EP1665885B1

EP1665885B1 - Thermischer zweipunktschalter und verfahren zum abschalten eines heizwiderstands

Info

Publication number: EP1665885B1
Application number: EP04765068A
Authority: EP
Inventors: Andreas Gessler
Original assignee: GESSLER ELECTRONIC GmbH
Current assignee: GESSLER ELECTRONIC GmbH
Priority date: 2003-09-15
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: DE502004003714D1; DE10342924B4; ATE361650T1; WO2005027577A1; DE10342924A1; EP1665885A1

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Zweipunktschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Abschalten eines Heizwiderstands nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Ein bekanntes Problem bei elektrischen Heizsystemen stellt die Überwachung und Regelung der Temperatur des zu erhitzenden Mediums sowie des Heizelements dar. Um das Heizsystem gegen Überhitzung zu schützen, werden in herkömmlichen Heizsystemen beispielsweise Thermoschutzschalter mit Bimetallschaltern oder Schmelzsicherungen verwandt.
So zeigt die DE 100 28 152 A1 eine Vorrichtung zum elektrischen Erwärmen eines Mediums mit einem Bimetallschalter mit Selbsthaltung. Dort ist ein erstes Heizelement zum elektrischen Erwärmen eines Mediums vorgesehen, welches über die Parallelschaltung eines als Temperaturbegrenzers ausgebildeten ersten Schalters und eines zweiten Heizelement s mit einer elektrisch leitenden Phase L verbunden ist und über einen Temperaturregler mit einer elektrisch leitenden Phase N verbunden ist. Das zweite Heizelement ist so ausgebildet, dass es bei geschlossenem ersten Schalter keine Wärme erzeugt. Im Normalbetrieb ist der erste Schalter geschlossen und der Temperaturregler erfasst mittels eine Temperatursensors die Temperatur des Mediums und vergleicht diese mit einem vorgegebenen Temperaturwert. Überschreitet die Temperatur des Mediums diesen Wert, so öffnet der Temperaturregler die Verbindung zwischen dem ersten Heizwiderstand und der Phase N, so dass das Heizelement abgeschaltet ist. Der erste Schalter ist so ausgebildet, dass er bei Überschreitung einer vorgegebenen Temperatur, der Ausschalttemperatur, geöffnet wird. Wird bei geschlossenem Temperaturregler und geschlossenem ersten Schalter das erste Heizelement zu stark erhitzt und dadurch die Ausschalttemperatur überschritten, so wird der erste Schalter geöffnet. Die leitende Phase L ist nun nur noch über das zweite Heizelement mit dem ersten Heizelement verbunden. Das zweite Heizelement weißt einen so großen Widerstand auf, so dass das erste Heizelement nur noch mit wenig Strom versorgt wird und abkühlt. Das zweite Heizelement erzeugt bei geöffnetem ersten Schalter ausreichend Wärme, um den ersten Schalter über der Ausschalttemperatur zu halten. Erst nach einem Ausschalten der Stromversorgung kann der erste Schalter abkühlen und anschließend die Vorrichtung wieder betrieben werden.
Nachteilig bei den Schutzeinrichtungen für Heizsysteme mit Bimetallschaltern ist das träge Ansprechverhalten. Bei der Verwendung von Schmelzsicherungen ist die Inbetriebnahme nicht ohne den Austausch dieser Sicherungen möglich, was umständlich und für den Anwender selbst oft gar nicht möglich ist.
Weitere Schaltungsanordnungen zur Temperaturregelung für Heizelemente offenbart die US 4 086 466, wobei dort ein Zu- und Wegschalten des mit Wechselspannung versorgten Heizelementzweigs einer Brückenschaltung erfolgt. Um die Brückenspannungen für die Temperaturregelung während der Nulldurchgänge der Wechselspannung zu messen, wird dort durch eine Gleichspannungsversorgung die Versorgung der Brückenschaltung mit Spannung sichergestellt. Zur Messung des Heizelementwiderstands ist bei der dort gezeigten Anordnung eine aufwändige zusätzliche Spannungsversorgung notwendig, zumal damit nur bei Spannungsnulldurchgang gemessen werden kann, was die Wartezeit zwischen zwei Messungen unnötig verlängert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen thermischen Zweipunktschalter und ein Verfahren zum Abschalten eines Heizwiderstands bereitzustellen, die den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines elektrischen Heizwiderstands gewährleisten, insbesondere eine zuverlässige Inbetriebnahme des Heizwiderstands sowie ein schnelles, sicheres und zuverlässiges Abschalten des elektrischen Heizwiderstands im Störfall.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen thermischen Zweipunktschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren zum Abschalten eines Heizwiderstands mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen des thermischen Zweipunktschalters und vorteilhafte Verfahrensschritte sind den Unteransprüchen entnehmbar. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1:: eine Schaltungsanordnung eines thermischen Zweipunktschalters gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2:: eine Schaltungsanordnung eines Absoluttemperaturreglers gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Figur 1 zeigt den Schaltplan eines thermischen Zweipunktschalters mit einem Netzanschluss ST1, einem Heizwiderstand R19, einer Widerstandsmessanordnung WM, einem Schaltmittel SM mit einem Relais K1 mit einem Schalter S1 und einer Erregerspule ES, einem Arbeitspunkteinstellmittel AP, Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltungen PT1 und PT2, einer Startschaltung ST mit Tiefpass, einer Toleranzeinstellschaltung TE mit Tiefpass und einem Komparator mit Selbsthaltung KS.
Zusätzlich zeigt Figur 1 eine an sich bekannte Spannungsversorgung SP zur Versorgung des thermischen Zweipunktschalters mit einer positiven Versorgungsgleichspannung V+ und einer negativen Versorgungsgleichspannung V-, beide bezogen auf ein im weiteren als Masse bezeichnetes Nullpotential 0V. Diese Versorgungsgleichspannungen speisen die Operationsverstärker und das Schaltmittel SM.
Der Netzanschluss ST1 weist eine erste Versorgungsleitung X1 und eine zweite Versorgungsleitung X2 auf, wobei die Versorgungsleitung X2 mit Masse verbunden ist. Zwischen den Versorgungsleitungen liegt eine Versorgungsspannung, in diesem Ausführungsbeispiel eine Wechselspannung an. Der Betrieb ist aber auch mit einer Gleichspannung möglich. Auch hängt der korrekte Betrieb der Schaltung nicht von der Stromflußrichtung durch das Heizelement R19 ab. In diesem Ausführungsbeispiel liegt der Effektivwert der Nennbetriebsspannung bei 230 V, die Nennfrequenz beträgt 50 Hz, es könne aber auch andere Werte gewählt werden, beispielsweise 120 V oder 110 V für die Spannung oder 60 Hz für die Frequenz. Die Wechselspannung kann sowohl in Betrag als auch in der Frequenz um vorbestimmte Nennwerte schwanken, beispielsweise um -15% bis + 10% der Nennbetriebsspannung und zwischen 45 Hz und 65 Hz für die Frequenz.
Zwischen die Versorgungsleitungen X1 und X2 ist die Widerstandsmessanordnung WM geschaltet, die als an sich bekannte Wheatstone-Messbrücke ausgebildet ist. Der erste Brückenzweig der Widerstandsmessanordnung WM wird gebildet durch die Widerstände R12 und R13, wobei der Widerstand R12 mit der Versorgungsleitung X1 und der Widerstand R13 mit der Versorgungsleitung X2 verbunden ist. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände R12 und R13 ist ein zweiter Verbindungspunkt v2.
Der zweite Brückenzweig der Widerstandsmessanordnung WM wird gebildet durch den Widerstand R14, der einerseits mit der Versorgungsleitung X2 und andererseits an einem ersten Verbindungspunkt v1 mit dem Heizwiderstand R19 verbunden ist. Der Heizwiderstand R19 ist über den Schalter S1 mit der Versorgungsleitung X1 verbunden. Der Widerstand des Heizwiderstands R19 weist einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) auf, der Widerstand nimmt also im interessierenden Betriebsbereich bei steigender Temperatur zu.
Der Schalter S1 zum Ein- und Ausschalten des Heizwiderstands R19 ist ein Leistungsschaltkontakt eines Relais K1, der als Arbeitskontakt (Schließer) ausgebildet ist. In einer stromlosen Ruhestellung O ist der Heizwiderstand R19 von der Versorgungsleitung X1 getrennt, in einer angezogenen Stellung S des Relais K1 liegt der Heizwiderstand R19 über die Versorgungsleitung X1 an der Versorgungsspannung.
Das Schaltmittel SM umfasst eine Erregerspule ES des Relais K1, eine Diode D8 und einen pnp-dotierten Transistor Q1. Die Erregerspule ES des Relais K1 ist mit dem Anschluss 2 an der negativen Versorgungsgleichspannung V- angeschlossen und mit dem Anschluss 1 am Kollektor C des Transistors Q1. Die Diode D8 ist parallel zur Erregerspule ES angeschlossen, wobei ihre Anode mit dem Anschluss 2 der Erregerspule ES verbunden ist. Sie dient zum Schutz des Transistors Q1 vor Schaltüberspannungen beim Schalten des Relais K1.
Angesteuert wird das Relais K1 durch den Transistor Q1. Der Emitter E des Transistors Q1 ist direkt mit der Versorgungsgleichspannung V+ verbunden, die Basis B des Transistors Q1 ist über einen Widerstand R7 mit der Versorgungsgleichspannung V+ und über einen Widerstand R9 mit dem Ausgang des Komparators mit Selbsthaltung KS verbunden. Zusätzlich geht eine Verbindung OUT von der Basis des Transistors Q1 zur Signalausgangsleitung X5, um den Zustand des Transistors Q1 ausgeben zu können.
Der Widerstand R7 dient zur Spannungsvoreinstellung der Basis-Emmitter-Spannung des Transistors Q1, so dass der Komparator KS nicht die gesamte zur Ansteuerung des Transistors Q1 notwendige Spannung aufbringen muss. Dieser Widerstand R7 ist nur notwendig, falls der Ausgang 8 des Komparators KS nicht die zur Ansteuerung des Transistors Q1 notwendige Spannung aufbringen kann.
Der Komparator mit Selbsthaltung KS wird gebildet durch einen Operationsverstärker IC 1C, der über den Widerstand R9 mit der Basis des Transistors Q1 verbunden ist. Der invertierenden Eingang 9 des Operationsverstärkers IC1C ist verbunden mit dem Ausgang der Startschaltung ST, während sein nichtinvertierenden Eingang 10 mit dem Ausgang der Toleranzeinstellschaltung TE verbunden ist. Zwischen die beiden Eingänge 9 und 10 ist ein Kondensator C3 zum Sieben von hochfrequenten Spannungen geschaltet. Der Ausgang 8 des Operationsverstärkers IC1C ist über einen Widerstand R11 und eine Diode D7 mit seinem Eingang 10 verbunden, wobei die Kathode der Diode D7 am Eingang 10 liegt. Der Operationsverstärkers IC1C vergleicht die an seinen Eingängen 9 und 10 liegenden Spannungen und erzeugt an seinem Ausgang 8 eine positives Spannung, falls die am Eingang 10 liegende Spannung höher ist als die am Eingang 9, und eine negative Spannung im umgekehrten Fall.
Die Toleranzeinstellschaltung TE wird gebildet durch einen Widerstand R8, einen veränderbaren Widerstand RIO und einen Kondensator C8. Das eine Ende des Widerstands R8 bildet den Eingang, das andere Ende den Ausgang der Toleranzeinstellschaltung TE. Der Kondensator C8, hier ein gepolter Elektrolyt-Kondensator, ist mit seinem positiven Anschluss mit dem Ausgang der Toleranzeinstellschaltung TE und mit seinem negativen Anschluss mit Masse verbunden. Parallel zum Kondensator C8 ist der veränderbare Widerstand R10, hier ein Potentiometer, angeschlossen. Der Widerstand R8 und der Kondensator C8 bilden einen Tiefpass, der veränderbare Widerstand R10 bildet mit dem Widerstand R8 einen Spannungsteiler, mit dem ein Spannungsverhältnis zwischen der Eingangs- und der Ausgangspannung der Toleranzeinstellschaltung TE eingestellt werden kann. Wird nur ein festes Spannungsverhältnis benötigt, so kann statt des veränderbaren Widerstands R10 auch ein Widerstand mit festem Wert gewählt werden.
Der Eingang der Toleranzeinstellschaltung TE ist verbunden mit dem Ausgang der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT2. Diese wird gebildet durch einen aktiven Tiefpass 1. Ordnung, welcher durch eine an sich bekannte invertierende Operationsverstärkerschaltung mit einem Operationsverstärker IC1B, dessen nichtinvertierender Eingang 5 auf Masse gelegt ist und dessen invertierender Eingang 6 über die Parallelschaltung eines Widerstands R3 mit einem Kondensator C2 mit seinem Ausgang 7 verbunden ist. Der Ausgang 7 des IC1B ist mit der Anode einer Diode D4 verbunden, deren Kathode den Ausgang der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT2 bildet. Die Diode D4 dient zur Gleichrichtung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers IC1B. Der invertierenden Eingang 6 des Operationsverstärkers IC1B ist mit einem Widerstand R4 verbunden, dessen anderes Ende den Eingang der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT2 bildet.
Dem Eingang der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT2 vorangeschaltet ist das Arbeitspunkteinstellmittel AP, welches durch einen veränderbaren Widerstand R15 gebildet ist. Mittels dieses Widerstands R15 lässt sich der exakte Ausschaltpunkt einstellen, welcher aufgrund von Störeinflüssen, z.B. verursacht durch Bauteiltoleranzen, von einem vorher berechneten Wert abweichen kann. Das Arbeitspunkteinstellmittel AP ist eingangsseitig mit dem zweiten Verbindungspunkt v2 der Widerstandsmessanordnung WM verbunden.
Die Startschaltung ST, die ausgangsseitig mit dem invertierenden Eingang 9 des Komparators KS verbunden ist, wird gebildet durch Widerstände R5 und R6 sowie Kondensatoren C6 und C7, wobei hier beide Kondensatoren hier gepolte Elektrolyt-Kondensatoren ausgebildet sind. Die beiden Enden des Widerstands R6 bilden den Ein- und Ausgang der Startschaltung ST. Der Widerstand R5 ist zwischen den Eingang der Startschaltung ST und Masse geschaltet. Der Kondensator C6 ist zwischen den Ausgang der Startschaltung ST und Masse geschaltet, der Kondensator C7 zwischen die positive Versorgungsgleichspannung V+ und den Ausgang der Startschaltung ST.
Der Eingang der Startschaltung ST ist verbunden mit dem Ausgang der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT1, welche identisch zu der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT2 aufgebaut ist aus einem Operationsverstärker IC1A, dessen nichtinvertierender Eingang 3 auf Masse gelegt ist und dessen invertierender Eingang 2 über die Parallelschaltung eines Widerstands R1 mit einem Kondensator C1 mit seinem Ausgang 1 verbunden ist. Der Ausgang 1 des IC1A ist mit der Anode einer Diode D3 verbunden, deren Kathode den Ausgang der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT1 bildet. Die Diode D3 dient zur Gleichrichtung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers IC1A. Der invertierenden Eingang 2 des Operationsverstärkers IC1A ist mit einem Widerstand R2 verbunden, dessen anderes Ende den Eingang der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT1 bildet. Dieser Eingang ist mit dem ersten Verbindungspunkt v1 der Widerstandsmessanordnung WM verbunden.
Um den thermischen Zweipunktschalter nach einer durch den Komparator KS erfolgten Abschaltung des Heizwiderstands R19 neu in Betrieb nehmen zu können, ist eine Resetschaltung Reset vorgesehen. Diese besteht aus einem Doppelschalter S2, dessen Schaltkontakte gleichzeitig geschaltet werden. Der erste Kontakt des ersten Schalters des Doppelschalters S2 ist mit Masse verbunden, während sein zweiter Kontakt mit dem nichtinvertierenden Eingang 10 des Operationsverstärkers IC1C des Komparators KS verbunden ist. Der erste Kontakt des zweiten Schalters des Doppelschalters S2 ist ebenso mit Masse verbunden, während sein zweiter Kontakt über einen Widerstand R22 mit der Basis B des Transistors Q1 verbunden ist.
Alternativ zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel kann statt des Heizwiderstands R19 mit einem Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten auch ein, in Figur 1 angedeuteter Heizwiderstand R18 mit einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) verwendet werden, sein Widerstand nimmt im interessierenden Betriebsbereich also bei steigender Temperatur ab. In diesem Fall müssen dann die Startschaltung ST und die Toleranzeinstellschaltung TE vertauscht werden, so dass der Eingang der Toleranzeinstellschaltung TE mit der Kathode der Diode D3 der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT1 und der Eingang der Startschaltung ST mit der Kathode der Diode D4 der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltung PT2 verbunden ist.
Ebenso kann der Vergleich der beiden Eingangsspannungen des Komparators KS und die Ansteuerung des Transistors Q1 auch durch eine hier nicht gezeigte digital arbeitenden Auswerteelektronik und -software erfolgen. Hierzu wird der Komparator KS ersetzt durch zwei unabhängig voneinander arbeitende Analog-/Digitalwandlerschaltungen, deren Ausgangssignale von einer geeigneten Vergleichselektronik oder -software verarbeitet werden und die in Abhängigkeit des Auswerteergebnisses den Transistor Q1 entsprechend ansteuert.
Für die Funktion der thermische Überlastschutzschaltung können die drei Betriebsbereiche Heizbetrieb (Normalbetrieb), Störbetrieb und Startbetrieb unterschieden werden.
Im normalen Heizbetrieb wird über den Heizwiderstand R19 das zu erhitzende Medium erhitzt, der Komparator KS steuert beständig den Transistor Q1 an, so dass der Schalter S1 des Relais K1 in der Stellung S angezogen ist. Dies setzt voraus, dass das Potential am invertierenden Eingang 9 des Operationsverstärkers IC1C höher ist als an seinem nichtinvertierenden Eingang 10, was einem höheren Potential am Verbindungspunkt v1 gegenüber dem Verbindungspunkt v2 entspricht. Da die an der Widerstandsmessanordnung WM anliegende Spannung eine Wechselspannung ist, müssen die an den Eingängen 9 und 10 des Komparators KS benötigten Gleichspannungen erst mittels der Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltungen PT1 und PT2 erzeugt werden. Zusätzlich verstärken die Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltungen PT1 und PT2 die an v1 und v2 gemessenen Spannungen und filtern hochfrequente Störungen und Spikes und entkoppeln die Widerstandsmessanordnung WM von den nachfolgenden Auswerteeinheiten.
Die gleichgerichtete Ausgangsspannung von PT1 wird dann über den aus Widerstand R6 und Kondensator C6 gebildeten Tiefpass der Startschaltung ST an den invertierenden Eingang 9 des Operationsverstärkers IC1C gelegt. Der Widerstand R5 und der Kondensator C7 bleiben im normalen Heizbetrieb im wesentlichen wirkungslos.
Die gleichgerichtete Ausgangsspannung von PT2 wird über den aus Widerstand R8 und Kondensator C8 gebildeten Tiefpass der Toleranzeinstellschaltung TE an den nichtinvertierenden Eingang 10 des Operationsverstärkers IC1C gelegt. Zusätzlich wird die dort anliegende Spannung noch, der zusammen mit dem Widerstand R8 einen Spannungsteiler bildet. Dies dient zur Einstellung der Spannungstoleranzgrenzen, bei deren Überschreiten ein Abschalten des Heizwiderstands R19 erfolgen soll.
Die zwischen den Verbindungspunkten v1 und v2 anliegende Differenzspannung stellt ein Maß für den Widerstand des Heizwiderstands R19 und somit für dessen Temperatur dar. Würde die am Heizwiderstand R19 und somit an der Widerstandsmessanordnung WM anliegende Versorgungsspannung nicht schwanken, so wäre im Normalbetrieb auch der Wert der Differenzspannung fest. Die Spannungstoleranzgrenze, ab der der Komparator KS mittels des Schalters S 1 die Versorgungsspannung am Heizwiderstand R19 abschaltet, könnte somit auf einen festen Wert eingestellt werden. Da aber die Versorgungsspannung starken Schwankungen unterliegen kann (bis zu 20% von der Nennspannung), muss auch der absolute Wert der Spannungstoleranzgrenze entsprechend schwanken, damit der Heizwiderstand R19 bei gleicher Übertemperatur korrekt abgeschaltet wird. So ist beispielsweise bei niedriger Versorgungsspannung die Differenzspannung geringer als bei Nennspannung, die Abschaltung des Heizwiderstands R19 wegen Überhitzung muss also bei einem niedrigeren Absolutwert der Differenzspannung erfolgen als im Normalbetrieb. Wäre die Spannungstoleranzgrenze auf einen festen Absolutwert eingestellt, der in diesem Fall höher wäre als der die Überhitzung anzeigende niedrigere Absolutwert der Differenzspannung, so würde der Komparator KS nicht ansprechen und den Heizwiderstand R19 nicht abschalten, obwohl Übertemperatur vorläge. Um solches fehlerhafte Ansprechverhalten zu verhindern, wird mittels des Spannungsteilers der Toleranzeinstellschaltung TE die Spannungstoleranzgrenze als Relativwert festgelegt und somit an die schwankende Versorgungsspannung angepasst.
Der veränderbare Widerstand R10 dient zum Einstellen der relativen Spannungstoleranzgrenze, bei deren Überschreiten der Heizwiderstand R19 abgeschaltet werden soll. Bleibt diese Wert bei Betrieb des Heizelements R19 immer gleich, so kann statt des veränderbaren Widerstands R10 auch ein Widerstand mit festem Wert verwendet werden.
Der Störbetrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Heizwiderstand R19 über eine vorgegebene Grenztemperatur erhitzt, z. B. durch Fehlen des zu erhitzenden Mediums. Hierdurch erhöht sich der Widerstand des Heizwiderstands R19 sehr schnell, wodurch das Potential des Verbindungspunkts v1 gegenüber dem des Verbindungspunkts v2 fällt und somit die Differenzspannung sinkt. Hierdurch sinkt auch die Eingangsspannung des Komparators KS und wechselt die Polarität, so dass das Potential am Eingang 10 des Operationsverstärkers IC1C positiv gegenüber dem Potential des Eingangs 9 wird. Hierauf folgend wechselt auch der Ausgang 8 des IC1C auf positive Polarität und der Transistor Q1 geht in Sperrbetrieb, wodurch die Erregerspule des Relais K1 stromlos wird und sein Schaltkontakt S 1 in die Nullstellung zurückfällt. Um zu sicherzustellen, dass dieser Zustand auch gehalten wird, bis die gesamte Heizvorrichtung neu in Betrieb genommen wird, geht in diesem Betriebsfall die Diode D7 aufgrund des nun höheren Potentials von Ausgang 8 des IC1C gegenüber dem nichtinvertierenden Eingang 10 in Durchlassbetrieb über. So bleibt das Potential des Eingangs 10 gegenüber dem Eingang 9 sicher auf einem positiven Wert.
Um den thermischen Zweipunktschalter nach einer durch den Komparator KS erfolgten Abschaltung des Heizwiderstands R19 neu in Betrieb nehmen zu können, wird der Doppelschalter S2 der Resetschaltung Reset betätigt. Hierdurch wird einerseits der nichtinvertierende Eingang 10 des Operationsverstärkers IC1C des Komparators KS auf Masse gelegt, um den Selbsthalteeffekt aufzuheben, andererseits wird der ausgeschaltete Transistor Q1 eingeschaltet und somit der Schalter S1 des Relais K1 angezogen, wodurch der Heizwiderstand R19 wieder mit Strom versorgt ist. Der Doppelschalter S2 der Resetschaltung Reset kann entweder als handbetätigter Taster oder auch als ein von einer Steuerschaltung angesteuerter Schalter ausgebildet sein.
Um die Heizvorrichtung in Betrieb nehmen zu können, muss für eine bestimmte Startzeit nach dem Einschalten des Heizwiderstands R19 sichergestellt sein, dass der Schalter S1 des Relais K1 angezogen bleibt und nicht aufgrund des zu geringen Potentials von Eingang 9 des IC1C gegenüber Eingang 10 den Schalter S1 sofort wieder ausschaltet. Folglich muss das Potential am invertierenden Eingang 9 des IC1C während dieser Startzeit höher sein als am nichtinvertierenden Eingang 10, bis sich die im Normalbetrieb herrschenden Spannungsverhältnisse am Eingang des Komparator KS eingestellt haben.
Hierzu dient die Reihenschaltung aus dem Kondensator C7 und den Widerständen R5 und R6 der Startschaltung ST. Zum Einschaltzeitpunkt ist der Kondensator C7 noch nicht aufgeladen, es liegt also die positive Versorgungsgleichspannung V+ am invertierenden Eingang 9 des IC1C, wodurch dieser sicher ein höheres Potential als der Eingang 10 aufweist. Der Transistor Q1 wird somit sicher angesteuert und das Relais K1 bleibt angezogen. Anschließend wird der Kondensator C7 über die Widerstände R5 und R6 auf die positive Versorgungsgleichspannung V+ aufgeladen. Die Dauer dieses Aufladevorgangs wird bestimmt durch die Werte des Kondensators C7 und der Widerstände R5 und R6. Diese müssen so ausgelegt werden, daß für die vorgegebene Dauer der Startzeit der Transistor Q1 sicher leitet und der Schalter S 1 angezogen bleibt.
Figur 2 zeigt einen Schaltplan eines Absoluttemperaturreglers gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Zusätzlich zu der thermischen Überlastschutzschaltung des Ausführungsbeispiels 1 wird hier ein Absoluttemperaturregler eingesetzt, der über den Anschluss NTC mit dem Eingang 9 des Operationsverstärkers IC1C verbunden ist. Der Absoluttemperaturregler wird gebildet durch einen Operationsverstärker IC1D, eine Diode D5, einen Widerstand R21 und einen temperaturäbhängigen Widerstand R20. Der Ausgang 14 des Operationsverstärkers IC1D ist verbunden mit der Kathode der Diode D5, deren Anode über den Anschluss NTC mit dem invertierenden Eingang 9 des Operationsverstärkers IC1C der thermischen Überlastschutzschaltung aus Figur 1 verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang 12 des Operationsverstärkers IC1D ist auf Masse gelegt. Der invertierende Eingang 13 ist verbunden mit dem Widerstand R21, dessen zweiter Anschluss an die negative Versorgungsgleichspannung V- angeschlossen ist, und mit dem temperaturabhängigen Widerstand R20, der mit seinem zweiten Anschluss an die positive Versorgungsgleichspannung V+ angeschlossen ist. Der temperaturabhängigen Widerstand R20 weist einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) auf, sein Widerstand nimmt also bei steigender Temperatur ab.
Der Absoluttemperaturregler dient zum Begrenzen der Temperatur des zu erhitzenden Mediums auf einen bestimmten Grenzwert. Im Ausführungsbeispiel ist dieser Grenzwert ein Maximalwert, der nicht überschritten werden darf. Dieser Wert wird eingestellt durch den aus dem Widerstand R21 und dem temperaturabhängigen Widerstand R20 gebildeten Spannungsteiler.
Im Normalbetrieb werden die Werte der beiden Widerstände so gewählt, dass das Potential des Ausgangs 14 des Operationsverstärkers IC1D höher ist als das anodenseitige Potential der Diode D5, so dass diese sperrt. Steigt nun die Temperatur des Mediums über den festgelegten Grenzwert, so sinkt der Wert des temperaturabhängigen Widerstands, wodurch die Spannung am invertierenden Eingang 13 des Operationsverstärkers IC1D in Richtung der positiven Versorgungsgleichspannung V+ angehoben wird. Dieser verstärkt die Spannung nun invertierend, so dass das Potential am Ausgang 14 des IC1D niedriger wird als das anodenseitige Potential der Diode D5, welche somit leitend wird. Hierdurch wird das Potential des invertierenden Eingangs 9 des Operationsverstärkers IC1C des Komparators KS niedriger als das des nichtinvertierenden Eingangs 10, so dass der Transistor Q1 in den Sperrbetrieb wechselt. Die Erregerspule des Relais K1 wird folgich nicht mehr angesteuert und der Schalter S1 des Relais K1 fällt in den geöffneten Zustand zurück.
Besonders vorteilhaft beim Gegenstand der Erfindung ist die Möglichkeit, den thermischen Zweipunktschalter sowohl bei Speisung des Heizwiderstands mit Wechselspannung als auch bei Speisung mit Gleichspannung zu betreiben.
Die Messung des Widerstands des Heizwiderstands erfolgt als Absolutmessung, die Abhängigkeit von Schwankungen der Betriebsgrößen wird durch den Einsatz der Toleranzeinstellschaltung TE kompensiert.
Weiter ist auch die kurze Ansprechzeit des thermischen Zweipunktschalters im Bereich von Millisekunden von großem Vorteil, da nur so die geforderte schnelle Abschaltung des Heizwiderstands sichergestellt werden kann.
In vorteilhafter Weise können mittels des Arbeitspunkteinstellmittels AP die Einflüsse von Störungen und Abweichungen in den Bauteilen unterdrücken und der Abschaltpunkt exakt eingestellt werden. Ebenso lassen sich die Spannungstoleranzgrenzen für die Abschaltung des Heizwiderstand durch die Toleranzeinstellschaltung auf einfache Art und Weise einstellen.
Auch kann der thermischen Zweipunktschalter ohne großen Aufwand an die temperaturabhängige Widerstandscharakteristik des Heizwiderstands angepasst werden, für die Umstellung auf NTC-Verhalten des Heizwiderstands reicht eine einfach zu verwirklichende Vertauschung der Ausgänge der beiden Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltungen PT1 und PT2.
Besonders vorteilhaft einsetzbar ist der thermische Zweipunktschalter beispielsweise als Überhitzungsschutzschaltung für Heiz- oder Kochplatten, Durchlauferhitzer, Wasserheizboiler, Tisch- und Wasserkocher, wodurch das Leerkochen bzw. ein Trockenlauf der Geräte verhindert werden kann. Auch kann der thermische Zweipunktschalter als Anzeige- und Schutzschaltung von Heizwiderständen gegen Verkalkung verwendet werden.

Bezugszeichenliste

ST1: Netzanschluss ST1
SP: Spannungsversorgung
R19: Heizwiderstand
WM: Widerstandsmessanordnung
SM: Schaltmittel
K1: Relais
S 1: Schalter, Leistungsschaltkontakt des Relais K1
ES: Erregerspule
Reset: Resetschaltung
S2: Doppelschalter
AP: Arbeitspunkteinstellmittel
PT1: Erste Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltungen
PT2: Zweite Zeitverzögerungs- und Gleichrichterschaltungen
ST: Startschaltung mit Tiefpass
TE: Toleranzeinstellschaltung mit Tiefpass
KS: Komparator mit Selbsthaltung
V+: positive Versorgungsgleichspannung
V-: negative Versorgungsgleichspannung
0V: Nullpotential für die positive und negative Versorgungsgleichspannung

Claims

Thermischer Zweipunktschalter mit einem Heizwiderstand (R19; R18) mit temperaturabhängigem Widerstandswert, einem Schalter (S1) zum Schließen eines von einer Versorgungsspannung gespeisten Stromkreises des Heizwiderstands (R19; R18) bei einer ersten Temperatur und zum Öffnen des Stromkreises bei einer zweiten höheren Temperatur, wobei Mittel (R14, R19) zum Erfassen eines vom Widerstandswert des Heizwiderstands (R19; R18) und vom Wert der Versorgungsspannung abhängigen ersten elektrischen Signals, Mittel (R12, R13) zum Erfassen eines ein nur vom Wert der Versorgungsspannung abhängigen zweiten elektrischen Signals und ein Komparator KS (KS) zum Vergleichen von aus diesen elektrischen Signalen abgeleiteten dritten und vierten Signalen vorgesehen sind, und ein Ausgangssignal des Komparators (KS) zu einem Steuereingang des Schalters (S1) geführt ist und dessen Schaltzustand bestimmt dadurch gekennzeichnet, dass zur Ableitung des dritten und vierten elektrischen Signals zwischen die Mittel (R14, R19) zum Erfassen des ersten und des zweiten elektrischen Signals und den Komparator (KS) jeweils ein Mittel (D3; D4) zum Gleichrichten des ersten und zweiten Signals geschaltet ist.
Thermischer Zweipunktschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (R14, R19) zum Erfassen des ersten elektrischen Signals aus einem ohmschen Spannungsteiler besteht, über dem bei geschlossenem Schalter (S1) die Versorgungsspannung liegt, und bei dem einer der beiden Widerstände der Heizwiderstand (R19; R18) ist.
Thermischer Zweipunktschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (R12, R13) zum Erfassen des zweiten elektrischen Signals aus einem ohmschen Spannungsteiler besteht, über dem ständig die Versorgungsspannung liegt.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (KS) einen Rückkopplungszweig mit einem Widerstand (R11) und einer Diode (D7) aufweist, wobei die Kathode der Diode (D7) mit einem Eingang (9;10) des Komparators (KS) verbunden ist.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (S1) durch ein Relais (K1) gebildet wird, welches von dem Komparator (KS) über einen Halbleiterschalter angesteuert wird.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ableitung des dritten und vierten elektrischen Signals zwischen die Mittel (R14, R19) zum Erfassen des ersten und des zweiten elektrischen Signals und dem Komparator (KS) jeweils ein aktiver Tiefpass 1. Ordnung geschaltet ist.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Mittel (D3; D4) zum Gleichrichten und die Eingänge des Komparators (KS) jeweils ein Tiefpass in Form eines RC-Gliedes (R6, C6; R8, C8) geschaltet ist.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (C7) zwischen eine Versorgungsgleichspannung und den Eingang des Komparators (KS), an den das dritte elektrische Signal geführt ist, geschaltet ist, und das zwischen den gleichen Eingang des Komparators (KS) und Masse ein Widerstandspfad (R5,R6) geschaltet ist, um beim Einschalten der Versorgungsspannung an besagten Eingang des Komparators (KS) vorübergehend die Versorgungsgleichspannung anzulegen.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein veränderbarer Widerstand (R10) zwischen den Eingang des Komparators (KS), an den das vierte elektrische Signal geführt ist, und Masse geschaltet ist, welcher zum Einstellen von Spannungs-Toleranzgrenzen für das Ausschalten des Schalters (S1) dient.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang eines der das erste und das zweite Signal abgebenden Spannungsteiler (R14, R19; R12, R13) und den sich daran anschließenden aktiven Tiefpass 1. Ordnung ein veränderbarer Widerstand (R15) zum Einstellen des Ausschaltpunktes des Schalters (S1) geschaltet ist.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Eingang des Komparators (KS), an den das dritte elektrische Signal geführt ist, ein Ausgang einer Temperatursensorschaltung geführt ist, an dem eine temperaturabhängige Spannung ausgegeben wird.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Komparators (KS), an den das dritte elektrische Signal geführt ist, der invertierende Eingang (9) ist, dass der Eingang des Komparators (KS), an den das vierte elektrische Signal geführt ist, der nichtinvertierende Eingang (10) ist und dass die Kathode der Diode (D7) mit dem nichtinvertierenden Eingang (10) verbunden ist.
Thermischer Zweipunktschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (Reset) zur erneuten Inbetriebnahme des Heizwiderstands (R19; R18) nach einer durch den Komparator (KS) erfolgten Abschaltung des Heizwiderstands (R19; R18) vorgesehen ist.
Verfahren zum Abschalten eines Heizwiderstands (R19; R18) mit temperaturabhängigem Widerstandswert, der bei einer ersten Temperatur über einen Schalter (S1) von einer Versorgungsspannung gespeist wird und bei Überschreiten einer zweiten Temperatur durch den Schalter (S1) von der Versorgungsspannung getrennt wird, wobei ein vom Widerstandswert des Heizwiderstands (R19; R18) und vom Wert der Versorgungsspannung abhängiges erstes elektrisches Spannungssignal und ein nur vom Wert der Versorgungsspannung abhängiges zweites elektrisches Spannungssignal erfasst werden, aus denen ein drittes und viertes elektrisches Signal abgeleitet und durch einen Komparator (KS) verglichen werden, und der Schalter (S1) abhängig von einem Ausgangssignal des Komparators (KS) geschlossen oder geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Spannungssignal durch Gleichrichten des ersten Spannungssignals und das vierte Spannungssignal durch Gleichrichten des zweiten Spannungssignals erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14. dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (KS) über einen Transistor (Q1) den Schalter (S1) so ansteuert, dass der Schalter (S1) den Heizwiderstand (R19; R18) von der Versorgungsspannung trennt, wenn die Differenz aus dem dritten Spannungssignal und dem vierten Spannungssignal negativ ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (KS) durch eine Selbsthalteeinrichtung (R11, D7) den Transistor (Q1) beständig so ansteuert, dass der Schalter (S1) den Heizwiderstand (R19; R18) von der Versorgungsspannung getrennt hält.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbsthaltung des Komparators (KS) durch Betätigung eines Rückstellmittels (Reset) zur erneuten Inbetriebnahme des Heizwiderstands (R19; R18) aufgehoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Inbetriebnahme des Heizwiderstands (R19; R18) vorübergehend eine Versorgungsgleichspannung an den Eingang des Komparators (KS), an den das dritte elektrische Signal geführt ist, angelegt wird, so dass der Komparators (KS) während dieser Zeit beständig den Transistor (Q1) so ansteuert, dass der Schalter (S1) den Heizwiderstand (R19; R18) zum Erhitzen eines Mediums an die Versorgungsspannung legt.