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Elektronischer memperaturregler über die Energiezufuhr für
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ein elektrisches Heizelement Die Erfindung betrifft einen elektronischen
Temperaturregler über die Energiezuführ für ein elektrisches Heizelement, z.B.
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eine Kocheinri-htung, mit einem elektronischen Steuerkreis, der als
Meßzweig einen Einstellwiderstand als Sollwertgeber und einen temperaturabhängigen
Widerstand als Istwertgeber enthält und dessen Ausgangssignal ein Lastschaltglied
des Heizelementes schaltet.
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Bei bekannten Einrichtungen dieser Art wird die Versorgungsspannung
über einen Transformator oder einen niederohmigen Vorwiderstand dem elektronischen
Schaltkreis zugeführt, um diesem den relativ hohen Leistungsbedarf zu vermitteln.
Dieser hohe Leistungsbedarf ist erforderlich, um die beltannten Lastschaltglieder,
wie entweder Triac oder handelsübliche Relais, schalten zu können. In dem zur Schaltung
dieser Lastschaltglieder erforderlichen Leistungsbedarf ist eine hohe Verlustleistung
enthalten. So liegt die gesamte Verlustleistung bei einer Leistungsregelung für
zTB. 2000 W bei einer Schaltung mit Triac bei ca. 20 W und mit einem Relais bei
ca. 6 W. Es besteht dabei die Notwendigkeit, die aufgrund dieser Verlustleistung
entstehende Wärme ber besondere Kithlglieder abzuführen. Dies bedingt eine relativ
große Bauweise für den Temperaturregler.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektronischen Temperaturregler
zu schaffen, der mit äußerst wenigen und einfachen Bauteilen, die auf kleinstem
Raum untergebracht werden können, herstellbar ist. Dabei soll trotz der zu schaltenden
hohen
Leistung, von z.B. 2000 W und mehr, nur eine äußerst minimale
Verlustleistung innerhalb der Schaltung auftreten, so daß eine besondere Kühlung
nicht erforderlich ist und der Temperaturschalter äußerst klein gehalten werden
kann.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß ein elektromagnetisches
Lastschaltglied mit einer auf seine Schaltleistung bezogenen sehr geringen Erregerleistung,
z.B. Schaltleistung ca. 2000 W und Erregerleistung < 150 mW, vorgesehen ist und
daß zwischen der Versorgungsspannung und dem elektronischen Steuerkreis ein relativ
hochohmiger Vorwiderstand, z.B. >10 KRI mit einer Gleichrichterdiode in Reihe
liegt.
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Hierdurch kann der Temperaturregler in seinem Aufbau äußerst einfach
und auf minimalem Raum begrenzt, vergleichsweise in der Baugröße eines mechanischen
Thermostaten, z.B. für Kochherde, ausgeführt werden.
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Die Erfindung zeichnet sich weiter dadurch aus, daß der elektronische
Steuerkreis als Sägezahngenerator zur Erzeugung einer Sägezahnspannung für eine
Taktzeit ausgeführt ist, dessen Säges zahnspannung mit der Steuerspannung des Meßzweiges
verglichen wird und das Ausgangs signal zur Schaltung des Lastschaltgliedes liefert.
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Nach weiterer Ausgestaltung ist ein Zweifachoperationsverstärker vorgesehen,
dessen erster Verstärker als Sägezahngenerator und dessen zweiter Verstärker als
Komparator wirkt, wobei die Taktzeit der Sägezahnspannung mindestens 30s beträgt
und das Ausgangssignal-des Komparators das Lastschaltglied schaltet.
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Es wird hierdurch ein Proportional-Taktregler geschaffen, mit dem
es möglich ist, eine Leistungsregelung schnell und stufenlos dem erforderlichen
Wert angepaßt durchzuführen, wobei die
stetige Temperaturerfassung
nahe am Kochgut, z.B. am Kochtopfboden, erfolgen kann und durch den dauernden Vergleich
mit dem Sollwert, entsprechend der Regelabweichung proportional die Heizleistung
dosiert wird. Dabei ist es insbesondere auch mUglich, durch sehr kurze Leistungstakte
bei ca. 3 % der Nennleistung niedrige Temperaturen konstant zu halten.
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Da der so geschaffene integral wirkende Proportional-Taktregler keine
Schaltdifferenz kennt, weil sich die Schaltleistung kontinuierlich ändert, bis die
Sollwertabweichung fast Null ist, gibt es kein tiber- oder Unterschwingen der Temperatur.
Es wird somit keine überschüssige Heizleistung verbraucht und die Energiebilanz
dadurch günstig beeinflußt.
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Nach weiterer Ausgestaltung besteht die Erfindung darin, daß dem ersten
als Sägezahngenerator wirkenden Operationsverstärker an seinem einen Eingang über
einen Spannungsteiler eine feste Spannung zugeführt wird und dieser Eingang über
einen weiteren Widerstand mit dem Ausgang rückgekoppelt ist und sein anderer Eingang
über antiparallel geschaltete Dioden und diesen vorgeschaltete Einzelwiderstände
mit dem Ausgang verbunden ist und daß zwischen dem anderen Eingang und der negativen
Versorgungsspannung ein Kondensator geschaltet ist.
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Nach weiterer Ausbildung ist der zweite als Komparator wirkende Operationsverstärker
mit seinem einen Eingang mit dem anderen Eingang des ersten Operationsverstärkers
verbunden und ist sein anderer Eingang mit dem Meßzweig derart verbunden, daß er
über den Einstellwiderstand und einen Vorwiderstand an der positiven Versorgungsspannung
und mit dem temperaturabhängigen Widerstand und einem weiteren Vorwiderstand an
der negativen Versorgungsspannung liegt und daß sein Ausgang das Lastschaltglied
schaltet Nach einer Ausgestaltung der Erfindung schaltet dabei der Ausgang des Komparatorsunmittelbar
das Lastschaltglied, dessen
Spule mit einer Diode parallel geschaltet
und über einen Kopplungswiderstand mit dem anderen Eingang des Operationsverstärkers
rückgekoppelt ist.
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Schließlich besteht ein weiteres Merkmal noch darin, daß der Meßzweig
so hochohmig ausgeführt ist, daß bei Isolationsfehlerh z.B. Kasseschluß am temperaturabhängigen
WiderstandS der Gleichstromanteil eines Ableitstromes unter 0,75 mA liegt.
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Der elektronische Temperaturregler nach der Erfindung ist in der Zeichnung
an mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigt Fig. 1 ein Prinzipschaltbild
über den Grundaufbau des elektronischen Temperaturreglers, Fig. 2 ein Blockschaltbild
eines als Proportional-Taktregler aufgebauten Temperaturreglers, Fig 3 ein spezifiziertes
Schaltbild des Proportional-Taktreglers, Fig. 4 ein Diagramm des Taktreglers über
einen Regelvorgang bei kleiner Leistung und Fig. 5 ein Diagramm über einen Regelvorgang
bei größerer Leistung.
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Der Grundaufbau des elektronischen Temperaturreglers ist in der Fig.
1 dargestellt. Dabei ist mit 1 der elektronische Steuerkreis, der als Meßzweig einen
Einstellwiderstand 2 als Sollwertgeber und einen temperaturabhängigen Widerstand
3 als Istwertgeber enthält. Mit dem Ausgangssignal des elektronischen Steuerkreises
1 wird ein elektromagnetisches Lastschaltglied 4 geschaltet. Zwischen der Versorgungsspannung
und dem elektronischen Steuerkreis 1 ist ein relativ hochohmiger Vorwiderstand 5
mit einer Gleichrichterdiode 6 in Reihe angeordnet. Das elektromagnetische Lastschaltglied
4 und der hochohmige Vorwiderstand 5 sind dabei so ausgeführt und aufeinander abgestimmt
daß
das Lastschaltglied 4 eine hohe Schaltleistung von ca.
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2000 W bei einer niedrigen Erregerleistung von <150 mW schaltet
und die Verlustleistung innerhalb der Schaltung nur etwa 50 6 dessen ausmacht, die
erforderlich ist, um ein handelsübliches Relais spalten zu können.
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In der Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines elektronischen Temperaturreglers
in der Ausführung eines elektronischen Proportionalreglers mit getakteter Energiepaketsteuerung
dargestellt. Dabei bestehen die Grundbauelemente aus einem Hauptschalter I mit einer
Anzeige über den Schaltzustand, einem Netzteil II, einem Sägezahngenerator III,
einem Meßzweig IV mit Sollwertgeber und Temperaturfühler, einem Komparator V, einem
Verstärker VI und einem Lastschaltglied VII. Die spezielle Ausgestaltung dieses
elektronischen Proportionalreglers mit getakteter Energiepaketsteuerung ist in der
Fig. 3 gezeigt, Danach ist dieser Proportional-Taktregler über einen 2-polig unterbrechenden
Schalter 7 mit einem Wechselstromnetz verbunden, dessen Schaltzustand durch eine
Lampe 8 angezeigt werden kann.
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Das Netzteil II besteht aus der Gleichrichterdiode 6, dem Vorwiderstand
5, der die Gleichspannung für den nachfolgenden elektronischen Steuerkreis 1 vermindert,
sowie einer Z-Diode 9 und einem Kondensator 10, durch die die Versorgungsspannung
des Steuerkreises stabilisiert wird.
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Die Verstärkerschaltung des Steuerkreises besteht aus einem Zweifachoperationsverstärker
11 und 23. Diese können als getrennte Bauteile von völlig gleichem Typ vorgesehen
werden. Sie können jedoch auch vorteilhaft in einem einteiligen integrierten Schaltkreis
ausgeführt sein. Der Operationsverstärkerll fungiert als Sägezahfigenerator III,
dessen einem Eingang 12 über den aus den Widerständen 15 und 16 gebildeten Spannungsteiler
eine feste Eingangsspannung zugeführt wird. Der Eingang 12 ist über einen weiteren
Widerstand 17 mit dem Ausgang 14 des Operationsverstärkers 11 i rückgekoppelt. Sein
anderer Eingang 13
ist über antiparallel geschaltete Dioden 18 und
19 und diesen vorgeschaltete, jeweils zugeordnete Einzelwiderstände 20 und 21 mit
dem Ausgang 14 verbunden. Weiterhin ist zwischen diesem anderen Eingang 13 und der
negativen Versorgungsspannung ein Kondensator 22 geschaltet.
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Der zweite Operationsverstärker 23 wirkt als Komparator V, der mit
seinem einen Eingang 24 mit dem anderen Eingang 13 des ersten Operationsverstärkers
11 verbunden ist. Sein anderer Eingang 25 liegt über den Einstellwiderstand 2 und
einen Vorwiderstand 27 an der positiven Versorgungsspannung und über den als Fühler
ausgebildeten temperaturabhängigen NTC-Widerstand 3 und einen weiteren Vorwiderstand
28 an der negativen Versorgungsspannung. An dem Ausgang 26 des Operationsverstärkers
23 ist unmittelbar das elektromagnetische Lastschaltglied 4 angeschlossen. Dieses
wird somit von dem aN Ausgang 26 des Komparators V anstehenden Signal geschaltet.
Zum Schutz des Operationsverstärkers 23 gegen auftretende Rückströme vom Lastschaltglied
4 ist dessen Spule eine Diode 30 parallel geschaltet.
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Der mit der Spule des Lastschaltgliedes 4 verbundene Ausgang 26 des
Operationsverstärkers 23 ist uber einen Kopplungswiderstand 29 mit dem anderen Eingang
25 des Operationsverstärkers 23 rückgekoppelt. Zur Erfüllung der Sicherheitsvorschriften
hinsichtlich berührbarer Metallteile ist der geaambeVorwiderstand für den temperaturabhängigen
NTO-Widarstand 3 speziell durch die Auslegung der Vorwiderstände 27 und 28 so groß,
daß bei auftretenden Isolationsfehlern, z.B. Masseschluß, der Gleichstromanteil
eines dadurch auftretenden Ableitstromes unter 0,75 mA liegt.
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Nach Einschaltung des Hauptschalters 7 wird über das Netzteil II Spannung
an den Zweifachoperationsverstärkers 11, 23 und seine Außenbeschaltung gelegt. Dabei
erzeugt der erste Operationsverstärker 11 an seinem anderen Eingang 13 infolge der
vorgesehenen
Anordnung der antiparallel geschalteten Dioden 18 und 19 und der diesen vorgeschalteten
Einzelviderständen 20 und 21 von unterschiedlichem Wert eine über 30s flach ansteigende
aber steil abfallende Sägezahnspannung, die am einen Eingang 24 des zweiten Operationsverstärkers
23 in gleicher Weise ansteht. Diese Spannung wird in dem als Komparator wirkenden
zweiten Operationsverstärker 23 mit der durch den Meßkreis am anderen Eingang 25
anstehenden Spannung verglichen, wodurch der Ausgang 26 eine positive oder negative
Spannung annimmt, durch die unmittelbar das elektromagnetische Lastschaltglied 4
geschaltet wird.
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Die durch den Einstellwiderstand 2 vorgewählte Spannung am anderen
Eingang 25 des Operationsverstärkers 23 wird durch die temperaturbedingte Widerstandsänderung
des temperaturabhängigen Widerstandes 3 verschoben. Solange diese Spannung oberhalb
der Sägezahnspannung liegt, ist das Lastschaltglied 4 dauernd eingeschaltet. Liegt
dagegen die Steuerspannung unterhalb der Sägezahnspannung, ist das Lastschaltglied
4 dauernd ausgeschaltet.
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Zwischen der oberen und unteren Sägezahnspannung liegt der proportionale
Regelbereich. Je nach Lage der Steuerspannung innerhalb dieses Bereiches, den der
Sägezahn in ca. 30s durchläuft, ergibt sich entsprechend das Ein- Aus- Verhältnis
der Schaltleistung, z.B. erreicht die Sägezahnspannung nach lOs die Steuerspannung,
dann ist das Lastschaltglied 4 für 10s eingegeschaltet und die restlichen ca. 20s
ausgeschaltet. Da nach dem ersten Einschalten des Heizelementes die Temperatur zunächst
niedrig und somit der temperaturabhängige NTC-Widerstand 3 hochohmig ist, liegt
die Steuerspannung höher als die Sägezahnspannung, so daß die volle Heizleistung
für den Aufheizvorgang eingeschaltet ist. Bei Annäherung an die Solltemperatur gemäß
der Einstellung des Einstellwiderstandes 2 tritt die Steuerspannung in den Sägezahnbereich
und die Leistungsreduzierung durch Takten beginnt. Je näher die zu regelnde Temperatur,
z.B.
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bei einer Kocheinrichtung, dem Einstellwert kommt, um so mehr verschiebt
sidi das Taktverhältnis zu längeren Auszeiten, bis
eine konstante
Restleistung erreicht ist, die für einen Fortkochgang ausreicht. Es wird durch den
Proportionaltaktregler deshalb eine schnelle und feinstufige Leistungsre¢tung erzielt,
weil die Schaltleistung zunächst um ein der Regelabweichung proportionales, beginnend
mit 100 96 ED, und danach kontinuierlich änderndes Maß geschaltet wird.
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In den Fig. 4 und 5 ist das Schaltverhalten des Proportional-Taktreglers
bei unterschiedlichem Kochgut und unterschiedlich gewählter Leistungsstufe dargestellt.
Dabei ist auf der Ordinate die Temperatur in °C und die eingestellte Leistung in
6 ED aufgetragen. Während auf der Abszisse die Aufheizzeit in Minuten angegeben
ist. Die Fig. 4 betrifft ein Diagramm bei einer Einstellung einer niedrigen Leistungsstufe
1, entsprechend 5 6 ED, bei der 1 1 Wasser erwärmt wird. Die Kurve f K zeigt die
gemessene Temperatur des Kochgutes, wahrend die Kurve so die gemessene Temperatur
de s das temperaturabhängigen Widerstandes anzeigt. Die Kurve P entspricht der erforderlichen
Leistungszufuhr. Es ist zu ersehen, daß während der Aufheizperiode der Taktregler
eine 10046ige Einschaltdauer abgibt, Nach Annäherung an die Solltemperatur beginnt
die Leistungsreduzierung durch Takten, in dem die Einschaltzeiten kontinuierlich
kleiner werden bis für den Fortkochgang über eine längere Periode die Restleistung
ausreicht und zur Einhaltung der vorgewählten Leistungsstufe dann nur kurzzeitige
Einschaltperioden benötigt werden. Das entsprechende Diagramm der Fig. 5 betrifft
eine Einstellung einer mittleren Leistungsstufe 4 mit einer etwa 25% igen Einschaltdauer,
durch die 2 1 Wasser zum Kochen gebracht werden.