DE3922665C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzgerät zur Abgabe einer konstanten Leistung an ein elektrisches Heizgerät unabhängig von der Netz­ spannung.

Das elektrische Heizgerät kann wahlweise mit einer von zwei Netzspannungen betrieben werden, und zwar mit einer Netzspannung von 220 V oder einer Netzspannung von 110 V. In üblichen elektri­ schen Heizgeräten, beispielsweise einem Reiskocher, einer Kaf­ feemaschine oder dergleichen, ist für den Betrieb mit einer der beiden Netzspannungen ein Abspanntransformator vorgesehen. Der Transformator erhöht aber nicht nur die Kosten des Geräts, son­ dern er verbraucht auch elektrische Energie und er kann wegen seines großen Gewichts und Volumens praktisch nicht im Innern des Geräts untergebracht werden. Ferner haben einige elektrische Heizgeräte, wie elektrische Reiskocher, die wahlweise mit zwei Netzspannungen betrieben werden können, zwei Heizdrähte und einen Schalter zum wahlweisen Schalten dieser beiden Heizdrähte. Für den Betrieb des Heizgeräts mit der höheren Netzspannung schaltet der Benutzer des Geräts durch Betätigung des Schalters die beiden Heizdrähte in Reihe. Für den Betrieb mit der niedri­ geren Netzspannung betätigt der Benutzer den Schalter derart, daß die beiden Heizdrähte parallelgeschaltet werden oder daß nur einer der beiden Heizdrähte eingeschaltet wird. Dabei ist es schwierig, die Heizdrähte in dem Heizgerät so anzuordnen, daß beim Betrieb mit beiden Netzspannungen eine gleichmäßige Tempe­ ratur des Reises erzielt werden kann; daher wird der Reis nicht einwandfrei gekocht. Ferner kann ein Brand ausbrechen, wenn der Benutzer den Schalter nicht richtig betätigt hat.

Aus der Literaturstelle "IEEE Transactions on Industry Appli­ cations", Vol. 24, Nr. 2, März/April 1988, Seiten 322-327, ist ein Netzgerät zur Abgabe einer Leistung an ein elektrisches Heizgerät bekannt, bei dem der Heizwiderstand in Reihe zu einem Triac liegt und bei dem der Triac entweder ständig oder nur jede vierte Vollwelle leitend geschaltet sein kann. Zur Ansteuerung des Triacs ist ein Triggersignalgeber vorhanden, der von einem Taktgeber mit Rechteckimpulssignalen versorgt wird. Die Merkmale c1, d1, e1 und e2 des Anspruchs sind somit zumindest teilweise aus dieser Schrift bekannt.

Aus der Literaturstelle "AEG-Thyrotakt, Kontaktlose Leistungs­ stellglieder für die Temperaturregelung", E 43.15.112/0970, 1970, Seiten 1-9, ist ebenfalls ein Netzgerät zur Abgabe einer kon­ stanten Leistung an ein elektrisches Gerät, insbesondere an ein elektrisches Heizgerät, bekannt. Ein nach dem Taktprinzip arbei­ tendes Thyristor-Stellglied wird zur kontaktlosen Temperaturre­ gelung eingesetzt. Die Verstellung der Heizleistung erfolgt in der Weise, daß in Abhängigkeit eines Temperaturreglerausgangs­ signals ein bestimmtes Taktverhältnis von Pause zur Stromfüh­ rungsdauer über eine bestimmte Anzahl von vollen Sinusschwin­ gungen eingestellt wird. In einem Vergleichsnetzwerk wird eine Steuerspannung mit einer anderen, der Lastspannung proportio­ nalen Spannung verglichen. Die hieraus resultierende Spannung steuert einen Transistor zur Aufladung eines Kondensators. In Abhängigkeit von der Aufladung des Kondensators erfolgt mit Hilfe einer Synchronisierung durch einen Verstärker die Zündung des Thyristors. Das Verhältnis der Einschaltzeit zur Pausenzeit hängt von der Spannung am Kondensator ab, der von der Steuer­ spannung aufgeladen wird und der von einer der Lastspannung pro­ portionalen Spannung entladen wird.

Aus der DE-OS 23 04 423 ist ein Leistungsregler für einen aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Verbraucher bekannt. In einer Synchronschaltung werden die Spannungsnulldurchgänge zur Lieferung eines Triggersignals an die Steuerelektrode eines Thyristors benutzt. Eine Steuerschaltung, die eine Vergleichs­ schaltung mit einem Impulsfreigabeeingang und einem Impulssperr­ eingang enthält, liefert einen Triggerimpuls für den Thyristor, wenn das am Impulsfreigabeeingang anliegende Potential höher ist als das am Impulssperreingang liegende Potential. Bei umgekehr­ ten Potentialverhältnissen wird kein Triggerimpuls abgegeben. Im Ergebnis kann auf diese Weise jede zweite Vollwelle durchge­ steuert werden.

Aus der DE-PS 33 44 105 ist ein Netzgleichrichter für zwei ver­ schieden hohe Netzspannungen bekannt, bei dem die Ausgangsspan­ nung unabhängig von der eingeleiteten Netzspannung ist. Eine Spannungsmeßschaltung dient zum Erzeugen eines Gleichspannungs- Bezugssignals. Abhängig von der Größe dieses Gleichspannungs- Bezugssignals wird ein Triggersignal für einen Triac gebildet. Die Merkmale a, b1, b2, d1, e1 und e2 des Anspruchs sind somit zumindest teilweise aus dieser Schrift bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Netzgerät zur Abgabe einer konstanten Leistung an ein elektrisches Heizgerät unabhängig davon, ob das Netzgerät von einer ersten Netzwechsel­ spannung oder einer etwa doppelt so hohen zweiten Netzwechsel­ spannung versorgt wird, mit einer automatischen Anpassung an diese beiden Netzwechselspannungen vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des einzi­ gen Patentanspruchs gelöst. Das Netzgerät zur Abgabe einer kon­ stanten Leistung besitzt eine Spannungsmeßschaltung, die ein der jeweiligen Netzwechselspannung proportionales Gleichspannungs- Bezugssignal erzeugt. Auf Grund einer angelegten hohen Netzwech­ selspannung von z. B. 220 V wird ein starkes Gleichspannungs-Be­ zugssignal und auf Grund einer angelegten niedrigen Netzwechsel­ spannung von z. B. 110 V wird ein schwaches Gleichspannungs-Be­ zugssignal erzeugt. Die Spannungsmeßschaltung, die eine Diode besitzt, mißt die Netzwechselspannung und erzeugt ein dieser Spannung entsprechendes Gleichspannungs-Bezugssignal.

Ein Taktgeber erzeugt während jeder vierten Periode der Netz­ wechselspannung ein Rechteckimpulssignal. Dies erfolgt durch Frequenzteilung der Netzwechselspannung.

Ein Triggersignalgeber erzeugt bei vorherbestimmten Nulldurch­ gängen aus einer Kombination des Ausgangssignals der Spannungs­ meßschaltung, also des Gleichspannungs-Bezugssignals, und des invertierten Ausgangssignals des Taktgebers, also des invertier­ ten Rechteckimpulssignals, ein Triggersignal. In Abhängigkeit von dem Triggersignal steuert eine Leistungssteuerschaltung die vom Netz dem elektrischen Heizgerät zugeführte Leistung.

Infolgedessen kann dem elektrischen Heizgerät sowohl beim Be­ trieb mit einer Netzwechselspannung von 220 V als auch beim Be­ trieb mit einer Netzwechselspannung von 110 V eine konstante Leistung zugeführt werden. Beim Betrieb mit einer Netzwechsel­ spannung von 220 V wird dem elektrischen Heizgerät Leistung nur während eines Viertels der Zeit zugeführt, in der ihm Leistung beim Betrieb mit einer Netzwechselspannung von 110 V zugeführt wird. Dabei wird dem elektrischen Heizgerät beim Betrieb mit einer Spannung von 220 V dieselbe Leistung zugeführt wie beim Betrieb mit einer Spannung von 110 V. Durch die Erfindung wird ein Netzgerät für ein elektrisches Heizgerät geschaffen, das eine konstante Leistung abgibt und in dem weder ein aufwendiger, schwerer und voluminöser Transformator noch eine Umschaltung von zwei Heizdrähten entsprechend der Netzspannung erforderlich ist. Das Netzgerät kann in dem kleinen Raum im Innern eines elektri­ schen Kochers untergebracht werden. Es besteht keine Gefahr eines durch die Stromwärme verursachten Brandes.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 in einem Impulsdiagramm die Wellenform von Signalen, die an verschiedenen Stellen der Schaltung gemäß der Fig. 1 auftreten, wenn eine niedrige Spannung von 110 V angelegt wird, und

Fig. 3 in einem Impulsdiagramm die Wellenformen von Si­ gnalen, die an verschiedenen Stellen der Schaltung gemäß der Fig. 1 auftreten, wenn eine hohe Span­ nung von 220 V angelegt wird.

Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Schaltschema eines Ausführungsbei­ spiels der Erfindung wird mittels eines üblichen Gleichrichters eine negative Gleichspannung Vcc für den Betrieb von IC-Chips erzeugt. Die Sekundärspannung des Abspanntransformators 50 ist der Netzwechselspannung proportional. Die Gleichspannung -Vcc wird mit dem Widerstand 21 eingestellt, der mit der Zenerdiode in Reihe geschaltet ist, und ist stets auf die Zenerspannung der Zenerdiode begrenzt. Die Spannungsmeßschaltung 1 erzeugt beim Betrieb mit der niedrigen Netzwechselspannung von 110 V ein schwaches Gleichspannungs-Bezugssignal und beim Betrieb mit der hohen Netzwechselspannung von 220 V ein starkes Gleichspannungs- Bezugssignal. Die Spannungsmeßschaltung 1 besitzt eine Diode D2, deren Anode mit der Sekundärwicklung des Transformators 50 und deren Diode mit dem Kondensator 32 verbunden ist. Diese Diode D2 dient zum Laden des Kondensators 32 auf eine positive Spannung. Dem Kondensator 32 ist ein Spannungsteiler parallelgeschaltet, der aus einer Reihenschaltung von zwei Widerständen 22 und 23 besteht. Das Gleichspannungs-Bezugs­ signal wird an dem Verbindungspunkt GB zwischen den beiden Widerständen 22 und 23 abgenommen; dieser Verbindungspunkt GB ist mit einem Eingang des NAND-Gliedes 43 verbunden. An dem Punkt GB liegt beim Betrieb mit einer Netzwechselspan­ nung von 220 V ein starkes Bezugssignal und beim Betrieb mit einer Netzwechselspannung von 110 V ein schwaches Bezugssig­ nal. Der Widerstandswert der Widerstände 22 und 23 muß so gewählt werden, daß das starke Bezugssignal über dem Schwel­ lenwert für das Eingangssignal des NAND-Gliedes 43 und das schwache Bezugssignal unter diesem Schwellenwert liegt. Der Taktgeber 2 erzeugt in jeder vierten Periode der Netzwechsel­ spannung ein Rechteckimpulssignal. Der Ringzähler 11 zählt jeweils bis vier. Die beiden Eingänge des NAND-Gliedes 41 sind mit dem einen Ende des Widerstandes 24 verbunden, der an seinem anderen Ende mit einem Wechselstromnetzleiter ver­ bunden ist. Das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 41 wird an den Aktivierungseingang des Zählers 11 angelegt. Das Ausgangs­ signal des Zählers 11 wird von dem NAND-Glied 42 invertiert und dann an einen der beiden Eingänge des NAND-Gliedes 43 angelegt. Gemäß der Fig. 2(B) und 3(B) erzeugt das NAND- Glied 41 während einer negativen Halbperiode der Netzwech­ selspannung ein positives Rechteckimpulssignal. Aufgrund des von dem NAND-Glied 41 abgegebenen Signals erzeugt der bis vier zählende Zähler 11 in jeder vierten Periode der Netz­ wechselspannung ein positives Rechteckimpulssignal (siehe Fig. 2(C) und 3(C)). In den Fig. 2(D) und 3(D) ist die Ausgangswellenform des Inverters 42 dargestellt. Beim Betrieb des elektrischen Heizgeräts mit einer Netzwechselspannung von 110 V erzeugt der Triggersignalgeber 3 bei jedem Null­ durchgang der Netzwechselspannung einen Triggerimpuls, der ein Anlegen der Netzwechselspannung an das elektrische Heiz­ gerät bewirkt. Beim Betrieb des elektrischen Heizgeräts mit einer Netzwechselspannung von 220 V erzeugt der Triggersig­ nalgeber 3 während jeweils vier Perioden der Netzwechsel­ spannung nur bei zwei Nulldurchgängen einen Triggerimpuls. Die beiden Eingänge des NAND-Gliedes 43 sind mit dem NAND- Glied 44 bzw. dem Spannungsteiler 22/23 der Spannungsmeßschal­ tung 1 verbunden. Da beim Betrieb mit einer Netzwechselspan­ nung von 110 V an dem Punkt GB des Spannungsteilers nur eine niedrige Spannung liegt, liegt unabhängig von dem Ausgangs­ signal des NAND-Gliedes 42 das Ausgangssignal des NAND-Glie­ des 43 stets auf einem hohen Pegel (siehe Fig. 2(E)).

Beim Betrieb mit einer Netzwechselspannung von 220 V stimmt das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 43 mit dem des NAND-Gliedes 42 überein (siehe Fig. 3(E)), weil an dem Punkt GB eine hohe Spannung liegt. Das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 43 wird mit dem Inverter 44 invertiert, des­ sen Ausgang mit dem Widerstand 26 verbunden ist, der mit dem Aktivierungsanschluß des Nulldurchgangs-IC 14 verbunden ist. Infolge dieser Anordnung erzeugt der Nulldurchgangs-IC 14 während jeweils vier Perioden der Netzwechselspannung bei zwei Nulldurchgängen je einen Impuls.

Beim Betrieb mit einer Netzwechselspannung von 110 V liegt an dem Aktivierungseingang des Nulldurchgangs-IC 14 der niedrige Pegel (siehe Fig. 2 (F)), so daß der IC 14 stets aktiviert ist. Beim Betrieb mit einer Netzwechselspan­ nung von 220 V dagegen liegt an dem Aktivierungsanschluß des Nulldurchgangs-IC 14 nur während jeder vierten Periode der Netzwechselspannung der niedrige Pegel (siehe Fig. 3(F)), so daß der IC 14 dann nur während jeder vierten Periode der Netzwechselspannung aktiviert wird.

Der Eingang des Nulldurchgangs-IC 14 ist über den Widerstand 25 an das Netz angeschlossen, so daß der IC 14 bei allen Nulldurchgängen der Netzwechselspannung je einen Impuls erzeugen könnte. Da jedoch der Aktivierungseingang des IC 14 durch den Ausgang des NAND-Gliedes 44 gesteuert wird, erzeugt sie beim Betrieb mit einer Netzwechselspannung von 110 V die in Fig. 2(G) dargestellte Impulsfolge und beim Betrieb mit einer Netzwechselspannung von 220 V die in Fig. 3(G) dargestellte Impulsfolge.

Die Leistungssteuerschaltung 4 dient zur Steuerung der dem elektrischen Heizgerät von einem Wechselstromnetz zu­ geführten Leistung. Die Hauptanschlüsse des Triacs 70 sind in Reihe mit den elektrischen Heizdrähten 60 an zwei Netz­ leiter angeschlossen. Der Gateanschluß des Triacs 70 ist über den Widerstand 27 an den Ausgang des Triggersignalgebers 3 angeschlossen und wird daher entsprechend der Netzwechsel­ spannung ein- oder ausgeschaltet.

Beim Betrieb mit einer Netzwechselspannung von 110 V hat das an das Gate des Triacs 70 angelegte Signal die in Fig. 2(G) gezeigte Wellenform, so daß der Triac 70 stän­ dig gezündet wird und die Netzwechselspannung von 110 V wäh­ rend aller Perioden über den Triac 70 an das elektrische Heizgerät angelegt wird (siehe Fig. 2(H)).

Beim Betrieb mit einer Netzwechselspannung von 220 V hat das an das Gate des Triacs 70 angelegte Signal die in Fig. 3(C) gezeigte Wellenform, so daß der Triac 70 nur während jeder vierten Periode der Netzwechselspannung gezün­ det wird. Infolgedessen wird die Netzwechselspannung von 220 V nur während jeder vierten Periode über den Triac 70 an das elektrische Heizgerät angelegt.

Mit dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Netzge­ rät wird daher unabhängig davon, mit welcher Netzwechsel­ spannung das elektrische Heizgerät betrieben wird, an dieses stets dieselbe Leistung angelegt.

Claims (1)

1. Netzgerät

   • a) zur Abgabe einer konstanten Leistung an ein elektri­ sches Heizgerät unabhängig davon, ob das Netzgerät von einer ersten Netzwechselspannung oder einer etwa dop­ pelt so hohen zweiten Netzwechselspannung versorgt wird, mit einer automatischen Anpassung an diese beiden Netzwechselspannungen, wobei
   • b1) eine Spannungsmeßschaltung (1) ein der jeweiligen Netz­ wechselspannung proportionales Gleichspannungs-Bezugs­ signal (GB) erzeugt,
   • b2) die Spannungsmeßschaltung (1) eine Diode (D2) besitzt, deren Anode mit der Sekundärwicklung eines Abspann­ transformators (50) verbunden ist, ferner einen Konden­ sator (32), dessen positive Elektrode mit der Kathode der Diode (D2) verbunden ist, so daß der Kondensator (32) mit dem von der Diode (D2) kommenden Strom aufge­ laden wird, sowie eine dem Kondensator (32) parallel­ geschaltete Reihenschaltung von Widerständen (22, 23), zum Teilen der an dem Kondensator (32) liegenden Span­ nung,
   • c1) ein Taktgeber (2) ein Rechteckimpulssignal (C) während jeder vierten Periode der Netzwechselspannung erzeugt,
   • c2) der Taktgeber (2) ein NAND-Glied (41) besitzt, dessen beide Eingänge gemeinsam über einen Widerstand (24) an einen Netzleiter angeschlossen sind, einen bis vier zählenden Zähler (11), dessen Aktivierungseingang mit dem Ausgang des NAND-Gliedes (41) verbunden ist, und ein NAND-Glied (42), dessen beide Eingänge gemeinsam mit dem Ausgang des bis vier zählenden Zählers (11) verbunden sind;
   • d1) ein Triggersignalgeber (3) aus einer Kombination des Gleichspannungs-Bezugssignals (GB) und des invertierten Rechteckimpulssignals (D) ein Triggersignal (G) bei vorbestimmten Nulldurchgängen erzeugt,
   • d2) der Triggersignalgeber (3) ein NAND-Glied (43) auf­ weist, das einen Eingang besitzt, der mit dem Ausgang der Spannungsmeßschaltung (1) verbunden ist, und einen anderen Eingang, der mit dem Ausgang des Taktgebers (2) verbunden ist, ferner ein NAND-Glied (44) dessen beide Eingänge gemeinsam mit dem Ausgang des NAND-Gliedes (43) verbunden sind, ferner ein Nulldurchgangs-IC (14), das einen Aktivierungseingang besitzt, der über einen Widerstand (26) mit dem Ausgang des NAND-Gliedes (44) verbunden ist, sowie einen Netzeingang, der über einen Widerstand (25) mit dem Netz verbunden ist;
   • e1) eine Leistungssteuerschaltung (4) die dem elektrischen Heizgerät zugeführte Leistung in Abhängigkeit von dem Triggersignal (G) steuert,
   • e2) die Leistungssteuerschaltung (4) einen Triac (70) be­ sitzt, dessen Gate über einen Widerstand (27) mit dem Ausgang des Triggersignalgebers (3) verbunden ist, und von dessen Hauptelektroden eine mit dem Heizdraht (60) des elektrischen Heizgeräts verbunden ist.