie kann weiter die Sägezahnreferenzspan­ nungen mit Unÿunction-Kippgenerator-Schaltungseinrichtungen erzeugen, welche in einem Stromkreis mit zwei in Reihe geschal­ teten Rückkopplungsverstärkereinrichtungen liegen, so daß das Ausgangssignal der ersten Verstärkereinrichtung die erste Sägezahnreferenzspannung bildet, welche, nachdem sie wei­ ter an die zweite Verstärkereinrichtung angelegt worden ist, die zweite Sägezahnreferenzspannung bildet. Bei einer anderen Modifizierung des oben dargelegten Leistungsregelsystems, durch welche eine einzelne piezokeramische Relaiseinrichtung die Eingangsleistung von zwei Heizelementen regeln kann, kann die Relaiseinrichtung in einen Stromkreis gelegt werden, um das individuelle Verbinden der Stromquelle mit jedem Element zu ermöglichen, wobei die Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrich­ tung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und ein beweg­ liches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil, das zusammen­ wirkende Kontakteinrichtungen hat zur individuellen Verbindung mit der Anschlußeinrichtung, die an jedem Element vorgesehen ist, und eine Steuerschaltungsanordnung, die mit der Stromquelle und mit der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relaisein­ richtung direkt und ohmisch verbunden ist, welche auf die Steu­ ersignale an spricht und das Biegeteil veranlaßt, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschluß­ einrichtung von einem Heizelement zu schließen oder sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des anderen Heizelements zu schließen. Eine geeignete Relaiseinrichtung zu dieser Art von Betätigung umfaßt eine Biegekonstruktion bimorphen Typs, die oben be­ schrieben worden ist, mit zwei zusammenwirkenden, beweglichen und festen elektrischen Kontakteinrichtungen, welche auf ent­ gegengesetzten Seiten des Biegeteils angeordnet sein können, um das Biegen in einer ersten Richtung zum Schließen eines Stromkreises zu dem ersten Heizelement und ein Biegen in einer zweiten Richtung zum Schließen eines Stromkreises zu dem an­ deren Heizelement zu ermöglichen. Eine weitere geeignetere Relaiseinrichtung zur betriebsmäßigen Zuordnung zu einem Paar Widerstandsheizelementen umfaßt eine piezokeramische Re­ laiseinrichtung, die eine gegabelte Konstruktion mit zwei be­ weglichen, vorgepolten, piezokeramischen Biegeelementen hat, welche durch Anschlußeinrichtungen mit der Stromquelle ver­ bunden sind, wobei jedes Biegeelement bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen hat, die mit festen elektrischen Kontakt­ einrichtungen zusammenwirken, welche separat mit Anschlußein­ richtungen verbunden sind, die an jedem Heizelement vorgesehen sind, und wobei jedes Biegeelement die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen hält, während es in einem unerregten Zu­ stand ist, und wobei die Steuerschaltungsanordnung wiederum auf eine Leistungseinstellung anspricht, die durch eine Bedie­ nungsperson gewählt wird, um die einzelnen Biegeelemente sepa­ rat zu betätigen und zu bewirken, daß sich das betätigte Biege­ element biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und den Anschlußeinrichtungen des Heizelements schließt, welches dem betätigten Biegeelement betriebsmäßig zugeordnet ist. Ein geeignetes Verfahren zum Betreiben eines einzelnen Heizelements in irgendeiner der hier dargestellten Steuerungsausführungsfor­ men beinhaltet daher (a) Auswählen einer Leistungseinstellung für das Heizelement unter mehreren Einstellungen, (b) Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung in Steuersignale auf eine Weise, die eine Betätigung einer piezokeramischen Relaiseinrich­ tung mit einer betriebsmäßig zugeordneten Steuerschaltungsanord­ nung ermöglicht, und (c) Benutzen der Steuersignale, um zu bewirken, daß sich das Biegeteil in der Relaiseinrichtung biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem Heizelement schließt. In Verbindung mit diesem Verfahren zum Regeln des Heizelements ist weiter zu erkennen, daß jede Be­ seitigung des Betätigungspotentials an dem Biegeteil eine Biegung in der entgegengesetzten Richtung bewirkt, so daß die Relaiskontakte für eine ausfallsichere Betriebsweise in der dargestellten Heizvorrichtung öffnen. Wie oben weiter darge­ stellt, kann diese Betriebsweise weiter das Öffnen von zu­ sätzlichen, von Hand betätigten Schalteinrichtungen, wenn die Leistungsselektoreinrichtungen 44 in einen "Aus"-Zustand ge­ schaltet werden, umfassen.

Fig. 3 zeigt eine ausführlichere strukturelle Ansicht für das vorstehende illustrative Leistungssteuersystem 42, welches die Kochfeldeinrichtung 12 in dem Elektroherd nach Fig. 1 be­ tätigt. Wie durch gestrichelte Linien in Fig. 1 der Zeichnung weiter dargestellt, können die Steuereinrichtungen 42 alle physisch in ein einziges Gehäuseteil oder -modul eingebaut sein, das an der Steuertafel 30 angebracht ist, um die Ein­ gangsleistung der gesteuerten Widerstandsheizelemente 14, 16, 18 und 20 zu regeln. Demgemäß sind die in Reihe geschalteten piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 und 56, welche die Eingangsleistung der Heizelemente steuern, alle in einem kastenartigen Gehäuse 21 zusammen mit den Anschlußeinrichtungen, welche eine elektrische Verbindung mit den Heizelementen er­ möglichen, untergebracht. Das kastenartige Gehäuse hat eine elektrisch isolierende Basis 23, die an der Steuertafel 30, welche an dem Elektroherd vorgesehen ist, zweckmäßig befestigt sein kann, und ist weiter mit einer Abdeckeinrichtung 23 A ver­ sehen, um die untergebrachten elektrischen Bauteile vor atmos­ phärischer Verunreinigung zu schützen. Alle piezokeramischen Einrichtungen 50, 52, 54 und 56 sind zusammen mit den zugeord­ neten Schaltkreisanordnungen 46 und 48 für diese Steue­ rungsausführungsform an dem isolierenden Basisteil 23 ebenso wie die zusammenwirkenden elektrischen Kontakteinrichtungen in den Relaiseinrichtungen befestigt. Gemeinsame Buchstaben- und Ziffernbezeichnungen sind verwendet worden, um dieselben strukturellen Bauteile in den einzelnen Relaiseinrichtungen sowie gemeinsame Anschluß- und Kontakteinrichtungen in den betreffenden Einrichtungen zu bezeichnen. Jede piezokeramische Relaiseinrichtung 50, 52, 54 und 56 weist ein Paar piezokera­ mische Plattenelemente 25 und 27 auf, die gemeinsam sandwich­ artig auf entgegengesetzten Seiten einer zentralen leitfähigen Oberfläche 29 befestigt sind. Ein weiteres leitfähiges Feder­ element 31 wirkt physisch mit den einzelnen Relaiseinrichtungen zusammen, indem beide Bauteile an einem Ende an einem elektrisch isolierenden Blockhalter 37 festgespannt sind, während sie außer­ dem an den entgegengesetzten Enden mit einem weiteren elektri­ sch isolierenden Blockteil 39 verbunden sind. Aus der Zeich­ nung ist zu erkennen, daß eine weitere elektrische Zusammen­ wirkung zwischen den verbundenen Bauteilen stattfindet, weil die zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen 33 und 35 jeder Relaiseinrichtung in bezug auf die beweglichen Biegeteile 41 in der Einrichtung so angeordnet sind, daß es bei der Biegung zum Schließen oder zur gegenseitigen Anlage der zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen kommt. Klemmeneinrichtungen T ₃, T ₄ und eine gemeinsame Klemme T _c bilden die Einrichtungen, durch die das Gleichstromerregerpotential wahlweise an die vorpolarisierten, beweglichen Biegeplattenelemente auf Steuersignale hin ange­ legt wird, welche durch die zugeordneten Schaltkreisanordnun­ gen 46 und 48 geliefert werden, was zur Folge hat, daß die be­ weglichen Biegeteile 41 sich biegen und die beweglichen Kontakt­ elemente 33 mit den festen elektrischen Kontaktelementen 35 schließen. Bei dem Schließen jedes Paares der zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen wird ein elektrischer Stromkreis zwischen der Klemme L ₁, die mit der Stromquelle verbunden ist, und der Klemme T ₁, die mit einem einzelnen Heizelement (nicht dargestellt) verbunden ist, geschlossen. Weitere Klemmeneinrichtungen sind an einem einzelnen Heizelement außerhalb des dargestellten Steuermoduls vorgesehen, wodurch die elektrische Verbindung mit dem anderen Starkstromleiter (L ₂) zum Schließen des Stromkreises hergestellt wird, welcher die Zufuhr von Strom zu den Heizelemen­ ten ermöglicht, wie es oben in Verbindung mit der Beschreibung von Fig. 2 erläutert worden ist. Wenn die einzelnen piezokerami­ schen Relaiseinrichtungen nicht erregt sind, weil keine Steu­ ersignale an ihnen anliegen, bleiben die zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen, die an den Biegeteilen vorgesehen sind, in gegenseitigem Abstand, wie es in der vorliegenden Zeichnung weiter gezeigt ist. Die Steuerschaltungsanordnungen 46 und 48, welche Steuersignale bzw. das Gleichstromerregerpotential zum Betätigen der einzelnen Relaiseinrichtungen in der vorliegenden Steuerungsausführungsform 42 liefern, sind wie dargestellt in paarweiser Beziehung in bezug auf die Relaiseinrichtungen elek­ trisch verbunden. Insbesondere kann ein Paar der Relaiseinrich­ tungen mit derselben Festkörperanalogschaltungseinrichtung 46 und der Festkörperschaltkreiseinrichtung 48, wie sie in der vorhergehenden Ausführungsform offenbart sind, separat be­ tätigt werden, während das andere Paar piezokeramischer Re­ laiseinrichtungen mittels doppelt vorhandener Schaltungsein­ richtungen desselben Typs ebenfalls separat betätigt werden kann. Wenn das gemacht wird, bleibt es ratsam, in jeder der verwendeten Analogschaltungseinrichtungen Steuersignale zu er­ zeugen, welche ein Paar der piezokeramischen Relaiseinrichtun­ gen betätigen, um Steuersignale zu erzeugen, welche eine Relais­ einrichtung mit einer Referenzspannung betätigen, die ungleich der Referenzspannung ist, welche benutzt wird, um Steuersignale für die andere Relaiseinrichtung zu erzeugen, wie bei der Art und Weise, die in der vorhergehenden Ausführungsform erläutert worden ist, und dadurch eine gleichzeitige Stromzufuhr zu den betriebsmäßig zugeordneten Heizelementen zu vermeiden. Demge­ mäß können in jeder der Analogschaltungseinrichtungen 46, die benutzt werden, um separate Steuersignale an einem miteinander verbundenen Paar der piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 und 56 zu erzeugen, die Festkörper-CMOS-Quad-Komparator- Vorrichtung und die zugeordneten Referenzspannungsschaltungs­ einrichtungen, die in der vorhergehenden Ausführungsform für diesen Zweck offenbart worden sind, benutzt werden. Eine ähn­ liche Schaltungsverdoppelung kann (wie in der vorliegenden Zeichnung dargestellt) in jeder de 59230 00070 552 001000280000000200012000285915911900040 0002003909261 00004 59111r Festkörperschaltkreis­ einrichtungen 48 benutzt werden, welche separat ein Gleich­ stromerregerpotential an eine einzelne piezokeramische Relais­ einrichtung anlegen. Daher können doppelt vorhandene Paare von aktiven Hochspannungsvorrichtungen in jeder der Festkörper­ schaltkreiseinrichtungen 48 benutzt werden, die so angeschlos­ sen sind, daß sie eine Verbindung einer einzelnen piezokera­ mischen Relaiseinrichtung mit jedem Paar der aktiven Vorrich­ tungen ermöglichen, wie es im folgenden ausführlicher mit Bezug auf die illustrativen Ausführungsformen für die Schal­ tungseinrichtungen beschrieben wird, welche in den Fig. 6 und 7 dargestellt sind.

Aus der vorstehenden Beschreibung, die zu der dargestellten Steuerungsausführungsform 42 gehört, wird deutlich, daß die Betätigung der einzelnen piezokeramischen Einrichtungen auch auf dieselbe Weise erfolgt, wie es oben in Verbindung mit der vorhergehenden Beschreibung von Fig. 2 erläutert worden ist. Die Klemmeneinrichtung L ₁ stellt eine Verbindung jeder piezo­ keramischen Relaiseinrichtung mit der Stromquelle her, während das bewegliche piezokeramische Biegeteil 41 in jeder Relaisein­ richtung eine bewegliche elektrische Kontakteinrichtung 33 auf­ weist, die mit einer zugeordneten festen elektrischen Kontakt­ einrichtung 35 zusammenwirkt, um eine Verbindung mit einem betriebsmäßig zugeordneten Heizelement herzustellen, das die Klemmeneinrichtung T ₁ hat. Die Steuerschaltungseinrichtungen 46 und 48 sind außerdem wie dargestellt mit der Stromquelle über Starkstromleiter L ₁ und L ₂ direkt und ohmisch verbunden und außerdem an die einzelnen piezokeramischen Relaiseinrich­ tungen über die Klemmen T ₃, T ₄ und die gemeinsame Klemme T _c angeschlossen. Daraus folgt wieder in dieser Steuerungsaus­ führungsform, daß jedes Heizelement, welches einer einzelnen piezokeramischen Relaiseinrichtung des hier benutzten Typs betriebsmäßig zugeordnet ist, auf eine Leistungseinstellung anspricht, die durch eine Bedienungsperson gewählt wird, wel­ che bewirkt, daß das betätigte Biegeteil in der einzelnen Re­ laiseinrichtung sich biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des Heizelements schließt. Es ist zwar in der vorliegenden Zeichnung nicht dar­ gestellt, jedoch aus der hier vorangehenden Beschreibung in bezug auf die weiteren Steuereinrichtungen, welche bereits in herkömmlichen Elektrogeräten zum Steuern der Betriebstemperatur eines in der Kochfeldeinrichtung verwendeten Heizelements dienen, evi­ dent, daß die Temperatursteuereinrichtung auch in die vorlie­ gende Steuerungsausführungsform eingebaut werden kann. Daher werden Festkörperrückführungstemperatursteuerungseinrichtungen in Form einer Thermistorschaltung im folgenden in Verbindung mit einem repräsentativen Leistungsregelsystem für eine solche Kochfeldeinrichtung in Fig. 6 ausführlicher beschrieben. Ein geeignetes Verfahren zum Betreiben eines einzelnen Heizelements, bei welchem die kombinierten Leistungssteuer- und Temperatur­ steuersignale in dieser Modifikation der vorliegenden Steue­ rungsausführungsform benutzt werden, beinhaltet die Schritte (a) Auswählen einer Leistungseinstellung für ein einzelnes Heizelement unter mehreren Leistungseinstellungen, (b) Umwan­ deln der gewählten Leistungseinstellung in Leistungssteuersi­ gnale, (c) Benutzen der Leistungssteuersignale zum Betätigen einer vorgepolten piezokeramischen Relaiseinrichtung mit einer betriebsmäßig zugeordneten Steuerschaltungsanordnung und zum Veranlassen, daß sich das Biegeteil in der Relaiseinrichtung biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem Heizelement schließt, (d) Messen der Temperatur, die mit dem arbeitenden Heizelement erreicht wird, um Temperatursteuer­ signale zu erzeugen, und (e) Beendigen der Leistungsaufnahme des einzelnen Heizelements, wenn die gemessene Temperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht, indem die zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen der piezokeramischen Relaiseinrichtung veranlaßt werden zu öffen. Es ist auch evident, daß bei dieser Betriebsweise zusätzliche, manuell betätigte Schalteinrichtun­ gen vorgesehen sein können, um den Strom zu unterbrechen, der dem Heizelement zugeführt wird, wie es oben erwähnt worden ist.

Fig. 4 zeigt ein Funktionsblockschaltbild, das ein typisches Leistungsregelsystem darstellt, welches in der Backofenein­ richtung des Elektroherdes nach Fig. 1 benutzt wird. Demgemäß weist das dargestellte Leistungsregelsystem 60 Stromversorgungs­ leiter L ₁ und L ₂ zusammen mit einem Null-Starkstromleiter N auf. Eine 230-Volt-Wechselstromversorgung ist dadurch zusammen mit einem Paar 115-Volt-Versorgungskreisen vorhanden. Ein Schal­ ter für eine herkömmliche Zeitgebereinrichtung 40 ermöglicht das Schließen eines Stromkreises zu einem manuell betätigten Steuerknopf 36, der interne Schalterkontakte hat, welche in der Zeichnung gezeigt sind, um repräsentative Betriebsfunkti­ onen zu erfüllen wie Aus, Zeit-Backen, Grillen, Backen und Selbstreinigen. Der Steuerknopf 36 gestattet dadurch einer Bedienungsperson, einen Leistungseinstellwert zu wählen zur Steuerung der Backofeneinrichtungsausführungsform 32 auf die­ selbe Weise, wie es oben in Verbindung mit der zuvor beschrie­ benen Kochfeldeinrichtung beschrieben worden ist. Ein weiterer manuell betätigter Steuerknopf 38 ermöglicht weiter der Be­ dienungsperson, die Kochtemperatur zu wählen, die in dem Back­ ofenraum (nicht dargestellt) erreicht werden soll, wenn die betriebsmäßig zugeordneten Heizelemente mit Temperatursteuer­ signalen sowie mit Leistungssteuersignalen gemäß der dargestel­ ten repräsentativen Steuerungsausführungsform betrieben werden. Piezokeramische Relais 62, 64 und 66 sind weiter wie in der Zeichnung dargestellt mit Widerstandsheizelementen 68 und 70 in Reihe geschaltet. Die Relaiseinrichtungen 62 und 66 werden jeweils als Ein/Aus-Schalter in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsfunktion betrieben, wodurch die Betätigung bewirkt, daß sich die zugeordneten piezokeramischen Biegeteile biegen und die betriebsmäßig zugeordneten Heizelemente mit den Stark­ stromleitern verbinden. Die Relaiseinrichtung 64 wird als ein Dreistellungsschalter betrieben, jedoch wiederum in Abhängig­ keit von der gewählten Betriebsfunktion, wobei die Betätigung ihr zugeordnetes piezokeramisches Biegeteil veranlaßt, sich ent­ weder aufwärts zu biegen und das betriebsmäßig zugeordnete Heiz­ element mit dem Starkstromleiter L ₁ zu verbinden, oder sich ab­ wärts zu bewegen und dieses Heizelement mit dem Nulleiter N zu verbinden. Es kann weiter der vorliegenden Zeichnung ent­ nommen werden, daß das Steuern des Betriebes der zugeordneten Heizelemente auf die beschriebene Weise den separaten Betrieb der einzelnen Heizelemente bei gewissen Kochfunktionen ermög­ licht, während andere Funktionen bei beiden Heizelementen vor­ gesehen sind, die gleichzeitig ausgeführt werden. Temperatur­ steuersignale werden in der dargestellten Ausführungsform mit einer Temperaturmeßeinrichtung 38 A erzeugt, die in dem Backofen­ raum angeordnet ist. Eine Anzeigelampe 38 B ist weiter in der dargestellten Backofeneinrichtung vorgesehen worden, um eine weitere Funktion zu veranschaulichen, die üblicherweise bei dem herkömmlichen Elektrogerät benutzt wird. Wie oben erläutert, können die Steuerschaltungseinrichtungen 46 und 48, die in dem hier beschriebenen Leistungsregelsystem 60 vorgesehen sind, hinsichtlich ihrer Betriebsweise gleich oder ähnlich denjenigen sein, die für den Betrieb der einzelnen Heizelemente in der oben beschriebenen Kochfeldeinrichtungsausführungsform benutzt werden. Demgemäß können die einzelnen Heizelemente und piezo­ keramischen Relaiseinrichtungen, die in der vorliegenden Aus­ führungsform benutzt werden, mit im wesentlichen den gleichen Anschluß- und Schaltungsverbindungen versehen sein, die oben in Verbindung mit der Kochfeldeinrichtungsausführungsform be­ schrieben worden sind, und mit im wesentlichen den gleichen Schaltungseinrichtungen, die darin benutzt werden, um die Leistungssteuer- und Temperatursteuersignale für die vorliegen­ den Steuerschaltungseinrichtungen 36 und 48 zu erzeugen. Um noch weiter ein geeignetes Leistungsregelsystem für die vorlie­ gende Backofeneinrichtungsausführungsform zu veranschaulichen, welche auf diese Weise vorgesehen werden kann, sei jedoch an­ gegeben, daß die einzelnen piezokeramischen Relaiseinrichtun­ gen so angeschlossen sind, daß sie eine unabhängige Verbindung der Stromquelle mit einem einzelnen Heizelement ermöglichen, wobei jede der piezokeramischen Relaiseinrichtungen eine An­ schlußeinrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil aufweist, das bewegliche Kontakteinrichtungen hat, die mit festen Kontakt­ einrichtungen zusammenwirken, um eine Verbindung mit den An­ schlußelementen eines Heizelements herzustellen, und wobei die piezokeramischen Relaiseinrichtungen mit einer Steuerschaltungs­ anordnung separat betätigt werden, die direkt und ohmisch mit der Stromquelle und mit den Anschlußeinrichtungen jeder piezo­ keramischen Relaiseinrichtung verbunden ist, um auf eine Lei­ stungseinstellung anzusprechen, die durch die Bedienungsper­ son gewählt worden ist, sowie auf Temperatursteuersignale, wel­ che bewirken, daß sich die betätigten einzelnen Biegeteile biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und den Anschlußeinrichtungen des Heizelements schließen, welches dem betätigten Biegeteil betriebsmäßig zugeordnet ist, wobei die Steuerschaltungsanordnung das Gleichstromerregerpotential für diese separate Betätigung der einzelnen Relaiseinrichtungen liefert und angeschlossene Analogschaltungseinrichtungen die Steuersignale erzeugen. Wiederum folgt daraus, daß der Betrieb dieser repräsentativen Backofeneinrichtung die Schritte bein­ haltet (a) Auswählen einer Leistungseinstellung für die einzel­ nen Heizelemente unter mehreren Leistungseinstellungen, die in der Leistungssteuereinrichtung 36 vorgesehen sind, (b) Um­ wandeln der gewählten Leistungseinstellung in Leistungssteuer­ signale in der Leistungssteuereinrichtung 36, (c) Benutzen der Leistungssteuersignale zum Betätigen von einer oder mehreren vorgepolten piezokeramischen Relaiseinrichtungen mit der be­ triebsmäßig zugeordneten Schaltkreiseinrichtung 48, um zu be­ wirken, daß sich das betätigte Biegeteil biegt und einen Strom­ kreis zwischen der Stromquelle und den betriebsmäßig zugeord­ neten Heizelementen schließt, (d) Messen der Temperatur, die mit den arbeitenden Heizelementen erzielt wird, um Temperatur­ steuersignale in der weiter betriebsmäßig zugeordneten Tempe­ ratursteuereinrichtung 38 zu erzeugen, und (e) Beendigen der Leistungsaufnahme der Heizelemente, wenn die gemessene Tempe­ ratur eine vorbestimmte Temperatur erreicht, mit der Tempera­ tursteuereinrichtung.

Fig. 5 zeigt eine ausführlichere strukturelle Ansicht, teilweise im Querschnitt, eines typischen Leistungssteuermoduls 60, der in der Backofeneinrichtung vorgesehen ist, die in der unmittel­ bar vorangehenden Ausführungsform beschrieben worden ist. Wie oben bei der Steuereinrichtung in Fig. 3 erläutert, können alle elektrischen Bauteile für die dargestellte Steuerungsausfüh­ rungsform physisch in einem einzigen Gehäuseteil untergebracht sein. Demgemäß sind die in Reihe geschalteten piezokeramischen Relaiseinrichtungen 62, 64 und 66, welche die Leistungsaufnahme der gesteuerten Widerstandsheizelemente 68 und 70 (nicht dar­ gestellt) regeln, alle in einem kastenartigen Gehäuse 141 zu­ sammen mit den Anschlußeinrichtungen, welche die elektrische Verbindung mit den Heizelementen ermöglichen, untergebracht. Das kastenartige Gehäuse hat eine elektrisch isolierende Basis 143, die wiederum zweckmäßig an der Steuertafel 30 befestigt sein kann, welche bei dem Elektroherd 10 vorgesehen ist, und weist weiter eine Abdeckeinrichtung 145 auf, um die unterge­ brachten elektrischen Bauteile vor atmosphärischer Verunrei­ nigung zu schützen. Alle piezokeramischen Relaiseinrichtungen 62, 64 und 66 sind zusammen mit den zugeordneten Schaltein­ richtungen 46 und 48 an dem isolierenden Basisteil 143 ebenso wie die feststehenden elektrischen Kontakteinrichtungen 147, 149, 149 A und 151, welche in den Relaiseinrichtungen zusammen­ wirken, untergebracht. Wie der vorliegenden Zeichnung zu ent­ nehmen ist, werden wiederum gemeinsame Buchstaben- und Ziffern­ bezeichnungen benutzt, um dieselben baulichen Komponenten in den einzelnen Relaiseinrichtungen sowie gemeinsame Klemmen und Steuereinrichtungen in den betreffenden Einrichtungen zu be­ zeichnen. In letzterer Hinsicht sei jedoch angemerkt, daß biegsame Zuleitungen 153 und 155 (die auch wie üblich als "fliegende Leitungen" bezeichnet werden) die Relaiseinrich­ tungen mit dem Starkstromleiter L ₁ verbinden, da den besonde­ ren Relaisausführungsformen, die hier benutzt werden, elektri­ scher Kontakt zwischen den beweglichen Kontakteinrichtungen und den Biegeteilen fehlt, was noch ausführlicher in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben wird.

Jede piezokeramische Relaiseinrichtung 62, 64 und 66 ist jedoch von dem "bimorphen" Typ, der oben beschrieben worden ist und bei dem jedoch das Gleichstromerregerpotential an jede Relais­ einrichtung mit der betriebsmäßig zugeordneten Steuerschaltungs­ anordnung 46 und 48 auf dieselbe Weise über die Klemmen T ₃, T ₄ und die gemeinsame Klemme T _c angelegt wird. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsformen der piezokeramischen Relais sind jedoch die beweglichen Kontakteinrichtungen 159, die an den Biegeteilen befestigt sind, von den äußeren leitfähi­ gen Oberflächen durch isolierende Elemente 161 elektrisch iso­ liert, während sie weiterhin über die flexiblen Leiter 153 und 155 mit den Starkstromleitern L ₁ oder N elektrisch verbunden sind. Elektrisch leitfähige Elemente 163, die an den elektrisch isolierenden Elementen 161 befestigt sind, erleichtern die Verbindung der flexiblen Leiter 153 und 155 mit den beweglichen Kontakteinrichtungen 159. Auf diese Weise Erfolgt die Ver­ bindung der piezokeramischen Relais 62 und 86 mit der Strom­ quelle über die biegsamen Leiter, wobei die weitere Verbindung zwischen der Stromquelle und den Anschlußeinrichtungen des zugeordneten Heizelements hergestellt wird, wenn die zusammen­ wirkenden Kontakteinrichtungen 147, 159 oder 151, 159 auf­ grund der Steuersignale geschlossen werden, welche die zuge­ ordneten Biegeteile betätigen. Auf ähnliche Weise sprechen die Paare von zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen 149, 159 und 149 A, 159, welche bei der piezokeramischen Relaiseinrichtung 64 vorgesehen sind, auf die Steuersignale so an, daß eine Auf­ wärtsbiegung des Biegeteils das zugeordnete Heizelement mit dem Starkstromleiter L ₁ verbindet, wogegen eine Abwärtsbiegung des Biegeteils das zugeordnete Heizelement mit dem Null-Stark­ stromleiter N verbindet. Gemäß der weiteren Darstellung durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 der Zeichnung kann der repräsentative Steuermodul 60 zweckmäßig an der Steuertafel 30 befestigt sein.

Fig. 6 ist ein elektrisches Schaltbild, welches einen Typ von Steuerschaltungsanordnung 42 darstellt, der benutzt werden kann, um einzelne Widerstandsheizelemente in der Kochfeldein­ richtungsausführungsform des Elektroherdes nach Fig. 1 zu be­ tätigen. Zum leichteren Verständnis sind dieselben Bezugszahlen in der vorliegenden Figur beibehalten worden, um dieselben Schaltungskomponenten zu bezeichnen, die zuvor für das Block­ schaltbild des Steuersystems in Fig. 2 benutzt worden sind. In der vorliegenden Zeichnung ist zu erkennen, daß ein Paar der piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50 und 52 jeweils so angeschlossen ist, daß die zentralen leitfähigen Oberflächen 51 und 53 mit einem Starkstromleiter L ₁ verbunden sind, wobei die beweglichen Enden 55 und 57 der Biegeteile in der zentralen, offenen Position bleiben, wenn die Relaiseinrichtungen uner­ regt bleiben. Paare von festen elektrischen Kontakten 59 bzw. 61 wirken mit den beweglichen Kontakten zusammen, die an den beweglichen Biegeteilenden angeordnet sind, um ein Schließen eines elektrischen Stromkreises zwischen der Stromversorgung und den weiter betriebsmäßig angeschlossenen Widerstandsheiz­ elementen 14 und 16 zu ermöglichen. Weiter ist dieser Schal­ tungsanordnung zu entnehmen, daß die gegenseitigen Relaisver­ bindungen eine mechanische Verriegelung ergeben, so daß die Steuereinrichtung niemals den gleichzeitigen Betrieb der ein­ zelnen Widerstandsheizelemente einleiten kann, während die Relaiseinrichtungen sehr wenig Halteleistung während des Be­ triebes erfordern, beispielsweise etwa zehn Mikrowatt. Die dargestellte Treiberschaltungseinrichtung 48, welche das Gleichstromerregerpotential an die einzelnen piezokeramischen Relaiseinrichtungen anlegt, enthält weiter eine Schaltung aus Widerständen und Dioden, die als eine zusätzliche Vorsichts­ maßnahme zum Vermeiden einer gleichzeitigen Betätigung dieser Relaiseinrichtungen zugeordnete Sicherheitsschalter S ₁ und S ₂ hat. Diese Widerstands-Diodenschaltung 63 enthält Dioden 65 und 67 und einen angeschlossenen Widerstand 69 zum Erreichen dieses Ziels. Der Relaistreiberteil in der Steuerschaltungs­ anordnung für die Relaiseinrichtung 50 ist mit zwei aktiven Vorrichtungen 71 und 73 versehen, welche als diskrete Aus­ gangstransistoren dargestellt sind. Steuersignale, welche die automatisierte Betätigung der piezokeramischen Relaiseinrich­ tungen in der Schaltungsanordnung ermöglichen, sind mit einer nach Kundenspezifikation ausgelegten, als integrierte Schal­ tung ausgeführten Hochspannungsanalogvorrichtung 46 auf allge­ meine Weise wie oben erläutert vorgesehen. Daher liefert die Leistungsselektoreinrichtung 44 Steuersignale für den unabhän­ gigen Betrieb der miteinander verbundenen Heizelemente auf Leistungseinstellwerte hin, die durch eine Bedienungsperson mit den manuellen Steuerknöpfen (nicht dargestellt) gewählt wer­ den. Die variablen Steuergleichspannungen werden dann an die Analogschaltungseinrichtung 46 zur automatisierten Signalver­ arbeitung angelegt. Zum Erregen der piezokeramischen Relais­ einrichtung mit einer einfachen Einzeltransistortreiberein­ richtung in der vorliegenden automatischen Steuerschaltungsan­ ordnung werden weiter passive Pull-up-Widerstände 75 und 77 benutzt, um die piezokeramischen Plattenelemente immer dann zu entladen, wenn die gewählte Erregung beendet wird. Bei der er­ sten Erregung schaltet die elektronische Hochspannungssteuer­ einrichtung bei ungefähr 3 Volt ein, so daß der aktive Treiber­ transistor 71 und der Widerstand 79, die in Reihe geschaltet sind, als eine Steuerstromquelle arbeiten. Bei dem ersten Schließen der weiter angeschlossenen Relaiskontakte wird die Spannung, die an dem Gateanschluß der aktiven Vor­ richtung 71 anliegt, daraufhin sofort auf die volle Busspan­ nung erhöht, die von der elektronischen Steuerschaltungsein­ richtung geliefert wird und bis zu 10 Volt betragen kann. Da­ durch wird dann die aktive Vorrichtung 71 vollständig einge­ schaltet, und das piezokeramische Relaisplattenelement, wel­ ches so betätigt wird, wird daraufhin schnell aufgeladen, wo­ durch die Kontaktkraft der Relaiskontakte erhöht und eine Ver­ schweißung bei weiterem Kontaktschließen verhindert wird. Eine ähnliche Arbeitsweise der übrigen aktiven Vorrichtung 73 und ihres in Reihe geschalteten Widerstands 81 ergibt sich auf­ grund der elektronischen Steuerschaltungseinrichtung. Weitere Strombegrenzungswiderstände 83 und 85, die mit den aktiven Vorrichtungen 71 bzw. 73 in Reihe geschaltet sind, verhindern, daß übermäßige Ströme in den aktiven Vorrichtungen diese ein­ schalten, und beteiligen sich an der Begrenzung der maximalen Schließgeschwindigkeit der piezokeramischen Relaiskontakte. Da sich der Betrieb der übrigen piezokeramischen Relaiseinrich­ tung 52, welche die Eingangsleistung des Widerstandselements 16 regelt, mit der vorliegenden automatischen Steuerschaltungs­ anordnung auf dieselbe Weise abspielt, sind in der Zeichnung nur diejenigen Schaltungselemente weiter dargestellt worden, die für diese Steuereinrichtung erforderlich sind.

Aufgrund der vorstehenden Beschreibungen bezüglich der Schal­ tungsausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 ist zu erkennen, daß eine Festkörperthermistorschaltung wahlweise in die vor­ liegende Analogschaltungseinrichtung 46 eingebaut werden kann, um eine Temperatursteuerung mit Rückführung bezüglich des Be­ triebes jedes der dargestellten Heizelemente 14 und 16 vorzu­ nehmen. Wenn das gemacht wird, sind zusätzliche Widerstands­ elemente 161 A, 161 B und 161 C in der dargestellten Schaltungs­ ausführungsform zusammen mit einem Festkörperthermistormeßele­ ment 161 D vorhanden, welch letzteres in unmittelbarer physi­ scher Nähe des Heizelements angeordnet ist, welches gesteuert werden soll, was ebenfalls in der vorliegenden Zeichnung dar­ gestellt ist. Aus der vorstehenden Beschreibung der Fig. 2 und 3 ist weiter zu erkennen, daß verschiedene physische Konfigu­ rationen für eine piezokeramische Relaiseinrichtung benutzt werden können, um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem zugeordneten Heizelement in der dargestellten Schal­ tungsausführungsform zu schließen. Da ein Stromkreis in der Ausführungsform mittels Biegung des piezokeramischen Biege­ teils in einer einzigen Richtung geschlossen wird, können die besonderen Relaiseinrichtungen, die insbesondere in der Schal­ tungsausführungsform nach Fig. 3 beschrieben worden sind, die­ sem Zweck dienen. Andererseits, durch eine relativ einfache Modifikation, die in der vorliegenden Schaltungsausführungs­ form gemacht wird, wird es dadurch möglich, die einzelnen Re­ laiseinrichtungen 50 und 52, welche darin verwendet werden, durch eine einzelne Relaiseinrichtung zu ersetzen, welche den gegabelten Aufbau hat, der oben in Verbindung mit den Schal­ tungsausführungsformen nach Fig. 2 beschrieben worden ist. Es ist außerdem in Verbindung mit der oben gegebenen Beschreibung der vorliegenden Schaltungsausführungsformen zu erkennen, daß die übrigen Heizelemente 18 und 20 in der Kochfeldeinrich­ tungsausführungsform, die ursprünglich beschrieben worden ist, auf dieselbe Weise betrieben werden können. In allen vorge­ nannten Variationen der vorliegenden Steuerungsausführungsform bleibt jedoch der Betrieb der einzelnen Heizelemente im wesent­ lichen so, wie er oben beschrieben worden ist. Daher beinhal­ tet ein geeignetes Verfahren zum Betreiben eines einzelnen Heizelements in der vorliegenden Steuerungsausführungsform, in welcher sowohl Leistungs- als auch Temperatursteuersignale ver­ wendet werden, die Schritte (a) Auswählen einer Leistungsein­ stellung für das einzelne Heizelement unter mehreren vorgese­ henen Leistungseinstellungen mit der Leistungsselektoreinrich­ tung 44, (b) Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung in Leistungssteuersignale in der zugeordneten Analogschaltungs­ einrichtung 46, (c) Benutzen der Leistungssteuersignale zum Betätigen einer vorgepolten, piezokeramischen Relaiseinrichtung mit der Treiberschaltungseinrichtung 48, um dadurch das betä­ tigte Biegeteil zu veranlassen, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem betätigten Biege­ teil zu schließen, (d) Messen der Temperaturen, die mit dem arbeitenden Heizelement erreicht werden, um Temperatursteuer­ signale mit der vorgesehenen Festkörperthermistorschaltung zu erzeugen, und (e) Beendigen der Leistungsaufnahme des arbei­ tenden Heizelements, wenn die gemessene Temperatur eine vorbe­ stimmte Temperatur erreicht, indem die zusammenwirkenden Kon­ takteinrichtungen des betätigten Biegeteils veranlaßt werden zu öffnen.

Fig. 7 ist ein elektrisches Schaltbild, welches eine alterna­ tive Schaltungseinrichtung für die automatische Steuerschal­ tungsanordnung zeigt, die oben mit Bezug auf Fig. 6 beschrie­ ben worden ist. Während die Schaltungsanordnung nach Fig. 6 eine 1/2-Wellenversorgung für das gesteuerte Heizelement aus einer verfügbaren 230-Volt-Wechselstromquelle bildet, ermög­ licht die vorliegend beschriebene Steuerschaltungsanordnung den Betrieb der Belastungsvorrichtungen mit einer 115-Volt- Stromversorgung, die der 230-Volt-Stromquelle entnommen wird. Demgemäß sind dieselben Bezugszahlen, die in Fig. 6 verwen­ det worden sind, hier beibehalten worden, um gemeinsame Schal­ tungskomponenten in der vorliegenden automatischen Steuerschal­ tungsanordnung zu bezeichnen. Mit Bezug auf den vergleichba­ ren Betrieb der gemeinsamen Schaltungselemente in der vorlie­ genden Steuerschaltungsausführungsform 42 bedarf es auch kei­ ner Widerholung der Beschreibung der Schaltung nach Fig. 6. Die Beschreibung der vorliegenden Steuerung beschränkt sich deshalb auf das Beschreiben der zusätzlichen Schaltungskompo­ nenten, die erforderlich sind, um die 115-Volt-Versorgung, welche aus der Stromquelle stammt, zu verdoppeln, um ein höhe­ res Gleichstromerregerpotential für die einzelnen piezokerami­ schen Relaiseinrichtungen 50 und 52 zu erzielen, die in der vorliegenden Steuerschaltungseinrichtung 48 angeschlossen sind. Demgemäß ist eine Dioden-Kondensatorschaltung 87 darge­ stellt, welche die Versorgungsspannung an den beiden ange­ schlossenen piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50 und 52 auf eine ansonsten bekannte Weise verdoppelt. Die Dioden-Kondensa­ torschaltung 87 ist dargestellt durch einen Pumpkondensator 89, einen Speicherkondensator 91 und Verdopplungsdioden 93 und 95 und liefert das Gleichstromerregerpotential, das die bei­ den Relaiseinrichtungen wie dargestellt betätigt. Strombegren­ zungswiderstände 97, 99 und 101 sind in der Steuerschaltungs­ anordnung vorgesehen, um die Empfindlichkeit der Schaltung für vom Netz her hervorgerufene Übergangsvorgänge zu reduzieren.

Fig. 8 ist ein elektrisches Schaltbild für die Analogschal­ tungseinrichtung 46, die in der Steuerschaltungsanordnung nach den Fig. 6 und 7 benutzt wird. Wie dargestellt ist eine den Kundenwünschen angepaßte, als integrierte Schaltung ausgebil­ dete Analogvorrichtung 103 vorgesehen, die vier Verstärkerein­ richtungen 104, 106, 108 und 110 vom Komparatortyp hat. Ein­ gangsspannungssignale, die von der Leistungsselektoreinrich­ tung 44 (nicht dargestellt) geliefert werden, werden an die Quad-Komparator-Schaltung 103 angelegt, um die gewünschten Steuersignale durch automatische Signalverarbeitung zu erzeu­ gen. Insbesondere werden die Gleichspannungssignale, welche die Leistungseinstellungen darstellen, die durch eine Bedie­ nungsperson gewählt worden sind, über einen Widerstand 102 an eine erste Verstärkereinrichtung 104 zum Vergleich mit einer Rückkopplungsspannung angelegt, welch letztere durch Modifi­ zieren von deren Ausgangsspannung, um einen zugeordneten Kon­ densator 105 aufzuladen, erzielt wird. Die Ausgangsspannung des ersten Verstärkers wird dann an eine zweite Verstärkerein­ richtung 106 zum Vergleich mit einer Sägezahnreferenzspannung angelegt, wobei die Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers 106 Steuersignale für die beiden aktiven Vorrichtungen bildet, welche den Betrieb einer einzelnen piezokeramischen Relaisein­ richtung in der Relaistreiberschaltungsanordnung (entweder 48 oder 49) steuern. Auf gleiche Weise werden zweite Steuersigna­ le, welche Leistungseinstellungen darstellen, die durch eine Bedienungsperson gewählt werden, für das andere Widerstands­ heizelement, das in der Steuerschaltungsanordnung dargestellt ist, in der gezeigten Analogschaltungseinrichtung automatisch verarbeitet. Die Eingangsgleichspannungssignale werden an die dritte Verstärkereinrichtung 108 über einen Widerstand 107 zum Vergleich mit der Rückkopplungssteuerspannung angelegt, welche erhalten wird, indem deren Ausgangsspannung modifiziert wird, um eine zugeordnete Kondensatoreinrichtung 109 aufzula­ den. Die Ausgangsspannung des dritten Verstärkers wird darauf­ hin an die vierte Verstärkereinrichtung 110 zum Vergleich mit einer zweiten Sägezahnreferenzspannung angelegt, die ein um­ gekehrtes Verhältnis mit Bezug auf die zuvor benutzte Säge­ zahnreferenzspannung hat. Die verarbeiteten Spannungssignale, welche die vierte Verstärkereinrichtung 110 liefert, bilden Steuersignale zum Anlagen an die beiden aktiven Vorrichtungen, welche den Betrieb der anderen piezokeramischen Relaisein­ richtung steuern, die in der Steuerschaltungsanordnung nach den Fig. 6 und 7 gezeigt ist. Die vorerwähnten Sägezahnrefe­ renzspannungen, die hier benutzt werden, werden ebenfalls in der vorliegenden Analogschaltungseinrichtung automatisch er­ zeugt. Eine Unÿunction-Kippgeneratorschaltungskomponente 111 erzeugt die Sägezahnwellenform, die dann an die betriebsmäßig zugeordnete Operations- und Pufferverstärkereinrichtungen 112 und 113 angelegt wird. Die Ausgangswellenform der Verstärker­ einrichtung 112 wird zu einem Referenzsignal zum Vergleich in der Verstärkereinrichtung 106, während sie auch an die Ver­ stärkereinrichtung 113 angelegt wird, in der eine Polaritäts­ umkehrung erfolgt. Die Ausgangswellenform der Verstärkerein­ richtung 113 wird zu dem Referenzsignal für den Vergleich in der Verstärkereinrichtung 110.

Die Fig. 9A, 9 B und 9 C zeigen Längsseitenansichten von drei verschiedenen Konstruktionen einer piezokeramischen Relaisein­ richtung bimorphen Typs, die in der vorliegenden Steuerein­ richtung benutzt werden kann. Die Relaiseinrichtung in Fig. 9A ermöglicht einen langfristigen, zuverlässigen Betrieb auf die oben in Verbindung mit den Fig. 2 und 4 beschriebene Wei­ se, wobei Strom zwischen einem Paar Heizelementen in der Koch­ feld- und in der Backofeneinrichtung eines dargestellten Elek­ troherdes mit einem einzigen Relais geschaltet werden kann. Die Relaiseinrichtung, die in Fig. 9B gezeigt ist, repräsen­ tiert eine andere strukturelle Form, welche ermöglicht, Strom einem Paar Heizelementen in verschiedenen elektrischen Heiz­ vorrichtungen bei dem Biegen von separaten Biegeelementen in derselben Richtung zuzuführen. Die Relaiseinrichtung in Fig. 9C zeigt noch eine weitere bauliche Ausführungsform, die fern­ angeordnete, bewegliche Kontakteinrichtungen hat, die einem einzelnen Biegeelement betriebsmäßig zugeordnet sind, sowie entfernte Anschlußeinrichtungen zur Verbindung mit der Strom­ quelle. Die letztgenannte Einrichtung ist ebenfalls geeignet, Strom einem einzelnen Heizelement in verschiedenen Arten von elektrischen Heizvorrichtungen zuzuführen, wobei einzelne Re­ lais erforderlich sind, um jedem Heizelement Strom zu liefern. Sämtliche gezeigten Ausführungsformen werden jedoch in der vorliegenden Steuerschaltungsanordnung auf ähnliche Weise be­ trieben, indem ein bewegliches Biegeteil veranlaßt wird, sich aufgrund der Steuersignale zu biegen und einen Stromkreis zwi­ schen der Stromquelle und Klemmeneinrichtungen zu schließen, die mit dem betätigten Biegeteil in der gesteuerten Vorrich­ tung separat verbunden sind. Aus diesem Grund werden diesel­ ben Buchstaben- und Ziffernbezeichnungen in der vorliegenden Zeichnung benutzt, um gemeinsame strukturelle Elemente in den Relaisausführungsformen sowie gemeinsame Klemmenverbindungen so weit wie möglich zu bezeichnen.

In Fig. 9A ist die piezokeramische Biegeschaltvorrichtung 120 mit wenigstens zwei ebenen piezokeramischen Plattenelementen versehen, die durch eine obere Platte 172 und eine untere Platte 174 gebildet sind, wie es in der Zeichnung ersichtlich ist. Die piezokeramischen Plattenelemente 172 und 174 sind in entgegengesetzter Parallelanordnung sandwichartig auf entge­ gengesetzten Seiten von wenigstens einer zentralen, leitfähi­ gen Oberfläche 176 befestigt und haben äußere leitfähige Oberflächen 178 bzw. 180, welche von einander und von der zentralen leitfähigen Oberfläche 176 durch die dazwischen an­ geordneten Dicken der piezokeramischen Plattenelemente iso­ liert sind. Die piezokeramischen Plattenelemente 172 und 174 können aus Bleizirkonattitanat, Bleimetaniobat, Bariumtitanat oder anderen bekannten piezokeramischen Materialien bestehen. Die leitfähigen Oberflächen 176, 178 und 180 können mit Nickel, Silber od.dgl. leitfähigen Materialien hergestellt sein, welche abgeschieden oder auf andere Weise an den Plat­ tenelementen 172 und 174 befestigt sind. Die Biegeschaltvor­ richtung enthält weiter einen Satz von zusammenwirkenden festen elektrischen Schaltkontakten 182 und 184, die an einer relativ starren Halteeinrichtung befestigt sind und ausrei­ chend biegsam sein können, um einen Stoß zu dämpfen, und durch Biegen eines vorpolarisierten, beweglichen Biegeteils ge­ schlossen werden, das durch die piezokeramischen Plattenele­ mente 172 A und 174 A der Biegeschaltvorrichtung gebildet wird. Die Kontakte 182 und 184 wirken mit elektrisch isolierten Kon­ takten 186 bzw. 190 zusammen, welche auf dem beweglichen Ende der Biegevorrichtung 172, 174 gebildet sind, wenn sie durch Steuersignale betätigt werden, die gemäß der vorliegenden Steuereinrichtung geliefert werden. Die beweglichen Biegetei­ le 172, 174 der piezokeramischen Schalteinrichtung 120 sind auf freitragende Weise durch eine Klemmeinrichtung physisch gehalten, die bei 192 gezeigt ist und dazu dient, die piezo­ keramischen Plattenelemente 172 und 174 sowohl physisch zu tragen als auch mit der zentralen leitfähigen Oberfläche 176, die sandwichartig zwischen ihnen angeordnet ist, zusammenzu­ spannen. Die Klemmeinrichtung 192 ist über Teilen 172 B und 174 B der piezokeramischen Plattenelemente 172 und 174 angeord­ net, die nicht vorpolarisiert worden sind und deshalb ungepolt und elektrisch neutral sind, im Gegensatz zu den vorpolarisier­ ten aktiven, beweglichen Biegeteilen 172 A und 174 A der Plat­ tenelemente, auf denen die Kontakte 186 und 190 vorgesehen sind. Vorzugsweise ist die Klemmeinrichtung 192 über den En­ den der nichtpolarisierten oder ungepolten Teile 172 B und 174 B angeordnet, welche den Enden des vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeteils, der durch die Plattenelementteile 172 A und 174 A, die vorpolarisiert worden sind, gebildet wird, un­ mittelbar benachbart und in diesen physisch integriert sind. Es ist herausgefunden worden, daß dadurch, daß die piezokera­ mischen Plattenelemente auf diese Weise befestigt werden, die Anzahl der Ausfälle aufgrund von Brechen des Keramikmaterials an dessen Abstützungspunkten stark reduziert wird. Die Klem­ meneinrichtungen T ₃, T ₄ und die gemeinsame Klemme T _c bilden die Einrichtung, durch die das Gleichstromerregerpotential wahlweise an die vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biege­ plattenteile 172 A bzw. 174 A aufgrund von Steuersignalen ange­ legt wird, welche bei der vorliegenden Steuerschaltungsanord­ nung (nicht dargestellt) geliefert werden. Dieses Erregerpo­ tential, das auch mit der Steuerschaltungsanordnung angelegt wird, bewirkt, daß sich der bewegliche Biegeteil selektiv biegt und seine Kontakte 186 und 190 jeweils an den zusammen­ wirkenden festen Kontakten 182 bzw. 184 schließt. Bei dem Schließen eines Paares von zusammenwirkenden Kontakten wird ein elektrischer Stromkreis zwischen den Klemmen L ₁, die mit der Stromquelle verbunden sind, und einer der weiteren Klemmen T ₁ und T ₂ geschlossen, die mit den Anschlußeinrichtungen der betriebsmäßig zugeordneten Heizelemente in der gesteuerten Vorrichtung separat verbunden sind. Demgemäß schließt eine Aufwärtsbiegung des Biegeteils einen elektrischen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Klemme T ₁, wogegen eine Ab­ wärtsbiegung des Biegeteils einen ähnlichen Stromkreis zu der Klemme T ₂ schließt. Wenn das Gleichstromerregerpotential an der Klemme T ₃ oder T ₄ abgeschaltet wird, kehrt der aktive, be­ wegliche Biegeteil in seine zentrale, neutrale, unerregte Po­ sition zurück, wodurch jedweder Satz von zusammenwirkenden Kontakten 182, 186 oder 184, 190, der geschlossen worden ist, geöffnet wird.

Die piezokeramische Biegeschaltvorrichtung 194, die in Fig. 9B gezeigt ist, hat eine allgemeine strukturelle Konfigura­ tion, die der oben beschriebenen Relaisausführungsform gleicht, weshalb dieselbe Buchstaben- und Ziffernbezeichnung beibehal­ ten worden ist, um gemeinsame strukturelle Elemente in der vorliegenden Relaiseinrichtung zu bezeichnen. Die vorliegende Relaiseinrichtung ist unterschiedlich insofern, als sie ein Paar gegabelter, beweglicher Biegeteile 172 A, 174 A und 173 A, 175 A hat, welche zum Schließen von elektrischen Stromkreisen zu den Klemmen T ₁ und T ₂ separat betätigt werden. Dabei sind die beweglichen Kontakte 186 und 190 auf derselben Seite der einzelnen beweglichen Biegeteile 172 A, 174 A bzw. 173 A, 175 A befestigt, um den gewünschten unabhängigen Betrieb der be­ triebsmäßig zugeordneten Heizelemente zu ermöglichen. Separate Klemmeneinrichtungen sind auch für die einzelnen beweglichen Biegeteile vorgesehen, wodurch das Gleichstromerregerpotential individuell an die keramischen Plattenelemente jedes bewegli­ chen Biegeteils angelegt werden kann, zusammen mit separaten Klemmeneinrichtungen, die zum Schließen von individuellen Stromkreisen zwischen der Stromquelle und einer der gesteuer­ ten Einrichtungen vorgesehen sind. Demgemäß bilden die Klem­ meneinrichtungen T ₃, T ₄ und die gemeinsame Klemme T _c die Ein­ richtung, durch die das Gleichstromerregerpotential wahlweise an die vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeplattentei­ le 172 A und 174 A auf die Steuersignale hin angelegt wird, wo­ gegen die Klemmen T ₃′, T ₄′ und die gemeinsame Klemme T _c die entsprechende Einrichtung für die beweglichen Biegeplatten­ teile 173 A und 175 A bilden. Bei dem Schließen des zusammenwir­ kenden Kontaktpaares 182, 186 wird ein elektrischer Stromkreis zwischen der Klemme L ₁, die mit der Stromquelle verbunden ist, und der Klemme T ₁, die mit der Anschlußeinrichtung des zuge­ ordneten Heizelements verbunden ist, geschlossen. Auf ähnli­ che Weise wird durch das Schließen des zusammenwirkenden Kon­ taktpaares 184, 190 ein elektrischer Stromkreis zwischen der Klemme L ₁′, welche ebenfalls mit der Stromquelle verbunden ist, und der Klemme T ₂, die mit einem anderen Heizelement ver­ bunden ist, geschlossen. Weiter ist der Zeichnung zu entneh­ men, daß beide elektrische Stromkreise bei einer Abwärtsbie­ gung der gegabelten, beweglichen Biegeteile geschlossen wer­ den und daß die beweglichen Biegeteile die zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen auf Abstand voneinander halten, wenn sie in einem unerregten Zustand sind. Sowohl die Steuersignale als auch das Erregerpotential, welche die separate Betätigung der einzelnen beweglichen Biegeteile gestatten, sind wieder bei der vorliegenden Steuerschaltungsanordnung (nicht dargestellt) vorgesehen.

Die piezokeramische Biegeschaltvorrichtung 196, die in Fig. 9C gezeigt ist, hat ebenfalls eine allgemeine strukturelle Konfiguration ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 9A, so daß wiederum dieselbe Buchstaben- und Ziffernbezeichnung in der vorliegenden Zeichnung beibehalten wird, um die gemeinsamen baulichen Elemente zu bezeichnen. Aus der vorliegenden Zeich­ nung ist jedoch zu erkennen, daß die Verwendung eines einzigen Paares von zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen in dieser Relaisausführungsform ermöglicht, Strom nur einem einzelnen Heizelement zuzuführen. Demgemäß sind die piezokeramischen Plattenelemente 172 und 174 in entgegengesetzter Parallelan­ ordnung sandwichartig auf entgegengesetzten Seiten wenigstens einer zentralen leitfähigen Oberfläche 176 befestigt und ha­ ben äußere leitfähige Oberflächen 178 bzw. 180, welche von einander und von der zentralen leitfähigen Oberfläche 176 durch die dazwischen angeordneten Dicken der Plattenelemente isoliert sind. Die Biegeschaltvorrichtung enthält weiter ein Paar der zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen 184, 190, wel­ che durch Abwärtsbewegung eines vorpolarisierten, beweglichen Biegeteils geschlossen werden, das durch die piezokeramischen Plattenelemente 172 A und 174 A der Biegeschaltvorrichtung ge­ bildet wird. In dieser Hinsicht ist jedoch zu erkennen, daß das bewegliche Kontaktelement 190 auf einem elektrisch leit­ fähigen Federelement 198 angeordnet ist und daß sowohl der be­ wegliche Biegeteil als auch das Federelement durch ein Iso­ lierblockelement 200 zur gemeinsamen Bewegung miteinander ver­ bunden sind. Durch weiteres elektrisches Verbinden des Feder­ elements 198 mit der Stromquelle gemäß der Darstellung in der vorliegenden Zeichnung besteht keine weitere Notwendigkeit, den beweglichen Kontakt mit einem flexiblen Drahtleiter oder einer "fliegenden Leitung", wie sie in den vorhergehenden Aus­ führungsformen benutzt wird, zu verbinden. Die beweglichen Biegeteile 172, 174 der piezokeramischen Schaltvorrichtung 196 sind zusammen mit dem Federelement 198 an den entgegengesetz­ ten Enden durch die Klemmeinrichtung einseitig eingespannt physisch gehalten, welche bei 192 gezeigt ist und wiederum da­ zu dient, die piezokeramischen Plattenelemente 172 und 174 mit der dazwischen angeordneten zentralen leitfähigen Oberfläche 176 physisch zu halten und zusammenzuspannen. Die Klemmein­ richtung 192 ist über Teilen 172 B und 174 B der piezokerami­ schen Plattenelemente 172 und 174 angeordnet, die nicht vorpo­ larisiert und deshalb ungepolt und elektrisch neutral sind, im Gegensatz zu den vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeteilen 172 A und 174 A der Plattenelemente. Wiederum bilden die Klemmeneinrichtungen T ₃, T ₄ und die gemeinsame Klemme T _c die Einrichtung zum Anlegen des Gleichstromerregerpotentials an die vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeplattentei­ le 172 A und 174 A auf die Steuersignale hin, was alles mit der vorliegenden Steuerschaltungsanordnung (nicht dargestellt) ausge­ führt wird. Bei dem Schließen der beiden zusammenwirkenden Kontakte 184, 190 auf die Steuersignale hin kann wieder fest­ gestellt werden, daß ein elektrischer Stromkreis zwischen der Stromquelle, die mit dem Federelement 198 an der Klemme L ₁ verbunden ist, und dem zugeordneten Heizelement, das mit der Klemme T ₁ verbunden ist, geschlossen wird. Es ist weiter in der Ausführungsform zu erkennen, daß das Abschalten des Gleichstromerregerpotentials an der Klemme T ₃ oder T ₄ bewirkt, daß der aktive, bewegliche Biegeteil das zusammenwirkende Kon­ taktpaar öffnet, welches bei unerregtem Zustand des Biegeteils in gegenseitigem Abstand bleibt. Für den Fachmann ist weiter zu erkennen, daß eine ähnliche individuelle Regelung der Ein­ gangsleistung eines zweiten Heizelements in der Heizvorrich­ tung mit einer zweiten piezokeramischen Biegeschaltvorrichtung erfolgen kann, welche denselben Aufbau hat und ebenso mit dem zweiten Heizelement in der Vorrichtung in Reihe geschaltet ist.

Fig. 10 ist ein Funktionsschaltbild, das ein repräsentatives Leistungsregelsystem in Verbindung mit dem Haushaltselektro­ herd zeigt, der in Verbindung mit den Fig. 1-8 oben beschrie­ ben worden ist. Dieselben Ziffern- und Buchstabenbezeichnungen, die in den obigen Beschreibungen benutzt worden sind, werden beibehalten, um gemeinsame oder ähnliche Schaltungskomponenten in der vorliegenden Ausführungsform zu bezeichnen. Demgemäß wird bei dem Elektroherd 10 eine Kochfeldeinrichtung 12 be­ nutzt, die vier Widerstandsheizelemente 14, 16, 18 und 20 hat, welche jeweils piezokeramische Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 bzw. 56 haben, die einzeln mit den Heizelementen in Reihe ver­ bunden sind. Außerdem sind mit den einzelnen Heizelementen ma­ nuell betätigte, normalerweise offene, jeweils im offenen Zu­ stand einen Luftspalt aufweisende Schalteinrichtungen S ₁, S ₂, S ₃ und S ₄ verbunden, so daß die Versicherungsbestimmungen er­ füllt sind, indem beide Starkstromleiter L ₁ und L ₂ durch ei­ nen Luftspalt unterbrochen sind, wenn die einzelnen Heizele­ mente nicht in Betrieb sind. Die Leistungsselektoreinrichtung 44 liefert Leistungssteuersignale für den individuellen Be­ trieb der Heizelemente in der Kochfeldeinrichtung, welche durch miteinander verbundene Analog- oder Digitalschaltungs­ einrichtungen 46 weiter verarbeitet werden, um den Prozent­ satz der Zeit einzustellen, während welcher den individuellen Heizelementen im Betrieb Strom zugeführt wird. Die verarbeite­ ten Leistungssteuersignale werden an die weiter miteinander verbundenen Schaltkreiseinrichtungen 48 zur individuellen Be­ tätigung der betriebsmäßig zugeordneten piezokeramischen Re­ laiseinrichtung angelegt. Die Betätigung der Relaiseinrichtun­ gen erfolgt mit einem Gleichstromerregerpotential, welches durch die Schaltkreiseinrichtungen erzeugt wird, die bewirken, daß das betätigte Biegeteil einer Relaiseinrichtung sich biegt, um dadurch eine elektrische Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement herzustellen, welches dem betätigten Biegeteil be­ triebsmäßig zugeordnet ist. Die auf diese Weise erfolgende Einzelbetätigung der Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 und 56 ist in der vorliegenden Zeichnung mit gestrichelten Linien dargestellt, wobei auch gezeigt ist, daß die Relaiseinrichtun­ gen einen Luftspalt zwischen den Kontakteinrichtungen auf­ rechterhalten, wenn sie in einem unerregten Zustand sind. Ein Temperaturmeßelement 161 D ist ebenfalls in der vorliegenden Kochfeldeinrichtungsauführungsform gezeigt, um eine Temperatur­ steuereinrichtung zu veranschaulichen, welche für ein reprä­ sentatives Heizelement 14 vorgesehen ist, obgleich gleiche oder ähnliche Steuereinrichtungen in Verbindung mit den übri­ gen Heizelementen benutzt werden können. Das Temperaturmeß­ element 161 D gibt Signale an die Analog- oder Digitalschal­ tungseinrichtungen 46 ab, welche ermöglichen, automatische Temperatursteuersignale, die darin ebenfalls erzeugt werden, an die Schaltkreiseinrichtungen 48 anzulegen und infolgedessen die betriebsmäßig zugeordneten piezokeramischen Relaiseinrich­ tungen zu betätigen, welche auf diese Weise gesteuert werden. Wie oben dargelegt, ergibt die Verwendung einer Festkörpertem­ peratursteuereinrichtung in der dargestellten Steuerschaltungs­ anordnung eine präzisere Temperatursteuerung mit einem konti­ nuierlichen Rückführungssignal über einem großen Teil des ge­ wünschten Betriebstemperaturbereiches, wenn nicht über dem ge­ samten gewünschten Betriebstemperaturbereich, in der darge­ stellten Kochfeldeinrichtungsausführungsform. Eine Anzeige­ lampe 38 B ist auch dargestellt zur Verwendung bei der darge­ stellten Kochfeldeinrichtungsausführungsform als eine Einrich­ tung zum Informieren der Bedienungsperson immer dann, wenn irgend eines der gesteuerten Heizelemente in Betrieb ist.

Eine Backofeneinrichtung 32 wird ebenfalls in dem dargestell­ ten Haushaltselektroherd benutzt, bei der zwei Widerstandsheiz­ elemente 68 und 70 benutzt werden. Relaiseinrichtungen 62 und 66 sind mit den Heizelementen in Reihe geschaltet, wogegen ei­ ne dritte Relaiseinrichtung 64 die Verbindung mit dem Null- Starkstromleiter N ermöglicht, was alles auf die oben bereits in Verbindung mit der Schaltungsausführungsform nach Fig. 4 beschriebene Weise erfolgt. Normalerweise offene, manuell be­ tätigte, im offenen Zustand einen Luftspalt aufweisende Schalt­ einrichtungen S ₅ und S ₆ sind ebenfalls mit den Widerstandsheiz­ elementen in Reihe geschaltet, wodurch wiederum die Versiche­ rungsvorschriften bei dem Elektroherd erfüllt werden. Eine Zeitgebereinrichtung 40 ermöglicht das Schließen eines Strom­ kreises zu manuell betätigten Steuereinrichtungen 36, welche weiter interne Schaltkontakte zum Auswählen von repräsentati­ ven Betriebsfunktionen in der Backofeneinrichtung wie Aus, Zeit-Backen, Grillen, Selbstreinigen und Backen aufweist. Die Steuereinrichtung 36 gestattet einer Bedienungsperson, eine Leistungseinstellung auszuwählen, durch welche der Prozentsatz der Zeit wieder eingestellt wird, in welcher diese Heizelemen­ te mit Strom versorgt werden. Eine weitere manuell betätigte Steuereinrichtung 38 ermöglicht der Bedienungsperson, die Kochtemperatur in dem Backofenraum zu wählen, wenn die Heiz­ elemente mit der zugeordneten Temperaturmeßeinrichtung 161 D betrieben werden. Demgemäß werden sowohl Leistungssteuer- als auch Temperatursteuersignale auf derartige Weise erzeugt und an die weiter angeschlossenen Schalteinrichtungen 48 abgege­ ben, daß die Schaltungseinrichtung wiederum die individuelle Betätigung der betriebsmäßig zugeordneten Relaiseinrichtungen 62, 64 und 66 im wesentlichen auf dieselbe Weise bewirkt, wie es oben in Verbindung mit der vorliegenden Kochfeldeinrich­ tungsausführungsform beschrieben worden ist. Diese individuel­ le Betätigung der Relaiseinrichtungen 62, 64 und 66 in der vor­ liegenden Backofeneinrichtungsausführungsform ist durch ge­ strichelte Linien gezeigt, wobei außerdem dargestellt ist, daß alle Relaiseinrichtungen den Luftspaltabstand aufrechterhalten, wenn sie nicht erregt sind. Eine Anzeigelampe 38 B ist eben­ falls in der vorliegenden Backofeneinrichtungsausführungsform vorgesehen, um eine Bedienungsperson zu informieren, daß die Backofenheizelemente in Betrieb sind.

Der Betrieb der oben beschriebenen Elektroherdausführungsform beinhaltet dadurch die Schritte (a) Auswählen einer Leistungs­ einstellung für ein einzelnes Heizelement in der Kochfeldein­ richtung unter mehreren Leistungseinstellungen, (b) Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung für das einzelne Heizele­ ment in der Kochfeldeinrichtung in erste Leistungssteuersigna­ le, (c) Benutzen der ersten Leistungssteuersignale für das einzelne Heizelement in der Kochfeldeinrichtung zum Betätigen einer ersten vorgepolten piezokeramischen Relaiseinrichtung, um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem einzel­ nen Heizelement in der Kochfeldeinrichtung zu schließen, (d) Messen der Temperatur, die mit dem arbeitenden Heizelement in der Kochfeldeinrichtung erreicht wird, um erste Temperatur­ steuersignale zu erzeugen, (e) Beendigen der Leistungsaufnahme des einzelnen Heizelements in der Kochfeldeinrichtung, wenn die gemessene Temperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht, durch Bewirken, daß die zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen der ersten piezokeramischen Relaiseinrichtung mit den ersten Temperatursteuersignalen geöffnet werden, (f) Auswählen einer Leistungseinstellung für ein einzelnes Heizelement in der Backofeneinrichtung unter mehreren Leistungseinstellungen, (g) Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung für das einzelne Heizelement in der Backofeneinrichtung in zweite Leistungs­ steuersignale, (h) Benutzen der zweiten Leistungssteuersigna­ le zum Betätigen einer zweiten vorgepolten, piezokeramischen Relaiseinrichtung, um einen Stromkreis zwischen der Stromquel­ le und dem einzelnen Heizelement in der Backofeneinrichtung zu schließen, (i) Messen der Temperatur, die mit dem arbeiten­ den Heizelement in der Backofeneinrichtung erzeilt wird, um zweite Temperatursteuersignale zu erzeugen, und (j) Beendigen der Leistungsaufnahme des einzelnen Heizelements in der Back­ ofeneinrichtung, wenn die gemessene Temperatur eine vorbe­ stimmte Temperatur erreicht, durch Bewirken, daß die zusammen­ wirkenden Kontakteinrichtungen der zweiten piezokeramischen Relaiseinrichtung mit den zweiten Temperatursteuersignalen ge­ öffnet werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß ein einen breiten Anwendungsbereich aufweisendes Leistungsregelsystem of­ fenbart worden ist, welches einen effizienteren Betrieb einer elektrischen Heizvorrichtung ermöglicht. Es ist außerdem zu erkennen, daß Modifikationen in den speziellen Verfahren, Steuereinrichtungen und gesteuerten Vorrichtungen, wie sie hier offenbart worden sind, im Rahmen der Erfindung möglich sind. Zum Beispiel können noch weitere Steuerfunktionen als die oben speziell offenbarten ohne weiteres in die automati­ schen Festkörperschaltungseinrichtungen, die hier beschrieben sind, für einen modifizierten Betrieb der Heizeinrichtungen einprogrammiert werden. Ebenso ist es möglich, die hier offen­ barten Analogschaltungseinrichtungen durch digitale integrier­ te Schaltungseinrichtungen zu ersetzen und dabei dieselben Steuerungsprinzipien beizubehalten, die hier für die vorlie­ gende Erfindung offenbart worden sind. Während die Analogschal­ tungseinrichtungen, die hier offenbart worden sind, vielleicht am einfachsten zur Zeit in der bekannten CMOS-Technologie re­ alisiert werden können, ist auch klar, daß zahlreiche andere Verfahren bekannt sind, um solche elektronischen Schaltungs­ vorrichtungen zu schaffen, wie zum Beispiel DMOS, PHMOS, NMOS, usw. Weiter ist auch klar, daß statt Transistoren auch andere Halbleiterelemente als die hier dargestellten aktiven Vorrich­ tungen für die offenbarte Steuerschaltungsanordnung benutzt werden können.

Claims (10)

1. System zum Regeln der elektrischen Eingangsleistung einer elektrischen Heizvorrichtung, in der wenigstens ein Widerstandsheizelement (14, 16, 18, 20) benutzt wird, ge­ kennzeichnet durch folgende Kombination:

• (a) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) die so angeschlossen ist, daß sie die Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement (14, 16, 18, 20) ermöglicht, wobei die piezokeramische Relaiseinrich­ tung eine Anschlußeinrichtung (T ₃, T ₄, T _c ) zur Verbin­ dung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorge­ poltes, piezokeramisches Biegeteil (41) aufweist, das bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen (33) hat, welche mit zugeordneten festen elektrischen Kontaktein­ richtungen (35) zusammenwirken, wobei die festen elek­ trischen Kontakteinrichtungen (35) mit der Anschlußein­ richtung (T ₁) des Heizelements (14, 16, 18, 20) ver­ bunden sind und das piezokeramische Biegeteil (41) in einem unerregten Zustand die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen (33) auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen (35) hält, und
• (b) eine Steuerschaltungsanordnung (46, 48), die auf die durch eine Bedienungsperson gewählte Leistungseinstel­ lung anspricht und direkt und ohmisch mit der Strom­ quelle und der Anschlußeinrichtung (T ₃, T ₄, T _c ) der piezokeramischen Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) ver­ bunden ist, die auf Steuersignale zum Betätigen des beweglichen piezokeramischen Biegeteils (41) anspricht und bewirkt, daß sich das Biegeteil (41) biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußein­ richtung (T ₁) des Heizelements (14, 16, 18, 20) schließt.

2. Leistungsregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerschaltungsanordnung (46, 48) auf Steuer­ signale anspricht, welche durch eine Temperaturmeßein­ richtung (38 A) erzeugt werden.

3. System zum Regeln der elektrischen Eingangsleistung einer elektrischen Heizvorrichtung, die eine Kochfeldein­ richtung (12) hat, bei welcher wenigstens ein Widerstands­ heizelement (14, 16, 18, 20) benutzt wird, gekennzeichnet durch folgende Kombination:

• 1(a) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56), die so angeschlossen ist, daß sie die Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement (14, 16, 18, 20) er­ möglicht, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung (T ₃, T ₄, T _c ) zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (41) aufweist, das beweg­ liche elektrische Kontakteinrichtungen (33) hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen (35) zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtungen (35) mit der Anschlußeinrichtung (T ₁) des Heizelements (14, 16, 18, 20) verbunden sind und das piezokeramische Biegeteil (41) in einem uner­ regten Zustand die beweglichen elektrischen Kontakt­ einrichtungen (33) auf Abstand von den festen elektri­ schen Kontakteinrichtungen (35) hält, und
• (b) eine Steuerschaltungsanordnung (46, 48), die auf eine Leistungseinstellung anspricht, welche durch eine Be­ dienungsperson gewählt wird, und auf Temperatursteuer­ signale, wobei die Schaltungsanordnung direkt und ohmisch mit der Stromquelle und mit einer Anschlußeinrichtung (T ₃, T ₄, T _c ) der piezokeramischen Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) verbunden ist, welche bewirkt, daß sich das Biegeteil (41) biegt, um einen Stromkreis zwi­ schen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung (T ₁) des Heizelements (14, 16, 18, 20) zu schließen.

4. Leistungsregelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerschaltungsanordnung (46, 48) wei­ ter eine Dioden-Kondensatorschaltung (87) zum Erzeugen ei­ nes Hochspannungsgleichstromerregerpotentials zum Betätigen der piezokeramischen Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) aufweist.

5. Elektroherd, bei dem wenigstens ein Widerstandsheizele­ ment benutzt wird, gekennzeichnet durch folgende Kombina­ tion:

• (a) eine Leistungseinstellungsselektoreinrichtung (44), welche einer Bedienungsperson ermöglicht, den gewünsch­ ten Betriebsleistungswert für das Heizelement (68, 70) zu wählen,
• (b) eine Temperatursteuereinrichtung (38),
• (c) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (62, 64, 66), die so angeschlossen ist, daß sie eine Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement (68, 70) ermöglicht, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung (62, 64, 66) eine Anschlußeinrichtung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezo­ keramisches Biegeteil (41), das bewegliche elektrische Kontakteinrichtung (33) hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen (35) zusammen­ wirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrich­ tungen (35) mit der Anschlußeinrichtung (T ₁) des Heiz­ elements (68, 70) verbunden sind und wobei das piezo­ keramische Biegeteil (41) in einem unerregten Zustand die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen (33) auf Abstand von den festen elektrischen Kontaktein­ richtungen (35) hält, und
• (d) eine Steuerschaltungsanordnung (36, 48), die auf eine durch einen Benutzer gewählte Leistungseinstellung und auf Temperatursteuersignale anspricht, wobei die Schaltungsanordnung direkt und ohmisch mit der Strom­ quelle und der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relaiseinrichtung (62, 64, 66) verbunden ist, welche bewirkt, daß sich das vorgepolte piezokeramische Biege­ teil (41) biegt und einen Stromkreis zwischen der Strom­ quelle und der Anschlußeinrichtung des Heizelements (62, 64, 66) schließt.

6. Elektroherd nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltungsanordnung (36, 48) Steuersignale erzeugt, welche die piezokeramische Relaiseinrichtung (62, 64, 66) über angeschlossene Festkörperschaltungsein­ richtungen (46, 71, 73) betätigen.

7. Elektroherd, bei dem wenigstens zwei Widerstandsheiz­ elemente (68, 70) benutzt werden, gekennzeichnet durch folgende Kombination:

• (a) eine Leistungseinstellungsselektoreinrichtung (44), die einer Bedienungsperson ermöglicht, den gewünschten Leistungswert jedes Heizelements (68, 70) zu wählen,
• (b) eine Temperatursteuereinrichtung (38),
• (c) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (120), die so angeschlossen ist, daß sie die individuelle Verbindung der Stromquelle mit jedem Heizelement (68, 70) ermög­ licht, wobei die Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrich­ tung zur Verbindung mit der Stromquelle und ein beweg­ liches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (172, 174) aufweist, das zusammenwirkende elektrische Kontakt­ einrichtungen (33, 35) zur individuellen Verbindung mit der Anschlußeinrichtung, die an jedem Heizelement (68, 70) vorgesehen ist, hat, und
• (d) eine Steuerschaltungsanordnung (36, 48), die direkt und ohmisch mit der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relaiseinrichtung (120) verbunden ist und auf eine durch eine Bedienungsperson gewählte Leistungseinstellung und auf Temperatursteuersignale anspricht, um das Biegeteil (172, 174) zu veranlassen, sich in einer ersten Richtung zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußein­ richtung eines Heizelements zu schließen oder sich in einer zweiten Richtung zu biegen, um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des anderen Heizelements zu schließen.

8. Elektroherd mit mehreren Widerstandsheizelementen (14, 16, 18, 20, 68, 70), mit einer Leistungseinstellungsselek­ toreinrichtung (44), die einer Bedienungsperson ermöglicht, den gewünschten Betriebsleistungswert für jedes Heizelement zu wählen, mit einer Temperatursteuereinrichtung (38) und mit einer Steuereinrichtung (46) zum Regeln der Wechsel­ stromeingangsleistung der einzelnen Heizelemente (14, 16, 28 20, 68, 70), gekennzeichnet durch:

• (a) eine Kochfeldeinrichtung (12), die wenigstens ein Wider­ standsheizelement (14, 16, 18, 20) und eine piezokeramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) aufweist, welche so an­ geschlossen ist, daß sie die Verbindung der Wechselstrom­ quelle mit dem Heizelement ermöglicht, wobei die piezo­ keramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) eine Anschluß­ einrichtung aufweist zur Verbindung mit der Wechselstrom­ quelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (41), das bewegliche elektrische Kontakteinrich­ tungen hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kon­ takteinrichtungen zusammenwirken, wobei die festen elek­ trischen Kontakteinrichtungen mit einer Anschlußeinrichtung des Heizelements (14, 16, 18, 20) verbunden sind und wobei das piezokeramische Biegeteil (41) in einem unerregten Zu­ stand die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen hält,
• (b) eine Steuerschaltungsanordnung (46, 48), welche die piezokeramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) in der Kochfeldeinrichtung (12) in Abhängigkeit von einer durch eine Bedienungsperson gewählten Leistungseinstellung und von Temperatursteuersignalen betreibt, wobei die Schaltungsan­ ordnung direkt und ohmisch mit der Wechselstromquelle und mit der Anschlußeinrichtung der betriebsmäßig zugeordneten piezokeramischen Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) ver­ bunden ist und auf die Steuersignale anspricht, um das bewegliche, piezokeramische Biegeteil (41) zu betätigen, und das Biegeteil (41) veranlaßt, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußein­ richtung des Heizelements (14, 16, 18, 20) herzustellen,
• (c) eine Backofeneinrichtung (32), die wenigstens ein Widerstandsheizelement (68, 70) und eine piezokeramische Relaiseinrichtung (62, 66) aufweist, welche so angeschlos­ sen ist, daß sie die Verbindung der Wechselstromquelle mit dem Heizelement (68, 70) ermöglicht, wobei die piezo­ keramische Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung aufweist zur Verbindung mit der Wechselstromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (41), das bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrich­ tungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kon­ takteinrichtungen mit der Anschlußeinrichtung des Heiz­ elements verbunden sind und wobei das piezokeramische Bie­ geteil (41) in einem unerregten Zustand die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen hält, und
• (d) eine Steuerschaltungsanordnung (38, 40, 48), welche die piezokeramische Relaiseinrichtung (62; 66) in der Backofeneinrichtung (32) auf eine durch eine Bedienungs­ person gewählte Leistungseinstellung und auf Temperatur­ steuersignale hin betätigt, wobei die Schaltungsanordnung direkt und ohmisch mit der Wechselstromquelle und mit der Anschlußeinrichtung der betriebsmäßig zugeordneten piezo­ keramischen Relaiseinrichtung verbunden ist, welche auf die Steuersignale anspricht, um das bewegliche, piezo­ keramische Biegeteil (41) zu betätigen, und bewirkt, daß sich das Biegeteil biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des Heizelements schließt.

9. Verfahren zum Regeln der Eingangsleistung einer elek­ trischen Heizvorrichtung, bei der wenigstens ein Wider­ standsheizelement benutzt wird, gekennzeichnet durch fol­ gende Schritte:

• (a) Auswählen einer Leistungseinstellung für das Heiz­ element unter mehreren Leistungseinstellungen,
• (b) Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung in Steuersignale, und
• (c) Benutzen der Steuersignale zum Betätigen einer vorge­ polten, piezokeramischen Relaiseinrichtung, die so ange­ schlossen ist, daß sie die Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement ermöglicht, wobei die piezokeramische Re­ laiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vor­ gepoltes, piezokeramisches Biegeteil mit beweglichen elek­ trischen Kontakteinrichtungen, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtungen mit der An­ schlußeinrichtung des Heizelements verbunden sind und da­ durch bewirken, daß sich das piezokeramische Biegeteil biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des Heizelements schließt.

10. Verfahren zum Regeln der Eingangsleistung eines Elek­ troherdes, der eine Kochfeldeinrichtung hat, welche wenig­ stens ein Widerstandsheizelement aufweist, eine Leistungs­ einstellungsselektoreinrichtung, die einer Bedienungsper­ son ermöglicht, den gewünschten Betriebsleistungswert für ein einzelnes Heizelement zu wählen, eine Temperatursteuer­ einrichtung und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Eingangsleistung eines einzelnen Heizelements, gekennzeich­ net durch folgende Schritte:

• (a) Auswählen einer Leistungseinstellung für ein einzelnes Heizelement unter mehreren Leistungseinstellungen,
• (b) Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung in Lei­ stungssteuersignale,
• (c) Benutzen der Leistungssteuersignale zum Betätigen einer vorgepolten, piezokeramischen Relaiseinrichtung, die so angeschlossen ist, daß sie die Verbindung der Stromquelle mit dem einzelnen Heizelement ermöglicht, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung eine Anschluß­ einrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil mit beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen aufweist, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrich­ tungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kon­ takteinrichtungen mit der Anschlußeinrichtung des einzelnen Heizelements verbunden sind und dadurch bewirken, daß sich das piezokeramische Biegeteil biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des einzelnen Heizelements schließt,
• (d) Messen der Temperatur, die mit dem arbeitenden Heiz­ element erzielt wird, um Temperatursteuersignale zu er­ zeugen, und
• (e) Beendigen der Leistungsaufnahme des einzelnen Heiz­ elements, wenn die gemessene Temperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht, indem die zusammenwirkenden Kontakt­ einrichtungen der piezokeramischen Relaiseinrichtung veranlaßt werden zu öffnen.