DE4480580C2

DE4480580C2 - Sicherheits-Steuerschaltung für ein elektrisches, mit Wechselspannung zu betreibendes Gerät sowie Steuerungsverfahren

Info

Publication number: DE4480580C2
Application number: DE4480580A
Authority: DE
Inventors: John Weiss; K Y Lin
Original assignee: Micro Weiss Electronics Inc
Current assignee: Sunbeam Products Inc
Priority date: 1994-01-19
Filing date: 1994-01-19
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2014-01-20

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet hochsicherer Steuerschaltungen für wechselstrombetriebene elek trische Geräte Wechselstrombetriebene Geräte werden üblicherweise mit höheren Spannungen be trieben als Gleichstromgeräte.

Heizkissen und elektrische Decken sind Geräte, die Leitungen aufweisen, die naturgemäß in unmittelbarer Nähe des Benutzers starken Strom führen und größere elektri sche Leistung umsetzen. Neben der wie bei jedem elektri schen Gerät offensichtlichen Gefahr eines elektrischen Schlages gibt es ein gesundheitliches Anliegen in Bezug auf längere Einwirkung elektromagnetischer Strahlung. Heizelemente vom PTC-Typ 2 (deren Heizelement(e) Material mit positivem Temperaturkoeffizienten nutzen) sind be kanntermaßen so eingerichtet, daß sie die elektromagneti schen Felder, die als schädlich angesehen werden, nahezu beseitigen. Dabei ist der sichere Betrieb der PTC-Heize lemente ist von großer Bedeutung. Die Erfindung ist bei Steuerungen für solche Heizelemente zweckmäßig, jedoch sind ihre Sicherheitseigenschaften solcher Art, daß die Erfindung außerdem allgemein in Steuerungen für elek trische Geräte und Einrichtungen mit negativem Tempera turkoeffizienten oder Temperaturkoeffizenten von Null zweckmäßig anwendbar ist.

Für Heizelemente verwendete PTC-Materialien haben das zusätzliche Sicherheitsmerkmal, daß sie den aufgenom menen Strom beschränken, wenn sich die Temperatur der Auslegungsgrenze annähert. Davon ausgehend kann eine Heizung aufgebaut werden, ohne daß eine zusätzliche temperaturbegrenzende Einrichtung erforderlich wäre, wie es in der US-PS 4.271.350 geoffenbart ist. Infolge des nichtlinearen Zusammenhanges von Temperatur und Strom kann durch Anpassung der zu der Heizung gelieferten Leistung eine ausreichende Temperaturregelung erreicht werden. Der einzige Betriebszustand, bei dem die inhären te Sicherheit des PTC-Heizelementes untergraben wird, liegt vor, wenn einer der in engem Kontakt mit dem PTC- Material stehenden Leiter bricht und Lichtbogenbildung auftritt. Um das Andauern eines solchen Zustandes und möglicherweise die Verursachung eines Feuers zu verhin dern, wird gewöhnlich eine Sicherheitsschaltung verwen det, die diesen Zustand erfaßt und dann einen Stromstoß erzeugt, der dazu dient, die Eingangssicherung auszulö sen, so daß die Einheit dadurch stillgesetzt wird.

Die US-PS 4.436.986 und die DE 32 42 733 C2 offenba ren den Gedanken, Spannungsänderungen an zwei Sicher heitsabgriffen des Heizelements zur Erkennung unzulässi ger Zustände mittels einer Sicherheits-Steuerschaltung zu überwachen. An die Sicherheitsabgriffe ist ein ohmscher Spannungsteiler angeschlossen, dessen Verbindungspunkt mit einem Verbindungspunkt einer Reihenschaltung aus zwei Gasentladungsröhren verbunden ist. Diese sind zwischen beide Speiseleitungen des Heizelements geschaltet und so bemessen, daß sie bei Normalbetrieb nicht gezündet sind. Bei Leitungsbruch in dem Heizelement entsteht an den Sicherheitsabgriffen und den Enden des ohmschen Span nungteiler eine Spannungsverschiebung, die auch eine Spannungsverschiebung des Verbindungspunkts zur Folge hat. Dies führt zur Zündung einer Gasentladungslampe und nachfolgend zur Zündung der anderen Gasentladungslampe. Durch diese Reihenschaltung kann nun ein hoher Strom fließen, der eine vorgeschaltete Sicherung auslöst.

Die US-PS 4.436.986 und die DE 32 42 733 C2 sehen außerdem vor, in einer Entladungslampe drei Elektroden anzuordnen, die eine Triode bilden, die bei einer ein zigen vorbestimmten Spannung durchbricht und somit die Auswirkung von Durchbruchsspannungstoleranzen vermindert. Um die Sicherung in einer vorbestimmten Zeitspanne auszu lösen ist den Gasentladungslampen ein strombegrenzender Widerstand in Reihe geschaltet. Für den strombegrenzenden Widerstand ist es erforderlich, daß er eine höhere Nenn leistung hat als die Sicherung, um eine sicher öffnende Schaltung zu erhalten. Die Sicherung muß jedoch so bemes sen sein, daß sie den zwei- bis dreifachen Nenndauerstrom des Heizgerätes tragen kann, um die Einschaltstromüberhö hung zu ertragen, die mit der Einschalteigenschaft des PTC-Materiales zusammenhängt.

Die Deaktivierung der Einheit basiert bei allen Mög lichkeiten von Kurzschlüssen auf der Sicherung.

Moderne elektrische Leistungssteller nutzen Festkör perschaltelemente, wie gesteuerte Siliziumgleichrichter, Leistungstransistoren, Festkörperrelais und TRIACs. Die US-PS 4.315.141, beschreibt ein Paar Festkörperschalter, die durch ein temperaturempfindliches, kapazitives Ele ment als Temperatur-Überlastschaltung für herkömmliche Heizdecken vorgespannt worden sind. Bei diesen Regelsy stemen steuert ein schwaches Signal das Schalten größerer Lastströme. Es können integrierte Schaltungen oder Mikro prozessoren verwendet werden, um das Steuersignal zu liefern, das erforderlich ist, um den schnellen Fest körperschalter zu betätigen. Mikroschaltungen dieser Bauart sind dafür geeignet, mit Frequenzen zu arbeiten, die ein Vielfaches von 50 oder 60 Hz betragen, die ge meinhin bei elektrischen Wechselspannungsquellen vorhan den sind. Dies macht es möglich, jede Wechselspannungs schwingung zu regeln. Tatsächlich kann der Schaltvorgang im Nulldurchgang der Wechselstrom- oder Spannungskurve erfolgen. Diese Art der Regelung vermindert die Geräusch erzeugung, die mit dem Schalten der Wechselspannung verbunden ist und sie nutzt die Wechselspannungsleistung auf effektivste Weise.

Neuere Fortschritte bei der Leistungsregelung im Mikrowattbereich haben die Verläßlichkeit integrierter Schaltungen (ICs) verbessert, indem das richtige Span nungseingangssignal für den Mikrocontroller sicherge stellt wird. Die US-PS 5.196.781 gibt eine Erfassung und Schaltschaltung für eine extrem niedrige Spannung an, um ein Leistungseingangssignal für einen IC in einem engen Spannungsbereich zu erzeugen, wenn lediglich eine varia ble Versorgung mit niedriger Leistung verfügbar ist. Watchdog-Zeitgeberschaltungen können in einen IC inte griert sein, um die IC periodisch rückzusetzen und eine längere Sperrung oder zweideutigen Betrieb zu vermeiden, der sich aus Spannungsunterbrechungen und häufig mit Wechselstrom einhergehenden Spannungsspitzen ergibt.

Aus der DE 41 24 187 C1 ist eine Schaltungsanordnung für eine Temperaturregelung bekannt. Die Schaltung ent hält ein Heizelement mit temperaturabhängigem Widerstand. Dieses Heizelement ist mit einem TRIAC und einem ohmschen Widerstand in Reihe geschaltet, der als Stromfühler dient. Parallel zu der so gebildeten, an eine Spannungs quelle angeschlossenen Reihenschaltung ist eine Span nungsteilerschaltung angeordnet. Sowohl die Spannung an der Spannungsteilerschaltung als auch über dem Stromfüh lerwiderstand werden abgegriffen und mittels einer ent sprechenden Ansteuerschaltung in Ansteuerimpulse für das TRIAC umgesetzt. Ein sich infolge einer Temperaturände rung und somit Widerstandsänderung in dem Heizelement ändernder Strom verursacht einen sich ändernden Span nungsabfall über dem Spannungsfühlerwiderstand, der somit zur entsprechenden Regulierung der Ansteuerimpulse her angezogen wird.

Maßnahmen zur Verhinderung gefährlicher Zustände bei Leitungsbruch, insbesondere gefährlicher Zustände, die auf Lichtbogenbildung zurückgehen, sind nicht getroffen.

Aus der DE 41 41 062 A1 ist darüberhinaus eine Vor richtung und ein Verfahren zur Regulierung einer Auto sitzheizung mittels Mikroprozessors bekannt. Die Regelung erfolgt temperatur- und zeitabhängig. Jedoch sind keine Maßnahmen gegen Brandgefahren getroffen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Sicherheit von Steuerschaltungen für elektrische Geräte zu verbessern.

Die vorliegende Erfindung verwendet eine elektrische Schaltung mit Rückführung und einen Halbleiterschalter um die zu einem elektrischen Gerät geführte Leistung zu regulieren, wobei das Gerät bei einer Unterbrechung oder einem Kurzschluß einen sicheren Betriebszustand erfor dert. Obwohl die Erfindung nicht auf Heizkissen be schränkt ist, ist sie hier im Hinblick auf hochsichere Steuer/Regelschaltungen für Heizkissen beschrieben, die ein PTC-Heizelement aufweisen. Es wird eine integrierte Schaltung verwendet, um einem Festkörperschalter Steuer signale zu liefern, die das Ein- und Aus-Verhältnis der elektrischen Wechselstromleistung zu dem Heizelement regulieren, um die Temperatur zu steuern/regeln. Wenn das Heizelement ein PTC-Element ist, ist die natürliche Wirkung sich erhöhender Temperatur, den gezogenen Strom zu drosseln und zu beschränken. Die Fähigkeit, die Tempe ratur der Heizung durch Stromsteuerung oder zeitpropor tionierte Leistungssteuerung zu steuern, ist dabei ver bessert. Der Leistungssteuerpegel kann extern durch die Einstellung einer Temperaturskala über eine Aufwärts- Abwärts-Tastatur oder ein Drehpotentiometer sowie intern durch eine Sicherheitsschaltung eingestellt werden.

Erfindungsgemäß ermöglichen beide Sicherheitsabgrif fe der Heizung ein zwangsläufiges Schalten und eine IC braucht nicht ein Eingangssignal mit einer Spannung oder einem anderen Eingangssignal zu vergleichen. Um diese Aufgabe zu lösen, liefert ein Glimmlampen-Durchbruchelement ein zwangsläufiges Schaltsignal an einem IC-Ein gang. Für den anderen Eingang macht die Vorspannung eines Transistors ein zwangsläufiges Schalten möglich. Im allgemeinen ist ein Eingangssignal der Mikrocontroller IC ein Impulssignal mit der Wechselstromfrequenz und ein weiteres Eingangssignal ist eine Gleichspannung (Gleich strom). Für 220 Volt Wechselstromheizungen kann das Glimmlampenelement mit Durchbruchcharakteristik der Steuerschaltung mit zwei zusätzlichen Glimmlampen in Reihe geschaltet sein, um in der Abgriff- oder Rückfüh rungsleitung von der nichtgeerdeten Seite der Heizung ein Zwangsschaltsignal zu erhalten. Wenn lediglich eine zusätzliche Glimmlampe in Reihe geschaltet ist, ist es zweckmäßig, ein oder mehrere nichtleuchtende Dioden (LED) umgekehrt in die Reihenschaltung einzufügen. Die LED leuchtet dann nicht und erzeugt einen Spannungsabfall von ungefähr 7 Volt. Wenn sie so verwendet wird, wird sie als nichtleuchtende LED oder als NLED bezeichnet. Die Ver wendung von einer oder mehreren NLED in Reihe mit le diglich einer Glimmlampe ist außerdem in spezielle Fällen zweckmäßig, um die erforderliche Spannung zum Einschalten der Glimmlampe einzustellen.

Bei einer Ausführungsform der hochsicheren Steuerschaltung enthält die Steuerschaltung eine Sicherung, die für den normalen Stromfluß bemessen ist. Das durch eine Mikrocontroller-IC gesteuerte Ein schalten ist so gestaltet, daß in den ersten paar Sekun den ein beschränktes Tastverhältnis erreicht wird, um die Temperatur des PTC-Materiales und somit den elektrischen Widerstand zu erhöhen, um den mittleren Einschaltstrom zu reduzieren. Auf diese Weise wird für die Sicherung, die vom trägen Typ ist, sogar die Einschränkung der Bemessung vermieden, die mit dem für die PTC-Heizelemente typischen hohen Einschaltstrom verbunden ist. Wenn die Sicherung mit ihrem Nennwert nahe bei dem normalen Strombedarf liegt, schaltet ein von einem Kurzschluß herrührender Überstrom die Leistung schnell ab. Nach dem Anfangszyklus, der auf die Verminderung des Einschaltstromes eingerichtet ist, startet ein Vorheizzyklus, der die Temperatur des Kissens auf eine gewisse Temperatur stei gert, indem er 100% Einschaltdauer für eine Zeitdauer gestattet, die einer Anfangseinstellung entspricht. Diese bevorzugte Ausführungsform kann in zwei Varianten gelie fert werden: eine für 220 Volt Nennwechselspannung und eine andere für 110 Volt Wechselspannung.

Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung ist der Möglichkeit, daß ein Drehabschalter in der Ein-Position hängenbleiben könnte, begegnet, indem ein zweites TRIAC in Reihe geschaltet ist, das ebenfalls durch die Mikro controller-IC gesteuert ist.

Die Reaktion auf einen Fehler ist so schnell, daß eine Viertelsekunde ein reichlich bemessener Zulässig keitsbereich zur Erfassung eines Fehlers ist. Folglich mag der ersten Reaktion oder den ersten paar Fehlerreak tionen gestattet sein, den Ein-Zustand des Heizungsschal ters für eine eine Sekunde nicht überschreitende Zeit spanne zu unterbrechen, so daß eine zweite Reaktion schnell erfolgt, wenn der Fehler fortbesteht, bevor er endgültig ausgeschaltet wird.

Anstelle dessen, daß das zweite TRIAC mit dem Hei zungsschalter-TRIAC einfach in Reihe geschaltet ist, kann das zweite TRIAC so geschaltet sein, daß es die Heizung nach genügend Fehlererfassungen abschaltet (bspw. 10 oder allgemein 3 bis 16), um zu verifizieren, daß das Hei zungsschalter-TRIAC in seiner Ein-Position hängengeblie ben ist.

Die Erfindung ist anhand illustrierter Beispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, in denen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung einer 220 Volt Heizung ist, die in der ersten rück führenden Leitung 3 Glimmlampen enthält;

Fig. 2 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung einer 220 Volt Heizung ist, bei der in der rückfüh renden Leitung zwei Glimmlampen mit Durchbruch charakteristik und zwei nichtleuchtende LEDs mit einer Spannungspolarität für den Rückwärts durchbruch vorgesehen sind;

Fig. 3 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung für eine 220 Volt Heizung ist, bei der in der pri mären Rückführungsleitung zwei Glimmlampen als Durchbruchelemente und außerdem ein Transistor angeordnet sind, um die Glimmlampen einzuschal ten, wenn die Steuerschaltung eingeschaltet ist;

Fig. 4A ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung für eine 110 Volt Heizung ist, bei der in der er sten Rückführungsleitung eine einzelne Glimm lampe angeordnet ist und die ein zweites optio nales TRIAC in der sekundären Rückführungslei tung enthält;

Fig. 4B ein Schaltbild einer Variante des optionalen zweiten TRIACS nach Fig. 4A ist;

Fig. 5 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerung für eine 110 Volt Heizung ist, bei der in der primären Rück führungsleitung eine einzelne Glimmlampe mit einer Durchbruchsspannung angeordnet ist, die etwas höher ist als die Durchbruchsspannung der Durchbruchröhre nach Fig. 4A;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Mikrocontrollers ist;

Fig. 7 ein Zeitdiagramm von möglichen gepulsten Steu ersignalen in dem Verbindungspunkt 12 der Mi krocontroller IC nach Fig. 5 in Bezug auf ein Wechselstromeingangssignal an dem Verbindungs punkt 20 ist;

Fig. 8A ein den sicheren Betrieb veranschaulichendes Zeitdiagramm ist;

Fig. 8B ein eine Unterbrechung im Masseleiter einer Heizung repräsentierendes Zeitdiagramm ist;

Fig. 8C ein Zeitdiagramm für eine Unterbrechung in dem 110 Volt Wechselspannungsleiter der Heizung ist;

Fig. 8D ein Zeitdiagramm für den Fall ist, wenn die Heizung nicht mit ihrem Mikrocontroller ver bunden ist;

Fig. 9 ein Programmflußbild für die Routine zur Über prüfung der IC-Eingänge 22 und 23 der IC nach Fig. 1 und Fig. 6 ist; und

Fig. 10 ein Programmflußbild für dieselbe Routine wie in Fig. 9 mit Bezug auf die Eingänge 22 und 23 der IC 34 nach Fig. 4A ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Steuerschaltung, die zur Steuerung einer mit 220 Volt Wechselstrom arbei tenden elektrischen Heizung, bspw. einer Heizung mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), verwendet wird.

An der spannungsführenden Seite der 220 Volt Wech selspannungsquelle ist eine Sicherung 5 angeordnet. An der von der Sicherung geschützten Seite ist eine Schwach stromverbindung zur Versorgung des IC 14 mit einer Wech selspannungsquelle zur Zeitgabe und außerdem dazu vor gesehen (über Mittel, die in Fig. 1 nicht veranschaulicht sind), sowohl eine 5,6 Volt Gleichspannung als auch eine Verbindung zu der Heizung über den Anschluß 1 zu erbrin gen. Die Anschlüsse 1, 2 und 3 identifizieren die mit der Heizung verbundenen Leiter. Der Heizungsstrom fließt über das Heizelement PTC und über ein TRIAC T1, das von der IC 14 gesteuert ist, zu dem Masse-, Erd- oder Neutralleiter zurück. Der mit der ungeerdeten Seite des TRIACS ver bundene Leiter 2 ist mit einem Heizungserdleiter zur Verbindung der geerdeten Seiten aller einzelnen Heizele mente der PTC-Heizung und schließlich mit einem Leiter 3 verbunden. Ähnlich bildet der Leiter 1 an der spannungs führenden Seite der PTC-Heizung eine Wechselspannungs speiseleitung für alle einzelnen parallelen Heizelemente und ist dann zu einer Verbindung mit einem Leiter 4 fortgesetzt.

Die Leiter 3 und 4 sind Rückführungsleitungen, die für Steuerzwecke benutzt werden. Die mit dem Leiter 4 verbundene Schaltung kann als primärer Rückführungslei tungskreis und die mit dem Leiter 3 verbundene Schaltung kann als der sekundäre Rückführungsleitungskreis bezeich net werden, weil sie Energie nur erhalten, nachdem der Strom durch die Heizung geflossen ist.

In dem primären Rückführungsleitungskreis ist eine erste Diode D1 angeordnet, um eine Halbwellengleich richtung zu erbringen, um die Leistung und die in dem primären Rückführungsleitungskreis umgesetzte Wärme zu vermindern (sie kann bei 110 Volt Wechselspannungsgeräten weggelassen werden). Die wesentlichen Elemente des primä ren Rückführungsleitungskreises sind drei Glimmlampen, typischerweise mit Neon oder einem anderen Edelgas ge füllte Röhren, die jeweils eine Durchbruchsspannung von 55 bis 65 Volt haben, wodurch eine Einschaltschwelle zwischen 165 bis 195 Volt der halbwellengleichgerichteten Wechselspannung erreicht wird.

Das Signal zum Zünden des TRIACS T1 wird von der IC 14 geliefert und ist ein Nulldurchgangssignal. Das Wech selspannungssignal zur Bestimmung des Wechselspannungs phasenwinkels wird über den Strombegrenzungswiderstand R9 zu der IC geliefert und durch die Diode D5 auf +5 Volt geklemmt. Die Rückführungsleitungen bilden eine Sicher heitsschaltung, die nicht von einem genauen Spannungsver gleich durch die IC abhängt. Sowohl anhand des 220 Wech selspannungssignales als auch des Erd- oder Rückführungs signales wird ein Zwangsschaltsignal geliefert, um eine Bestimmung des Signalpegels durch die IC 14 zu vermeiden. Während des Heizzyklusses ist der Leiter zwischen dem Anschluß 2 und dem Anschluß 3 mit Masse verbunden und der Leiter hat einen Widerstand von 7 Ohm, so daß die Wech selspannung an Anschluß 3 auch für 220 Volt Erregerspan nung niedrig ist. Bei diesem Niveau ist der Spannungs abfall über den Spannungsteiler R3, R4, der durch die Diode D2 halbwellengleichgerichtet und durch C2 und R6 stabilisiert ist, nicht ausreichend, um den Transistor Q1 in Sperrichtung vorzuspannen, so daß die Stromleitung zwischen seinem Emitter und seinem Kollektor ein 5 Volt Signal an die IC 14 an ihren Eingang 23 liefert. Bei einer Leiterunterbrechung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 und bei Lichtbogenbildung wird die Wechselspannung an dem Anschluß 3 groß und das Signal an der Basis von Q1 sperrt den Leitzustand, so daß das Signal an Eingang 23 der IC durch R13 auf Masse geht. Bei einer Leitungsunter brechung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 nahe bei dem Ende der Heizung oder hinter dem Ende liefert ein Wider stand R10 zwischen der primären und der sekundären Rück führungsleitung das Wechselspannungssignal an Anschluß 3.

Die primäre Rückführungsleitung von Anschluß 4 ist bei 220 Volt Wechselspannungseinsatz mit einer Reihen schaltung von Glimmlampen N1, N2 und N3 verbunden, wobei diese Reihenschaltung durch den Widerstand R11 geerdet ist. Das Wechselspannungssignal an dem Verbindungspunkt 8 ist über einen Widerstand R12 an den Eingang 22 der IC 14 angeschlossen und mittels der Diode D12 während der positiven Halbwelle auf 5 Volt und mittels der Diode D11 während der negativen Halbwelle auf Masse geklemmt. Die IC liest ihren Eingang 22 bei einem Phasenwinkel von 90° aus und sucht nach 5 Volt. Wenn an irgendeiner Stelle entlang der den Anschluß 1 mit dem Anschluß 4 verbinden den Leitung eine Unterbrechung auftritt, fällt die Span nung über der Reihenschaltung der Glimmlampen unter die Durchbruchsspannung ab und öffnet den Stromkreis zwischen den Schaltungspunkten 8 und 6. Im Falle von Lichtbogen bildung über der Unterbrechungsstelle ist der Gesamt spannungsabfall über dem Bogen plus der erforderlichen Durchbruchsspannung über den Glimmlampen größer als die Eingangsspannung, so daß die Glimmlampenreihenschaltung ausgeht. Damit fällt die Spannung an dem Eingang 22 der IC durch den Widerstand R11 auf Masse ab. Das entspre chende Programm des IC-Mikrocontrollers wird in Verbin dung mit den Fig. 6 und 9 diskutiert. Typische Werte für die in Fig. 1 veranschaulichten Widerstände sind in Tabelle 1 an dem Ende dieser Beschreibung aufgeführt.

Die Schaltung nach Fig. 2 weicht von der Schaltung nach Fig. 1 lediglich in den zwischen die Schaltungspunkte 6 und 8 geschalteten Bauelementen ab. In diesem Zweig der Schaltung sind lediglich zwei Glimmlampen wie im Fall von Fig. 1 zur Erzeugung der Durchbruchsspannung vorgesehen, jedoch sind sie mit einer umgekehrten LED (Leuchtdiode) 60 in Reihe geschaltet, die nicht leuchtet, wenn sie in umgekehrter Polarität bei Durchbruchsspannung verwendet wird. Außerdem kann eine Reihenschaltung von NLEDs verwendet werden, um die Eingangsspannung zu erhö hen, die zum Betrieb der Glimmlampen erforderlich ist. Jede NLED der Reihenschaltung erhöht die erforderliche Spannung um ungefähr 7 Volt. Mit einer einzelnen Glimm lampe kann die Schaltung nach Fig. 2 für 110 Volt Wech selspannungseinsatz für relativ hohe Stromlasten ver wendet werden.

Die Schaltung nach Fig. 3 ist der Schaltung nach Fig. 2 ähnlich, jedoch ist ein zweiter Transistor Q2 eingefügt, der so geschaltet ist, daß er die Glimmlampen einschaltet, wenn der Controller 14 eingeschaltet ist. In diesem Fall wird das Signal an dem Eingang 22 des Con trollers 14 nur dann gelesen, wenn die Einheit einge schaltet ist sowie bei 90° Phasenwinkel und nur dann, wenn der TRIAC T1 getriggert ist. Wenn ein Signal an dem Eingang 23 anzeigt, daß die Heizung eingeschaltet ist und wenn jedoch kein Triggersignal für T1 vorhanden ist, muß der TRIAC T1 kurzgeschlossen sein und das Signal an 24 zum Betrieb der Glimmlampen kann verwendet werden, die Glimmlampen auszuschalten oder blinken zu lassen, um den Nutzer darüber zu alarmieren, daß die Sicherheitsschal tung nicht arbeitet.

Es wird nun auf Fig. 4A Bezug genommen, die eine mit 110 Volt Wechselspannung betriebene 50 Watt Heizung veranschaulicht, wobei die IC 34, die zur Steuerung des Schaltens der Leistung durch Senden eines Signales zu dem TRIAC T1 verwendet wird, durch eine als 5,6 Volt ver anschaulichte 5 Volt Nennspannungsquelle versorgt wird.

Allgemeiner weist die Spannungsversorgung eine stabili sierte Spannung von 4 bis 7 Volt auf. Wie in Fig. 6 veranschaulicht ist, wird die gewünschte Wärme durch Tastschalter 15, 16 und 17 zur Steuerung für Ein, Aus, Höher und Niedriger eingestellt. Der Einstellstatus wird durch eine Flüssigkristallanzeige 18 angezeigt. Zusätz lich zur Anzeige der Wärmeeinstellung kann das Display einen anormalen Betriebszustand durch Blinken oder Akti vieren eines Segmentes des Displays anzeigen, das den Bediener instruiert, die Benutzung abzubrechen. Ähnlich kann ein hörbares Alarmsignal erzeugt werden, um den Nutzer zu alarmieren.

Die Funktion der IC 34 zur Steuerung der Temperatur der PTC-Heizung erfolgt durch Zeitsteuerung (Tasten) der Leistung. Für eine bspw. niedrige Temperatureinstellung kann die Ein-Zeit bei einer Verweil- oder Auszeit von 28 Sekunden in einem 30-Sekunden-Zyklus zwei Sekunden betra gen. Die mittlere Einstellung würde 15 Sekunden Ein-Zeit und 15 Sekunden Aus-Zeit haben. Die höchste Einstellung würde entsprechend eine 30-sekündige Ein-Zeit oder ein kontinuierliches Heizen liefern. Die niedrigste Einstel lung, in diesem Falle 2 Sekunden Ein, könnte aufgrund der schnellen zeitlichen Reaktion der als Durchbruchelement dienenden Glimmlampe oder -röhre 55 viel niedriger sein.

Wenn bei Fig. 4A Funken- oder Lichtbogenbildung infolge einer Leitungsunterbrechung auftritt, kann die hohe örtliche Temperatur des Bogens oder Funkens ver ursachen, daß PTC-Material verbrennt und in dem den Bogen umgebenden Bereich Kohlenstoff bildet. Der durch den Lichtbogenzustand verursachte Kohlenstoffkriechweg kann Strom führen, der an Anschluß 4 ein niedrigeres Wechsel spannungssignal erzeugt. Um zu verhindern, daß dieses niedrigere Spannungssignal an dem Verbindungspunkt 25 ein gepulstes Signal erzeugt und um ein Eingangssignal für die IC bei 22 zu sperren, ist zwischen Anschluß 4 und R10 ein Spannungsdurchbruchselement 55 in Reihe mit der 110 Volt Wechselspannung angeordnet. Der Widerstand R15 liefert einen Stromweg nach Masse und ist so bemessen, daß er dem Strom und der Spannung über 55 erlaubt, gerade über seiner Schwellspannung zu sein, wenn die Eingangs wechselspannung bei der niedrigsten Nennspannung, bspw. bei 100 Volt, ist. Wenn das Durchbruchelement 55 leitet, sind der Verbindungspunkt 25 und der Eingang 22 der IC 34 während eines Halbwellentypes der Wechselspannungsschwin gung durch die Diode D7 auf 5,6 Volt und während der restlichen Zeit auf Masse geklemmt. Das bei dieser Aus führungsform veranschaulichte Durchbruchselement 55 ist eine Miniaturglimmlampe mit einer minimalen Durchbruchs spannung und einer Einschaltspannung von 80 Volt. Für diesen Zweck kann eine #A1E der Xenell & Co. aus Oklahoma benutzt werden. Mit dem mit der Masserückführung ver bundenen Strombegrenzungswiderstand R15 ist die Edel gaslampe 55 lediglich an, wenn das TRIAC T1 gezündet ist und sie wirkt als Heizungsanzeigeleuchte. Wenn der Strom begrenzungstransistor R15 mit der allgemeinen Masse verbunden wäre, wäre die Lampe sowohl während des Aus- Zyklusses als auch während des Ein-Zyklusses an und kann die duale Funktion haben, eine Hintergrundbeleuchtung für das mit dem Mikrocontroller IC 34 verbundene Display 18 zu liefern. Tabelle II an dem Ende dieser Beschreibung zeigt typische Werte einiger der Widerstände der Fig. 4A.

Ein zweites TRIAC T2 kann verwendet werden, um die Steuerung bei einem Fehler der Steuerung T1 bei einem Kurzschlußzustand, wie in den Fig. 4A und 4B dargestellt, permanent stillzusetzen. Die zweite TRIAC-Schaltung nach Fig. 4A zum Stillsetzen der Steuerung ist von der her kömmlichen Überspannungsschutzbauart und verbindet die Masse für kurze Zeit mit der Sicherung 5. Ein (nicht dargestellter) strombegrenzender Widerstand kann ver wendet werden, um zu verhindern, daß die Stromwelle Schäden an der Hausinstallation verursacht, oder die Leitdauer des TRIACS T2 kann zeitlich getastet werden, um den Strom zu beschränken und das Durchbrennen der Siche rung 5 innerhalb einer spezifischen Zeitspanne, bspw. 200 Millisekunden, zu bewerkstelligen.

Die Steuerung des TRIACS durch seine Steuerleitung 12 wird über eine Folge unidirektionaler Stromimpulse erreicht, die entsprechend die Nulldurchgangsmomente der Wechselstromkurvenform überbrücken, wodurch das TRIAC für die Wechselspannung kontinuierlich so lange leitet, wie die Steuerimpulsfolge nicht unterbrochen wird. Wie oben angemerkt, können die Steuerimpulse für die Sicherheits schaltung anstelle ganz gestoppt zu werden, auch für lediglich 800 Millisekunden unterbrochen werden.

Wenn ein Fehlerzustand erfaßt wird, wird das Signal zum Zünden des TRIACs verzögert. Wenn der Anfangsfehler erfaßt wird, kann eine TRIAC-Verzögerungszeit von 800 Millisekunden verstreichen und es wird ein weiteres Signal zu dem TRIAC gesendet, das 200 Millisekunden dauert, und, wenn ein weiterer Fehler erfaßt wird, wird die Zündung des TRIACs erneut verzögert. Zu diesem Zeit punkt kann eine dritte Fehlertestfolge aktiviert werden oder das TRIAC-Signal kann für den gesamten Betrieb gesperrt werden. Im allgemeinen können diese Zeitspannen wegen der schnellen Reaktion der Röhre 55 mit Durchbruch- oder Abschaltcharakteristik im sicheren Bereich weit gekürzt werden.

Um weiter die Erfassung des Fehlers 200 Millisekun den nachdem der nächste Zyklus beginnt, sicherzustellen, liest die IC das Eingangssignal der Sicherheitsschaltung und wenn der Fehler erfaßt wird, wird das Triggern des TRIACS erneut umgangen und der Treiber für das LCD-Dis play wird in eine Blinkbetriebsart geschaltet. Um eine weitere gefährliche Verwendung insbesondere in einer unbeaufsichtigten Situation zu vermeiden, veranlaßt das wiederholte Auftreten von Fehlern die Einheit, abzuschal ten. Wiederholte Eingaben durch den Bediener, um aus- und einzuschalten, veranlassen lediglich das Display, zu blinken, weil der Fehlerzustand in einem Speicher gespei chert werden kann. Zu diesem Zeitpunkt ist die einzige Möglichkeit, durch die Leistung zu der fehlerhaften Heizung gelangen kann, wenn der Benutzer die Zuleitung aus der Steckdose zieht und den Stecker erneut in die Steckdose steckt. Durch Wiedereinschalten des Controllers würde die ersten 200 Millisekunden der Heizphase erneut nach dem Fehler gesucht und der Erfassungszyklus würde wiederholt, was die Leistung der Heizung erneut abschal tet.

Wie in den Fig. 4A und 4B veranschaulicht ist, kann eine redundante sichere Steuerung erreicht werden, indem mit dem TRIAC ein zweites Schaltelement in Reihe geschal tet wird. Fig. 4A veranschaulicht eine Schaltung, bei der, auch wenn ein TRIAC in leitendem Zustand ausfällt, durch das zweite TRIAC T2 eine vollständige Steuerung erreicht wird. Beide Schaltelemente werden gleichzeitig entweder durch das gleiche Signal oder entsprechend durch von der IC34 gesendete separate Signale gezündet. In Fig. 4A steuert eine gesonderte Leitung 55 das TRIAC T2.

Fig. 4B veranschaulicht beide TRIACs T1 und T2 auf der Masseseite der Wechselspannungsversorgung, wobei die Leitung 18 in diesem Fall den TRIAC T1 öffnet anstelle ihn zum Durchbrennenlassen der Sicherung 5 zu schließen.

Fig. 5 veranschaulicht eine Schaltung, die der Fig. 5A bis auf das Merkmal des zweiten TRIACS ähnlich ist. Die primäre 110 Volt Wechselspannungsrückführungsleitung erzeugt einen wechselspannungsfrequenten Leistungsimpuls als Eingangssignal für die IC an ihrem Eingang 22. Die Sicherheitsverbindungsleitung 103 der Masserückführung ist mit dem Verbindungspunkt von R110 und einem Spannungsteiler R103-R104 verbunden. Wenn der durch die Heizung führende Masse- oder Erdleiter durchgehend ist, dann schließt dieser Leiter den Verbindungspunkt über den TRIAC T1 nach Masse kurz, und das Signal der sekundären Sicherheitsverbindung zu der IC weist bei 23 Massepoten tial auf. Das Sicherheitsbetriebssignal der so erhaltenen Anordnung ist das gleiche wie in Fig. 8A, wie untenste hend weiter erläutert ist. Bei einer unterbrochenen oder offenen Heizungsmasseleitung ist die Verbindung zwischen den Widerständen R103 und R104 nicht länger nach Masse kurzgeschlossen und der Spannungsteil wird aktiv und die Verbindungsspannung beträgt 5 Volt. Der Fehlerzustand für die Signaleingabe an Anschluß 23 der IC114 beträgt nun 5 Volt (Impulsweise) und der Sicherheitszustand ist Masse potential wie bei den vorstehenden Beispielen nach Fig. 4A.

In Fig. 5 sind die PTC-Heizungsstränge über die Eingangsleiter 101 und 102 mit Energie versorgt. Der Leiter 101 ist über die Sicherung 105 mit 110 Volt Wech selspannung verbunden und die Leitung 102 ist durch den TRIAC T101 nach Masse geschaltet. Das Signal zum Zünden des TRIACS wird durch die IC114 geliefert und ist ein Nulldurchgangssignal. Das Wechselspannungssignal zur Bestimmung des Wechselspannungsphasenwinkels wird über R109 zu der IC gesendet und über die Diode D105 auf +5 Volt geklemmt. Die Leitungen 103 und 104 sind wiederum zu einer Sicherheitsschaltung zurückgeführt, jedoch erfor dern sie keine präzise Analyse durch die IC. Sowohl an der 110 Volt Wechselspannungsleitung als auch an den Massesicherheitsrückführungsverbindungen 104 und 103 werden Zwangsschaltsignale erzeugt, was eine Signalpegel bestimmung durch die IC vermeidet.

Während des Heizzyklusses ist die Leitung zwischen 102 und 103 mit Masse verbunden, wobei die Leitung einen Widerstand von 7 Ohm aufweist und die Wechselspannung an 103 niedrige 2 bis 10 Volt beträgt. Bei diesem Niveau ist der nachfolgende Spannungsabfall über dem Spannungsteiler R103 und R104, gefolgt durch Halbwellengleichrichtung durch die Diode D102 und Stabilisierung durch C102 und R106, nicht ausreichend, um den Transistor Q101 in Sperrichtung vorzuspannen, so daß die Stromleitung zwi schen dem Emitter und dem Kollektor ein 5 Volt Wechsel spannungssignal an dem IC-Mikrocontroller 14 an 123 erzeugt. Wenn die Leitung zwischen 102 und 103 bricht und Lichtbogenbildung auftritt, wird die nun über das resi stive PTC-Material mit der 110 Volt Seite verbundene Wechselspannung an 103 high und das Signal an der Basis von Q101 sperrt die Stromleitung und das Signal an 123 geht durch R113 auf Masse. Bei einer Unterbrechung der Leitung 102-103 nahe dem Ende des PTC-Widerstandes oder nach dessen Ende liefert ein zwischen die Rückführungs leitungen geschalteter Widerstand R110 an 103 das Wech selspannungssignal.

Die 110 Volt Wechselspannungs-Sicherheitsrückführung ist bei 104 über eine Glimmlampe N101 und einen Reihenwi derstand R111 mit Masse verbunden. Die Glimmlampe ist für eine Durchbruchspannung von 75 bis 85 Volt ausgesucht. Das Wechselspannungssignal an 108 ist über R112 mit dem Eingang 122 der IC verbunden, während der positiven Halbwelle mit D112 auf 5 Volt geklemmt und während der negativen Halbwelle mit D111 mit Masse verbunden. Die IC liest 122 bei einem Phasenwinkel von 90° auf der Suche nach 5 Volt Signalen aus. Wenn an irgendeiner Stelle entlang der 110 Volt Wechselspannungsleitung 101, 104 Lichtbogenbildung oder ein Leitungsbruch erfolgt, fällt die Spannung über N101 unter die Durchbruchsspannung, öffnet den Kreis zwischen 106 und 108 und der Widerstand R111 zieht die Spannung an 122 auf Masse. Tabelle I für die entsprechenden Elemente von Fig. 1 kann für Fig. 5 verwendet werden, mit der Ausnahme, daß R101 von Fig. 5 den halben Widerstand von R3 von Fig. 1 hat, weil Fig. 1 für 220 Volt Wechselspannung ausgelegt ist, während Fig. 5 für 110 Volt Wechselspannung ausgelegt ist.

Die Mikrocontroller-IC nach Fig. 6 enthält einen Read-Only-Speicher "ROM" 29, in dem der Satz der Algo rithmen und Instruktionen gespeichert ist, die das Pro gramm zur Steuerung der Heizung und der Anzeige enthal ten. Die Instruktionen des ROM 29 werden in der arithme tischen Logikeinheit ALU 30 verarbeitet und die sich ergebenden Werte werden in einem Datenregisterspeicher mit wahlfreiem Zugriff RAM 31 gespeichert, um als Eingabe für das Programm verwendet zu werden. Die Eingangssignale AC IN und Sicherheitsschaltungseingangssignale 22 und 23 werden über den Datenbus 32 empfangen. Das Programm bestimmt auf der Basis des Eingangssignales von der Sicherheitsschaltung und des Kontrollstatus, wann Energie zu liefern ist. Das Zünden des TRIACs wird mit der Wech selspannungskurvenform an dem Wechselspannungseingang 20 koordiniert, um den TRIAC im Nulldurchgang zu zünden. Ein Programmzähler PC 32 ist erforderlich, um die Programm schritte zu verfolgen und er dient dazu, die nächste Programmanweisung zu indexieren.

Eine außerhalb der Mikrocontroller IC dargestellte Timerschaltung 21 dient dazu, die Taktfrequenz, mit der das Programm arbeitet, zu steuern. Sie wird durch einen konventionellen RC-Oszillator gebildet. Es kann ebenfalls ein Quarzoszillator verwendet werden. Typischerweise liegt die Taktfrequenz in der Größenordnung von 1 bis 2 MHz. Der Watchdog-Timer ist so eingestellt, daß er periodisch eine Überlast herbeiführt und dadurch ein Rücksetzen der Einrichtung auslöst (Reset). Beim Rück setzen wird das Programm initialisiert und es startet vom Anfang weg. Der Watchdog-Timer stoppt den Betrieb des Mikroprozessors wiederholt für eine voreingestellte Zeitspanne, die zwischen 0,01 und 3 Sekunden einstellbar ist. Der Zeitgeber 33 und der Programmzähler 32 werden ebenfalls rückgesetzt. Wenn ein Hängenbleiben eintritt, setzt der Watchdog-Timer, der seinen eigenen internen Oszillator hat, mit dem Countdown fort und setzt das Programm dann zurück. Diese Auszeit-Betriebsart wird außerdem beim Einschalten aktiviert, um sicherzustellen, daß die richtige Spannung in dem Mikroprozessor gegeben wird, was der Stromversorgungsleitung Zeit gibt, sich zu stabilisieren. Der Watchdog-Timer 5 ist wichtig, um die Verarbeitung des Sicherheitsschaltungssignales zu garan tieren. Er kann den Mikroprozessor außerdem in allen Situationen einschließlich Störimpulsen rücksetzen, die den Speicherinhalt beeinträchtigen oder ein Hängenbleiben verursachen. Während der Heizphase erzeugt die IC ein Ausgangssignal an einem Verbindungspunkt 12 oder 112, der den Wechselstrom zu der Heizung leitenden TRIAC triggert. Das Ausgangssignal an 12, 112 steuert das Zünden des TRIACs. Ein Beispiel einer Mikrocontroller-IC ist das Element Nr. MSM64162 der OKI Company, das die wie oben für eine 110 Volt Steuerschaltung geforderten Funktionen ausführen kann.

Die Beschreibung des Mikrocontrollers nach Fig. 6 ist, obwohl sie sich inbesondere auf eine 110 Volt Wech selspannungsquelle bezieht, in einer Weise gegeben, die für einen Fachmann ausreichend klar ist, um zu verstehen, wie ein entsprechender Mikroprozessor für ein mit einer 220 Volt Wechselspannungsquelle arbeitendes System ausge wählt werden kann. Zur bequemen und kurzen Beschreibung ist der Mikrocontroller nach Fig. 5 lediglich beschrie ben, wie er bei 110 Volt Steuerschaltungen nach den Fig. 4 und 5 angewendet wird.

Das Wechselspannungsleistungseingangssignal und das TRIAC-Triggersignal der Ausführungsform nach Fig. 5 sind in dem Zeitdiagramm der Fig. 7 veranschaulicht. Die Signalzeitperiode beträgt 60 Hz über 10 Schwingungen. Die gleichen Situationen liegen vor, wenn die Wechselspannung 50 Hz beträgt. Für den gleichen Zeitrahmen veranschauli chen die Fig. 8A bis 8D die mögliche Kombination von Signalen, die an dem Eingang der IC zur Bestimmung des sicheren Betriebs vorliegen. Die 60 Hz-Impulsfolge an dem IC-Eingang 22 und Masse an 23, dargestellt in Fig. 8A, bilden die für den sicheren Betrieb geforderte Signalkom bination. Fig. 8B veranschaulicht die Signale an 22 und 23, wenn eine Unterbrechung in der Masseleitung der Heizung erfolgt ist. Fig. 8C ist die Signalkombination, die sich aus einer Unterbrechung der 110 Volt Leitung der Heizung ergibt. Die Signalkombination der Fig. 8D wird erwartet, wenn sowohl die 110 Volt Wechselspannungslei tung als auch die Masseleitung der Heizung offen sind: Dies tritt typischerweise ein, wenn die Heizung nicht mit der Steuerung verbunden ist. Die Signalanalyse einer der Fig. 8B, 8C und 8D führt zu der Unterbrechung des Trig gersignales des TRIACS über die in Fig. 5 dargestellte Leitung 12 und somit zu der Unterbrechung der Zufuhr von 110 Volt Wechselspannungsleistung zu der Heizung. Im Falle der Fig. 8B und 8C hindert diese Leistungsunter brechung das PTC-Material an Lichtbogenbildung und an der Verursachung eines Feuers. Der Zustand einer offenen Schaltung nach Fig. 8D tritt ein, wenn der Bediener den Gerätestecker der Heizung noch nicht eingesteckt hat.

Das in dem ROM-Bereich 29 der IC 114 gespeicherte Programm enthält eine Routine zur Analyse der Signale 22 und 23 der Sicherheitsverbindung wie in Fig. 9 darge stellt. Auf den Ablaufplan der Routine nach Fig. 9 Bezug nehmend, sucht die erste Anweisung nach dem Sicherheits signal, Fig. 8A. Wenn an Anschluß 22 das Impulssignal erfaßt wird und an 23 Masse erfaßt wird, ist das Ergebnis in der ersten Stufe JA und die nächste Anweisung ist, zu überprüfen, daß der Heizzyklus eingeschaltet ist. Wenn das TRIAC im Kurzschlußzustand ausgefallen ist und die Heizung in der Aus-Betriebsart ist, führt eine NEIN-Antwort auf die Heizstatusanzeige das Programm zu dem Heizstatuszähler "HSC"-Unterprogramm. Das HSC-Unter programm zählt zu dem HSC-Wert Eins dazu und vergleicht den Wert dann mit Zehn. Wenn der Zählwert über Zehn liegt, dann zeigen zehn aufeinanderfolgende Zyklen einen TRIAC-Fehler an und das Unterprogramm wird zum Fehler schutz und einer Alarmroutine verzweigt. Wenn der Hei zungsstatuszähler anzeigt, daß normaler Betrieb auftritt, werden der Fehlerzähler und der Heizstatuszähler auf Null gesetzt und die Routine kehrt zu dem Hauptprogramm zu rück. In dem ersten Stadium, wenn an 22 kein Impuls erfaßt wird oder an 23 ein Impuls vorliegt, ist die Antwort NEIN, und wenn der Heizstatus EIN ist und ein Fehlerzustand vorliegt, zeigt dies einen unsicheren Betriebszustand an. An diesem Punkt wird der Fehlerzähler um Eins heraufgezählt und in zehn Zyklen, ungefähr 87 Millisekunden, wird das Unterprogramm zu der Fehlersi cherheitsroutine verzweigt, um das TRIAC zu sperren, das Display blinken zu lassen, eine Anzeigelampe blinken zu lassen oder einen Alarm auszusenden. Der Fehlerzähler wird bspw. auf Zehn gesetzt, um in 87 Millisekunden auf einen Fehler zu reagieren. Der Zählwert kann kleiner sein, wenn eine schnellere Reaktion erforderlich ist. Der Zählwert sollte nicht so klein wie Eins sein, um lästige Fehler zu verhindern, die sich aus Leistungsschwankungen ergeben könnten. Für die Zählschwelle des HSC-Unterpro grammes ist ein Wert von Fünf recht praktisch.

Der in Fig. 10 veranschaulichte Programmablauf ist für die Schritte 36 bis 48 derselbe wie in Fig. 9. Der Schritt 49 vergleicht den Heizstatuszähler wie Schritt 47 mit Zehn, nur ist diesesmal, wenn der Zählwert über Zehn liegt, der nächste Programmschritt die Zündroutine für das TRIAC 2, die die Einheit sperrt. Wenn der HSC-Wert in Schritt 49 nicht größer als Zehn ist, dann ist der Feh lerzustand kein Ergebnis des leitend ausgefallenen TRIACS T1 und die Routine wird zu dem Schritt 50 verzweigt, bei dem nach Sperren des Signales des TRIACS 1 die Anzeige blinkt.

Die Schaltungen der Fig. 1 bis 6 und die Diagramme der Fig. 7 bis 10 veranschaulichen die Prinzipien der Erfindung und es ist entsprechend erkennbar, daß bei der Anwendung der Prinzipien der Erfindung verschiedene Modifikationen in vielerlei Hinsicht möglich sind. Ins besondere kann die Verwendung eines zweiten TRIACS bei 220 Volt Steuerschaltungen (Fig. 1 bis 3) in der mit Bezug auf die 110 Volt Wechselspannungssteuerschaltung (Fig. 4) veranschaulichten und beschriebenen Weise ange wendet werden, selbstverständlich mit den erwarteten Abwandlungen der Steuerung nach Fig. 6 zur Verwendung bei 220 Volt Wechselspannung.

TABELLE I Bezogen auf Fig. 1

T1	TRIAC
Q1	PNP Transistor VCE < 35 V
N1, N2, N3	Glimmlampe BDV~ 75-87 V~
R3	200 k Widerstand 1/8 Watt
R4	100 k Widerstand 1/8 Watt
R6	470 k Widerstand 1/8 Watt
R9	1 M Widerstand 1/8 Watt
R10	220 k Widerstand 1/8 Watt
R11	20 k Widerstand 1/8 Watt
R12	1 k Widerstand 1/8 Watt
R13	20 k Widerstand 1/8 Watt
AL=L<D2, D5, D11,

TABELLE II Bezogen auf Fig. 4A

R9	1 MΩ
R10	1 MΩ
R13	5 KΩ
R14	50 KΩ
R15	20 MΩ

Eine Heizeinrichtung für ein Heizkissen nutzt Heiz elemente mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC), die zwischen einem Leiter, der über eine Sicherung mit einem nicht geerdeten Pol eines elektrischen Wechselspannungs netzes verbunden ist, und einem Leiter, der über einen TRIAC-Schalter mit einem geerdeten Pol des Wechselspan nungsnetzes verbunden ist, parallel angeordnet sind. Beide Leiter weisen, nachdem sie mit Enden der PTC-Ele mente verbunden sind, Sicherheitsverbindungsverlängerungen auf, um an eine integrierte Mikrocontrollerschaltung, wenn das Heizmittel ohne Fehler eingeschaltet ist, ent sprechend 5 V Wechselspannungsimpulse an einen Mikrocon trollereingang und ein gleichbleibendes 5 V-Signal zu liefern. Wenn ein Fehler auftritt, wie beispielsweise eine Unterbrechung eines weiteren Leiters in oder nahe bei dem Heizmittel, erlischt eine Glimmlampe, die mit der Sicherheitsverbindungsverlängerung des ungeerdeten Lei ters verbunden ist, schnell wegen der fehlenden Spannung und verursacht, daß das normalerweise gleichbleibende erwartete 5 V-Signal auf Massepotential abfällt. Andere Fehler werden durch die Verlängerung des geerdeten Lei ters erfaßt, der einen Spannungsteiler nach Masse auf weist. Ein Wechselspannungssignal von seinem Teilerpunkt steuert einen Transistor, der eingeschaltet ist, wenn der Transistor nicht infolge eines Fehlers auf seine Ausstel lung zu vorgespannt ist. Für 220 V Wechselspannungsanwen dungen werden drei Röhren zur Stromunterbrechung (d. h. deren Leitfähigkeit bei Unterschreiten einer Schwelle zum Erliegen kommt) oder zwei von ihnen und eine oder mehrere (nicht leuchtende) LEDs mit umgekehrter Polarität ver wendet.

Claims

1. Sicherheits-Steuerschaltung für ein elektrisches, mit Wechselspannung zu betreibendes Gerät,
das ein Heizelement (PTC) mit einer ersten und einer zweiten Speiseleitung (1, 101, 2, 102) sowie mit einem ersten und mit einem zweiten Sicherheitsabgriff (4, 104, 3, 103) aufweist,
mit einer Sicherung (5, 105), über die die erste Speiseleitung (1, 101) mit einem nicht mit Masse verbunde nen Pol einer Wechselspannungsquelle verbunden ist,
mit einem elektrisch gesteuerten Schalter (T1, T101), über den die zweite Speiseleitung (2, 102) mit Masse ver bunden ist und der einen Steuereingang (12, 112) aufweist,
mit einer als integrierte Schaltung ausgeführten Mi krocontrollereinheit (14, 34, 114), die wenigstens einen an den Steuereingang (12, 112) des Schalters (T1, T101) angeschlossenen Ausgang sowie zwei Sicherheitseingänge (22, 122, 23, 123) aufweist,
mit wenigstens einem Gasentladungselement (N1, N2, 55, N101) mit Durchbruchkennlinie, über das der erste Si cherheitsabgriff (4, 104) mit dem einen Sicherheitseingang (22, 122) der Mikrocontrollereinheit (14, 34, 114) verbun den ist, um im fehlerfreien Zustand an diesem eine zwi schen einer Gleichspannung und Massepotential wechselnde Spannung zu erzeugen,
mit einer Verbindung zwischen dem zweiten Si cherheitsabgriff (3, 103) und dem anderen Sicherheitsein gang (23, 123) der Mikrocontrollereinheit (14, 34, 114), um diesen im fehlerfreien Zustand auf Massepotential zu halten, und
mit einem Verbindungszweig zwischen dem ersten und dem zweiten Sicherheitsabgriff (3, 103, 4, 104).

2. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Spei seleitung (1, 101, 2, 102) durch das Heizelement hindurch fernliegend von der Sicherung (5, 105) und dem Schalter (T1, T101) mit dem ersten und dem zweiten Sicherheitsab griff (4, 104, 3, 103) verbunden sind.

3. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass sie eine elektrische Gleich spannungsquelle mit einer gleichbleibenden Spannung zwi schen 4 V und 7 V gegen Massse aufweist, die an einen Ein gang des Mikrocontrollers (14, 114) gelegt ist, der mit einem anderen Eingang an Masse und mit einem weiteren Ein gang an eine aus der Wechselspannungsquelle abgeleitete Wechselspannung angeschlossen ist.

4. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, dass das Gasentladungselement (N1) mit Durchbruchkennlinie einen 50 V überschreitenden Span nungsabfall erzeugt, wenn es leitet, und das bei Unter schreitung dieses Spannungsabfalls sperrt, wobei das an dem einen Sicherheitseingang (22, 122) erzeugte Wechsel signal je nach aktueller Polarität der Wechselspannungsquelle auf das Potential der Gleichspannungsquelle oder auf Massepotential geklemmt ist.

5. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet,
daß der zweite Sicherheitsabgriff (3) an einen einen Schwellwert einstellenden Widerstand (R15) angeschlossen ist, der so festgelegt ist, daß er eine Einschaltschwelle für das wenigstens eine Gasentladungselement mit Durch bruchkennlinie bei der niedrigsten Nennspannung der elek trischen Wechselspannung festlegt, wobei der Widerstand (R15) mit einem nicht permanent mit dem ersten Sicherheitsabgriff (4) verbundenen Elektrodenanschluß des wenigstens einen Gasentladungselements (55) mit Durch bruchkennlinie verbunden und über einen hochohmigen Wider stand (R10) mit dem ersten Sicherheitseingang (22) der Mikrocontrollereinheit (34) sowie mit dem Verbindungspunkt eines Klemmdiodenpaars (D6, D7) verbunden ist, die das erste Sicherheitssignal der Mikrocontrollereinheit (34) entweder auf Masse oder auf das Potential der Gleich stromquelle klemmen; und
daß der zweite Sicherheitsabgriff (4) über den schwellwertfestlegenden Widerstand (R15) außerdem zu dem Verbindungspunkt eines ohmschen Spannungsteilers (R13, R14) geführt ist, der zwischen die Gleichspannung und Mas se geschaltet ist;
so daß verhindert wird, daß eine abgeschwächte Wechselstromkomponente des zweiten Sicherheitsabgriffs (3) bewirkt, dass das Massepotential an dem Anschluß des ohm schen Spannungsteilers während der Leitphase des wenigstens einen Gasentladungselements mit Durchbruchkennlinie nicht konstant ist.

6. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, dass das Gasentladungselement ein einzelnes Gasentladungselement (55) ist, wobei die Wechselspannungsquelle eine Wechselspannung mit einem ef fektiven Spannungsmittelwert von 110 V liefert, wobei der ohmsche Spannungsteiler in seinem mit Massepotential verbundenen Teil einen Widerstand aufweist, der nicht grö ßer ist als ein Zehntel des Widerstandes seines mit der Gleichspannung verbundenen Teils.

7. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle eine Wechselspannung mit einem Effektivwert von 220 V_eff lie fert, und:
daß der erste Sicherheitsabgriff (4) an eine eine Diode (D1) enthaltende Leitung angeschlossen ist, die zwi schen das Heizelement und eine Reihenschaltung aus den Gasentladungselementen geschaltet ist, um die von der Steuereinrichtung verbrauchte Energie zu vermindern;
daß wenigstens zwei Gasentladungselemente (N2, N3) in Reihe zwischen die Diode (1) und einen Reihenwiderstand (R12) geschaltet sind, der zu dem ersten Sicherheitsein gang (22) der Mikrocontrollereinheit (14) führt, wobei die Reihenschaltung durch einen weiteren Widerstand (R11) ge gen Masse geschaltet ist, der mit dem Reihenwiderstand verbunden ist, wobei der erste Sicherheitseingang durch Dioden (D11, D12) geklemmt ist, um das Potential der elek trischen Gleichspannungsquelle nicht zu überschreiten und um in Bezug auf das Massepotential nicht auf ein Potential mit entgegengesetztem Vorzeichen zu gehen;
daß die Verbindung zwischen dem zweiten Sicherheits abgriff und einem Verbindungspunkt der Diode (1) mit der Reihenschaltung der Gasentladungselemente ein ohmscher Schwachstrompfad (R10) ist, wobei der zweite Sicherheits abgriff durch einen ohmschen Spannungsteiler (R3, R4) ge gen Masse geschaltet ist, von dessen Teilerpunkt ein Lei tungszweig zu dem zweiten Sicherheitseingang (23) der Mikrocontrollereinheit (14, 140) führt;
daß der Leitungszweig einen Transistor (Q1) enthält, dessen Schaltstrecke zwischen eine Verbindung des zweiten Sicherheitseinganges (23) der Mikrocontrollereinheit (14) mit einem zu Massepotential führenden Lasttransistor und die elektrische Gleichspannungsquelle an dem anderen Ende des Schaltweges des Transistors geschaltet ist;
daß dieser Leitungszweig außerdem über eine Diode (D2) eine Verbindung zwischen einer Steuerelektrode des Transistors und dem Teilerpunkt des ohmschen Spannungs teilers enthält,
so daß, wenn durch einen Fehler in dem Heizelement oder in seinen höhere Spannung führenden Leitungen bzw. Anschlüssen (1, 2, 3, 4) ein Lichtbogen erzeugt wird, die Spannung über der Reihenschaltung von den Gasentladungs elementen unter die Durchbruchspannung fällt und das Ein gangssignal des ersten Sicherheitseinganges (22) der Mikrocontrollereinheit wegen des Wegfalls des Stroms von der Reihenschaltung auf Masse abfällt, wohingegen der Leitungszweig, wenn kein Fehler vorliegt, nicht genügend Spannung liefert, um den Transistor in Sperrichtung vorzu spannen, und deshalb eine gleichbleibende Spannung der Gleichspannungsquelle zu dem zweiten Eingang (23) der Mikrocontrollereinheit geliefert wird, und so daß der ohm sche Schwachstrompfad (R10), wenn in der Verbindung zwi schen der zweiten Speiseleitung (2) des Heizmittels und dem zweiten Sicherheitsabgriff (3) eine Unterbrechung auf tritt, ein Wechselspannungssignal an den Leitungszweig und an den zweiten Sicherheitseingang (23) der Mikrocontrol lereinheit (14, 140) liefert.

8. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 7, da durch gekennzeichnet, daß zur Stromunterbrechung in der Reihenschaltung nicht mehr als zwei Gasentladungselemente (N2, N3) vorgesehen sind und daß zur Stromunterbrechung in der Reihenschaltung in Reihe mit den Gasentladungselemen ten wenigstens eine nichtleuchtende LED (NLED) in umge kehrter Polarität angeordnet ist.

9. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 7, da durch gekennzeichnet, dass zur Stromunterbrechung in der Reihenschaltung drei Gasentladungselemente (N1, N2, N3) angeordnet sind und daß die Reihenschaltung durch wenigs tens eine nichtleuchtende LED (NLED) mit umgekehrter Pola rität in Reihe mit den Gasentladungselementen (N1, N2, N3) zur Stromunterbrechung erweitert ist.

10. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet,
daß der erste Sicherheitsabgriff (4) eine zwischen dem Heizmittel und einer Reihenschaltung der Gasentla dungselemente angeordnete Diode (D1) aufweist, um die von der Steuereinrichtung (1) verbrauchte Energie zu reduzie ren;
daß in der Reihenschaltung in Reihe zwischen der Di ode (D1) und einem zu dem ersten Sicherheitseingang (22) der Mikrocontrollereinheit (14, 114) führenden Reihenwi derstand (R12) zur Stromunterbrechung drei einzelne Gasentladungselemente und wenigstens eine Leuchtdiode an geordnet sind, die so gepolt ist, daß sie nicht leuchtet (NLED), wobei die Reihenschaltung durch einen weiteren mit dem Reihenwiderstand (R12) verbundenen Widerstand (R11) erweitert ist, wobei der erste Sicherheitseingang durch Dioden (D11, D12) geklemmt ist, um das Potential der elektrischen Gleichspannungsquelle nicht zu überschreiten und um nicht auf ein Potential unter Massepotential zu gehen;
daß zwischen den zweiten Sicherheitsabgriff und eine Verbindungspunkt der Diode (D1) mit der Reihenschaltung aus einem Gasentladungselement und wenigstens einer Leuchtdiode, die so gepolt ist, daß sie nicht leuchtet (NLED), ein ohmscher Schwachstrompfad (R10) aufgebaut ist, wobei der zweite Sicherheitsabgriff durch einen ohmschen Spannungsteiler (R3, R4) gegen Masse geschaltet ist, von dessen Teilerpunkt ein Schaltungszweig zu dem zweiten Si cherheitseingang (23) der Mikrocontrollereinheit (14, 140) führt;
daß der Schaltungszweig einen Transistor (Q1) ent hält, dessen Schaltweg mit einem Ende an einen Verbin dungspunkt des zweiten Sicherheitseinganges (23) der Mikrocontrollereinheit (14, 140) mit einem zu Masse führenden Lastwiderstand und an dem anderen Ende an die Gleichspannung angeschlossen ist;
daß der Schaltungszweig außerdem eine Verbindung von einer Steuerelektrode des Transistors über eine Diode (D2) zu dem Teilerpunkt des ohmschen Spannungsteilers enthält;
so daß, wenn durch einen Fehler in dem Heizmittel oder in seinen mit höherer Spannung verbundenen Leitungen (1, 2, 3, 4) ein Lichtbogen erzeugt wird, die Spannung über der Reihenschaltung von Gasentladungselementen unter eine Unterbrechungsschwellspannung fällt und das Eingangs signal des ersten Sicherheitseinganges (22) der Mikrocon trollereinheit (14, 140) wegen des Wegfalls der Stromver sorgung durch die Reihenschaltung auf Masse fällt, wohingegen der Schaltungszweig normalerweise, wenn kein Fehler vorliegt, nicht genügend Vorspannung liefert, um den Transistor zu sperren, so daß eine gleichbleibende Spannung der Gleichspannungsquelle zu dem zweiten Eingang (23) der Mikrocontrollereinheit (14, 140) geliefert wird, wohingegen, wenn in der Verbindung zwischen der zweiten Speiseleitung (2) des Heizmittels und dem zweiten Sicher heitsabgriffs (3) eine Unterbrechung auftritt, der ohmsche Schwachstrompfad (R10) ein Wechselspannungssignal an den Leitungszweig und an den zweiten Sicherheitseingang (23) der Mikrocontrollereinheit (14, 140) liefert.

11. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Transistor (Q2) vorgesehen ist, um den weiteren Widerstand (R11) un ter der Steuerung eines Verbindungspunktes zwischen einem Ausgang (24) der Mikrocontrollereinheit (34, 140) und ei ner Steuerelektrode des zweiten Transistors (Q2) gesteuert zu erden, so daß wenigstens die Reihenschaltung aktiviert wird und wenigstens ein Gasentladungselement in der Reihenschaltung leitend gemacht werden kann und somit leuchtet, wenn das Wechselspannungsgerät eingeschaltet ist.

12. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter elek trisch steuerbarer Schalter (T2) vorgesehen ist, dessen Schaltweg so geschaltet ist, daß die erste Speiseleitung (1) des Heizelements (PTC) dann gegen Masse geschaltet wird, wenn ein Fehlerwiderstand anzeigt, daß der elek trisch steuerbare, mit Masse verbundene Schalter (T1) des Heizmittels, ungeachtet einer steuernden Verbindung zu der Mikrocontrollereinheit (34), fehlerhaft durchgeschaltet bleiben könnte, wobei die Mikrocontrollereinheit so pro grammiert ist, daß der zweite elektrisch steuerbare Schal ter eingeschaltet und somit die Schutzsicherung (5) nach Verstreichen eines Zeitintervalls ausgelöst wird.

13. Sicherheits-Steuerschaltung nach Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß für das Heizel ement (PTC) ein zweiter elektrisch steuerbarer Schalter (T2) zwischen Massepotential und dem elektrisch steuer baren, mit der zweiten Speiseleitung (2) des Heizelements verbundenen Schalter des Heizelements angeordnet ist, so daß nach einem Intervall, das so ausreichend ist, dass das Vorliegen eines anderweitigen Fehlers unwahrscheinlich ist, der zweite elektrisch steuerbare Schalter des Heiz elements über eine Verbindung (18) zwischen seiner Steuer elektrode und der Mikrocontrollereinheit unter der Annahme geöffnet werden kann, daß der elektrisch gesteuerte Schal ter (T1) des Heizelements, der mit der zweiten Speiseleitung des Heizelements verbunden ist, weil er geschlossen bleibt, eine Fehlfunktion aufweist.

14. Steuerungsverfahren für eine Sicherheits-Steuer schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrocontrollereinheit einen Display (18), einen ROM (29), einen als ein Datenregister dienenden RAM, einen Programm zähler und eine arithmetische und logische Einheit auf weist, die einen Wärmestatuszähler und einen Fehlerzähler enthält, und bei der die Mikrocontrollereinheit so programmiert ist, daß sie, wenn an dem ersten Sicher heitsschaltungseingang der Mikrocontrollereinheit keine zwischen Massepotential und dem Gleichspannungspotential alternierende Spannung festgestellt wird während der zwei te Sicherheitsschaltungseingang der Mikrocontrollereinheit auf Massepotential verbleibt, zunächst bestimmt, ob der Wärmestatuszähler auf EIN steht und wenn dies so ist, zweitens den Fehlerzähler inkrementiert und drittens be stimmt, ob der Inhalt des Fehlerzählers größer ist als eine erste festgelegte Zahl, die größer als vier und klei ner als sechzehn ist, und falls dem so ist, viertens das Schließen des elektrisch steuerbaren Schalters sperrt und danach die Anzeige (18) unterbrochen blinken läßt, wohin gegen die Mikroprozessoreinheit, falls kein solcher Fehler vorliegt, bestimmt, ob der Wärmestatuszähler auf EIN steht, und falls dies der Fall ist, den Fehler und den Wärmestatuszähler löscht, bevor zu einem Hauptprogramm zurückgekehrt wird, wohingegen, wenn festgestellt wird, daß der Wärmestatuszähler nicht auf EIN steht, der Wärme statuszähler inkrementiert wird und, falls der Inhalt ge ringer als eine vorbestimmte Zahl ist, kehrt die Mikro controllereinheit zu dem Hauptprogramm zurück, wohingegen der elektrisch steuerbare Schalter, wenn der Inhalt des Wärmestatuszählers die vorbestimmte Zahl übersteigt, ge sperrt wird und die Anzeige intermittierend blinkt.