DE3003451A1

DE3003451A1 - Steuerschaltung fuer die zufuhr elektrischer energie zu einem widerstandsheizelement

Info

Publication number: DE3003451A1
Application number: DE19803003451
Authority: DE
Inventors: Thomas Roy Payne
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-02-01
Filing date: 1980-01-31
Publication date: 1980-08-14
Also published as: JPS55129815A; US4334147A; IT8019594A0; IT1129694B; SE8000788L; FR2448185A1; GB2041674A; AU5509780A

Description

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, ¹ New York 12305 (USA)

Steuerschaltung für die Zufuhr elektrischer Energie zu einem Widerstandsheizelement

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zum Anschluß an eine pulsierende Stromversorgung für die Steuerung der abgegebenen Leistung eines Widerstandsheizelementes in Abhängigkeit von der durch einen Benutzer aus einer Reihe, von diskreten Leistungseinstellungen ausgewählten Leistungseinstellung. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuerschaltung für die Zufuhr elektrischer Energie zu einem Widerstandsheizelement in Abhängigkeit von einer aus einer Reihe möglicher, die AUS-Einstellung umfassender Leistungseinstellungen ausgewählten Leistungseinstellung, wobei jeder Leistungseinstellung eine andere dem Heizelement zugeführte Leistung entspricht und das Heizelement bei hohen Temperaturen einen verhältnismäßig hohen und bei niedrigen Temperaturen einen verhältnismäßig kleinen Widerstand aufweist ο Schließlich betrifft die Erfindung ein elektrisches Kochgerät mit einer Steuerschaltung, die eine Reihe von durch einen Benutzer manuell auswählbaren, die AUS-Einstellung enthaltenden Leistungseinstellungen aufweist und in verschiedenen stationären Betriebszuständen einem mit der Steuerschaltung verbundenen, an ein Hausstromnetz anschließbaren Widerstandsheizelement entsprechend der ausgewählten Leistungseinstellung elektrische Leistung zuführt.

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Die Verwendung von Glas-Keramik-Flächen als Herdflächen von elektrischen Kochherden kommt immer mehr in Gebraucl Zu den Vorteilen dieser glatten Kochflächen gehört das gefällige Aussehen und die leichte Relnigungsfähigkeit. Jedoch sind solche Kochflächen wegen der hohen thermischen Impedanz der Glas-Keramik-Platte thermisch weniger effizient als gebräuchliche Herdflächen mit ummantelten Heizelementen.

Wegen der einzigartigen elektrischen und thermischen Eigenschaften von Materialien wie MoSi₂ und Wolfram sind daraus hergestellte Heizelemente zur Verwendung bei Glas-Keramik-Herdflächen interessant. Der große positive Temperaturkoeffizient des Widerstandes, die geringe thermische Masse und der geringe spezifische. Wärmewert von MoSi₂ und Wolfram sowie die hohen erreichbaren Arbeitstemperaturen bei aus diesen Materialien hergestellten Heizelementen schaffen die Möglichkeit, den thermischen Wirkungsgrad von Kochgeräten mit einer Glas-Keramik-Herdfläche zu verbessern. Jedoch ergeben dieselben dynamischen elektrischen und thermischen Eigenschaften Probleme bei der Leistungssteuerung, die den Gebrauch von Heizelementen aus diesem Material bei elektrischen Kochgeräten undpraktisch gemacht haben.

Üblicherweise wird die Leistungssteuerung bei elektrisch! Kochgeräten mit Hilfe temperaturempfindlicher Schalter, beispielsweise bimetallischer Wärmeschalter, durchgeführt. Beim Betrieb stellt der Benutzer, den Schalter ein, damit sich die.gewünschte Kochtemperatur ergibt. Der Schalter bleibt geschlossen, bis das Heizelement eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat. Dann öffnet der Schalter und bleibt solange offen, bis die Temperatur des Heizelementes auf einen vorgegebenen Wert fällt. Der Schalter schaltet in dieser Weise endlos ein und aus, Da sich gebräuchliche ummantelte Heizelemente verhältnis·

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mäßig langsam aufheizen und abkühlen, sind diese Schaltzyklen relativ lang und liegen im Bereich von wenigen Sekunden bis zu 30 see» Hinzukommt, daß sich der Widerstand eines gebräuchlichen ummantelten Heizelementes nur gering beim Übergang von Raumtemperatur auf die Arbeitstemperatur ändert. Da der Widerstand der gebräuchlichen Heizelemente verhältnismäßig unabhängig von der Temperatur, innerhalb des interessierenden Temperaturbereiches, ist, sind, wenn sich die Schalter schließen, transiente überströme minimal. Folglich arbeiten die gebräuchlichen Leistungssteuerungstechniken befriedigend.

Die dynamischen Eigenschaften von Heizelementen aus MoSi₂ oder Wolfram verhindern jedoch, daß diese Heizelemente mit üblichen Steuertechniken gesteuert werden. Zunächst ändert sich der Widerstand eines MoSi- Heizelementes, wie es in der US-PS 3 912 905 beschrieben ist, von 2 bis 3 0hm bei Raumtemperatur auf 25 0hm bei einer Arbeitstemperatur von näherungsweise 1000° C. Wenn angenommen wird, daß die Stromversorgung mit einem üblichen 240 V Wechselstromnetz erfolgt, ändert sich der Laststrom,, da die Temperatur des Heizelementes von Raumtemperatur auf die Arbeitstemperatur ansteigt, von einem anfänglichen Scheitelwert von etwa 110 A auf einen stationären Strom in der Größenordnung von 8,5 A eff, Dieser Anfangsstrom von 110 A ist offensichtlich größer als das, was mit Ausnahme für extrem kurze Zeitintervalle bei einem Haushaltsgerät hingenommen werden kann. Zweitens kühlt das Heizelement extrem schnell ab; die erste Zeitkonstante für die thermische Reaktion dieses Heizelementes liegt im Bereich von 600 bis 1000 msec. Da das Heizelement mit einem parallellaufenden Widerstandsabfall . schnell auskühlt, führt sogar eine sehr kurze Unterbrechung der Stromzufuhr,an die anschließend dem Heizelement wieder Strom zugeführt wird, zu einem

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übermäßigen Strom. Um häufige große überströme zu vermeiden, ist deshalb ein sehr schnelles Schaltvermögen erforderlich; kurze Einschaltzeiten begrenzen die Dauer von überströmen während der Aufheizphase des Heizelementes; kurze AUS-Zeiten verhindern einen unbrauchbaren Widerstandsabfall während des stationären Betriebes, indem sie das Abkühlen des Heizelementes zwischen den Einschaltzeiten beschränken. Offensichtlich kann das verhältnismäßig langsame/ mechanische Schalten der üblicherweise verwendeten Wärmeschalter nicht die schnellen Schaltungen ergeben, die zum Vermeiden des Überstromes während jeder Stromeinschaltphase erforderlich sind. In entsprechender Weise sind gebräuchliche elektronische Steuerungen für die üblichen Heizelemente so gestaltet, daß sie verhältnismäßig lange EIN- und AUS-Zeiten verwenden.

Ein weiteres durch die dynamischen thermischen Eigenschaften von MoSi₂, Wolfram oder ähnlichen Heizelementen hervorgerufenes Problem besteht in einem sichtbaren Flackerlichtphänomen. Diese Heizelemente glühen im wesentlichen sofort bei der Stromzufuhr auf. Da die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Stromimpulsen ansteigt, scheint das Glühen zwischen einer höheren und einer niedrigeren Helligkeit zu flackern oder zu oszillieren. Das Flackern ist lästig und es ist wünschen, wert, dieses Flackern zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Steuerschaltung für die Steuerung der abgegebenen Leistung eines Widerstandsheizelementes bzw. eines elektrischen Kochgerätes mit einem Widerstandsheizelement zu schaffen, das zur Vermeidung von Überströmen die Stromzufuhr zu dem Heizelement auf elektronische Weise steuert und mit der ein Heizelement betrieben werden kann, das bei Raum-

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temperatur einen, verhältnismäßig niedrigen Widerstand aufweist, der einen über dem Normalwert liegenden Strom hervorruft und mit steigender Temperatur rasch ansteigt, wobei das Widerstandsheizelement eine sehr geringe thermische Trägheit aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Steuerschaltung durch die Merkmale der Ansprüche 1 TO, 14, 15, 17 und 20 gekennzeichnet, während das elektrische Gerät bzw. elektrische Kochgerät durch die Merkmale der Ansprüche 21 und 24 gekennzeichnet ist.

Hierbei besteht der Vorteil, daß das oder die Widerstandsheizelemente elektronisch in der Leistung gesteuert werden, so daß ein wiederholtes Auftreten von Überströmen während des Normalbetriebes vermieden ist.

Außerdem können Widerstandsheizelemente betrieben werden, die, wenn sie auf Raumtemperatur liegen, beim Einschalten des Stromes einen verhältnismäßig hohen (über dem normalen Hausstrommaximum) ziehen.

Bei der Steuerschaltung bzw, dem elektrischen Kochgerät mit Heizelementen der obigen Art ist durch die Verwendung einer verhältnismäßig kurzen Steuerperiode ein sich wiederholendes Auftreten von großen überströmen während des stationären Betriebs vermieden, weil die Pausenzeit zwischen den Stromeinschaltintervallen auch bei der geringsten Leistungseinstellung* innerhalb brauchbarer Grenzen zusammengedrängt ist.

Durch wiederholtes Zuführen kurzer Strombursts während der transienten Aufheizphase wird der hohe Anlaufstrom von derartigen Heizelementen begrenzt, wobei die Strombursts so kurz sind, daß der entnommene Strom innerhalb erträglicher Grenzen b-eibt, aber doch so lang sind,

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daß ein schnelles Aufheizen des Heizelementes möglich ist. Die Steuerung reagiert auf das Umschalten durch den Benutzer aus einem AUS-Zustand in eine andere der möglichen Leistungseinsteilungen in der Weise, daß sie dem Heizelement zunächst während einer vorbestimmten Zeit den Strom entsprechend dem "Weichstart"-Modus zuführt, der unabhängig von der ausgewählten Leistungseinstellung ist; jedoch kehrt sie nach der Beendigung dieses transienten Modus zu dem stationären Modus zurück, bis durch den Benutzer eine andere Leistungseinstellung ausgewählt ist.

Ferner begrenzt die Steuerung die entstehende Gleichspannungskomponente in dem Stromnetz.

Schließlich wird bei der Steuerung ein lästiges Flackerlicht bei dem Heizelement vermieden*

Die elektronische Leistungssteuerung kontrolliert die abgegebene Leistung eines oder mehrerer Heizelemente einer elektrisch beheizten Herdfläche, beispielsweise eines Elektroherdes oder einer Heizplatte, um auf diese Weise eine Wärmestufe zu erzeugen, die einer von dem Benutzer aus einer Reihe diskreter Leistungseinstellungen ausgewählten Leistungseinstellung entspricht*

Das Heizelement wird durch eine Wedhselstromguelle mit Strom versorgt* Zur Steuerung der dem Heizelement zugeführten elektrischen Leistung wird ein elektronisches Schalten verwendet, bei dem die Anzahl der stromführenden Haibschwingungen,während denen bei jeder Steuerperiod dem Heizelement Strom zugeführt wird, gesteuert wird*

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Das Verhältnis der stromführenden Halbschwingungen zu der Gesamtzahl von Halbschwingungen in der Steuerperiode wird,ausgedrückt in Prozent, als Tastverhältnis bezeichnet. Zu jeder Leistungseinstellung gehört eindeutig ein vorbestimmtes Tastverhältnis. Ein zu der von dem Benutzer ausgewählten Leistungseinstellung gehöriges, digitales Steuersignal wird erzeugt und in einem Speicher abgelegt. Während des stationären Betriebes wird das Tastverhältnis unmittelbar durch Vergleich dieses Steuersignales mit einem Zähler bestimmt, der die Halbschwingungen der Netzspannung zählt. Um häufige, große überströme und ein lästiges sichtbares Lichtflackern des Heizelementes zu vermeiden, wird ein sehr schneller Schaltzyklus (oder anders eine sehr kurze Steuerperiode) verwendet. Die Steuerperiode enthält eine ungerade Anzahl von Halbschwingungen der Netzspannung, um so eine Gleichspannungskomponente des Stromes auf der Netzleitung zu unterdrücken. Aufgrund der Ergebnisse des eingangs genannten Vergleiches wird ein in Serie mit dem Heizelement liegender Triac am Beginn jeder Halbschwingung der Netzspannung in den leitenden Zustand getriggert oder nicht getriggert.

Zusätzlich zu dem stationären Betriebsmodus ist ein weiterer mit "Weichstart"-Modus bezeichneter Betriebszustand vorgesehen. Dieser "Weichstart"-Modus wird immer dann gestartet, wenn die Leistungseinstellung von einer AUS- oder Null-Leistungseinstellung in eine andere Leistungseinstellung umgeschaltet wird. Beim Betrieb in dem "Weichstart"-Modus wird das Tastverhältnis unabhängig von der tatsächlich ausgewählten Leistungseinstellung gesteuert= Ein empirisch festgelegtes Tastverhältnis, das einen optimalen, dem Heizelement zugeführten Strom ergibt, ohne daß die Strombelastbarkeit des Stromnetzes aufgrund der Widerstandsänderung des Heizelementes von dem verhältnismäßig

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niedrigen Wert bei Raumtemperatur auf den verhältnismäßig hohen Wert bei der Arbeitstemperatur überschritten wird, ersetzt das der ausgewählten Leistungseinstellung entsprechende Tastverhältnis. Sowohl das Tastverhältnis als auch die Dauer dieses Betriebszustandes sind so gewählt, daß das Heizelement schnell den Widerstand des stationären Betriebs erreichen kann, ohne einen übermäßigen Strom zu ziehen. Nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, wird der "Weichstart" Modus beendet und das der ausgewählten Leistungseinstellung entsprechende Tastverhältnis ausgeführt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel übernimmt ein Mikroprozessor die elektronische Steuerung. Jedoch kann die Leistungssteuerung auch unter Verwendung diskreter logischer Bauelemente ausgeführt sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein verallgemeinertes Blockdiagramm eines Kochgerätes gemäß der Erfindung,

Fig. 2A Signalverlaufe, die zu den unterschiedlichen, ^1/5 durch den Benutzer auswählbaren Leistungseinstellungen gehören,

Fig. 3 eine grafische Darstellung des Tempera'turverhaltens des Heizelementes während des "Weichstart "-Modus,

Fig. 4. ein Blockdiagramm der Steuerschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines mikroprozessorgesteuerte] Steuersystems gemäß der Erfindung,

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Fig. 6A Flußdiagramme der Netzeinschalt-, Eingabeabfrage-, Leistungssteuer- bzw» Leistungsausgaberoutinen für die Steuerschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 7 die Beziehung zwischen den unterschiedlichen Routinen nach den Fig. 6A bis 6D,

Fig. 8a Logikschaltpläne für die Steuerschaltung gemäß der Erfindung mit diskreten logischen Bauelementen,

Fig. 9 die Verbindung der Logikschaltpläne nach den Fig. 8A und 8B,

Fig.10 ein weiteres mikroprozessorgesteuertes Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung zur Steuerung von zwei Heizelementen in einem Blockdiagramm und

Fig.11 die Querbeziehung der Steuerroutine nach den Fig. 6A und öE für das mikroprozessorgesteuerte Ausführungsbeispiel für zwei Heizelemente nach Fig. 10.

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Fig. 1 enthält ein verallgemeinertes Blockdiagramm einer Leistungssteuerschaltung für ein Heizelement 1, das durch eine übliche 60 Hz 120 V oder 240 V Wechselspannungsquelle 2 mit elektrischer Enerqie versorgt wird. Die in das Heizelement 1 eingespeiste elektrische Energie wird durch einen üblichen, in Serie mit dem Heizelement 1 liegenden Triac geschaltet. Der Triac 3 wird durch von der Steuereinrichtung 4 erzeugte Triggersignale in den leitenden Zustand' umgeschaltet. Die Steuereinrichtung 4 erzeugt diese Triggersignale entsprechend einer durch den Benutzer über ein Tastenfeld 5 eingegebenen Leistungseinstellung. Das Tastenfeld 5 enthält sechs Steuertasten, nämlich eine AUS-Taste und fünf Leistungseinstellungstasten, mit denen der Benutzer eine von fünf diskreten Leistungseinstellungen oder AUS wählen kann. Es ist offensichtlich, daß auch eine größere oder eine kleinere Anzahl von Leistungseinstellungen vorgesehen werden kann.

Die Steuereinrichtung 4 arbeitet in der Weise, daß sie den relativen Zeitanteil,in denen der Triac 3 leitend ist, abhängig von den unterschiedlichen Leistungseinstellungen auswählt. Im einzelnen steuert das Steuersystem 4 während jeder Steuerperiode den Zeitanteil, während dem dem Heizelement 1 elektrische Energie zugeführt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine vorbestimmte Steuerperiode verwendet, die eine feste Anzahl von Steuerintervallen enthält; die Steuereinrichtung 4 schaltet den Triac für eine bestimmte Anzahl von Steuerintervallen entsprechend der von dem Benutzer ausgewählten Leistungseinstellung in den leitenden Zustand. Das Verhältnis der Steuerintervalle mit leitendem Triac 3 zu der Gesamtzahl von Steuerintervallen innerhalb der Steuerperiode wird, ausgedrückt in Prozenten, im folgenden als Tastverhältnis bezeichnet, wobei ein vorbestimmtes Tastverhältnis eindeutig einer

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jeweiligen Leistungseinstellung zugeordnet ist.

Der Widerstand eines MoSi₂ Heizelementes liegt bei Raumtemperatur in der Größenordnung von 2 bis 3 Ohm und steigt bei den normalen Arbeitstemperaturen (1000 C) auf etwa 25 0hm an. Wenn das auf Raumtemperatur liegende Heizelement während der ersten Stromeinschaltperiode mit Strom versorgt wird, übersteigt offensichtlich der entnommene Scheitelstrom die akzeptierbare Auslösegrenze von HaushaltsüberStromsicherungen, ebenso wie er auch den akz-eptierbaren Strom für den Triacschalter übersteigt, der in der Stromversorgung verwendet ist.

Jedoch können Uberstromscheitelwerte, die diese maximalen Grenzen übersteigen unter der Voraussetzung hingenommen werden, daß sie während einer genügend kurzen Zeit auftreten. Es wurde empirisch festgestellt, daß eine Einschaltzeit von 8,3 msec,die einer Halbschwingung einer üblichen 60 Hz 240 V Wechselspannung entspricht,genügend kurz ist und von den Sicherungseinricntungen verarbeitet werden kann, ohne die elektrischen Bauelemente zu beschädigen. Andererseits können mehrere derartige Stromimpulse mit der Dauer einer Halbschwingung, die unmittelbar nacheinander einem auf Raumtemperatur liegenden Heizelement zugeführt werden, überströme bewirken, die die akzeptierbare Auslösegrenze übersteigen oder elektrische Bauelemente beschädigen können. Folglich ist ein minimales Stromeinschaltintervall erforderlich, das höchstens einige wenige Stromimpulse mit der Dauer jeweils einer Halbschwingung enthält. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dieses als Steuerintervall bezeichnete Minimalintervall eine Halbschwingung eines 60 Hz-Wechselspannungssignales lang,

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Wegen der hohen Abkühlgeschwindigkeit und der starken Widerstandsänderung des M0SX2- Heizelementes ist die Wahl der Dauer der Steuerperiode kritisch. Das Heizelement kann in rund einer Sekunde auf weniger als 50% seiner Scheitelarbeitstemperatur abkühlen. Wie bereits gesagt, führt eine Temperaturänderung des Heizelementes von der Arbeitstemperatur zur Raumtemperatur zu einem Widerstandsabfall in der Größenordnung des Faktors 10. Bei üblichen Leistungssteuerungen von Kochgeräten liegt die Pause zwischen den Stromeinschaltintervallen im stationären Betriebszustand, insbesondere bei den kleinen Leistungseinstellungen, in der Größenordnung von 10 see oder langer, und zwar sogar bei elektronisch gesteuerten Kochgeräten. Offensichtlich würden es derartig lange Pausen dem MoSi--Heizelement ermöglichen, zwischen zwei Stromeinschaltintervallen bis in die Nähe der Raumtemperatur abzukühlen. Die größte Pause zwischen Stromeinschaltintervallen tritt bei der niedrigsten Leistungseinstellung auf, da bei dieser Leistungseinstellung die kürzeste Stromeinschaltperiode verwendet wird. Gemäß der Erfindung wird bei der niedrigst« Leistungseinstellung pro Steuerperiode ein Stromimpuls zugeführt. Somit ruft bei dieser-Leistungseinstellung während des stationären Betriebszustandes die Dauer der Steuerperiode keine extremen überströme hervor, da, wie bereits beschrieben, die Dauer des Stromimpulses so gewählt ist, daß ein einzelner, dem Heizelement zugeführter Stromimpuls hingenommen werden kann, selbst wenn das Heizelement zwischen zwei Stromimpulsen auf Raumtemperatur abkühlt. Jedoch muß die Steuereinrichtung in der Lage sein, Änderungen der Leistungseinstellung von der niedrigsten bis zu der höchsten Leistungseinstellung zu verarbeiten, ohne daß ein übermäßiger Strom gezogen wird. Deshalb ist eine Steuerperiode, wie sie üblicherweise verwendet ist, unbrauchbar, weil sie lang genug ist, damit das Heizelement zwischen den

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Stromimpulsen bis in die Sähe der Raumtemperatur abkühlen kann. Wenn eine derartige Steuerperiode ver-',v.! ddt wird, bewirkt eine Änderung der Leistung einstellung ,er:- ror niedrigsten auf die höchste Leistungseinstellung, daß dein Heizelement, das wegen de " lanae zurückliegenden Stromimpulses bis auf die Nähe, der Raumtemperatur abgekühlt ist, anstelle einem einzelnen Stromimpuls eine Folge von Stromimpulsen zugeführt wird, womit der tolerierbare Auslösestrom überschritten wird, was zu einem Auslösen der Trennschalter oder einer Beschädigung anderer Bauelemente führt. Folglich muß die Steuerperiode kurz genug sein, um zu verhindern, daß das Heizelement, das auf der niedrigsten Leistungsstufe arbeitet, zwischen den Stromimpulsen bis in die Nähe der Raumtemperatur abkühlt. Folglich sollte die Steuerperiode rund eine Sekunde nicht überschreiten. Bei dem Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung 4 liegt die Steuerperiode in der Größenordnung von 100 msec.

Zusätzlich zu den oben ausgeführten Schwierigkeiten ergeben die dynamischen Eigenschaften von MoSi-- oder Wolfram-Heizelementen auch sichtbare Schwierigkeiten in Gestalt von flackerndem Licht. Das eingeschaltete He_iselement selbst strahlt sichtbares Licht aus und gibt dem Heizelement, ein hellglühendes Aussehen. Die abgestrahlte Lichtenergie ändert sich entsprechend den dem Heizelement zugeführten Stromimpulsen. Diese Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß bei Tastverhältnissen, bei denen die Frequenz der Einschaltintervalle oder stromführenden Halbschwingungen im Verhältnis zu der Reaktionszeit des menschlichen Auges niedrig ist, das sichtbare von dem Heizelement ausgehende Glühen erkennbar flackert. Bei Tastverhältnissen jedoch, bei denen die Frequenz der stromführenden Halbschwingungen schnell in Bezug auf die Reaktionszeit des menschlichen Auges ist, erscheint das Glühen des Heizelementes wegen des integrierenden Effektes

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des menschlichen Auges als ein ruhiges Glühen, selbst wenn es tatsächlich flackert. Folglich gibt die Wahl einer Steuerperiode, bei der bei allen Tastverhältnissen die Frequenz der stromführenden Halbschwingungen schnell in Bezug auf das menschliche Auge ist, eine Lösung für dieses Problem. Um jedoch den gewünschten Bereich von Leistungseinstellungen zu erhalten, kann es notwendig sein, ein längeres Steuerintervall und Tastverhältnisse vorzusehen, bei denen die Wiederkehrfrequenz der stromführenden Halbschwingungen relativ zu der Antwortzeit des menschlichen Auges niedrig ist. In diesem Falle kann die Schwierigkeit durch richtige Wahl des Materials für die Glas-Keramik-Kochfläche ge-' löst werden. Das Glas-Keramik-Material neigt dazu, das von dem Heizelement ausgehende sichtbare Glühen abzuschwächen, wobei der Grad der Abschwächung bei jedem Wert der Strahlungsenergie eine Funktion des Emmissionsvermögens des Glas-Keramik-Materials ist. Da es bei den verfügbaren Glas-Keramik-Materialien eine beachtliche Variationsbreite des Emmissionsvermögens gibt, ist es möglich, ein Material mit einem solchen Emmissionsvermögen auszuwählen, das die sichtbare Strahlungsenergie bei niedrigen Leistungseinstellungen, die zu diesen niedrigen Tastverhältnissen gehören, bei denen bei einem direkt sichtbaren Heizelement ein Flackern erkennbar ist, durch das Glas-Keramik-Material in solchem Maße abgeschwächt werden, daß durch das Material hindurch kein Glühen sichtbar ist. Durch die Verwendung eines derartigen Materials ist bei den höheren Tastverhältnissen das Glühen als ein gleichmäßiges Glühen zu beobachten, das sich für jedes Tastverhältnis in der Helligkeit unterscheidet, während bei den kleineren Tastverhältnissen kein sichtbares Glühen wahrnehmbar ist.

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Bei einem Ausführungsbeispiel werden für eine Steuerperiode fünf Halbschwingungen der Netzspannung Verwendet. Diese Steuerperiode ist genügend kurz (näherungsweise 40 msec), um in ausreichender Weise sowohl das Problem des übermäßigen Stromes als auch das Problem des flackernden Lichtes zu vermeiden, wie es oben angesprochen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel entsprechen die Tastverhältnisse von 20%, 40%, 60%, 80% und 100% den Leistungseinstellungen 1-5 und werden durch die Erzeugung von ein, zwei, drei, vier oder fünf stromführenden Halbschwingungen je Steuerintervall erreicht. Die Tabelle I zeigt die Beziehung zwischen der Leistungseinstellung, dem Tastverhältnis und der Ausgangsleistung des Heizelementes für dieses Ausführungsbeispiel.,

	Tabelle I	Tastverhält nis	(100%)	Prozente der Gesamt leistung
Steuersignal code	Leistungs einstellung	5/5	(80%)	100%
0101	• 5	4/5	(60%)	85%
0100	4	3/5	'(40%)	78%
0011	3	2/5	(20%)	62%
0010	2	1/5	(0%)	45%
0001	1	—		0%
0000	AUS

Fig. 2 veranschaulicht die Signalverläufe des dem Heizelement bei jeder der fünf Leistungseinstellungen zugeführten Stromes. Jede mit durchgezogenen Linien gezeigte Halbschwingung stellt einen stromführenden Zyklus dar, in dem der Triac 3 in den leitenden Zustand geschaltet ist. Die mit gestrichelten Linien veranschaulichten Schwingungen entsprechen Spannungsschwingungen, während denen der Triac 3 gesperrt ist und dem Heizelement 1 kein

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Strom zugeführt wird. Wie in Tabelle I und Fig. 2 gezeigt, ist das Tastverhältnis bei der Leistungseinstellung 3 60%, d.h. drei stromführende Zyklen je Steuerperiode. Um dieses Tastverhältnis auszuführen, triggert die Steuereinrichtung 4 den Triac 3 bei drei aufeinanderfolgenden Halbschwingungen der Netzspannung und schaltet ihn dann für zwei Halbschwingungen der Netzspannung in den gesperrten Zustand.

Wenn, wie oben beschrieben, der Strom zunächst mit einem anderen Tastverhältnis als dem kleinen Tastverhältnis dem Heizelement mit Raumtemperatur zugeführt wird, führt, dies wegen der dynamischen thermischen und elektrischen Eigenschaften des MoSi^-Heizelementes zu einem überstrom, der die akzeptierbaren Grenzen für Hausgeräte übersteigt. Um dies zu vermeiden, ist ein transienter mit "Weichstart" bezeichneter Betriebsmodus immer dann vorgesehen, wenn der Strom einem Heizelement mit einer relativ niedrigen Temperatur zugeführt wird.

Bei dieser transienten Betriebsweise wird unabhängig von der tatsächlich ausgewählten Leistungseinstellung ein vorbestimmtes Tastverhältnis innerhalb eines festgelegten Zeitintervalles verwendet, das ausreicht, um den Widerstand des Heizelementes auf einen Wert ansteigen zu lassen, der den von dem Heizelement entnommenen Effektivstrom während des stationären Betriebszustandes innerhalb akzeptierbarer Grenzen hält. Nach dem Ablauf dieses Zeitintervalles wird dann das Tastverhältnis verwendet, das für die tatsächliche vom Benutzer ausgewählte Leistungseinstellung erforderlich ist.

Zusätzlich zu der Begrenzung des während der transienten Anlaufphase entnommenen Stromes ist es außerdem zweckmäßig, die Temperatur und folglich den Widerstand des Heizelementes so schnell wie möglich zu erhöhen. Demgemäß

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ist ein Tastverhältnis, das einen optimalen Kompromiß zwischen diesen widerstreitenden Überlegungen ergibt, zweckmäßig. Für diesen Betriebszustand ist demzufolge ein Tastverhältnis befriedigend, bei dem die stromführenden. Halbschwingungen zeitlich ausreichend dicht nebeneinanderliegen, um zu verhindern, daß das Heizelement zwischen den stromführenden Halbschwingungen übermäßig abkühlt, wobei jedoch die stromführenden Halbschwingungen wiederum zeitlich ausreichend verteilt sind, damit der Strom innerhalb brauchbarer Grenzen bleibt.

Es wurde empirisch festgestellt, daß ein Tastverhältnis von 20% die obigen Bedingungen erfüllt. Bei einer fünf Halbschwingungen langen Steuerperiode ist dies einfach eine stromführende Halbschwingung pro Steuerperiode. In Fig. 3 ist eine typische Kurve für die Heizelementtemperatur als Funktion der Zeit bei einem 20%-igen Tastverhältnis veranschaulicht. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist das Heizelement dagegen geschützt, zwischen den stromführenden Zyklen vollständig auszukühlen. Die Verwendung dieses Tastverhältnisses für den "Weichstart" während einer Zeit von etwa 1/2 see ermöglicht es, daß das Heizelement eine Temperatur erreicht, bei der der Widerstand groß genug ist, so daß das Heizelement keinen übermäßigen Strom zieht. Anstatt eine Anzeige für die Temperatur des Heizelementes vorzusehen, geht die Steuereinrichtung immer durch den "Weichstart"-Modus, wenn nach der AUS-Einstellung eine spezielle Leistungseinstellung gewählt ist. Wegen der schnellen Abkühleigenschaften des in der Anordnung verwendeten Heizelementes ergibt sich hieraus eine ausreichend genaue Temperaturüberwachung.

Fig. 4 enthält ein Blockdiagramm der Steuereinrichtung nach Fig. 1. Die Steuereinrichtung 4 trifft bei jeder

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Halbschwingung der Netzspannung eine Entscheidung, den Triac 3 zu triggern oder nicht zu triggern. Hierbei ist der Betrieb der Steuereinrichtung 4 mit den Nuli-Durchgangsimpulsen der Netzspannung synchronisiert, so daß die Triggerentscheidung während jeder Halbschwingu für die nachfolgende Halbschwingung getroffen wird. Das Umschalten wird bei den Null-Durchgängen der Netzspannung ausgeführt, um die Zuverlässigkeit des Triacs 3 zu verbessern und elektromagnetische Interferenzen zu minimieren, die von den Schaltübergängen herrühren.

Ein Null-Durchgangsdetektor 10 überwacht die Wechselspannungsleitung L2 und erzeugt beim Erkennen eines Null-Durchganges der Wechselspannung einen Null-Durchgangsimpuls. Bei einer üblichen 60 Hz-Wechselspannung beträgt die Frequenz der Null-Durchgangsimpulse 120 Hz. Das Zeitintervall zwischen den Vorderflanken,dieser Null-Durchgangsimpulse definiert ein Steuerintervall.

Wie bereits ausgeführt, arbeitet die Steuereinrichtung 4 mit zwei Modi , nämlich einem stationären Modus und einem transienten oder "Weichstart"-Modus. In dem stationären Modus arbeitet die Steuereinrichtung 4 in der Weise, daß sie das Tastverhältnis für den Triac 3 nur entsprechend der von dem Benutzer gewählten Leistungseinstellung steuert. Sobald sie einmal diesen Modus erreicht hat, arbeitet sie in dem stationären Modus solange weiter, bis die Anordnung durch die Betätigung der AUS-Taste ausgeschaltet wird.

In dem transienten oder "Weichstart"-Modus jedoch arbeitet die Steuereinrichtung 4 in der Weise, daß sie für eine vorbestimmte Zeit, nach der sie den Übergang in den stationären Modus ausführt, das Tastverhätnis unabhängig von der Leistungseinstellung steuert. Die Ausführung des "Weichstart "-Modus wird durch die Erkennung des Wechsels von

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einer AUS-Bedingung in eine andere,einer anderen Leistungseinstellung entsprechenden Bedingung gestartet=

Während der stationären Betriebsweise führt die Steuer-'einrichtung 4 nach Fig. 4 das gewünschte Tastverhältnis dadurch aus, daß sie den Inhalt ZCM eines die Null-Durchgänge zählenden Hauptzählers 14 mit dem Inhalt eines mit M(KB) bezeichneten digitalen Steuersignales, das in einem Speicher 18 gespeichert ist, einmal je Taktzyklus vergleicht. Der Hauptzähler 14 zählt immer wieder eine vorbestimmte Anzahl von Null-Durchgangsimpulsen, die gleich der Anzahl von Halbschwingungen oder Steuerintervallen innerhalb der Steuerperiode ist, und setzt sich dann zurück. Das digitale Steuersignal M(KB) ist die binäre Darstellung der Anzahl von stromführenden Zyklen, die zu dem Tastverhältnis der ausgewählten Leistungseinstellung gehören. Folglich kann der maximale Zählerstand des Hauptzählers 14 so betrachtet werden, als ob er die gesamte Steuerperiode repräsentiert, wobei der stromführende Anteil der Steuerperiode durch M(KB) wiedergegeben ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel, das fünf Halbschwingungen als Zeitbasis oder Steuerperiode verwendet, ist der Hauptzähler 14 so geschaltet, daß er als Ringzähler immer wieder von eins bis fünf zählt.' In Tabelle I ist das digitale Steuersignal enthalten, das für die jeweilige Leistungseinstellung in dem Speicher 18 gespeichert ist.

Für ein Beispiel ist angenommen, daß die Leistungseinstellung 3 ausgewählt ist. Wie aus Tabelle I und Fig. 2 hervorgeht, beträgt hierbei das Tastverhältnis 60% und erfordert drei aufeinanderfolgende, stromführende Zyklen pro Steuerperiode. M(KB) ist hierbei 0011. Für drei aufeinanderfolgende Zählschritte ist ZCM kleiner oder

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gleich M(KB), was bewirkt, daß ein "Stromeinschalt"-Flipflop 24 (POL) zu setzen ist. Bei zwei nachfolgenden Zählschritten ist ZCM größer als M(KB), woraufhin POL 24 zurückzusetzen ist. Folglich ist POL 24 während dreiei aufeinanderfolgender Halbschwingungen gesetzt undwährenc zweier derartiger Halbschwingungen jeder Steuerperiode zurückgesetzt, womit der Triac 3 während dreier aufeinanderfolgender Halbschwingungen jeder fünf Halbschwingunger langen Steuerperiode leitend ist und sich das erforderliche 60%-ige Tastverhältnis einstellt.

Wie gesagt, wird der"Weichstart"-Modus gestartet, wenn die Leistungseinstellung von einer ÄUS-Einstellung in eine andere Leistungseinstellung geändert wird. Bei diesem Modus wird vorübergehend, unabhängig von der tatsächlichen Leistungseinstellung, das Tastverhältnis für den stationären Modus gegen das Tastverhältnis des "Weichstart "-Modus ausgetauscht. Zur Implementierung des "Weichstarf'-Betriebsmodus werden ein Decoder 29, ein Stromeinschaitmarkenflipflop 30 (PUF), eine Testeinrichtung 31, ein "Weichstarf'-Flipf lop 32 (SSL) und ein "Weichstart"-Timer 34 (SST) verwendet. Der Decoder 29 überwacht den Inhalt M(KB) des Speichers 18- auf die Eingabe eines Signales, das einer AUS-Einstellung entspricht. Sobald eine AUS-Einstellung erkannt ist, setzt der Decoder 29 PUF 30. Die Testeinrichtung 31 überwacht PUF 30 und den Speicher 18. Die Bedingung, bei der M(KB) einer "nicht AUS"-Leistungseinstellung entspricht und PUF 30 gesetzt ist, zeigt an, daß die Leistungseinstellung ausgehend von der AUS-Einstellung in eine andere Leistuhgseinstellung umgeschaltet wurde. Wenn die Testeinrichtung 31 diese Bedingung erkennt, initialisiert sie durch Setzen von SSL 32 den "Weichstart"-Modus. Das Setzen von SSL 32 bewirkt, daß SST 34 die Zeitmessung für die Dauer des "Weichstart"-Modus beginnt und ferner wird durch das Setzen von SSL 32 PUF 30 zurückgesetzt,

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womit ein Eingangssignal für die Vergleichseinrichtung 16 erzeugt wird, die daraufhin das Tastverhältnis für den stationären Modus unterdrückt und das Tastverhältnis für den "Weichstart"-Modus ausführt» Das Tastverhältnis von 20% für' den "Weichstart"-Modus wird in einfacher Weise dadurch ausgeführt, daß POL 24 nur dann gesetzt wird, wenn ZCM gleich der binären Eins ist, was einmal alle fünf Zählschritte auftritt. Nachdem eine vorbestimmte Zeit■verstrichen ist, setzt SST 34 SSL 32 zurück und beendet den "Weichstart"-Modus. Die Vergleichseinrichtung 16 führt dann das Tastverhältnis für den stationären Betrieb aus.

Ein Triactreiber 26 dient dazu, das Signal zum Triggern des Triacs 3 zu verstärken und die Steuereinrichtung 4 gegenüber dem Netz zu isolieren. Das Ausgangssignal des Triactreibers 26 wird dem Gateanschluß des Triacs 3 zugeführt.

Ein Oszillator 48 und eine Zeitsteuerschaltung 12 erzeugen interne Zeitsteuersignale, um die interne Verarbeitung der Steuersignale zu synchronisieren. Ein Digital-Signalgenerator 20 (DSG) fragt periodisch das Tastenfeld 5 ab und erzeugt zur Speicherung in dem Speicher 18 ein Digital-Signal, das der neu eingegebenen Leistungseinstellung entspricht.

Mikroprozessorausführungsbeispiel

Fig. 5 veranschaulicht schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung 4 für eine Glas-Keramik-Heizplatte mit einem einzigen MoSi₂"Heizelement 1, bei dem die Leistungssteuerung elektronisch mittels eines Mikroprozessors oder Chip der TMS 1000 Serie erfolgt, Technische Einzelheiten über die allgemeinen Kennwerte

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des Mikroprozessors sind der Texas Instruments, Inc. Veröffentlichung mit dem Titel "TMS 1000 Series Data Manual", veröffentlicht im Dezember 1975, zu entnehmen .

Ein Chip 40 von Fig. 5 veranschaulicht einen TMS 1000 Mikroprozessor-Chip, der durch die bleibende Konfigurierung seines ROM-Speichers zur Ausführung des Steuerablaufes vorbereitet ist. Das Tastenfeld 5 ist ein mechanisches Tastenfeld, das sechs Tasten enthält, die es dem Benutzer ermöglichen, eine AUS-Einstellung und fünf Leistungseinstellungen auszuwählen. Das Tastenfeld 5 ist über sechs Tastenfeldeingangsleitungen und eine Tastenfeldausgangsleitung mit dem Chip 40 elektrisch verbunden. Jede Taste enthält einen mechanischen Arbeitskontakt, der die zugehörige Tastenfeldeingangsleitung mit der Tastenfeldausgangsleitung verbindet. Wenn eine Taste niedergedrückt ist, ist der Schalter geschlossen und verbindet die zugehörige Tastenfeldeingangsleitung mit der gemeinsamen Tastenfeldausgangsleitung, womit ein auf dieser Ausgangsleitung anstehendes Signal unmittelbar in die Ausgangsleitung eingeschleift wird.

Die Abfrage des Tastenfeldes zur Erkennung einer Benutzereingabe wird dadurch erreicht, daß ein Abfragesignal in Gestalt eines Spannungsimpulses sequentiell an den Ausgangsleitungen R0-R5 des Chip 40 erscheint. Wenn eine Taste niedergedrückt ist, wird der Impuls, der auf der zu der niedergedrückten Taste gehörigen Tastenfeldeingangsleitung ansteht, unmittelbar über die gemeinsame Tastenfeldausgangsleitung an den Chipeingangsanschluß K1 weitergeleitet und somit dem Chip angezeigt, daß an der gerade abgefragten Taste eine Benutzereingabe anliegt.

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Eine Chipausgangsleitung R8 ist elektrisch mit dem Eingang des Triactreibers 26 verbunden. Die Ausgangsleitungen 00-07 stehen elektrisch mit den Eingangsleitungen eines Segmentanzeigetreibers 42 in Verbindung. Das Ausgangssignal des Anzeigetreibers 42 liegt an der Segmentleuchtdiodenanzeige 44. Die Ausgangsleitung R10 ist elektrisch mit dem Eingang eines Anzeigeteibers 46 verbunden.

Die Chipausgänge 00-07 erzeugen eine Anzeigeinformation für den Anzeigetreiber 42, der diese Signale in üblicher Weise verstärkt, um die richtigen Segmente.einer gebräuchlichen 7-Segment-Leuchtdioden-Digital-Anzeige anzusteuern, damit die Anzeige eines der ausgewählten Leistungseinstellung entsprechenden Symbols erfolgt. Die Anzeigeinformation wird in bekannter Weise aufbereitet und angezeigt.

Das Ausgangssignal des Null-Durchgangsdetektors 10 liegt an der Chipeingangsleitung K8, um den Chip 40 in die Lage zu versetzen, das Durchschalten des Triacs 3 mit den Null-Durchgängen der Netzspannung zu synchronisieren. Der Oszillator 48 enthält eine Schaltung zur Erzeugung von Zeitsteuersignalen für die Synchronisierung der internen Informationsverarbeitung in dem Chip 40. Das Ausgangssignal des Oszillators 48 liegt an dem Eingangsanschluß OSC des Chip 40.

Steuerroutinen

Das Steuerprogramm, das bleibend in den ROM des Chip eingeschrieben ist, damit dieser die Steuerfunktionen ausführen kann, ist anhand der Flußdiagramme nach den Fig. 6A-6D beschrieben. Mit Ausnahme der Netzeinschaltroutine, die nur dann durchlaufen wird, wenn das System

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das erstemal eingeschaltet wurde, durchläuft der Mikroprozessor 40 während jedes Steuerintervalles sequentiell jede Routine.

Netzeinschaltroutine

Fig. 6A veranschaulicht die Netzeinschaltroutine, die die verschiedenen Zähler und internen Flipflops des Mikroprozessors 40 initialisiert, wenn die Stromversorgung das erstemal an das System angeschaltet wird, beispielsweise wenn das Gerät durch Einstecken in die Wandsteckdose das erstemal mit Strom versorgt wird oder beispielsweise, nach einer Unterbrechung der Stromversorgung. Diese Routine wird nicht angesprungen, wenn nur die Leistungseinstellung für das Heizelement 1 aus einem AUS-Zustand in eine andere Leistungseinstellung umgeschaltet wird.

Eingabeabfrageroutine

Fig. 6B zeigt die Eingabeabfrageroutine. In dieser Routine werden die Tasten des Tastenfeldes 5 sequentiell abgefragt um festzustellen, ob es notwendig ist, wegen einer betätig ten Taste die in dem Speicher abgespeicherte Leistungseinstellung M(KB) zu aktualisieren. Alle sechs Tasten werden in dieser Routine nacheinander abgefragt. Diese Routine wird während jedes Steuerintervalles durchlaufen, um bei jedem Steuerintervall das Tastenfeld 5 vollständig nach neuen Eingaben abzusuchen.

Wie ausgeführt, hat gemäß Fig. 5 der Chip oder Mikroprozessor 40 sechs Ausgänge R0-R5, die elektrisch mit dem Tastenfeld 5 verbunden sind, wobei jeder Ausgang einer Taste zugeordnet ist.

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- 37 Die Tasten werden in der folgenden Weise abgefragt:

Die Ausgänge RO-R5 werden durch einen Zähler KYS, der dazu dient, einen Abfrageimpuls an die adressierte Ausgangsleitung R(KYS) (Block 104) abzugeben, sequentiell adressiert. Gleichzeitig wird der Eingangsanschluß K1 überwacht, um die Rückkehr dieses Abfrageimpulses zu erkennen, die das Niederdrücken der adressierten Taste (Block 106) signalisieren würde.

Wenn an dem K1-Anschluß ein Abfrageimpuls anliegt, wird der Zählerstand des Zählers KYS in einem Steuerregister als digitales Steuerwort M(KB) abgespeichert, das dazu verwendet wird, das Tastverhältnis für den Triac 3 (Block 108) zu steuern. Wenn kein Abfrageimpuls vorliegt, verzweigt das Programm nach Block 118, um den Zähler KYS um eins zu erhöhen, woraufhin dieser dann abgefragt wird', um festzustellen, ob alle Tasten abgefragt wurden (KYS > 5, Block 120). Wenn noch andere Leitungen abzufragen sind (KYS -^=. 5) , kehrt das Programm nach Block 104 zurück; wenn alle Tasten abgefragt sind, wird der KYS-Zähler auf die binäre Null zurückgesetzt (Block 122) und das Programm verzweigt in die Leistungssteuerroutine (Fig. 6C) .

Da der KYS-Zähler immer wieder erhöht wird, wird auf diese Weise jede nachfolgende Benutzereingabe auf dem Tastenfeld abgefragt und ein der ausgewählten Leistungseinstellung entsprechendes digitales Steuersignal bei M(KB) in dem Speicher abgelegt, wenn die untersuchte Taste niedergedrückt ist.

Da, wie oben allgemein erläutert, der Strom für das Heizelement in einer besonderen Weise gesteuert werden muß, wenn der Zustand eines ' kalten Heizelements vorliegt ■(wie es durch die vorher betätigte AUS-Taste angezeigt ist),

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durchläuft die Eingabeabfragroutine eine Sequenz, die diese Bedingung identifiziert. Das Flußdiagramm gibt dies in den Blöcken 114 und 116 wieder, bei denen das gespeicherte Digital-Signal M(KB) überprüft wird. Wenn M(KB) gleich der binären Null ist, was anzeigt, daß die neue Eingabe einer AUS-Einstellung entspricht, wird die dem PUF-Flipflop entsprechende Variable gesetzt. Der Zustand der PUF-Variablen dient in der Leistungssteuerroutine (Fig. 8) dazu, festzustellen, ob dieser Spezial- oder "Weichstart"-Modus zu starten ist.

LeistungsSteuerroutine

Fig. 6C veranschaulicht die Leistungssteuerroutine. In diese Routine wird während eines Steuerintervalles (d.h. zwischen aufeinanderfolgenden Null-Durchgangsimpulsen) durch Vergleich des digitalen Steuersignales M(KB) mit dem Inhalt einer dem Hauptzähler entsprechenden Variablen ZCM die Entscheidung getroffen, ob die dem POL-Flipflop entsprechende Variable zu setzen oder zurückzusetzen ist-

Wie bereits gesagt, wird das spezielle, einer Leistungseinstellung entsprechende Tastverhältnis durch einen Vergleich der Variablen ZCM und M(KB) auf kleiner oder gleich implementiert. Dies ist in dieser Routine in der folgenden Weise vorgesehen.

Wie in den Blöcken 130, 132 und 134 gezeigt, wirkt die Variable ZCM wie ein Zähler, der von fünf nach eins zurückzählt und auf fünf zurückgesetzt wird, wobei der Zählerstand einmal während jedes Steuerintervalles vermindert wird.

Wenn,wie in Block 136 gezeigt, die Bedingung ZCM gleich M(KB) nicht erfüllt ist, wird POL zurückgesetzt (Block 137)

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und das Triggern des Triacs 3 gesperrt. Wenn die obige Vergleichsbedingung erfüllt ist, wird im stationären Modus die Triggerung des Triacs 3 ausgeführt. Bevor jedoch POL gesetzt wird, sind weitere Entscheidungen notwendig, die feststellen, welcher Betriebszustand, nämlich der stationäre oder der "Weichstarf-Betriebszustand, zu verwenden ist.

Wie gesagt, gibt die gesetzt PUF-Variable einen Hinweis darauf, daß die der neu eingegebenen Leistungseinstellung unmittelbar vorausgehende Leistungseinstellung eine AUS-Einstellung war. In dieser Routine wird die PUF-Variable überprüft (Block 138). Es ist ersichtlich, daß diese Routine nur dann angesprungen wird, wenn M(KB) einer "nicht AUS"-Leistungseinstellung entspricht. Wenn bei Block 138 festgestellt wird, daß die PUF-Variable gesetzt ist, wird der "Weichstart"-Modus durch Setzen der dem "Weichstart"-Flipflop entsprechenden Variablen SSL (Block 154) initialisiert, wobei die dem "Weichstart"-Timer entsprechende Variable SST (Block 156) zurückgesetzt wird. Außerdem wird die PUF-Variable ebenfalls zurückgesetzt (Block 152).

Wenn die PUF-Variable nicht gesetzt ist,, ist es nicht nötig, den "Weichstart"-Modus zu initialisieren, jedoch ist es erforderlich, nachzusehen, ob ein vorher gestarteter "Weichstart"-Modus noch in Ausführung begriffen ist, wie dies durch eine gesetzte SSL-Variable angezeigt ist. Wenn die SSL-Variable nicht gesetzt ist (Block 140) und somit der Betrieb in dem stationären Modus angezeigt ist, wird die POL-Variable gesetzt (Block 141). Wenn die SSL-Variable gesetzt ist, wird das Tastverhältnis gemäß dem Ergebnis eines Vergleiches zwischen ZCM und einer Konstanten, die gleich einem speziellen Wert von ZCM ist, gesteuert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Wert so gewählt, daß er gleich der binären Eins ist (Block 142)

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Offensichtlich ist ZCM einmal alle fünf Zählschritte kleiner oder gleich 1. Durch das Setzen der POL-Variablei wenn diese Ungleichung erfüllt ist (Bock 145) und im Rücksetzen der Variablen sonst (Block 143) ergibt das 20% Tastverhältnis des "Weichstart"-Modus. Zusätzlich wird, wie bei Block 144 dargestellt ist, die SST-Variable erhöht, wenn die Ungleichung erfülllt ist. Die SST-Variable steuert durch Rücksetzen der SSL-Variablen die Dauer des "Weichstart"-Modus, wobei durch das Rücksetzen der SSL-Variablen nach dem Erreichen eines vorbestimmten Zählerstandes (Blöcke 146 und 148) der "Weichstart "-Modus beendet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein vorbestimmter Zählerstand von 16 für die SST-Variable verwendet, um für den "Weichstart"-Modus eine Dauer von 532 msec vorzusehen.

Leistungsausgaberoutine

Fig. 6D enthält die Leistungsausgaberoutine. In dieser Routine wird der Inhalt von M(KB) an die Null-Ausgangsanschlüsse des Mikroprozessors 40 übertragen und die Anzeige eingestellt (Blöcke 160 und 162). Bei Block 164 wird das Programm angehalten, bis der nächste Null-Durchgangsimpuls empfangen wird. Beim Empfang des Null-Durchgangsimpulses wird, wenn die POL-Variable gesetzt ist, d.h. gleich eins ist (Block 166), ein Setzsignal an dem Chipausgang R8 (Block 168) erzeugt, während, wenn die POL-Variable zurückgesetzt ist, an dem Ausgangsanschluß R8 ein Rücksetzsignal erzeugt wird (Block 170). Das Programm kehrt dann in die Eingabeabfrageroutine zurück, um den Zyklus zu wiederholen. Hierdurch wird das durch den Mikroprozessor 40 erzeugte Steuersignal mit den Null-Durchgängen der Netzspannung, die an dem Heizelement 1 anliegt, synchronisiert.

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Ausführungsbeispiel mit diskreten Logikbauelementen

Die Beschreibung insoweit betraf die Flußdiagramme eines bevorzugten Ausführungsbeispieles, bei dem in der Steuereinrichtung ein Mikroprozessor verwendet ist, in dem das oben beschriebene Programm permanent in dem ROM gespeichert ist. Jedoch ist die Erfindung keineswegs auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Es ist ersichtlich, daß der Steuerablauf, wie er durch die Flußdiagramme 6A-6D veranschaulicht ist, auch unter Verwendung einer fest verdrahteten Digital-Logik mit integrierten Schaltkreisen implementiert werden kann. Die Fig. 8A und 8B veranschaulichen alternative Ausführungsbeispiele, bei denen der dem Blockdiagramm nach Fig. 4 gezeigte Steuerablauf und die Flußdiagramme nach den Fig.6A-6D mit einer fest verdrahteten Schaltung aus integrierten Schaltkreisen ausgeführt ist.

Zeitsteuerung und Tastenfeldabfrage

Die Tastenfeldabfragefunktion wird bei dem alternativen Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 8A gezeic - , . .ι der folgenden Weise implementiert. Der Null-Durchgangsdetektor 10 erzeugt Impulse, die das Zeitsteuerflipflop 202, ein gebräuchliches J-K-Flipflop, zurücksetzen. Somit wird die logische Schaltung dieses Ausführungsbeispieles einmal während jedes Steuerintervalles durchlaufen. Das Steuerintervall ist wiederum die Zeit zwischen den Vorderflanken aufeinanderfolgender Null-Durchgangsimpulse. Das Q-Ausgangssignal des Flipflops 202 ist mit dem Ausgangssignal des Oszillators 48 über ein UND-Gatter 204 UND-verknüpft. Das UND-Gatter 204 legt das Ausgangssignal des Oszillators 48 an den Eingang eines Zählers 206. Der Oszillator 28 ist von gewöhnlicher Bauart und kann Taktimpulse mit einer Frequenz im Bereich von 10 KHz bis 300 KHz erzeugen. Der Zähler 206 ist ein gebräuchlicher 4-Bit-Binär-Zähler,

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BAD ORfGINAL

der unter der Bezeichnung SN 7493 als integrierte Schaltung erhältlich ist. Die vier Ausgangsleitungen des Zählers 206 sind mit dem Eingang eines Decoders 208 verbunden. Der Decoder 208 ist ein Standard-4-Bit-Demultiplexer beispielsweise wie der integrierte Schaltkreis SN 74154. Die Ausgangsleitungen 0-5 des Decoders 208 sind elektriscl mit dem Tastenfeld 5 verbunden. Wie oben beschrieben, enthält das Tastenfeld 5 für jeden tastenbetätigten Schalter eine Eingangsleitung. Der Decoderausgang 0 liegt an der AUS-Eingangsleitung, während die Decoderausgänge 1-5 an den Tastenfeldeingangsleitungen 1-5 liegen. Drei der übrigen Decoderausgangsleitungen werden, wie unten beschrieben, zur Erzeugung von Zeitsteuersignalen verwendet. Das Tastenfeld 5 enthält eine Schalterausgangsleitung, die für alle Tastenschalter gemeinsam ist. Diese Leitung liegt an dem Freigabeeingang eines Shiftregisters 210.

Das Shiftregister 210 ist ein übliches 4-Bit-Parallelein-Parallelausgabe-Shiftregister, das als integrierte Schaltung mit der Bezeichnung SN 74 95 erhältlich ist. Das Shiftregister 210 erbringt die Speicherfunktion der Steuereinrichtung. Der Inhalt des Shiftregisters 210 entspricht der letzten über das Tastenfeld 5 eingegebenen Leistungseinstellung. Das Tastenfeld 5 kommuniziert mit dem Shiftregister 210 wie folgt. Wenn das Flipflop 202 durch den Null-Durchgangsdetektor 10 gesetzt ist, werden die internen Taktimpulse des Oszillators 48 über das UND-Gatter 204 zu dem Zähler 206 durchgeschaltet. Da der Zähler 206 von 0-5 zählt, erscheinen nacheinander Abfrageimpulse an den Ausgängen 0-5 des Decoders 208. Das Ausgangssignal des Zählers 206 liegt ferner an den Eingangsleitungen des Shiftregisters 210. Wenn eine Taste betätigt ist, ist der zugehörige Schalter geschlossen. Folglich liegt ein Impuls der entsprechenden Ausgangsleitung des Decoders 208 über den geschlossenen Schalter

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des Tastenfeldes 5 an der S-aicherfreigabeleitung des S'hiztregisters 210 und bewirkt, daß das an den ¹⁷Ingängen des Shiftregisters 210 anliegende Signal _n dem register -ye^peichert v. Ird. Die Eingänge des ShiVLr*"-gisters 210 sind unmittelbar an die Ausgänge des "Mhlers 206 angeschlossen, weshalb das Speicherrw .j ^:ister den Zählerstand speichert, der zu der betätigter Taste gehört.

Als Beispiel für die Betriebsweise der Abfrageschaltung sei angenommen, daß der Benutzer durch die Betätigung der Taste 3 die Leistungseinstellung 3 auswählt. Wenn der Zähler 206 den vierten Zeitsteuerimpuls des Gatters 204 zählt, erscheint an seinen Ausgängen und an den Eingängen des Shiftregisters 210 das binäre Signal 0011. Der Schalter von Taste 3 ist geschlossen, womit der Impuls an .dem Ausgang 3 des Decoders 208 an den Speicherfreigabeeingang des Shiftregisters 210 übertragen wird, so daß das Shiftregister 210 das Binär-Signal 0011 speichert. Der Inhalt des Shiftregisters 210 bleibt unverändert, bis erneut eine Taste des Tastenfeldes ί betätigt ist und ein nachfolgendes Speicherfreigabesignal zu dem Shiftregister 210 übertragen wird.

Die Tastenfeldabfrage ist abgeschlossen, wenn der Zähler 206 von 0-5 gezählt hat. Jedoch fährt der Zähler fort, bis 15 zu zählen. Die Ausgänge 6, 7 und 10-14 des Decoders werden nicht verwendet. Die Ausgang^ 8, 9 und 15 werden für zusätzliche Zeitsteuersignale hergenommen. Der Ausgang 15 liegt unmittelbar an dem K-Eingang des Flipflops 202. Außerdem .liegt der Ausgang 15 über ein ODER-Gatter 203 ebenfalls an dem Takteingang des Flipflops 202. Bei dem To- Zählschritt setzt der an dem Ausgang 15 erscheinende Impuls das Flipflop 202 zurück, womit dessen Q-Ausgang nach logisch Null geht. Hierdurch wird der Zähler 206 gesperrt, weil die Signale des

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BAD ORIGINAL

Oszillators 48 durch das UND-Gatter 204 blockiert sind. Bis der nächste Null-Durchgangsimpuls von dem Null-Durchgangsdetektor 10, der über das ODER-Gatter 203 mit dem J-Eingang des Flipflops 202 verbunden ist, das Flipflop 202 setzt und die Wiederholung des Abfrageprozesses freigibt, bleibt der Zähler pausiert. Auf diese Weise werden die Ausgangsleitungen des Tastenfeldes 5 einmal je SteuerIntervall abgefragt. Das Shiftregister 210 behält die zuletzt eingegebene Leistungseinstellung, bis eine nachfolgende Leistungseinstellung eingegeben wird. Wenn während der Abfrage keine betätigte Taste erkannt wird, bleibt das in dem Shiftregister gespeicherte Signal unverändert.

Stromeinschaltflipflop (PDF)

Das Shiftregister 210 weist vier Ausgänge auf, über die der Inhalt des Shiftregisters 210 an ein UND-Gatter und einen Komparator 214 übertragen wird. Das UND-Gatter 212 prüft den Inhalt des Shiftregisters 210 und sucht nach einer binären Null (0000), die eine AUS-Einstellung repräsentiert. Die vier Ausgänge des Registers 210 sind mit den vier invertierten Eingängen des UND-Gatters 212 verbunden. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 212 ist in den J-Eingang eines PUF-Flipflops 216, eines üblichen J-K-Flipflops eingeschleift. Wenn in das Shiftregister 210 eine binäre Null (0000) eingegeben ist, erzeugt auf diese Weise der Ausgang des Gatters 212 ein Setzsignal für PUF 216. Der Takteingang von PUF 216 liegt an dem Ausgang 8 des Decoders 208, damit PUF 216 nach der Beendigung der Tastenfeldabfrage und vor dem Takten des Flipflops 202, das noch nicht beschrieben ist, einmal je Steuerintervall getaktet wird.

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Hauptzähler für die Null-Durchgänge

Der Hauptzähler 14 für die Null-Durchgänge ist ein konventioneller 4-Bit-Binär-Zähler, der als integrierte Schaltung mit der Bezeichnung SN 7493 erhältlich ist. Der Hauptzähler 14 empfängt an seinem Eingangsanschluß Null-Durchgangsimpulse von dem Null-Durchgangsdetektor 10. Der Hauptzähler 14 ist so geschaltet, daß er als Ringzähler arbeitet, der bei insgesamt fünf Zählschritten von 0-4 zählt. Bei der Erhöhung auf den fünften Zählschritt/ in Abhängigkeit von der Eingabe des fünften Null-Durchgangsimpulses, wird der Hauptzähler umgehend auf· die binäre Null zurückgesetzt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Signale von den Ausgängen A und C über ein UND-Gatter 235 miteinander verknüpft werden und das entstehende Ausgangssignal zum Rücksetzen dtj Zählers 14 verwendet wird« Es ist ersichtlich, daß das Mikroprozessorausführungsbeispiel am besten durch Zählen von 1-5 für die fünf Zählschritte ausgeführt wird, während bei der Version mit diskreten logischen Bauelementen am besten die Zählung von 0-4 für fünf Zählschritte vorgesehen wird.

Komparator

Wie in Fig. 8A dargestellt, liegen die vier Ausgänge des Hauptzählers 14 an einem der beiden Sätze von je vier Eingangsleitungen eines Komparators 214. Der Komparator 214 ist ein Standard-4-Bit-Komparator, beispielsweise ein IC mit der Bezeichnung SN 5485, das einen Größenvergleich von zwei 4-Bit-Eingaben durchführt und einen der drei Ausgänge setzt, der zu einer der drei Vergleichsdingungen gehört, nämlich kleiner als, genau gleich bzw. größer als. Der andere Satz von vier Eingängen ist mit den Ausgängen des Shiftregisters 210 verbunden. Bei dieser Schaltung wird der Komparator 214 dafür verwendet, den

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Inhalt des Hauptzählers 14 und den des Shiftregisters 210 auf eine Kleinerbedingung hin zu untersuchen. Folgüc •geht der zu der kleiner-als-Bedingung gehörende Ausgang des Komparators 214 nach logisch Eins, wenn der Zählerstand des Zählers ZCM 14 kleiner als der Inhalt MiKB) des Shiftregisters 210 ist. Während des stationären Betriebszustandes wird das Tastverhältnis durch das Ausgangssignal des Komparators 240 bestimmt, das über ein UND-Gatter 220 an ein Stromeinschaltflipflop 226 (POL) 'weitergeschaltet wird.

"Weichstart"-Betriebsmodus

Wie gesagt, wird der "Weichstart"-Betriebsmodus ausgeführt, wenn die Leistungseinstellung von einer AUS-Einstellung in eine andere Leistungseinstellung geändert wird. Wenn eine AUS-Einstellung gewählt ist, ist in dem Shiftregister 210 eine binäre Null gespeichert, und PUF 216 ist durch eine logische Eins an dem Ausgang des UND-Gatters 212 gesetzt. Das Ausgangssignal des Komparators 214 wird über ein UND-Gatter 228 mit dem Ausgangssignal von PUF 216 verknüpft.- Das Ausgangssignal des UND-Gatters 228 geht nach logisch Eins, wenn das Ausgangssignal des Komparators 214 nach logisch Eins geht und PUF 216 entsprechend den erfüllten Bedingungen der Blöcke 136 und 138 nach Fig. 6C gesetzt ist. Das Ausgangssignal des Gatters 228 liegt an dem K-Eingang von PUF 216, dem J-Eingang von SSL 222 und dem Rücksetzeingang des Zählers 230 und bewirkt, daß PUF 216 zurückgesetzt, SSL 222 gesetzt und der Zähler 230 zurückgesetzt wird, wenn das Ausgangssignal an diesem Gatter 228 nach logisch Eins geht, was-den Blöcken 152, 154 und 156 nach Fig. 5C entspricht.

In dem "Weichstart"-Betriebsmodus beträgt das Tastverhältnis, wie bereits gesagt, für eine fünf Halbschwingungei

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lange Steuerperiode 20%. Dies wird dadurch erreicht, daß der Triac 3 nur dann getriggert wird, wenn SSL 32 gesetzt ist und der Zählerstand des Zählers 14 gleich der binären Null ist, was einmal alle fünf Zählschritte auftritt.

Das Gatter 236 liefert eine UND-Verknüpfung der invertierten Ausgangssignale des Zählers 14. Wenn der Zählerstand gleich der binären Null ist, geht das Ausgangssignal des UND-Gatters 236 nach logisch Eins und dies erfolgt einmal alle fünf Zählschritte. Das UND-Gatter 234 verknüpft das Ausgangssignal des Gatters 236 und das Ausgangssignal von SSL 222 (wenn SSL 222 gesetzt ist, arbeitet die Anordnung im "Weichstarf-Betriebsmodus) . Dies entspricht der erfüllten Bedingung bei den Abfrageblöcken 140 und 142 nach Fig..6C. Hierdurch wird über das ODER-Gatter 224 ein Setzsignal für POL 226 einmal alle fünf Zählschritte erzeugt, wenn der "Weichstart"-Modus eingeschaltet, ist, was dem Anweisungsblock 145 nach Fig. 6C entspricht.

Die Dauer des"Weichstart"-Modus wird durch einen Zähler 230 gesteuert. Der Zähler 230 ist ein konventioneller 4-Bit-Binär-Zähler. Das Ausgangssignal des Gatters ist in den Eingang, des Zählers 230 eingekoppelt, um diesen bei jedem Auftreten des Zählerstandes Null entsprechend Block 144 nach Fig« 6C zu erhöhen. Der Zähler 230 ist so gestaltet, daß er sich nach dem Zählen einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen aus dem Gatter 234 zurücksetzt. Die Ausgangsanschlüsse des Zählers 230 sind mit den Eingängen eines UND-Gatters 238 verbunden, so daß das Ausgangssignal des UND-Gatters 238 logisch Eins wird, wenn der Zählerstand die binäre 5 erreicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Dauer des "Weichstart"-Modus näherungsweise 664 msec. Der Zähler 230 wird durch das UND-Gatter 234 einmal alle fünf Takt-

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zyklen erhöht. Die Taktfrequenz beträgt, wie gesagt, 110 Hz. Der Zähler 230 wird nach dem 16. Zählschritt, der 80 Taktzyklen entspricht, zurückgesetzt, womit sich die erforderliche Zeitdauer von 664 msec ergibt. Das Ausgangssignal des Gatters 238 wird in' den K-Eingang von SSL 222 eingespeist, so daß SSL 222 beim Auftreten des 16. Zählschrittes zurückgesetzt wird und nach dem Ablauf von 664 msec Betriebszeit der Betrieb im "Weichstart"-Modus beendet wird, was dem Anweisungsblock 148 nach Fig. 6C entspricht.

Triactriggerung

Wie bereits erwähnt, dient das UND-Gatter 220 während des stationären Betriebes zum Durchschalten des Ausgangssignales des Komparators 214 zu dem POL 226. Entsprechend sperrt das UND-Gatter 220 das Komparatorausgangssignal dadurch, daß das Ausgangssignal des Komparators 214 mit dem invertierten Ausgangssignal von SSL 222 UND-verknüpft wird, wenn der "Weichstart"-Modus eingeschaltet ist. Das Ausgangssignal "des Gatters 220 geht nach logisch Eins, wenn das Ausgangssignal des Komparators 214 logisch Eins und SSL 222 in dem zurückgesetzten Zustand ist, was der nicht erfüllten Bedingung des Abfrageblocks 140 nach Fig. 6C entspricht. Das Ausgangssignal des Gatters 220 und das Ausgangssignal des Gatters 235 (das Ausgangssignal für den "Weichstart"-Modus) werden durch das ODER-Gatter 224 miteinander verknüpft und das so entstehende Signal wird in den J-Eingang von POL 2226 eingespeist. Der Takt für POL 226 wird an dem Ausgang 9 des Decoders 208 abgegriffen. Das Ausgangssignal logisch Eins von POL 226 korrespondiert mit dem Anweisungsblock 141 nach Fig. 6C. :

Die Leistungsausgangsroutine nach Fig. 6D enthält den Entscheidungsblock 164, der die Ausgabe des Triggersignale!

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an den Triactreiber 26 solange verzögert, bis der Null-Durchgangsimpuls empfangen ist. Bei- der Schaltung nach den Fig. 8A "und 8D wird dies erreicht, indem das Ausgangssignal des Null-Durchgangsdetektors 10 mit dem Ausgangssignal von POL 226 UND-verknüpft wird. Auf diese Weise wird der Null-Durchgangsimpuls dazu verwendet, das Schalten des Triacs 3 mit dem Null-Durchgang der Netzspannung zu synchronisieren.

Steuerung von mehreren Heizelementen

Der hier beschriebene Leistungssteuerablauf kann leicht für die Steuerung von mehreren Heizelementen erweitert werden. In Fig. 10 ist eine Mikroprozessorimplementierung für die Steuerschaltung zum Steuern von zwei Heizelementen unter der Verwendung eines Mikroprozessors der TMS 1000 Serie veranschaulicht. Diese Schaltung unterscheidet sich von der nach Fig_% 5 insofern, als der zweite K-Eingang K2 zur Abfrage eines zusätzlichen Tastenfeldes 5 (b) verwendet ist. Der Ausgang R9 ist als Ausgangsleitung zum Triggern des zusätzlichen Triacs 3 über den zusätzlichen Triactreiber 26 vorgesehen.

Das Steuerprogramm dieses Ausführungsbeispieles enthält im wesentlichen dieselben Steuerroutinen, wie sie in den Fig. 6A-6D veranschaulicht und für jedes der zwei Heizelemente dupliziert sind. Das Flußdiagramm von Fig. 11 zeigt die Anordnung der Unterroutinen zur Steuerung von zwei Heizelementen 1.

Die Netzeinschaltroutine 6A (1, 2) ist der in Fig. 6A gezeigten Routine äquivalent, jedoch um das Rücksetzen der Flipflops, Timer und Register für zwei Heizelemente erweitert. Die Eingabeabfrageroutinen 6B (1) und 6B (2) erbringen die Funktionen der Eingabeabfrage für die Heizelemente S/U1 und S/U2 in der Weise der Eingabeabfrage-

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routine von Fig. 6B. Ähnlich setzen die Leistungssteuerroutinen 6CCD und 6C(2) die Stromeinschaltflipflops (POL) der Heizelemente S/U1 und S/U2 in derselben Weise wie die Leistungssteuerroutine von Fig. 6C bzw. setzen diese Flipflops zurück.

Die Leistungsausgangsroutine 6D(1, 2) ist identisch der Routine von Fig. 6D mit der Ausnahme, daß die durch die Blöcke 160 und 162 veranschaulichten Anzeigefunktionen für das zweite Heizelement dupliziert sind. Entsprechend sind die Triac-Trigger-Funktionen der Blöcke 166, 168 und 170 für das zusätzliche Heizelement dupliziert, so daß eine Entscheidung, beide Ausgangsflipflops R8 und R9 (Fig. 10) zu setzen oder zurückzusetzen, in dieser Routine sofort nach dem Empfang des Null-Durchgangsimpulses ausgeführt wird.

Die Steuerung eines Gerätes mit mehreren Heizelementen unter Verwendung diskreter Logikschaltkreise der in den Fig. 8A und 8B für ein einzelnes Heizelement veranschaulichten Art kann, dadurch erreicht werden, daß für jedes Heizelement eines Logiksteuerschaltung nach den Fig. 8A und 8B vorgesehen ist.

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Claims

Patentanwalts D;pl.-ine. W. Scherrmaiin Dr.-Ing. R. Roger

7300 Esslingen (Neckar), Webergasse 3. Postlach -too Telefon

31, Januar 1980 Stuttgart (om; 356539

Stuttgart PA 189 baeh ^359δ19

Telex 07 255610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Patentansprüche

Γ 1.^Steuerschaltung zum Anschluß an eine pulsierende Stromversorgung für die Steuerung der abgegebenen Leistung eines Widerstandsheizelementes in Abhängigkeit von der durch einen Benutzer aus einer Reihe von diskreten Lexstungseinstellungen ausgewählten Leistungseinstellung, dadurch gekennzeichnet, daß ein ein der ausgewählten Leistungseinstellung entsprechendes digitales Steuersignal erzeugender Steuersignalgenerator (20),an dem zur Speicherung des Steuersignales ein Speicher (18) angeschlossen ist, sowie ein Zähler (14) vorhanden sind, der sich immer wieder nach dem Zählen einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen der Stromversorgung (2) zurücksetzt, wobei die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Zählschritten ein Steuerintervall festlegt, daß an den Speicher (18) und den Zähler (14) eine Vergleichseinrichtung (16) angeschlossen ist, die während jedes SteuerIntervalls das Steuersignal mit dem Zählerstand vergleicht und ein Vergleichssignal erzeugt, das zwei Zustände, entsprechend zwei Relationen zwischen den verglichenen Großen, annimmt, und in eine Schalteinrichtung (3, 24, 26, 18) eingespeist wird, die bei der ersten Relation zwischen den verglichenen Größen das Heizelement (1) mit der Stromversorgung (2) verbindet und bei der zweiten Relation zwischen den verglichenen Größen die Energiezufuhr zu dem Heizelement (1) sperrt.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (3, 24, 26, 28) ein Festkörperbauelement enthält.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (16) den Zählerstand arithmetisch mit dem digitalen Steuersignal vergleicht.
4. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (3, 24, 26, 28) eine Baugruppe (28) enthält, durch die das Heizelement (1) in der Nähe des Nullwerdens, der Impulse der Stromversorgung (2) an die Stromversorgung angeschaltet wird.
5. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (2) eine Wechselstromversorgung ist und der Zähler (14) die Null-Durchgänge der Wechselstromversorgung zählt.
6. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Anzahl von Impulsen eine Steuerperiode begrenzt und daß die dem Heizelement (1) bei der jeweils ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) während einer Steuerperiode zugeführte Anzahl von Impulsen elektrischer Energie gleich dem numerischen Wert des digitalen Steuersignales ist.
7. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Steuerperiode begrenzende vorbestimmte Anzahl von Impulsen ungerade ist.
8. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei numerisch gleichem oder kleinerem Zählerstand als dem Wert des Steuersignales das Vergleichssignal den ersten Zustand und den zweiten Zustand sonst annimmt.

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9. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (3, 24, 26, 28) ein mit der Vergleichseinrichtung (16) gekoppeltes Flipflop (24) enthält, das bei in dem ersten Zustand befindlichen Vergleichssignal in den gesetzten Zustand und bei in dem zweiten Zustand befindlichen Vergleichssignal in den rückgesetzten Zustand geschaltet ist und an das ein Triggersignalerzeuger (26, 28) angeschlossen ist, der synchron mit dem Nullwerden an der Stelle oder in der Nähe des NuIlwerde.ns der Impulse der Stromversorgung (2) Triggersignale erzeugt, die in den wie ein Arbeitskontakt wirkenden elektronischen Schalter (3) eingespeist werden, der in Serie mit dem Heizelement (1) und der Stromversorgung (2) liegt und durch die Triggersignale in den leitenden Zustand umschaltet«
10. Steuerschaltung für die Zufuhr elektrischer Energie zu einem Widerstandsheizelement in Abhängigkeit von einer aus einer Reihe möglicher, die AUS-Einstellung umfassender Leistungseinstellungen ausgewählten Leistungseinstellung, wobei jeder Leistungseinstellung eine andere dem Heizelement zugeführte Leistung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das heizelement bei hohen Temperaturen einen verhältnismäßig hohen und bei niedrigen Temperaturen eine verhältnismäßig kleinen Widerstand aufweist, daß bei wenigstens einer der Leistungseinstellungen (1-5) dem relativ kalten Heizelement (1) eine elektrische Leistung . zugeführt wird, die einen eine erträgliche Grenze übersteigenden Strom hervorruft, daß eine Umschalterkennung (18, 20, 29, 30, 31) vorgesehen ist, die den Wechsel von einer AUS-Einstellung in diese Leistungseinstellung (1-5) erkennt und eine transiente Steuereinrichtung (32, 34) so steuert, daß diese für eine vorbestimmte Zeit das Heizelement (1) mit einer

kleineren elektrischen Leistung versorgt als sie zu der ausgewählten Leistungseinstellung (.1-5) gehört, derart, daß der Strom durch das Heizelement (1) unterhalb der erträglichen Grenze bleibt und daß eine Steuereinrichtung (16) für den stationären Betrieb vorgesehen ist, die die Energiezufuhr zu dem Heizelement (1) nach Ablauf der vorbestimmten Zeit entsprechend dieser Leistungseinstellung (T-5) kontrolliert.
11. Steuerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit eine derartige Länge aufweist, daß das mit der kleinen Leistung betriebene Heizelement (1) eine Temperatur erreicht, bei der der Strom durch das Heizelement (1) bei der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) unterhalb der erträglichen Grenze bleibt.
12. Steuerschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der ausgewählten Leistungseinstellung (1-f das Heizelement (1) mit elektrischer Energie mit einem ersten Tastverhältnis versorgt wird und die transiente Steuereinrichtung (32, 34) dem Heizelement (1) die elektrische Energie mit einem zweiten vorbestimmten Tastverhältnis zuführt, das kleiner als das erste Tastverhältnis ist.
13- Steuerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalterkennung (18, 20, 29, 30, 31) einen Steuersignalgenerator C20) enthält, der ein· der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) entsprechendes digitales Steuersignal erzeugt und an den ein Speicher (18) zur Speicherung des Steuersignales angeschlossen ist, dessen Speicherinhalt durch eine Testeinrichtung (29, 30, 31) überwacht wird, die den Wechsel von dem der AUS-Einstellung entsprechenden

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Steuersignal zu dem der übermäßigen Strom erzeugenden Leistungseinstellung entsprechende! Steuersignal erkennt.
14. Steuerschaltung für die Steuerung der abgegebenen Leistung eines Widerstandsheizelementes in Abhängigkeit von einer aus einer Reihe von Leistungseinstellungen ausgewählten Leistungseinstellung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine einen transienten Betrieb steuernde Schaltung enthält, die unabhängig von der Temperati r des Heizelementes (1) für eine vorbestimmte Zeit dem Heizelement (1) eine geringere elektrische Leistung zuführt, als es der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) entspricht, und daß sie ferner eine .den stationären Betrieb steuernde Schaltung aufweist, die nach Ablauf der vorbestimmten Zeit die dem Heizelement (1) zugeführte Leistung gemäß der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) steuert.
15. Steuerschaltung für die Steuerung der abgegebenen Leistung eines an eine pulsierende Stromversorgung angeschlossenen Widerstandsheizgerätes in Abhängigkeit von einer aus einer Reihe diskreter, die AUS-Einstellung umfassender Leistungseinstellungen ausgewählten Leistungseinstellungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1)- bei hohen Temperaturen einen verhältnismäßig großen Widerstand aufweist, der mit der Temperatur auf einen relativ niedrigen Wert in der Nähe der Raumtemperatur fällt, daß ein Steuersignalgenerator (20) vorhanden ist, der' ein· der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) entsprechendes digitales Steuersignal erzeugt und an den ein das Steuersignal speichender Speicher (18) angeschlossen ist, der mit einer Vergleichs-und Triggerschaltung (16, 24, 26, 28) verbunden ist, die das in dem Speicher gespeicherte Steuersignal ver-

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arbeitet und ein Triggersignal erzeugt, das einen mit dieser verbundenen/ in Serie mit dem Heizelement (1) und der Stromversorgung (2) liegenden elektronischen Schalter (3) gemäß dem durch das Steuersignal festgelegten Muster in den leitenden Zustand oder den gesperrten Zustand umschaltet, daß an den Speicher (18) außerdem eine Abfrageeinrichtung (29, 30, 31) angeschlossen ist, die die eine

Leistungseinstellung (1-5) erkennt, die bei dem auf Raumtemperatur liegenden Heizelement (1) einen Strom hervorruft, der die Stromgrenzwerte des elektronischen Schalters (3) übersteigt,und daß an den Ausgang der Abfrageeinrichtung (29, 30, 31) eine Begrenzerschaltung angeschlossen ist, die für eine vorgegebene Zeit die dem Heizelement zugeführte Leistung auf einen von der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) unabhängigen Wert begrenzt, bei dem der Strom durch das Heizelement (1) unterhalb des erträglichen Stromgrenzwertes liegt.
16. Steuerschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit eine derartige Länge aufweist, daß das mit der begrenzten Leistung betriebene Heizelement (1) eine Temperatur erreicht, bei der der Strom durch das Heizelement (1) bei der ausgewählten Leistungseinstellung unterhalb des akzeptierbaren Grenzwertes bleibt.
17. Steuerschaltung für ein Widerstandsheizelement, die durch einen Benutzer auswählbare, die AUS-Einstellung enthaltende Leistungseinstellungen aufweist und beim normalen Betrieb zusammen mit dem Heizelement an Sicherungseinrichtungen anschließbar ist, die beim Auftreten einer vorbestimmten elektrischen Auslösebedingung die Stromzufuhr unterbrechen, wobei das Heizelement einen relativ hohen Widerstand bei hohen

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Temperaturen und einen relativ niedrigen Widerstand bei Raumtemperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Verhindern der Auslösebedingung eine Abfrageeinrichtung (18, 20, 29, 30, 31) enthält, die den Übergang von der AUS-Einstellung in eine der Leistungseinstellungen (1-5) erkennt und an die eine Schaltbaugruppe (3, 16, 24, 26, 28, 32,34) angeschlossen ist, über die bei der Erkennung des Überganges während einer vorbestimmten Zeit unabhängig von der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) das Heizelement (1) mit einer das Auftreten der Auslösebedingung vermeidenden elektrischen Leistung versorgt wird.
18. Steuerschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageeinrichtung (18, 20, 29, 30, 31) einen Steuersignalgenerator (20) enthält, der ein der durch den Benutzer ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) entsprechendes Steuersignal erzeugt und an den zur Speicherung des Steuersignals ein Speicher (18) angeschlossen ist, daß mit dem Speicher (18) eine den Speicherinhalt überwachende Überwachungseinrichtung (29, 30, 31) verbunden ist, die beim Übergang von einem einer AUS-Einstellung entsprechenden Steuersignal zu einem einer anderen Leistungseinsteliung (1-5) entsprechenden Steuersignal ein Überwachungssignal abgibt«
19. Steuerschaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltbaugruppe (3, 16, 24, 26, 28, 32, 34) beim Vorliegen des Überwachungssignales der Überwachungseinrichtung (29, 30, 31) für eine vorbestimmte Zeit das Heizelement unabhängig von dem Steuersignal mit einer vorbestimmten elektrischen Leistung und beim Fehlen des Überwachungssignales das Heizelement mit der durch das Steuersignal festgelegten

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Leistung derart betreibt, daß während einer kurzen Zeitspanne nach dem Wechsel aus der AUS-Einstellung in eine andere Leistungseinstellung (1-5) die zu der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) gehörige Leistung zeitweise durch eine andere Leistung ersetzt ist.
20. Steuerschaltung zur Steuerung des Tastverhältnisses für ein Widerstandsheizelement in Abhängigkeit von der durch einen Benutzer aus einer Reihe möglicher/ diskreter, die AUS-Einstellung umfassender Leistungseinstellungen ausgewählten Leistungseinstellung, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Steuersignalgenerator (20) enthält,, der ein der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) entsprechendes digitales Steuersignal erzeugt, das in einem an dem Steuersignal· generator (20) angeschlossenen Speicher (18) gespeichert wird, daß in Serie mit dem Heizelement (1) ein elektronischer Schalter (3) liegt, der das Heizelement (1) mit einer pulsierenden Stromversorgung (2) verbindet, daß eine Vergleichs- und Triggerschaltung (14, 16, 24, 26, 28),die abhängig von dem Steuersignal arbeitet und in einem durch das Steuersignal festgelegten Muster den elektronischen Schalter (3) zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand umschaltet sowie eine Abfrageeinrichtung (29, 30, 31) mit dem Speicher (18) verbunden sind, die den Speicherinhalt überwacht und beim Erkennen eines einer AUS-Einstellung entsprechenden Steuersignals ein Signal erzeugt, das ein erstes Flipflop (30) in den gesetzten Zustand umschaltet, daß von dem ersten Flipflop (30) und dem Speicherinhalt ein zweites Flipflop (32) gesteuert wird, das bei gesetztem ersten Flipflop (30) und einem einer "Nicht AUS' Leistungseinstellung entsprechenden Steuersignal in dem Speicher in den gesetzten Zustand umschaltet und

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daß in dem gesetzten Zustand die Vergleichs- und Triggerschaltung (14, 16, 24, 26, 28) derart umsteuert, daß diese den elektronischen Schalter jeweils unabhängig von dem Steuersignal in dem vorbestimmten Muster umschaltet, daß das zweite Flipflop einen durch die Vergleichs- und Triggerschaltung (14, 16, 24, 26, 28) gesteuerten Timer (34) freigibt, der eine vorbestimmte Anzahl von Triggerimpulsen zählt und sich sowie das zweite/ an ihn angeschlossene Flipflop (32) beim Erreichen des vorbestimmten Zählerstandes zurücksetzt und daß beim Umschalten von der AüS-Einstellung in eine andere Leistungseinstellung (1-5) das zu der tatsächlichen Leistungseinstellung (1-5) gehörige Tastverhältnis vorübergehend durch ein vorbestimmtes Tastverhältnis ersetzt ist.
21. Elektrisches Kochgerät mit einer Steuerschaltung, die eine Reihe von durch einen Eenutzer manuell auswählbaren, die AUS-Einstellung enthaltenden Leistungseinstellungen aufweist und in verschiedenen stationären Betriebszuständen einem mit der Steuerschaltung verbundenen, an ein Hausstromnetz anschließbaren Widerstandsheizelement entsprechend der ausgewählten Leistungseinstellung elektrische Leistung zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Widerstand des Heizelementes (1) stark mit der Temperatur ändert und bei Raumtemperatur einen derartigen Wert aufweist, daß sich bei der Stromzufuhr gemäß wenigstens einer der Leistungseinstellungen (1-5) ein Strom einstellt, der die brauchbaren Stromgrenzwertbedingungen •übersteigt, daß für ein allmähliches, ein übersteigen der Grenzwertbedingungen vermeidendes Anwachsen der Temperatur und des Widerstandes des Heizelementes die Steuerschaltung (4) eine Leistungssteuerung enthält, die nach der Auswahl dieser Leistungseinstellung

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im Anschluß an eine AUS-Einstellung wirksam ist und das Heizelement (1) für eine vorbestimmte Zeit mit einer mittleren Leistung beaufschlagt, die kleiner als die zu der ausgewählten Leistungseinstellung gehörige ist, und daß nach der vorbestimmten Zeit das Heizelement mit der der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) entsprechenden Leistung beaufschlagbar ist.
22. Kochgerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuerung (4) in schneller Abfolge das Heizelement (1) mit der Stromversorgung (2) verbindet und von der Stromversorgung (2) trennt.
23. Kochgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (2) ein pulsierendes Signal abgibt und die Leistungssteuerung (4) periodisch Impulse der Stromversorgung zu einer Steuerperiode zusammenfaßt, wobei eine ausgewählte Anzahl von Impulsen innerhalb einer Steuerperiode dem Heizelement (1) zugeführt werden.
24. Elektrisches Gerät mit einem Widerstandsheizelement und einer Leistungssteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß der schnell mit der Temperatur steigende und fallende Widerstand des Heizelementes (1) bei oder in der Nähe der Raumtemperatur einen solchen Wert aufweist, daß das an die für das GerHt vorgesehene Stromversorgung (2) angeschlossene Heizelement (1) einen übermäßigen Strom hervorruft,und daß die Leistungssteuerung für eine vorübergehende Zeit nach dem Einschalten des Heizelementes (1) mit Raumtemperatur den durch das Heizelement (1) entnommenen Strom begrenzt.

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25. Gerät nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuerung (4) eine Reihe von durch einen Benutzer auswählbaren, die AUS-Einstellung umfassenden Leistungseinstellungen (1-5) aufweist und in Abhängigkeit von dem Übergang aus einer AUS-Einstellung in eine andere Lexsfcungseinstellung (1-5) den Strom begrenzt.
26. Gerät nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1) zum Anschluß an eine pulsierende Stromversorgung (2) ,vorgesehen ist und zwischen der Stromversorgung (2) und dem Heizelement (1) ein Schalter (3) liegt, daß die Leistungssteuerung (4) mittels der aufeinanderfolgend auftretenden Impulse der Stromversorgung (2) Steuerintervalle festlegt und eine während jedes Steuerintervalles arbeitende Logikschaltung enthält, die während.jedes Steuerintervalles entweder ein erstes den Schalter (3) schließendes oder ein zweites den Schalter (3) öffnendes Signal abgibt, wobei die Stromzufuhr zu dem Heizelement (1) während jedes Steuerintervalles durch ein in dem jeweils vorhergehenden Steuerintervall erfolgte logische Entscheidung gesteuert ist.
27. Gerät nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Heizelementes (1) bei den normalen Arbeitstemperaturen so hoch ist, daß bei einer ständigen elektrischen Verbindung zwischen der Stromversorgung (2) und dem Heizelement (1) der fließende Effektivstrom unter dem übermäßigen Stromwert bleibt und beim Abkühlen innerhalb einer kurzen Abkühlzeit auf den niedrigen Wert zurückkehrt, der beim Anlegen der Stromversorgung (2) für eine erste kurze Zeit einen übermäßigen Strom hervorruft, daß die Leistungssteuerung. (4) eine Benutzereingabe (5) für eine Reihe manuell eingebbarer Leistungseinstellungen aufweist und die

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Temperatur des Heizelementes (1) in Abhängigkeit von der jeweiligen Leistungseinstellung durch schnell aufeinanderfolgendes Anschalten des Heizelementes (1) an die Stromversorgung (2) und Abschalten des Heizelementes (1) von der Stromversorung (2) derart steuert, daß beim Aufheizen des Heizelementes (1) der übermäßige oder unverarbeitbare wirksame Strom vermieden ist und das Heizelement (1) während eines ausgedehnten Betriebs bei der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) den hohen Widerstand beibehält.
28. Gerät nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuerung (4) dem Heizelement (1) während einer vorübergehenden Aufheizperiode für eine vorbestimmte Zeit Stromimpulse zuführt, deren Dauer kürzer als die erste kurze Zeit bemessen ist.
29. Gerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuerung (4) nach Ablauf der vorbestimmten Zeit dem Heizelement (1) Stromimpulse mit einer der ausgewählten Leistungseinstellung (1-5) entsprecher den Rate zuführt, bei der. der maximale zeitliche Abstand kleiner als die Abkühlzeit ist.
30. Gerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Stromimpulse während der Aufheizphase gleich der Hälfte einer Schwingung eines 60 Hz-Hausstromnetzes ist.
31. Gerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale zeitliche Abstand zwischen zwei Stromimpulsen kleiner als die doppelte Abkühlzeitkonstante des Heizelementes (1) ist.

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