DE4342143A1 - Vorrichtung und Schaltungsanordnung zur Temperaturregelung von Kochgeräten - Google Patents

Description

1. Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Schaltungsanordnung zur Temperaturre­ gelung von Kochgeräten mit integrierter Beheizung des Bodens insbesondere für Gleichstromanschluß im Spannungsbereich von etwa 2-30 V.

2. Zweck

Zweck der Vorrichtung und Schaltungsanordnung ist es, Kochgeräte mit Tempera­ turregelung, die für eine effiziente Nutzung des Heizstromes erforderlich ist, ohne Schaltprobleme bei Kleinstspannungen betreiben zu können. Dies ist in diesem Spannungsbereich bei Kochgeräten höherer Leistung problematisch, denn diese nehmen dann so hohe Ströme auf, daß es schwierig ist, diese mit Hilfe der üblichen Zweipunktregeler mit mechanischen Schaltern einwandfrei und zuverlässig abzu­ schalten, insbesondere dann, wenn es sich dabei um Gleichströme handelt. Diese Verhältnisse sind beispielsweise in solchen Fällen gegeben, in denen der Strom zum Kochen von einer photovoltaischen Anlage geliefert wird, die den aus Sonnenstrah­ lung erzeugten Gleichstrom in Pufferbatterien speichert.

3. Stand der Technik

Es sind Kochgeräte mit integrierter elektrischer Bodenbeheizung bekannt, die im Wechselspannungs-Niederspannungsbereich, also bei Spannungen oberhalb von 110 V eingesetzt werden, bei denen auch Ströme bei höheren Wirkleistungen, z. B. bei 110 V und 20 A von 2,2 kW, noch ohne Probleme mit mechanischen Schaltern abgeschaltet werden können, weil die treibende Wechselspannung während des Schaltvorganges mehrmals den Wert Null durchläuft. Bei Gleichspannung im Nie­ derspannungsbereich sind solche Schaltvorgänge wegen des fehlenden Nulldurch­ ganges nur sehr schwierig durchzuführen. Wenn diese Aufgabe vorliegt, dann be­ dient man sich heute der Halbleiterschalter, welche aber bei Kochgeräten für den Hausgebrauch noch keine Anwendung gefunden haben.

4. Kritik am Stand der Technik

Kochgeräte für den Kleinstspannungsbereich sind nur für kleinere Leistungen bis zu 300 Watt bekannt, z. B. als Tauchsieder oder als Autokaffeemaschine, wobei letzte­ re nichts anderes ist als ein kleiner Tauchsieder, der in das Kochgefäß integriert ist. Diese Geräte sind ungeregelt, da sie nur die Aufgabe haben, Wasser zum Kochen zu bringen. Der Heizstrom von 25 A bei 12 V läßt sich auch noch mit den aus der Kraftfahrzeugtechnik bekannten 12 V-Relais schalten, da die Lichtbogenbrennspan­ nung oberhalb von 12 V liegt. Die gleichen Relais gibt es auch für 24 V Nennspan­ nung, allerdings bereits mit reduziertem Laststrom, bedingt durch die Gefahr eines weiterbrennenden Lichtbogens bei größeren Strömen.

Die Leistungen von Kochgeräten liegen wesentlich höher als 300 W: es werden meist mindestens 600 W an Kochplattenleistung benötigt, weitere Standards liegen um 900 W (Kaffee- und Teeautomaten), 1200 W, 1500 W, 1800 W und 2100 W. Schon bei 1200 W liegt die Stromaufnahme der Kochplatte bei 12 V Versorgungs­ spannung bei 100 A, und dieser Strom läßt sich nur mit schweren und sehr teuren Spezialrelais schalten.

5. Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und Schaltungsanord­ nung anzugeben, die es ermöglicht, Geräte mit Temperaturregelung und einer Lei­ stungsaufnahme von bis zu einigen kW, die zum Kochen und Braten geeignet sind, mit vertretbarem Aufwand im Klein- und Kleinstspannungsbereich zu betreiben.

6. Lösung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Heizkörper in einen in­ nigen thermischen Kontakt zum Topfboden gebracht wird, und daß dieser entweder durch sein Temperaturverhalten in der Art einer stetigen Regelung die Topfbo­ dentemperatur auf vorgewählte Werte begrenzt, oder daß seine Temperaturbegren­ zung mit Hilfe eines auf dem Topfboden angebrachten Temperatursensors und einer Auswerteschaltung geschieht, die einen elektronischen Schalter ansteuert, der die Unterbrechung und Wiedereinschaltung des Heizstromes bewirkt, was zu einer Zweipunktregelung führt.

7. Beschreibung

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und Schaltungsanordnung mit der Funktion einer stetigen Regelung in der einfachsten Form im Blockschaltbild dargestellt. Die Gleichstromquelle 1 speist einen Heizkörper 2, der als sogenannter Kaltleiter ausgeführt ist, ein Bauelement, dessen Widerstand ab einer bestimmten Temperatur, Bezugstemperatur genannt, steil ansteigt und demnach durch Begren­ zung der Stromzufuhr ein weiteres Aufheizen des Topfbodens 3 verhindert. Solche Kaltleiter gibt es für verschiedene Bezugstemperaturen, z. B. 100°C, 180°C oder 200°C. Topfboden 3 und Heizkörper 2 werden durch eine mechanische Umhül­ lung 4 gegen Fremdeinwirkung geschützt. Mit dieser Umhüllung kann auch die An­ schlußdose 5 mechanisch verbunden werden.

Es kann auch der Heizkörper 2 im Topfboden 3 integriert sein. In den Figuren sind der Übersichtlichkeit wegen die Heizkörper 2 und Topfboden (TB) 3 separat darge­ stellt.

Der Wert von 100°C wird zum Wasserkochen benötigt, 200°C braucht man zum Anbraten von Fleisch und etwa 180°C zum Weiterbraten. Es ist möglich, Kaltleiter für bestimmte Temperaturen zu entwickeln, doch ist dies bei einer Varian­ te der Erfindung nicht erforderlich: es werden dabei den Erfordernissen entspre­ chend Kaltleiter mit verschiedenen Bezugstemperaturen so auf dem Topfboden an­ geordnet und miteinander verschaltet, daß sich bei der gegebenen Temperaturab­ fuhr stets die gewünschte Temperatur zum Kochen oder Braten einstellt. Ein Bei­ spiel dafür ist in Fig. 2 dargestellt. Die Kaltleiter 2a, 2b . . . haben verschiedene Be­ zugstemperaturen. Ihre Anordnung auf dem Topfboden 3 kann beispielsweise ge­ mäß Fig. 2a erfolgen, ihre elektrische Verschaltung gemäß Fig. 2b. Sie lassen sich natürlich statt in Kombination auch jeder für sich betreiben und ermöglichen dadurch die Einstellung weiterer Topfbodentemperaturen; dies wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist, mit einem von Hand betätigten Schalter 5 bewerkstelligt. Für die nied­ rigste Temperatur ist der Schalter 5 geöffnet, für die höhere wird er geschlossen. Die Dimensionierung kann beispielsweise so gewählt werden, daß die Kaltleiter 2a die Basistemperatur bestimmen, und daß die Kaltleiter 2b weitere Wärmeverluste kompensieren oder höhere mittlere Topfbodentemperaturen erzeugen können. Na­ türlich können auch weitere Kaltleiter mit anderen Ansprechtemperaturen, die über weitere Schalter zuschaltbar sind, in die Kombinationsmöglichkeiten einbezogen werden.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und Schaltungsanordnung mit der Funktion einer Zweipunkt-Regelung in der einfachsten Form im Blockschaltbild dargestellt. Die Gleichstromquelle 1 ist über die Steckverbindung 5 mit den Bau­ gruppen 6 und 7 verbunden, die in dem Gehäuse 8 untergebracht sind, und die mit dem Heizkörper 2 und dem Temperaturfühler 9 in Verbindung stehen, die beide ei­ nen innigen thermischen Kontakt zu dem Topfboden 3 besitzen. Baugruppe 6 ist ein elektronisches Stellglied, das von der Auswerteschaltung 7 so angesteuert wird, daß der Sollwert der Topfbodentemperatur eingehalten wird. Der dazu benötigte Istwert wird von dem Temperatursensor 9 übermittelt.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Schaltungsanordnung für den Temperatursensor 9 und ein Auswerteschaltung 7, wobei der Sensor 9 als Kaltleiter ausgeführt ist. Das Stellglied 6 in Fig. 5a ist in diesem Fall ein VMOS-Transistor, der gemeinsam mit der hier sehr einfachen Auswerteschaltung 7, die auf einen einfachen Widerstand reduziert ist, in dem Gehäuse 8 untergebracht werden kann. Dieses Gehäuse kann ein Stiel sein, der an der Umhüllung 4 angebracht ist, und durch den auch die elek­ trische Zuleitung von der Stromquelle 1 geführt werden kann. Wenn beim Erreichen der Bezugstemperatur der Widerstand des Kaltleitersensors steil ansteigt, wird die Gate/Source-Spannung des VMOS-Transistors so stark nach unten verschoben, daß dieser sperrt und damit den Heizstrom unterbricht. Bei sinkender Topfbodentempe­ ratur sinkt der Kaltleiterwiderstand schnell ab, und der Transistor 6 schaltet den Heizstrom wieder ein. In einer Variante werden, wie in Fig. 5b gezeigt, mehrere Kaltleiter 9a, 9b, 9c . . . unterschiedlicher Bezugstemperatur auf dem Topf­ boden angebracht, so daß mittels des Schalters 10 verschiedene, diskrete Topfbo­ dentemperaturen vorgewählt werden können.

In einer anderen Variante der Schaltungsanordnung nach Fig. 4, mit der Topfbo­ dentemperaturen bis zu 150°C beliebig eingestellt werden können, wird als Tem­ peratursensor 9 ein sehr empfindlicher Siliziumsensor eingesetzt, dessen Wider­ stand sich um z. B. 20 Ohm/K verändert. Sein Einsatz an Stelle eines Kaltleiters verlangt zwar eine wesentlich aufwendigere Auswerteschaltung 7 wie sie in Fig. 6 innerhalb des Rahmens für die Umhüllung 8 eingezeichnet ist, doch bietet er dafür einen wesentlich höheren Komfort. Allerdings sind mit dem Topf nur Kochvorgänge (und Dünsten), aber keine Bratvorgänge möglich. Erhöht sich der Widerstand des Sensors 9 mit der Temperatur, so sinkt die Spannung am nichtinvertierenden Ein­ gang des Operationsverstärkers OP, bis dieser die Referenzspannung an dem inver­ tierenden Eingang unterschreitet. Damit fällt die Ausgangsspannung am Punkt A steil ab, und der Transistor 6 sperrt. Fällt die Temperatur der Kochplatte 3 wieder, so steigt die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP wieder an, bis er umschaltet und der Transistor 6 wieder durchgesteuert wird. Die Ansprechspannung des Operationsverstärkers und damit die Topfbodentempe­ ratur läßt sich mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes R11 in der Auswerteschal­ tung 7 vorwählen.

Für Bratgeschirr wird in einer weiteren Variante der Erfindung ein Thermometerwi­ derstand als Temperatursensor 9 eingesetzt. Solche Widerstände, bekannt als PT 100 (+ 0,34 Ohm/K) oder Ni 100 (+ 0,8 Ohm/K) sind wenig temperaturempfind­ lich und verlangen daher zur Erfassung des Temperatursignals eine Brückenschal­ tung in der Auswerteschaltung 7, wobei letztere wieder aus 7 Widerständen und einem Operationsverstärker besteht, die in Fig. 7 eingerahmt von der Umhüllung 8 angegeben ist. Die Temperaturvorwahl erfolgt mittels des einstellbaren Widerstan­ des R3 der Auswerteschaltung.

Claims (6)

1. Vorrichtung und Schaltungsanordnung zur Temperaturregelung von Kochge­ räten mit integrierter Beheizung des Bodens, insbesondere für Gleichstrom­ anschluß im Kleinstspannungsbereich dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (1) in thermischem Kontakt zum Topfboden (3) angeord­ net ist, und daß der Heizkörper (2) entweder durch sein Temperaturverhalten selbstregelnd oder getaktet ausgebildet ist, derart, daß die Topf- bzw. Pfan­ nenbodentemperatur auf vorgewählte Werte begrenzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (2) aus einem Kaltleiter besteht, der derart ausgebildet ist, daß sein Widerstand bei einer bestimmten Bezugstemperatur, die etwas unterhalb der gewünschten Solltemperatur des Topf- oder Pfannenbodens liegt, einerseits so stark ansteigt, daß durch die damit einhergehende Dros­ selung des Heizstromes ein weiterer Temperaturanstieg des Topf- oder Pfan­ nenbodens wirksam verhindert wird, und daß sein Widerstand sich anderer­ seits mit absinkender Temperatur wieder dergestalt erniedrigt, daß der Heiz­ strom wieder ansteigt, was zu einem Einpendeln der Topf- oder Pfannenbo­ dentemperatur auf den gewünschten Sollwert führt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (2) aus mehreren Kaltleitern (2a, 2b; 91, 9b, 9c) mit mehreren verschiedenen Bezugstemperaturen zusammengesetzt ist, die über Schalter (5, 10) derart zuschaltbar sind, daß sie parallel zueinander betreib­ bar sind, und wobei die Bezugstemperaturen so ausgewählt sind, daß die Kaltleiter mit den höheren Bezugstemperaturen zusätzliche Wärmeverluste kompensieren können oder das Einstellen höherer Kochtemperaturen ermög­ lichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer bestimmten Topf- oder Pfannenbodentemperatur nach Art der Zweipunktregelung ein elektronisches Stellglied (6) vorgesehen ist, wobei dieses Stellglied mit Hilfe einer Auswerteschaltung (7) angesteuert wird, die das Signal eines auf dem Topf- bzw. Pfannenbodens angebrachten Temperatursensors auswertet.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (2) im Topfboden (3) integriert angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatursensoren (9) vorgesehen sind, die als Kaltleiter ausgebildet sind oder als Widerstandssensor.