EP4761462A1

EP4761462A1 - Kochfeld und verfahren zum betreiben mindestens einer kochzone eines kochfeldes

Info

Publication number: EP4761462A1
Application number: EP25216895.0A
Authority: EP
Inventors: Thomas Maier; Andreas Huber; Peter Schuhbäck
Original assignee: BSH Hausgeräte GmbH
Current assignee: BSH Hausgeräte GmbH
Priority date: 2024-12-16
Filing date: 2025-11-19
Publication date: 2026-06-17
Also published as: DE102024211980A1

Abstract

Ein Kochfeld mit zumindest einer Kochstelle (6,7,8,9) umfasst zumindest eine Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a), die über eine Steuereinrichtung (10) mit elektrischer Energie versorgbar und in ihrer Leistung steuerbar ist. Die Steuereinrichtung (10) weist eine erste elektrische Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) und eine zweite elektrische Schaltvorrichtung (S2a, S2b) auf, welche mit der Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) in Serie verschaltet sind. Die erste elektrische Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) ist dabei als elektromechanisches Relais ausgebildet, und die zweite elektrische Schaltvorrichtung (S2a, S2b) ist als Halbleiterschalter ausgebildet. Die zweite elektrische Schaltvorrichtung (S2a, S2b) wird mittels der Steuereinrichtung (10) derart angesteuert, dass die erste elektrische Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) stets lastfrei schaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kochfeld gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Die Leistungsversorgung für die Heizeinrichtung einer Kochzone eines Kochfeldes, welches als Strahlungskochfeld ausgebildet ist, erfolgt üblicherweise mittels eines Hauptschalterrelais zum Einschalten der Stromversorgung, bzw. zum Verbinden mit dem Stromnetz. Zusätzlich ist dabei ein Taktrelais vorgesehen, welches entsprechend einer durch einen Benutzer gewählten Leistungsstufe eine mögliche Maximalleistung der Heizeinrichtung durch entsprechende Unterbrechungsphasen in der Stromversorgung (Taktung) reduziert.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 063 485 A1 ist ein gattungsgemäßes Kochfeld bekannt, welches mindestens eine Kochstelle aufweist. Die Kochstelle ist mit einem Hauptschalterrelais und mit einem Taktrelais verbunden, welches über eine Steuereinrichtung getaktet betreibbar ist. Die Steuereinrichtung ist ferner dazu ausgelegt, auch das Hauptschalterrelais mit einem Hauptschalter-Taktsignal zu betreiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den genannten Stand der Technik zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Kochfeld mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren, welches die Merkmale des Patentanspruchs 11 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen einzeln oder in Kombination zu entnehmen.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ist die zweite elektrische Schaltvorrichtung als Halbleiterschalter ausgebildet und mittels der Steuereinheit derart ansteuerbar, dass die erste elektrische Schaltvorrichtung stets lastfrei schaltet. Indem die erste elektrische Schaltvorrichtung, welche als elektromechanisches Relais ausgebildet ist, stets lastfrei schaltet, kann ein kostengünstigeres elektromechanisches Relais verwendet werden, welches dennoch für den Zeitraum einer Gerätelebensdauer des Kochfeldes zuverlässig funktioniert. Zudem kann das elektromechanische Relais jederzeit sicher einen Stromfluss durch die Heizeinrichtung unterbinden, bzw. den Stromkreis auch unter Last sicher trennen. Durch die Ausbildung der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung als Halbleiterschalter ist eine Möglichkeit geschaffen, hohe Lastströme zu schalten, ohne dabei einen Verschleiß an elektromechanischen Kontakten zu bewirken. Häufige Schaltvorgänge unter Last führen also nicht zu einem vergrößerten Übergangswiderstand, sowie zu möglichen Ausfallerscheinungen wie z.B. das Zusammenkleben der Schaltkontakte. Die im Stand der Technik verwendeten Taktrelais unterliegen einem hohen Verschleiß, da sie häufig hohe Ströme schalten. Um deren Funktion über die Lebensdauer des Kochfeldes sicherzustellen, werden dafür üblicherweise sehr kostenintensive Relais, die zudem nur von wenigen Herstellern bereitgestellt werden, verwendet. Der Halbleiterschalter, welcher auch als Halbleiterrelais, bzw. solid-state-relais bezeichnet wird, nutzt für die Schaltvorgänge elektronische Bauelemente und kommt somit ohne bewegliche Kontakte aus. Er weist bevorzugt zumindest ein Halbleiterschaltelement, wie z. B. einen Transistor, ein MOSFET, einen Thyristor, ein IGBT oder einen Triac auf.
Die Heizeinrichtung ist dabei bevorzugt als Strahlungsheizkörper ausgebildet. Unter dem Begriff Strahlungsheizkörper werden dabei Heizkörper verstanden, deren Wirkung auf der Aussendung von Infrarotstrahlung beruht. Derartige Heizkörper können z.B. als Widerstandsheizkörper ausgebildet sein und einen Heizdraht, bzw. eine Heizwendel aufweisen. Auch Halogenheizkörper oder Quarzheizstäbe fallen in diese Kategorie.
Durch die Verwendung eines Halbleiterschalters sind sehr flexible Schaltvorgänge ermöglicht. So kann z.B. ein Tastverhältnis einer Pulsweiten- bzw. Pulsdauermodulation abhängig von einer benötigten Heizleistung, bzw. einer eingestellten Kochstufe sein, wobei für jede wählbare Heizleistung, bzw. Kochstufe entsprechende Werte dafür in einer Speichereinheit der Steuereinrichtung hinterlegt sein können. Ferner ist es möglich, dass zur Leistungssteuerung der Heizeinrichtung die Schaltvorgänge netzsynchron, ähnlich einer Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung erfolgen. Auch kann vorgesehen sein, dass eine Leistungssteuerung der Heizeinrichtung über die Schaltung einzelner Halb-, bzw. Vollwellen der sinusförmigen Versorgungsspannung erfolgen kann, wobei der Schaltvorgang dabei stets im Nulldurchgang der Versorgungsspannung erfolgt.
Durch die flexiblen Schaltmöglichkeiten eines Halbleiterschalters ist es z.B. auch möglich, dass durch entsprechend kurze, bzw. angepasste Taktzeiten ein dauerhaftes, insbesondere auch bei kleinen Leistungsstufen stets sichtbares, Glühbild an den Strahlungsheizkörpern erzeugt wird. Im Gegensatz dazu wird bei herkömmlichen Kochfeldern durch die langen Taktzeiten bei kleineren Leistungsstufen ein entsprechend taktendes Glühbild erzeugt, sodass trotz eingeschalteter und heißer Kochzone zeitweise kein Glühbild des Heizkörpers sichtbar ist.
Durch die flexiblen Ansteuermöglichkeiten der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung ist es zudem möglich, durch entsprechende Schachtelung der Ein-Zeiten der unterschiedlichen Heizeinrichtungen des Kochfeldes einen Leistungsbedarf des Kochfeldes zu vergleichmäßigen. Insbesondere kurzzeitige Leistungsspitzen können dadurch gekappt werden. Besondere Vorteile ergeben sich daraus insbesondere für das Powermanagement bei Verwendung von PV-Anlagen, ggf. in Verbindung mit deren zugehörigen Speichersystemen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite elektrische Schaltvorrichtung zur Leistungstaktung der Heizeinrichtung vorgesehen. Unter Leistungstaktung ist dabei das periodische Ein und Ausschalten eines Stromflusses durch die Heizeinrichtung zu verstehen, wodurch eine mittlere Heizleistung eingestellt werden kann, die kleiner der Nennleistung der Heizeinrichtung ist. Die mittlere Heizleistung der Heizeinrichtung ergibt sich aus der Nennleistung der Heizeinrichtung multipliziert mit dem Duty-Cycle, also dem Verhältnis zwischen Einschaltzeit und der Periodendauer. So ergibt sich beispielsweise bei einer Taktung, bei der die Einschaltzeit der Ausschaltzeit entspricht, ein Duty-Cycle und somit eine Heizleistung von 50%. Durch die Ausbildung der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung als Halbleiterschalter ist der Duty-Cycle frei und in weiten Grenzen wählbar. Auch sehr schnelle Schaltvorgänge sind durch den Halbleiterschalter möglich, ohne dass sich der Verschleiß merklich erhöht. Nachdem bislang übliche elektrische Schaltvorrichtungen als elektromechanisches Taktrelais ausgebildet waren, mussten diese mit teuren Komponenten ausgerüstet sein, um die Lebensdauer des Kochfeldes zu überstehen.
Um eine allpolige Trennung der Heizeinrichtung vom Stromnetz zu ermöglichen, ist die Heizeinrichtung schaltungstechnisch zwischen den beiden elektrischen Schaltvorrichtungen angeordnet. So ist beispielsweise die erste elektrische Schaltvorrichtung zwischen einem der Außenleiter L1, L2 oder L3 und der Heizeinrichtung angeordnet, sodass die Verbindung von der Heizeinrichtung zum Außenleiter unterbrechbar ist. Darüber hinaus ist beispielsweise die zweite elektrische Schaltvorrichtung zwischen der Heizeinrichtung und dem Neutralleiter angeordnet, sodass die Heizeinrichtung durch Öffnen der beiden elektrischen Schaltvorrichtungen allpolig vom Netz trennbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung unterbricht die Steuereinrichtung für einen Schaltvorgang der ersten elektrischen Schaltvorrichtung mit der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung den Stromfluss durch die Heizeinrichtung. Dadurch ist aufgrund der Reihenschaltung der Heizeinrichtung mit den beiden elektrischen Schaltvorrichtungen ebenfalls ein Stromfluss durch die erste elektrische Schaltvorrichtung unterbrochen. Eine Unterbrechungszeit ist dabei kleiner 70 ms, insbesondere kleiner als 50 ms, und besonders bevorzugt kleiner als 30 ms. Die Unterbrechungszeit der zweiten, als Halbleiterschalter ausgebildeten elektrischen Schaltvorrichtung ergibt sich im Wesentlichen durch die Dauer eines Schaltvorganges der ersten elektrischen Schaltvorrichtung. Dabei ist noch ein Sicherheitsaufschlag zu berücksichtigen, um übliche Bauteilschwankungen, sowie weitere, störende Einflüsse, wie z.B. Schwankungen in der Versorgungsspannung auszugleichen. Somit ist die Unterbrechungszeit hinreichend lang, um ein sicheres, stromloses Schalten der ersten elektrischen Schaltvorrichtung zu ermöglichen. Darüber hinaus ist die Unterbrechungszeit hinreichend kurz, um im Falle von parallel zueinander verschalteten Heizeinrichtungen mit ihren zugehörigen, ersten elektrischen Schaltvorrichtungen alle Heizeinrichtungen, und somit auch die eigentlich nicht zu schaltenden Heizeinrichtungen, kurzzeitig von der Stromversorgung zu trennen, ohne dass sich die kurze Unterbrechung merklich auf die Heizleistung der eigentlich nicht zu schaltenden Heizelemente auswirkt. Dies ist auf die insbesondere bei Strahlungsheizkörpern üblichen, langen Periodendauern, bzw. Zykluszeiten von mehreren 10 s zurückzuführen, bei denen eine kurzzeitige Unterbrechung im Bereich einiger 10 ms nicht relevant ist.
Sind zumindest zwei Heizeinrichtungen zusammen mit ihren jeweils zugehörigen ersten elektrischen Schaltvorrichtungen zueinander in einem Parallelzweig verschaltet und gemeinsam mit lediglich einer einzigen, zweiten elektrischen Schaltvorrichtung verbunden, so ergibt sich ein einfacherer Aufbau mit weniger Komponenten, insbesondere wird zumindest eine zweite elektrische Schaltvorrichtung eigespart.
Bevorzugt ist es dabei, wenn für jeden Schaltvorgang eines der ersten elektrischen Schaltvorrichtungen die zweite elektrische Schaltvorrichtung den gesamten Parallelzweig kurzzeitig stromlos schaltet. Dadurch ist sichergestellt, dass die ersten elektrischen Schaltvorrichtungen stets ohne Last schalten.
Weiter bevorzugt werden bei einer derartigen Ausgestaltung die Unterbrechungszeiten der kurzzeitigen Leistungsunterbrechungen bei den nicht für einen Schaltvorgang vorgesehenen Heizeinrichtungen aufsummiert und entsprechend bei der Leistungstaktung der jeweiligen Heizeinrichtung ausgleichend mit berücksichtigt. Somit kann sich bei einer Leistungstaktung eine Einschaltzeit in festgelegten Zeitabständen geringfügig erhöhen, um die für diese Heizeinrichtung nicht benötigten, aber dennoch erfolgten Leistungsunterbrechungen auszugleichen.
Um eine hohe Betriebssicherheit zu erreichen, ist jeder beiden elektrischen Schaltvorrichtungen ein Sensor zugeordnet, der den aktuellen Schaltzustand überwacht.
In einer bevorzugten Weiterbildung wertet die Steuereinheit die Sensordaten der Sensoren aus, und schaltet bei Erkennen eines fehlerhaften Schaltzustandes eines der beiden elektrischen Schaltvorrichtungen die jeweils andere elektrische Schaltvorrichtung ab. Insbesondere werden bei einem als fehlerhaft erkannten Schaltzustand alle elektrischen Schalteinrichtungen des betroffenen Zweiges abgeschaltet. Bei parallel zueinander verschalteten Heizeinrichtungen werden dabei entsprechend alle Heizeinrichtungen abgeschaltet.
Weist die Steuereinrichtung einen Sonderbetriebsmodus auf, bei dem die beiden elektrischen Schaltvorrichtungen derart angesteuert werden, dass die erste elektrische Schaltvorrichtung in einem begrenzten Zeitraum unter Last schaltet, können dadurch dessen Relaiskontakte gereinigt werden. Die Reinigung bezieht sich insbesondere auf eine im Laufe der Zeit entstehende Oxidschicht und/oder oder eine Ablagerung von Schmutz, bzw. Staub. Diese Ablagerungen werden durch das Schalten unter Last, bzw. dem Fließen von hohen Strömen beseitigt, bzw. weggebrannt. Eine definierte Zeitdauer des begrenzten Zeitraumes ist dabei in der Steuereinrichtung des Kochfeldes hinterlegt. Alternativ dazu kann eine Anzahl von Schaltvorgängen in der Steuereinrichtung hinterlegt sein, welche ausreichend ist, um die Relaiskontakte zu reinigen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben mindestens einer Kochstelle eines Kochfeldes, bei der eine Heizeinrichtung der Kochstelle über eine Steuereinrichtung mit Strom versorgt wird, und die Stromversorgung über eine erste elektrische Schaltvorrichtung, welche als elektromechanisches Relais ausgebildet ist, und eine zweite elektrische Schaltvorrichtung, welche als Halbleiterschalter ausgebildet ist und welche elektrischen Schaltvorrichtungen jeweils in Serie mit der Heizeinrichtung verschaltet sind, erfolgt, aufweisend folgende Schritte:

Schalten der ersten elektrischen Schaltvorrichtung,
getaktetes Schalten der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung für die Dauer des Kochstellenbetriebs, um die Heizleistung entsprechend einer Sollvorgabe zu steuern,
bei Beendigung des Kochstellenbetriebs deaktivieren der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung, sodass der Stromfluss durch die Heizeinrichtung unterbrochen wird, und
Schalten der ersten elektrischen Schaltvorrichtung, sodass die Heizeinrichtung vom Stromnetz getrennt wird.

Bevorzugt werden dabei mehrere Heizeinrichtungen mit der jeweils zugehörigen, ersten elektrischen Schaltvorrichtung parallelgeschaltet, wobei die zweite elektrische Schaltvorrichtung in Serie zu dieser Parallelschaltung angeordnet ist. Beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer Heizeinrichtungen erfolgt dabei die Taktung der einzelnen Heizeirichtungen über die erste elektrische Schaltvorrichtung, wobei zum Schalten einer jeweils betroffenen ersten elektrischen Schaltvorrichtung die zweite elektrische Schaltvorrichtung den Parallelzweig kurzzeitig stromlos schaltet, wodurch die ersten elektrischen Schaltvorrichtungen stets stromlos schaltbar sind.
Vorteile und Merkmale, die bezüglich des Kochfeldes beschrieben wurden und werden, gelten - soweit anwendbar - entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 das erfindungsgemäße Kochfeld in einer Draufsicht;
Fig. 2 ein Stromlaufplan zur Steuerung der Heizeinrichtungen entsprechend dem Stand der Technik;
Fig. 3 ein Stromlaufplan zur Steuerung der Heizeinrichtungen gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung;
Fig. 4 ein Ansteuerschema für zwei Heizeinrichtungen, bzw. Kochzonen;
Fig. 5 ein Detail a des Ansteuerschemas aus Fig. 4 in einer vergrößerten Ansicht;
Fig. 6 ein Ansteuerschema für drei Heizeinrichtungen, bzw. Kochzonen und
Fig. 7 ein Ansteuerschema für eine Heizeinrichtung im Teillastbetrieb.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Kochfeld 2, welches eine Glaskeramikplatte 4 aufweist, an der Kochzonen 6, 7, 8 und 9 ausgebildet sind. Dabei ist die Kochzone 6 hinten links als zweikreisige Kochzone ausgebildet und weist entsprechend unter der Glaskeramikplatte 4 zwei separat schaltbare Heizeinrichtungen 6a und 6b auf. Ein Benutzer kann dabei z.B. nur die Heizeinrichtung 6a in einer vorgebbaren Leistungsstufe aktivieren. Dies betrifft den inneren, kleinen Teilbereich der Kochzone 6, welcher für Gargefäße mit kleinen Durchmessern vorgesehen ist. Für Gargefäße mit größeren Durchmessern ist dann noch ein zweiter Teilbereich der Kochzone 6, bzw. die zugeordnete Heizeinrichtung 6b zuschaltbar, wodurch sich aufgrund der Kombination der beiden Teilbereiche der Kochzone 6 ein Aufstellbereich für Gargefäße mit großem Durchmesser ergibt. Der zweite Teilbereich ist dabei nicht einzeln nutzbar. Bei einem Kombinationsbetrieb können die Heizeinrichtungen 6a und 6b unterschiedlich angesteuert, bzw. getaktet werden, um z.B. einer Durchbiegung eines Gargefäßbodens Rechnung zu tragen. Die weiteren Kochzonen 7, 8, und 9 weisen jeweils nur eine zugehörige Heizeinrichtung 7a, 8a und 9a auf. Das Kochfeld 2 weist zudem noch eine Steuereinrichtung 10 auf, welche unterhalb der Glaskeramikplatte 4 angeordnet ist, und die Heizeinrichtungen 6a, 6b, 7a, 8a und 9a bei Bedarf mit Strom versorgt und in Ihrer Leistung regelt. Die Steuereinrichtung 10 ist signaltechnisch noch mit einem Bedienfeld 12 des Kochfeldes verbunden, womit ein Benutzer das Kochfeld bedienen und z.B. den Kochzonen 6, 7, 8, 9 entsprechende Leistungsstufen zuordnen kann.
Fig. 2 zeigt einen Stromlaufplan einer derzeit üblichen Ansteuerung der Heizeinrichtungen 6a, 6b, 7a, 8a und 9a. Dabei ist an einem Außenleiter L1 der Stromversorgung eine elektrische Schaltvorrichtung S1a angebunden, welches als Hauptschalterrelais für die nachgeordneten Heizeinrichtungen 6a und 6b fungiert. Dieses Hauptschalterrelais ist als elektromechanisches Bauteil ausgebildet und kann mittels der Steuereinrichtung 10 den Stromfluss durch alle nachgeordneten Heizeinrichtungen 6a und 6b unterbrechen und entsprechend eine Trennung vom Stromnetz bewirken. Jedem der Heizeinrichtungen 6a und 6b ist zudem ein Taktrelais T1, T2 zugeordnet, welche ebenfalls als elektromechanische Bauteile ausgebildet sind, und einen Teillastbetrieb der zugeordneten Heizeinrichtungen 6a und 6b durch eine jeweilige Leistungstaktung ermöglichen. Entsprechende Steuersignale für die Taktrelais T1 und T2 werden durch die Steuereinrichtung 10 bereitgestellt. Die jeweiligen Taktrelais T1-T5 verbinden die entsprechende Heizeinrichtungen 6a, 6b, 7a, 8a und 9a jeweils mit dem Neutralleiter. Zur gleichmäßigen Netzauslastung sind die weiteren Heizeinrichtungen 7a-9a mittels einer separaten elektrischen Schaltvorrichtung S1b mit dem Außenleiter L2 verbindbar. Die Heizeinrichtungen 7a-9a sind über die Taktrelais T3-T5 jeweils mit dem Neutralleiter verbunden. Die Taktrelais T1-T5 müssen dazu ausgelegt sein, die hohen, durch die Heizeinrichtungen 6a, 6b, 7a, 8a und 9a fließenden Ströme häufig und sicher zu schalten, und das über die gesamte Lebensdauer des Kochfeldes 2. Auch die Hauptschalterrelais, bzw. die elektrischen Schaltvorrichtungen S1a, S1b müssen dazu ausgelegt sein, hohe Ströme sicher zu schalten.
Fig. 3 zeigt den Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Ausgestaltung. Dabei sind dem Außenleiter der Stromversorgung L1 wieder die zwei Heizeinrichtungen 6a und 6b zugeordnet. Vor jeder der Heizeinrichtungen 6a und 6b ist eine erste elektrische Schaltvorrichtung S1a, S1b in Serie geschaltet. Eine gemeinsame zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a stellt eine schaltbare Verbindung zum Neutralleiter dar. Der durch die Heizeinrichtungen 6a und 6b fließende Laststrom wird ausschließlich durch die zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a geschaltet, welche als Halbleiterschalter ausgebildet ist. Durch die Ausbildung als Halbleiterschalter ergibt sich kein Verschleiß an mechanischen Kontakten - ein sicheres Schalten ist stets gegeben. Die ersten elektrischen Schaltvorrichtungen S1a und S1b dienen zur Auswahl der entsprechenden Heizeinrichtung 6a oder 6b. So kann beispielsweise bestimmt werden, ob bei der Kochzone 6 lediglich der innere Kreis mit der zugeordneten Heizeinrichtung 6a, oder der innere und der äußere Kreis durch die Aktivierung beider Heizkreise 6a und 6b genutzt wird. Wenn beide Heizkreise der Kochzone 6 genutzt werden, weil z.B. ein Gargefäß mit großem Durchmesser beheizt werden soll, kann es dennoch erforderlich sein, die Heizeinrichtungen 6a und 6b mit unterschiedlicher Taktfrequenz, bzw. Leistung zu betreiben, um ein optimales Kochergebnis zu erzielen. Um dies zu erreichen, erfolgt auch die Taktung der einzelnen Heizeinrichtungen 6a, 6b mittels der ersten elektrischen Schaltvorrichtungen S1a und S1b, wobei diese stets stromlos schalten, da die zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a vor jedem Schaltvorgang der ersten elektrischen Schaltvorrichtungen S1a und S1b den Strom durch beide Heizeinrichtungen 6a und 6b für die Dauer des Schaltvorganges kurzzeitig unterbricht. Die ersten elektrischen Schaltvorrichtungen S1a und S1b werden trotz der zahlreichen Schaltvorgänge kaum belastet, da sie stets stromlos schalten, wodurch trotz dem Einsatz von preisgünstigen Komponenten eine lange Lebensdauer erzielbar ist.
Den weiteren Heizeinrichtungen 7a, 8a, und 9a Kochzonen 7, 8 und 9 ist jeweils eine erste elektrische Schaltvorrichtung S1c, S1d und S1e vorgeschaltet, wodurch sie mit der Phase L2 verbindbar sind. Die Heizeinrichtungen 7a, 8a, und 9a mit ihren zugeordneten ersten elektrischen Schaltvorrichtungen S1c, S1d und S1e sind parallel zueinander verschaltet. Die Anbindung an den Neutralleiter erfolgt über eine gemeinsame zweite elektrische Schaltvorrichtung S2b, die in Serie zu der Parallelschaltung der Heizeinrichtungen 7a, 8a und 9a verschaltet ist. Die Funktionsweise ist entsprechend zur Ansteuerung der Heizeinrichtungen 6a und 6b.
Ein Beispiel für ein entsprechendes Ansteuerschema der Heizeinrichtungen 6a und 6b ist in Fig. 4 zu sehen. Dargestellt sind die Schaltzustände der elektrischen Schaltvorrichtungen S1a, S1b und S2a, aufgetragen über die Zeit. Die Schaltzustände können dabei "Ein" (obere Linie) oder "Aus" (untere Linie) sein. In dem Ansteuerschema schaltet die erste elektrische Schaltvorrichtung S1a mit gleichen Ein- und Auszeiten, was bezüglich der Heizeinrichtung 6a, welche den inneren Kreis der Kochzone 6 beheizt, eine Halbierung der maximal möglichen Heizleistung bedeutet. Der äußere Kreis der Kochzone 6, welcher durch die elektrische Schaltvorrichtung S1b gesteuert wird, weist eine zur ersten elektrischen Schaltvorrichtung S1a unterschiedliche Taktung auf, welche z.B. eine höhere Flächenheizleistung bewirkt. Dies kann z.B. vorteilhaft sein, wenn ein großes Gargefäß einen gewölbten Bodenbereich aufweist, der nur randseitig auf der Glaskeramikplatte 4 aufliegt.
Die zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a, welche als Halbleiterschalter ausgebildet ist, schaltet kurz nach der Aktivierung ersten elektrischen Schaltvorrichtung S1b ein, bzw. stellt eine Verbindung zum Neutralleiter her. Im weiteren zeitlichen Verlauf bleibt die zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a so lange eingeschaltet, bis ein Schaltvorgang eines der beiden ersten elektrischen Schaltvorrichtungen S1a oder S1b kurz bevorsteht. Kurz vor dem Schaltvorgang der ersten elektrischen Schaltvorrichtung S1a, S1b unterbricht die zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a den Stromfluss im gesamten Parallelzweig der Heizeinrichtungen 6a und 6b, sodass das Schalten der entsprechenden ersten elektrischen Schaltvorrichtung S1a, S1b stromlos erfolgen kann. Kurz nach dem Schaltvorgang der ersten elektrischen Schaltvorrichtung S1a, S1b stellt die zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a die Verbindung zum Neutralleiter wieder her, bzw. ermöglicht wieder den Stromfluss durch die Heizeinrichtungen 6a, 6b. Die zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a unterbricht also für jeden Schaltvorgang eines der ersten elektrischen Schaltvorrichtungen S1a, S1b kurzfristig den Stromfluss durch die Heizeinrichtungen 6a, 6b. Die häufigen, kurzen Schaltvorgänge der als Halbleiterschalter ausgebildeten zweiten elektrischen Schaltvorrichtung S2a beeinflussen dessen Lebensdauer dabei nur unerheblich.
Fig. 5 zeigt ein Detail a des Ansteuerschemas aus Fig. 4, welches einen Schaltzeitpunkt der ersten elektrischen Schaltvorrichtung S1b zeitlich gestreckt darstellt. Damit die erste elektrische Schaltvorrichtung S1b stromlos schalten kann, wird kurz vor dem Schaltvorgang durch die zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a ein Stromfluss durch die zugeordneten Heizeinrichtungen 6a, 6b für eine Unterbrechzeit t unterbrochen. Diese Unterbrechzeit t beträgt lediglich 10 ms, was jedoch ausreicht, um einen Schaltvorgang der ersten elektrischen Schaltvorrichtung S1b stromlos durchzuführen.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für ein Ansteuerschema der Heizeinrichtungen 7a, 8a und 9a, welche den Kochzonen 7, 8 und 9 zugeordnet sind. Das Schalten der Heizeinrichtungen 7a, 8a und 9a erfolgt dabei mittels erster elektrischer Schaltvorrichtungen S1c, S1d, S1e, sowie mittels einer als Halbleiterschalter ausgebildeten zweiten elektrischen Schaltvorrichtung S2b. Das Grundprinzip entspricht dem aus der Fig. 4, jedoch werden hier drei Heizeinrichtungen gesteuert, was eine erhöhte Schalthäufigkeit der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung S2b bewirkt. Auch hier schalten die ersten elektrischen Schaltvorrichtungen S1c, S1d, S1e stets stromlos.
Fig. 7 zeigt den Fall, wenn nur der innere Teil der Kochzone 6 mittels der Heizeinrichtung 6a beheizt wird. In dem Fall schaltet die erste elektrische Schaltvorrichtung S1a ein und stellt eine Verbindung zum Außenleiter L1 her. Die erste elektrische Schaltvorrichtung S1a schaltet dabei stromlos, da die zweite elektrische Schaltvorrichtung S2a zeitverzögert einschaltet, und den Stromfluss durch die Heizeinrichtung 6a freigibt. Die erste elektrische Schaltvorrichtung S1a bleibt während des gesamten Heizvorganges eingeschaltet. Das Takten der Heizleistung wird durch entsprechende Schaltvorgänge der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung S2a bewerkstelligt. Durch die Ausbildung als Halbleiterschalter kann eine Schalthäufigkeit in weiten Grenzen variiert werden, ohne einen merklich erhöhten Verschleiß des Halbleiterschalters zu bewirken. In der Fig. 7 entsprechen die Einschaltzeiten den Ausschaltzeiten, wodurch sich eine mittlere Leistung der Heizeinrichtung 6a von 50% gegenüber der Maximalleistung (Dauerbestromung) ergibt.

Bezugszeichenliste:

2: Kochfeld
4: Glaskeramikplatte
6: Kochzone
6a: Heizeinrichtung
6b: Heizeinrichtung
7: Kochzone
7a: Heizeinrichtung
8: Kochzone
8a: Heizeinrichtung
9: Kochzone
9a: Heizeinrichtung
10: Steuereinrichtung
12: Bedienfeld
L1; L2: Außenleiter
N: Neutralleiter
S1a-S1e: erste elektrische Schaltvorrichtung
T1-T5: Taktrelais
S2a; S2b: zweite elektrische Schaltvorrichtung
t: Unterbrechungszeit

Claims

Kochfeld mit zumindest einer Kochstelle (6, 7, 8, 9), umfassend zumindest eine Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a), die über eine Steuereinrichtung (10) mit elektrischer Energie versorgbar und in ihrer Leistung steuerbar ist, wobei die Steuereinrichtung (10) eine erste elektrische Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) und eine zweite elektrische Schaltvorrichtung (S2a, S2b) aufweist, welche mit der Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) in Serie verschaltet sind, und wobei die erste elektrische Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) als elektromechanisches Relais ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Schaltvorrichtung (S2a, S2b) als Halbleiterschalter ausgebildet ist und mittels der Steuereinrichtung (10) derart angesteuert wird, dass die erste Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) stets lastfrei schaltet.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Schaltvorrichtung (S2a, S2b) zur Leistungstaktung der Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) vorgesehen ist.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) schaltungstechnisch zwischen den beiden elektrischen Schaltvorrichtungen (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e, S2a, S2b) angeordnet ist.
Kochfeld einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) für einen Schaltvorgang der ersten elektrischen Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) mit der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung (S2a, S2b) den Stromfluss durch die Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) für eine Unterbrechungszeit (t) kleiner 70 ms, insbesondere kleiner als 50 ms und bevorzugt kleiner als 30 ms unterbricht.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Heizeinrichtungen (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) zusammen mit ihren jeweils zugehörigen ersten elektrischen Schaltvorrichtungen (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) zueinander in einem Parallelzweig verschaltet sind und gemeinsam mit lediglich einer einzigen, zweiten elektrischen Schaltvorrichtung (S2a, S2b) verbunden sind.
Kochfeld nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, für jeden Schaltvorgang eines der ersten elektrischen Schaltvorrichtungen (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) die zweite elektrische Schaltvorrichtung (S2a, S2b) den gesamten Parallelzweig kurzzeitig stromlos schaltet.
Kochfeld nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungszeiten (t) der kurzzeitigen Leistungsunterbrechungen bei den nicht für einen Schaltvorgang vorgesehenen Heizeinrichtungen (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) aufsummiert und entsprechend bei der Leistungstaktung der jeweiligen Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) ausgleichend mitberücksichtigt werden.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder beiden elektrischen Schaltvorrichtungen (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e, S2a, S2b) ein Sensor zugeordnet ist, der einen aktuellen Schaltzustand überwacht.
Kochfeld nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, die Steuereinheit (10) die Sensordaten der Sensoren auswertet, und bei Erkennen eines fehlerhaften Schaltzustandes eines der beiden elektrischen Schaltvorrichtungen (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e, S2a, S2b) die jeweils andere elektrische Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e, S2a, S2b) abschaltet.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) in einem Sonderbetriebsmodus dazu eingerichtet ist, die beiden elektrischen Schaltvorrichtungen (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e, S2a, S2b) derart anzusteuern, dass die erste elektrische Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) in einem begrenzten Zeitraum unter Last schaltet, um deren Relaiskontakte zu reinigen.
Verfahren zum Betreiben mindestens einer Kochstelle (6, 7, 8, 9) eines Kochfeldes 2, bei der eine Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) der Kochstelle (6, 7, 8, 9) über eine Steuereinrichtung (10) mit Strom versorgt wird, und die Stromversorgung über eine erste elektrische Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e), welche als elektromechanisches Relais ausgebildet ist, und eine zweite elektrische Schaltvorrichtung (S2a, S2b), welche als Halbleiterschalter ausgebildet ist und welche elektrischen Schaltvorrichtungen (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e, S2a, S2b) jeweils in Serie mit der Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) verschaltet sind, erfolgt, aufweisend folgende Schritte:
• Schalten der ersten elektrischen Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e),

• getaktetes Schalten der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung (S2a, S2b), für die Dauer des Kochstellenbetriebs, um die Heizleistung entsprechend einer Sollvorgabe zu steuern,

• bei Beendigung des Kochstellenbetriebs deaktivieren der zweiten elektrischen Schaltvorrichtung (S2a, S2b), sodass der Stromfluss durch die Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) unterbrochen wird, und

• Schalten der ersten elektrischen Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e), sodass die Heizeinrichtung (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) vom Stromnetz getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Heizeinrichtungen (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) mit der zugehörigen, ersten elektrischen Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) jeweils parallelgeschaltet sind, und die zweite elektrische Schaltvorrichtungen (S2a, S2b) in Serie zu dieser Parallelschaltung angeordnet ist, wobei beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer Heizeinrichtungen (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) die Taktung der einzelnen Heizeirichtungen (6a, 6b, 7a, 8a, 9a) über die ersten elektrischen Schaltvorrichtungen (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) erfolgt, und zum Schalten einer jeweils betroffenen ersten elektrischen Schaltvorrichtung (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) die zweite elektrische Schaltvorrichtung (S2a, S2b) den Parallelzweig kurzzeitig stromlos schaltet, wodurch die ersten elektrischen Schaltvorrichtungen (S1a, S1b, S1c, S1d, S1e) stets stromlos geschalten werden.