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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Heizgeräte wie Toaster oder Toastergrills
und insbesondere eine temperaturkompensierte Zeitgeberschaltung,
die die Dauer eines Heizzyklusses des Geräts so steuert, daß eine durch
aufeinanderfolgende Heizzyklen ansteigende Innentemperatur des Geräts kompensiert
wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bei
Heizgeräten
wie Toastern und Toastergrills wird in einem Brotaufnahmeraum des
Geräts ein
Nahrungsmittelgegenstand untergebracht und für eine gewünschte Zeit getoastet, was
als Heizzyklus des Geräts
bezeichnet wird. Die Dauer des Heizzyklusses bestimmt das Ausmaß, in dem
der Nahrungsmittelgegenstand gekocht oder getoastet wird. Zum Beispiel
nimmt bei einem herkömmlichen
Toaster die zum Toasten von Nahrungsmittelgegenständen im gleichen
Ausmaß erforderliche
Zeit für
jeden der aufeinanderfolgenden Heizzyklen ab, da der Brotaufnahmeraum
eine gewisse Wärmemenge
an den Nehrungsmittelgegenstand abgibt, nachdem er durch vorhergehende
Heizzyklen aufgewärmt
wurde. Mit anderen Worten gibt der bereits warme Brotaufnahmeraum
außer
der vom Gerät
im Heizzyklus erzeugten Wärme
eine gewisse Wärmemenge
an den Nahrungsmittelgegenstand ab, so daß zum Toasten des Nahrungsmittelgegenstandes
weniger Zeit erforderlich ist. Im Ergebnis werden, wenn die Dauer
des Heizzyklusses konstant ist, die in nachfolgenden Heizzyklen
in den Brotaufnahmeraum verbrachten Nahrungsmittelgegenstände aufgrund
der vom Brotaufnahmeraum ausgestrahlten zusätzlichen Wärme mehr getoastet als die
in den vorhergehenden Heizzyklen. Zur Kompensation der vom Brotaufnahmeraum
im zweiten und den folgenden Heizzyklen auf den Nahrungsmittelgegenstand übertragenen
Wärme weisen
herkömmliche
Toaster eine Zeitgeberschaltung auf, die eine Kompensation dieser
Wärme durch
Verringern der Dauer von aufeinanderfolgenden Heizzyklen bewirkt.
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Die 1 ist
eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Zeitgebers 10,
der vom Erfinder untersucht wurde. Dieser Zeitgeber 10 kompensiert das
Aufheizen des Brothohlraumes durch Verringern der Dauer von aufeinanderfolgenden
Heizzyklen, was nun näher
beschrieben wird. Im Zeitgeber 10 wird ein Schalter 12 durch
eine äußere Kraft
geschlossen, wodurch eine Wechselspannung von einer Spannungsquelle 14 an
den Eingangsknoten 16 des Zeitgebers 10 geführt wird.
Zum Aufbringen der äußeren Kraft
zum Schließen
des Schalters 12 und zum Absenken eines Nahrungsmittelgegenstandes in
den Brotaufnahmeraum wird in der Regel ein äußerer Hebel (nicht gezeigt)
am Toaster mit dem Zeitgeber 10 niedergedrückt. Der äußere Hebel
wird in der Regel durch einen mechanischen Rastmechanismus (nicht
gezeigt) in einer unteren Position gehalten, wodurch der Schalter 12 geschlossen
bleibt. Eine Spule 23 erzeugt, wenn sie mit Energie versorgt wird,
eine elektromagnetische Kraft zum Lösen des mechanischen Rastmechanismusses,
wodurch der Nahrungsmittelgegenstand aus dem Brotaufnahmeraum herausgehoben
und der Schalter 12 geöffnet wird,
wie es durch die gestrichelte Linie 25 angedeutet und im
folgenden genauer beschrieben wird. Wenn der Schalter 12 geschlossen
ist, wird die Wechselspannung von der Spannungsquelle 14 am Knoten 16 durch
eine Diode 18 gleichgerichtet. Die Größe dieser gleichgerichteten
Spannung wird durch einen Spannungsteiler aus in Reihe geschalteten
Widerständen 20 und 22 verringert.
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An
den Knoten 24 zwischen den Widerständen 20 und 22 ist
ein Kondensator 26 angeschlossen, der die gleichgerichtete
Spannung filtert, so daß am
Knoten 24 im wesentlichen eine Gleich-Versorgungsspannung
anliegt. Wie im folgenden erläutert, nimmt
eine Zeitgeberschaltung 28 die Versorgungsspannung am Knoten 24 auf
und erzeugt eine Verzögerungszeit
nach dem Schließen
des Schalters 12 und dem Anlegen der Versorgungsspannung
an die Schaltung 28 an einem Knoten 29 ein erstes
Auslösesignal
Vt1. Die Zeitgeberschaltung 28 umfaßt einen Widerstand 30 und
einen variablen Widerstand 32, die parallel zu einem Widerstand 34 und
einem Heißleiter 36 geschaltet
sind. Der Heißleiter 36 weist
einen Widerstand auf, dessen Wert eine Funktion der Temperatur des
Heißleiters
ist, wie es dem Fachmann bekannt ist. Der Heißleiter 36 weist einen
negativen Temperaturkoeffizienten auf, so daß mit ansteigender Temperatur
des Heißleiters
der Wert des Widerstandes des Heißleiters abnimmt. Meist ist
der Heißleiter 36 in
der Nähe
des Brotaufnahmeraumes des Toasters angebracht, so daß sein Widerstand
einen Wert aufweist, der eine Funktion der Temperatur im Brotaufnahmeraum
ist. Der Widerstand 34 und der Heißleiter 36 parallel
zum Widerstand 30 und zum variablen Widerstand 32 bilden
zwischen dem Knoten 24 und einem Kondensator 38 zwischen
dem Knoten 29 und Masse einen Äquivalenzwiderstand mit dem
Wert RT. Der Kondensator 38 und
der Äquivalenzwiderstand
mit dem Wert RT bilden zusammen eine RC-Schaltung,
wobei die Spannung am Kondensator 38 einen Wert hat, der
als Funktion der Zeit variiert. Die Zeitabhängigkeit der Spannung am Kondensator 38 wird
durch den Wert RT des Äquivalenzwiderstands aus den
Widerständen 30 bis 34 und dem
Heißleiter 36 sowie
den Kondensator 38 bestimmt, wie es dem Fachmann wohl bekannt
ist. Wenn die Zeitgeberschaltung 28 in Betrieb ist, lädt die Spannung
am Knoten 24 über
die Äquivalenzwiderstandsschaltung
RT den Kondensator 38 auf, wodurch
das erste Auslösesignal
Vt1 erzeugt wird. Die Geschwindigkeit, mit
der der Kondensator 38 aufgeladen wird, und damit die Rate,
mit der die Größe des ersten
Schwellensignals Vt1 ansteigt, ist eine
Funktion des Widerstands der Widerstände 30 bis 34 und des
Heißleiters 36,
wie es oben angegeben ist. Der Kondensator 38 entlädt sich über eine
Diode 52 und einen Widerstand 54, wenn der Schalter 12 offen
ist.
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Ein
Diac 40 nimmt das erste Auslösesignal Vt1 an
einem ersten Anschluß auf.
Der zweite Anschluß des
Diacs 40 ist über
in Reihe geschaltete Widerstände 42 und 44 mit
Masse verbunden. Wenn das erste Auslösesignal Vt1 eine
Größe hat,
die kleiner ist als eine vorgegebene Durchbruchspannung, weist der
Diac 40 eine hohe Impedanz auf, und es fließt kein
Strom durch ihn hindurch. Wenn das erste Auslösesignal Vt1 die
Durchbruchspannung übersteigt,
schaltet der Diac 40 durch, und Strom fließt vom Knoten 29 durch
den Diac 40 und die in Reihe geschalteten Widerstände 42 und 44.
Die Widerstände 42 und 44 bilden
einen Spannungsteiler, wobei die über den Widerstand 44 anliegende
Spannung als zweites Auslösesignal
Vt2 an einen Thyristor (SCR) 46 gelegt
wird, der in Reihe zu der Spule 23 und einen Widerstand 50 geschaltet
ist. Wenn das zweite Auslösesignal
Vt2 eine zweite Durchbruchspannung übersteigt,
schaltet der Thyristor 46 durch, so daß Strom vom Knoten 24 durch
den Widerstand 50 und die Spule 23 fließt und damit
die Spule mit Energie versorgt wird. Der Widerstand 50 verringert
die Größe der an
der Spule 23 anliegenden Spannung, wenn der Thyristor 46 durchgeschaltet
ist. Wie oben erwähnt
wird beim Versorgen der Spule 23 mit Energie ein mechanischer
Rastmechanismus (nicht gezeigt) freigegeben, damit sich der Schalter 12 öffnen kann und
der Nahrungsmittelgegenstand aus dem Brotaufnahmeraum hochgehoben
wird.
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Der
gesamte Arbeitsablauf des Zeitgebers 10 während eines
Heizzyklusses bei einem herkömmlichen
Gerät mit
dem Zeitgeber wird nun näher beschrieben.
Es wird angenommen, daß anfänglich der
Schalter 12 offen ist und dadurch die Spannungsquelle 14 vom
Knoten 16 isoliert ist. Um einen Heizzyklus einzuleiten,
wird eine äußere Kraft
aufgebracht, die den Schalter 12 schließt, wodurch die Spannung von
der Quelle 14 an den Eingangsknoten 16 angelegt
wird. Wenn die Spannung von der Quelle 14 am Eingangsknoten 16 anliegt,
richtet die Diode 18 die Spannung gleich, so daß am Knoten 24 die Versorgungsspannung
erzeugt wird, wie es oben beschrieben ist. In Reaktion auf die Spannung
am Knoten 24 beginnt sich der Kondensator 38 mit
einer Rate aufzuladen, die durch den Wert des Äquivalenzwiderstands RT aus den Widerständen 30 bis 34 und dem
Heißleiter 36 bestimmt
wird. Der variable Widerstand 32 wird mit Bezug zu einer "Toastgrad"-Skala zur Steuerung
der Dauer des Heizzyklusses eingestellt. Wie oben beschrieben weist
der Heißleiter 36 einen
negativen Temperaturkoeffizienten auf, so daß mit ansteigender Temperatur
im Brotaufnahmeraum der Wert des Widerstands des Heißleiters 36 abnimmt.
Mit ansteigender Temperatur des Brotaufnahmeraums nimmt daher der
von den Widerständen 30 bis 34 und
dem Heißleiter 36 gebildete Äquivalenzwiderstandswert
RT ab, so daß sich der Kondensator 38 schneller
auflädt.
Die über
den Kondensator 38 anliegende Spannung entspricht dem ersten
Auslösesignal
Vt1, und beim Aufladen des Kondensators 38 nimmt
die Größe der ersten
Schwellenspannung Vt1 mit einer Rate zu,
die durch den Wert des Äquivalenzwiderstands
RT0 bestimmt wird. Wenn das erste Auslösesignal
Vt1 die Durchbruchspannung des Diacs 40 erreicht,
schaltet der Diac 40 durch, so daß durch die Widerstände 42 und 44 ein
Strom fließt.
In Reaktion auf den Strom durch den Widerstand 44 übersteigt
die Größe des zweiten
Auslösesignals
Vt2 die Durchbruchspannung des Thyristors 46,
so daß dieser
durchschaltet und Strom durch den Thyristor fließt, wodurch die Spule 23 mit
Energie versorgt wird. Wenn die Spule 23 mit Energie versorgt
wird, öffnet
sich der Schalter 12, wodurch die Spannungsquelle 14 vom
Knoten 16 getrennt wird und damit der Heizzyklus des Geräts beendet
wird.
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Bei
dem herkömmlichen
Toaster wird meist beim Erregen der Spule 23 und dem Öffnen des Schalters 12 ein
Brothalter im Brotaufnahmeraum angehoben, so daß ein Teil des getoasteten
Brots auf der Oberseite des Toasters nach oben übersteht und das Brot ent nommen
werden kann. Es ist auch anzumerken, daß, wenn der Schalter 12 öffnet und
die gleichgerichtete Spannung vom Knoten 24 genommen wird,
sich der Kondensator 38 über die Diode 52 und
den Widerstand 54 entladen kann, so daß die Ladung vom Kondensator 38 entfernt
wird und keine auf dem Kondensator 38 verbleibende Restladung
die Dauer des nachfolgenden Heizzyklusses beeinflußt.
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Wenn
die äußere Kraft
erneut aufgebracht wird, um den Schalter 12 zu schließen und
einen weiteren Heizzyklus zu beginnen, arbeitet der Zeitgeber 10 auf
die gleiche Weise wie oben beschrieben, um die Spule 23 für eine Verzögerungszeitspanne
nach dem Schließen
des Schalters 12 mit Energie zu versorgen. In diesem nachfolgenden
Heizzyklus kann der Brotaufnahmeraum jedoch noch vom vorherigen Zyklus
warm sein, so daß der
Heißleiter 36 einen
kleineren Widerstand als während
des vorhergehenden Heizzyklusses aufweist. Im Ergebnis ist der Widerstandswert
RT, den die Widerstände 30 bis 34 und der
Heißleiter 36 aufweisen,
kleiner als während
des vorhergehenden Heizzyklusses, wodurch sich der Kondensator 38 schneller
auflädt
und sich die Verzögerungszeit
des Zeitgebers 10 verringert. Das heißt, daß das Signal Vt1 schneller
die Durchbruchspannung des Diacs 40 erreicht und der Diac
schneller durchschaltet. Wie beschrieben wird, wenn der Diac 40 durchschaltet,
das Signal Vt2 erzeugt, um den Thyristor 46 durchzuschalten,
die Spule 23 mit Energie zu versorgen und den Heizzyklus
zu beenden. Da der Thyristor 46 schneller durchschaltet,
verringert sich die Dauer des Heizzyklusses entsprechend. Wie beschrieben
ist dies wünschenswert,
da der im Brotaufnahmeraum während
des nachfolgenden Heizzyklusses befindliche Toast in einem gewissen
Ausmaß bereits
durch die Restwärme
getoastet wird, die von dem aufgeheizten Brotaufnahmeraum auf das
Brot abgegeben wird. Die Verzögerungszeit
des gegenwärtigen
Heizzyklusses wird somit kleiner, um das Brot im zweiten Heizzyklus
im gleichen Ausmaß zu toasten
wie im ersten Heizzyklus.
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Ein
anderer herkömmlicher
Zeitgeber, der zum Steuern der Dauer des Heizzyklusses in einem Toaster
verwendet wird, besteht aus einem digitalen Zeitgeber wie einem
MC4541, der mit einem temperaturempfindlichen Kondensator verbunden
ist. Der Kondensator dient als Temperatursensor, seine Kapazität ist eine
Funktion der Temperatur. Im Betrieb wird zu Beginn eines Heizzyklusses
eine Spule mit Energie versorgt. Die Spule erzeugt eine elektromagnetische
Kraft, die während
des Heizzyklusses den Brothalter im Kochraum hält. Während des Heizzyklusses erzeugt
der digitale Zeitgeber ein oszillierendes Signal mit einer Frequenz,
die eine Funktion des Wertes des Kondensators ist. Die Frequenz
des oszillierenden Signals bestimmt, wann der digitale Zeitgeber
einen mit der Spule verbundenen Transistor aktiviert, um die Spule
abzuschalten und den Heizzyklus zu beenden.
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Bei
dem herkömmlichen
Zeitgeber 10 machen es mehrere Faktoren schwer, in aufeinanderfolgenden
Heizzyklen einen gleichbleibenden Toastgrad aufrechtzuerhalten.
Zum einen ist bereits der genaue Ort des Heißleiters im Brotaufnahmeraum kritisch.
Der Heißleiter 36 muß so angebracht
sein, daß sein
Widerstand sich als Funktion der Temperatur im Brotaufnahmeraum ändert, damit
die Verzögerungszeit
des Zeitgebers richtig eingestellt wird und in den Heizzyklen ein
gleichbleibender Toastgrad erhalten bleibt. Die Position des Heißleiters
kann sich jedoch von Toaster zu Toaster ändern, was zu unerwünschten
Veränderungen
in der Verzögerungszeit des
Zeitgebers 10 führt.
Ein weiterer Faktor, der den Toastgrad beeinflußt, ist die dem Heißleiter 36 eigene Nichtlinearität, wodurch
sich die Verzögerungszeit
in einer Art und Weise verändert,
mit der die erhöhten Temperaturen
im Brotaufnahmeraum nicht richtig kompensiert werden. Bei den nicht
so teuren Heißleitern
ist die Toleranz des Heißleiters 36 in
der Regel relativ groß;
auch diese Variationen im Wert des Widerstands des Heißleiters 36 in
verschiedenen Zeitgeberschaltungen 28 führen zu einer Änderung
in den Verzögerungszeiten
von verschiedenen Zeitgeberschaltungen 28. Bei dem Zeitgeber 10 kann
sich ein weiteres Problem ergeben, wenn sich die Spule 23 nicht "öffnet". In dieser Situation wird, wenn der Thyristor 46 durchschaltet,
die Spule 23 nicht mit Energie versorgt, so daß der Schalter 12 geschlossen bleibt
und der Toaster kontinuierlich weiter mit Energie versorgt wird.
Dies kann zu einer gefährlichen
Situation führen,
da der Toaster immer heißer
wird. Die beschriebene bekannte Schaltung mit einem digitalen Zeitgeber
und einem Kondensator weist dieses Problem nicht auf, da die zugehörige Spule
zu Beginn eines Heizzyklusses mit Energie versorgt wird und eine
ausgefallene offene Spule verhindert, daß ein Heizzyklus beginnt.
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Es
besteht ein Bedarf für
einen Zeitgeber, mit dem die Dauer von Heizzyklen in einem Toaster
zuverlässig
so gesteuert und eingestellt werden kann, daß in aufeinanderfolgenden Heizzyklen
an Nahrungsmittelgegenständen
ein gleichbleibender Toastgrad erhalten wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
obige Problem wird durch den temperaturkompensierten Zeitgeber nach
Patentanspruch 1 und mit dem Verfahren nach Patentanspruch 21 gelöst. Die
Unteransprüche
sind jeweils auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfaßt
eine temperaturkompensierte Zeitgeberschaltung eine Spule mit einem
ersten und einem zweiten Anschluß, die zwischen den Anschlüssen einen
Widerstand aufweist, der eine Funktion der Temperaturänderungen
der Spule aufgrund vor allem des durch die eingeschaltete Spule fließenden Stromes
und/oder des Wärmeübergangs auf
die Spule von Heizelementen ist. Eine Energieversorgungsschaltung
erzeugt eine erste Spannung. Zwischen die Spule und die Energieversorgungsschaltung
ist eine Schalt-Schaltung geschaltet. Die Schalt-Schaltung legt
in Reaktion auf einen äußeren Zustand
die erste Spannung an den ersten und zweiten Anschluß an, um
die Spule mit Energie zu versorgen, und trennt später in Reaktion
auf die abzuschaltende Spule die Energieversorgungsschaltung von der
Spule. Mit dem ersten und zweiten Anschluß der Spule ist eine Zeitgeberschaltung
verbunden. Die Zeitgeberschaltung arbeitet in einem ersten Modus, wenn
die Spule mit Energie versorgt wird, um eine Verzögerungszeit
mit einem Wert vorzugeben, der eine Funktion des Widerstandes der
Spule ist. Nach Ablauf der Verzögerungszeit
arbeitet die Zeitgeberschaltung in einem zweiten Modus, um die Spule
abzuschalten und damit zu bewirken, daß die Schalt-Schaltung die Energieversorgungsschaltung von
der Spule trennt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Zeitgeberschaltung
für ein
Heizgerät.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Toasters mit einem Zeitgeber
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer mit dem Zeitgeber der 2 verbundenen
Ausführungsform
der Schalt-Schaltung.
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4 ist
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Zeitgebers der 2.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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Die 2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Toasters 200 mit einem
Zeitgeber 202 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Toaster 200 umfaßt ein Gehäuse 204 mit
zwei Seitenflächen 206, 210 und
zwei Endflächen 208, 212,
die jeweils einstückig
miteinander ausgebildet sein können.
Innerhalb der Seitenfläche 206 ist
eine äußere Brotführung 216 angeordnet.
Eine identische äußere Brotführung 218 ist
innerhalb der Seitenfläche 210 angeordnet.
Zwischen den beiden äußeren Führungen 216 und 218 sind
zwei innere Brotführungen 220 und 222 vorgesehen.
Jede der Brotführungen 216 bis 222 umfaßt ein horizontales
Element 219 und vertikale Elemente 221. Zwischen
den Brotführungen 216 und 220 ist
ein erster Brotaufnahmeraum 215 ausgebildet und zwischen
den Brotführungen 218 und 22 ein
zweiter Brotaufnahmeraum 217. Die Brotführungen 216 bis 222 dienen
dazu, das zwischen die Brotführungen
eingesetzte Brot von den Heizelementen (in der 2 nicht
gezeigt) fernzuhalten, die sich auf der Innenseite der Seitenflächen 206 und 210 sowie
zwischen den mittleren Brotführungen 220 und 222 befinden.
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Im
ersten Brotaufnahmeraum 215 ist ein erster Brothalter (nicht
gezeigt) angeordnet, der ein Stück
Brot hält,
wenn es in den Brotaufnahmeraum 215 abgesenkt und daraus
hochgehoben wird. Im zweiten Brotaufnahmeraum 217 befindet
sich gleichermaßen
ein zweiter Brothalter (nicht gezeigt), der ein weiteres Stück Brot
im Brotaufnahmeraum 217 hält. Die Brothalter umfassen
jeweils einen Hebelabschnitt, der sich durch einen Schlitz 224 bzw. 226 in der
Seitenfläche 208 erstreckt.
Die Hebelabschnitte werden nach unten gedrückt, um das jeweilige Stück Brot
auf dem Brothalter in den Brotaufnahmeraum 215 bzw. 217 abzusenken.
Beim Herunterdrücken der
Brothalter bewegen sich die äußeren Brotführungen 216, 218 zur
Mitte des entsprechenden Brotaufnahmeraums 215, 217,
wie es für
die Brotführung 218 gezeigt
ist. Auf diese Weise bringen die Brotführungen 216 bis 222 das
Brot etwa in die Mitte des jeweiligen Brotaufnahmeraums 215, 217,
so daß das auf
den Brothaltern befindliche Brot sich nicht zu nahe an den Heizelementen
befindet. Der Toaster 200 umfaßt des weiteren am Boden der
Seitenfläche 208 eine
Randfläche 228.
Auf der Randfläche 228 sind
der Zeitgeber 202 und eine Schalt-Schaltung 234 angebracht.
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Die 3 zeigt
die Schalt-Schaltung 234 genauer. Die Schalt-Schaltung 234 umfaßt einen
Kontakthebel 236 und eine Kontaktanordnung 238 mit
einer ersten und einer zweiten elektrisch leitenden elastischen
Kontaktzunge 239, 240, die selektiv mit entsprechenden
Kontakten 241 und 242 verbunden werden, wie es
weiter unten noch erläutert
wird. Der Kontakthebel 236 schwenkt in Reaktion auf eine
wie gezeigt aufgebrachte Kraft F im Gegenuhrzeigersinn um die Achse 246.
Wenn der Kontakthebel 236 geschwenkt wird, werden die Kontaktzungen 239, 240 gegen
die Kontakte 241 und 242 gedrückt und damit dem Toaster 200 Energie
zugeführt.
Die Kraft F wird durch einen Teil von einem der Brothalter (nicht
gezeigt) auf den Kontakthebel 236 aufgebracht. Der Zeitgeber 202 ist
auch mit der Schaltanordnung 238 verbunden, um während eines
Heizzyklusses Energie über
die Schaltanordnung 238 zu erhalten. Wie im folgenden noch
erläutert,
steuert der Zeitgeber 202 eine elektromagnetische Spule 23 an,
die in einem Anker 243 ein magnetisches Feld erzeugt. Ein am
Ende angebrachter Schließblock 245 steht
mit dem Anker 243 in Kontakt. Das magnetische Feld hält den Schließblock 245 während des
Heizzyklusses so in Kontakt mit dem Anker 243, daß die Schaltanordnung 234 weiter
Energie zum Toaster 200 führt. Am Ende des Heizzyklusses,
das vom Zeitgeber 202 bestimmt wird, nimmt der Zeitgeber 202 die Energie
von der elektromagnetischen Spule weg, wodurch der Schließblock 245 freigegeben
wird. Der Kontakthebel 236 schwenkt dann im Uhrzeigersinn, so
daß sich
die Kontaktzungen 239, 240 von den Kontakten 241, 242 trennen.
Dadurch wird die elektrische Energie vom Toaster 200 weggenommen.
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Die 4 ist
eine schematische Ansicht des Zeitgebers 202 der 2 und 3 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Zeitgeber 202 umfaßt die Schalt-Schaltung 234,
die schematisch mit einem Schalter 310 und einer elektromagnetischen
Spule 312 dargestellt ist. Im Betrieb hält die Spule 312,
wenn sie mit Energie versorgt wird, den Schalter 310 geschlossen.
Die Spule 312 weist einen Widerstand auf, der eine Funktion
der Temperatur ist, und der Zeitgeber 202 stellt die Dauer des
Heizzyklusses des Toasters 200 mit dem Zeitgeber 202 in
Reaktion auf den Wert des Widerstandes und damit der Temperatur
der Spule 312 ein, wie es genauer noch erläutert wird.
Die Spule 312 dient daher sowohl als Temperatursensor als
auch als Aktuator zum Beenden des Heizzyklusses.
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Über den
Schalter 310 ist eine Wechselstromquelle 300 an
den Eingangsknoten 301 angeschlossen. Wenn der Schalter 310 offen
ist, ist die Wechselstromquelle 300 vom Eingangsknoten 301 isoliert,
was der offenen Stellung der Schalt-Schaltung 234 der 3 entspricht,
wenn der Kontakthebel 236 oben ist. Wenn der Schalter 310 geschlossen wird,
führt die
Spannungsquelle 300 dem Eingangsknoten 301 eine
Wechselspannung zu. Eine Diode 302 richtet die Wechselspannung
am Eingangsknoten 301 gleich, die gleichgerichtete Spannung
wird über
einen Widerstand 304 an einen Kondenstor 308 angelegt.
Der Kondensator 308 filtert die gleichgerichtete Spannung,
um am Knoten 305 im wesentlichen eine Gleichspannung zu
erzeugen. Diese Gleichspannung wird über einen Widerstand 306 zu einem
Knoten 314 geführt,
der mit einem Anschluß der
Spule 312 verbunden ist. Die Spule 312 ist zwischen
den Knoten 314 und Masse geschaltet und wird somit mit
Energie versorgt, wenn der Schalter 310 geschlossen ist.
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Die
Spannung am Knoten 314 entspricht dem Spannungsabfall an
der Spule 312. Diese Spannung wird an eine RC-Verzögerungsschaltung 318 aus
Widerständen 320, 322,
einem variablen Widerstand 324 und einem Kondensator 328 gelegt.
Der Widerstand 320 und ein Widerstand 326 dienen
als Spannungsteiler zum Erzeugen einer verringerten Spannung am
Knoten 327, wobei diese verringerte Spannung über den
Widerstand 322 und den variablen Widerstand 324 den
Kondensator 328 auflädt. Die
Werte der Widerstände 320, 322,
des variablen Widerstands 324 und des Kondensators 328 sind
so gewählt,
daß sich
an der Verzögerungsschaltung 318 die
gewünschte
Verzögerungszeit
ergibt. Der genaue Wert des variablen Widerstands kann mit Bezug
zu einer "Toastgrad"-Skala (nicht gezeigt) gewählt werden,
um so die Verzögerungszeit
einzustellen. Die Geschwindigkeit der Aufladung des Kondensators 328 ist
auch eine Funktion der Spannung am Knoten 327, wie es genauer
noch weiter unten beschrieben wird. Die Spannung über den
Kondensator 328 entspricht einem ersten Auslösesignal
Vt1, das an die Basis eines NPN-Transistors 330 geführt wird,
dessen Kollektor mit dem Knoten 314 verbunden ist. Der NPN-Transistor 330 dient
als Emitterfolger dazu, das Auslösesignal
Vt1 minus einem Diodenabfall als zweites
Auslösesignal
Vt2 zu dem Gate eines Thyristors SCR 334 zu
führen.
Wie der Fachmann weiß,
weist die Basis des Transistors 330 eine hohe Impedanz auf,
so daß nicht übermäßig viel
Ladestrom vom Kondensator abgezogen wird. Mit zunehmender Ladung des
Kondensators 328 steigt entsprechend die Größe des ersten
Auslösesignals
Vt1 an. Wenn das zweite Auslösesignal
Vt2 die Auslösespannung des Thyristors 334 erreicht,
schaltet der Thyristor durch, wodurch der Knoten 314 mit
Masse verbunden wird und dadurch die Spule 312 nicht mehr
mit Energie versorgt wird. Mit anderen Worten fließt, wenn
der Thyristor 334 durchgeschaltet hat, der Strom durch
den Thyristor 334 und nicht mehr durch die Spule 312, wodurch
die Spule nicht mehr mit Energie versorgt wird. Der Zeitgeber 202 umfaßt des weiteren
eine Diode 336 und einen Widerstand 338 zum Entladen des
Kondensators 328, wenn der Thyristor 334 durchschaltet
und den Knoten 314 näherungsweise auf
Masse setzt.
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Es
wird nun die Arbeitsweise des Zeitgebers 202 während eines
Heizzyklusses des Toasters 200 (2) näher beschrieben.
Um einen Heizzyklus einzuleiten, wird die äußere Kraft F aufgebracht, um den
Schalter 310 zu schließen,
wodurch am Knoten 305 eine Gleichspannung erzeugt wird.
Die Spannung am Knoten 305 wird über den Widerstand 306 an
die Spule 312 angelegt und versorgt diese mit Energie,
wodurch die Spule 312 den Schalter 310 auch dann
geschlossen hält,
wenn die äußere Kraft
F nicht mehr einwirkt. Dabei ist der Thyristor 334 ausgeschaltet.
Der Widerstand 306 und die Spule 312 bilden am
Knoten 314 einen Spannungsteiler, wobei die Spannung am
Knoten 314 zu der RC-Verzögerungsschaltung 318 geführt wird.
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Wenn
die Spule 312 mit Energie versorgt wird, beginnt der Kondensator 328 sich
aufzuladen, um die Verzögerungszeit
des Zeitgebers 202 vorzugeben. Wenn der Wert des am Emitter
des Transistors 330 aufgrund des Signals Vt1 erzeugten
zweiten Auslösesignals
Vt2 die Durchbruchspannung des Thyristors 334 übersteigt,
schaltet der Thyristor durch. Der durch die Spule 312 fließende Strom
wird dann über
den Thyristor 334 abgeleitet, so daß die Spule nicht mehr mit
Energie versorgt wird. Wenn die Spule 312 nicht mehr mit
Energie versorgt wird, erzeugt sie keine elektromagnetische Kraft
mehr, die den Schalter 310 geschlossen halten könnte, so
daß sich
der Schalter 310 öffnet,
wodurch der Heizzyklus des Toasters 200 beendet wird.
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Wenn
kurze Zeit nach dem ersten Heizzyklus die äußere Kraft F erneut aufgebracht
wird, wird der Schalter 310 erneut geschlossen, um die
beschriebenen Vorgänge
während
eines zweiten Heizzyklusses zu wiederholen. Während des zweiten Heizzyklusses arbeitet
der Zeitgeber 202 auf die gleiche Weise wie vorstehend
beschrieben. Im zweiten Heizzyklus und in darauffolgenden Heizzyklen ändert sich
jedoch die Verzögerungszeit
des Zeitgebers 202 als Funktion des Widerstandes der Spule 312,
wie es nun genauer erläutert
wird.
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Wie
beschrieben wird die Spule 312 während der gesamten Dauer eines
Heizzyklusses mit Energie versorgt. Wenn der Schalter 310 geschlossen wird,
um nachfolgende Heizzyklen zu bewirken, steigt die Temperatur der
Spule 312 vor allem aufgrund der Selbsterwärmung der
Spule 312 durch den durch sie hindurchfließenden Strom
an. Ein wenig kann die Spule auch durch die von den Heizelementen
(nicht gezeigt) des Toasters auf die Spule übertragene Wärme aufgeheizt
werden. Da der Widerstand der Spule 312 eine Funktion der
Temperatur ist und der Widerstand der Spule zur Einstellung der
Verzögerungszeit
des Zeitgebers 202 verwendet wird, ist die Verzögerungszeit
des Zeitgebers 202 eine Funktion der Temperatur der Spule.
Das heißt,
daß während des
zweiten Heizzyklusses die Spule 312 einen größeren Widerstand
aufweist als im ersten Heizzyklus, da die Temperatur der Spule 312 höher ist.
Im Ergebnis ist die Spannung am Knoten 314 größer als
im ersten Heizzyklus. Die erhöhte
Spannung am Knoten 314 bewirkt, daß der Kondensator 328 schneller
aufgeladen wird. Im Ergebnis erreicht das zweite Auslösesignal
Vt2 schneller die Durchbruchspannung des Thyristors 334,
so daß der
zweite Heizzyklus früher beendet
wird als der erste Heizzyklus.
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Wenn
die Spannung am Kondensator 328 im interessierenden Spannungsbereich
als etwa linear angenommen wird, hat die Änderung in der Spannung am
Knoten 321 einen proportionalen Einfluß auf die Zeit, die dazu erforderlich
ist, damit die Spannung am Kondensator 328 einen bestimmten
Wert erreicht. Es sei zum Beispiel die Spannung am Knoten 321 gleich
2,39 Volt und die Dauer eines Heizzyklusses gleich t1,
wenn die Spule 312 Raumtemperatur hat. Des weiteren sei
die Spannung am Knoten 321 gleich 2,99 Volt, wenn die Spule 312 eine
Temperatur von 100°C
hat. In diesem Beispiel ist die Dauer eines Heizzyklusses, wenn
die Spule 312 100°C
hat, etwa gleich 2,39/2,99 t1. Mit anderen
Worten beträgt
die Dauer des Heizzyklusses t2 bei einer
Temperatur der Spule 312 von 100°C nur 80% (2,39/2,99) der Dauer des
Heizzyklusses t1, wenn sich die Spule 312 etwa auf
Raumtemperatur befindet.
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In
einer Ausführungsform
ist die Spule 312 eine Kupferspule. Wie der Fachmann weiß, weist
der Widerstand von Kupfer einen linearen positiven Temperaturkoeffizienten
auf. Außerdem
ist der Temperaturkoeffizient bei Kupfer extrem gleichbleibend,
so daß er
sich von einer Spule zur anderen nicht sehr ändert. Im Ergebnis kann mit
der Spule 312 die Dauer von aufeinanderfolgenden Heizzyklen
genauer eingestellt werden, da der Temperaturkoeffizient unter den
Spulen 312 gleich bleibt. Im Gegensatz dazu weist der Heißleiter 36 (1)
des herkömmlichen Zeitgebers 10 einen
nichtlinearen Temperaturkoeffizienten auf, der sich von einem Heißleiter
zum anderen stark ändern
kann. Die Spule 312 kann alternativ eine Aluminiumspule
sein. Aluminium weist einen höheren
Widerstand auf als Kupfer, so daß eine kleinere Spule dazu
verwendet werden kann, die an die Zeitgeberschaltung 318 anzulegende
Spannung zu erzeugen. Im Zeitgeber 202 ist die Anordnung
der Spule 312 im Gegensatz zu der Anordnung des Heißleiters 36 im
herkömmlichen
Zeitgeber 10 nicht kritisch, da der Großteil der Aufheizung der Spule 312 eine
Folge des durch die Spule 312 fließenden Stroms ist. Bei der
Ausführungsform
der 4 wird die Zeitgeberschaltung 318 von
einer analogen Zeitgeberschaltung gebildet, der Fachmann erkennt
jedoch, daß die
Zeitgeberschaltung auch von einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller
oder einer anderen digitalen Vorrichtung gebildet werden kann.
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Der
Thyristor 334 kann auch so angeordnet werden, daß er von
einem der Hochleistungswiderstände 304 und 306 Wärme aufnimmt.
Bei einer Ausführungsform
des Zeitgebers 202 ist der Thyristor 334 physikalisch
so am Toaster 200 angebracht, daß er Wärme von den Brotaufnahmeräumen 215, 217 aufnimmt.
Wie der Fachmann weiß,
nimmt die Größe des zweiten
Auslösesignals
Vt2, die zum Auslösen des Thyristors 334 erforderlich
ist, mit ansteigender Temperatur des Thyristors ab. Die zum Auslösen des Thyristors 334 erforderliche
Größe des Signals
Vt2 nimmt daher mit zunehmender Temperatur
in den Brotaufnahmeräumen 215, 217 ab.
Im Ergebnis kann auch die Änderung
der Durchbruchspannung des Thyristors 334 als Funktion
der Temperatur dazu verwendet werden, die Dauer von aufeinanderfolgenden Heizzyklen
am Zeitgeber 202 einzustellen. Außerdem nimmt die Basis-Emitter-Spannung
des Transistors 330 in der Regel mit zunehmender Temperatur ab,
wenn sich der Transistor in aufeinanderfolgenden Heizzyklen aufheizt.
Im Ergebnis weist das zweite Auslösesignal Vt2 eine
Größe auf,
die näher
an der Größe des ersten
Auslösesignals
Vt1 liegt, so daß die Dauer von nachfolgenden
Heizzyklen am Zeitgeber 202 weiter abnimmt. Auf diese Weise
wird die Dauer von aufeinanderfolgenden Heizzyklen am Zeitgeber 202 in
Reaktion auf eine Änderung
des Widerstands der Spule 312 zusammen mit der Änderung
in der Durchbruchspannung des Thyristors 334 und der Änderung
in der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 330 eingestellt.