DE2014444A1 - Regelschaltung für eine flexible Heizvorrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-IKG. CURT WALLACH DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH 20

DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 2 5. MRZ. 1970

UNSERZEiCHEN: 1^ 543

J. P. STEVENS & CO., INC. New York, New York, V.St.A.

Regelschaltung für eine flexible Heizvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine elektronische Steuer- bzw. Regelschaltung ^m^ einer "triac-diac"-Kombination für eine flexible Heizvorrichtung. Die Erfindung ■ ist insbesondere z.B. bei elektrischen Heizdecken und anderen elektrisch beheizbaren Stoffen, z.B. gewebten oder ungewebten Vorhängen, Bodenbelägen und dergleichen, anwendbar. Die Ausdrücke "Temperaturregelmittel" und "Sensor" bezeichnen im folgenden Elemente mit einem positiven Temperaturbeiwert, z.B. sogenannte Plusistoren und Sensistoren oder alternativ einen einzigen Heißleiter, der einen negativen Temperaturbeiwert aufweist« Die zu aktivierende Heizvorrichtung umfaßt außerdem verschiedene Kombinationen von gesteuerten Siliziumgleichrichtern mit oder ohne Diacschaltungen oder eingebaute Zenerdioden, die Bestandteile einer Baugruppe bilden, welche im folgenden als "Thyristor" bezeichnet wird*

Es sind bereits Heizvorrichtungen bekannt, bei denen das Einschalten des Heizelements durch eine Schaltung gesteuert wird, die einen Bimetallschalter oder einen Thermostaten umfaßt. Das auf Temperaturen ansprechende Element ist normalerweise in einem zentral angeordneten Kasten untergebracht,

009841/1272

201UU

der physikalisch von dem Heizelement und der zu "beheizenden Zone getrennt ist. Derartige Anordnungen sind z.B. in den U.S.A.-PatentSchriften 3 385 958, 3 422 244 und 3 437 792 beschrieben. Wegen der erwähnten getrennten Anordnung der genannten TeLe ist es schwierig, die Temperatur in der zu beheizenden Zone genau zu regeln. Außerdem sind auf Temperaturänderungen ansprechende Elemente der erwähnten Art normalerweise träge, sie beanspruchen viel Raum, und ihr Stromverbrauch ist relativ hoch.

In den vorstehend genannten U.S.A.-Patentschriften sind ferner sowohl Schaltungen mit gesteuerten Siliziumgleichrichtern als auch eine Thyristorschaltung beschrieben, wie man sie bei der einer Heizvorrichtung zugeordneten Regelschaltung verwenden kann, wobei die Schaltung bei einem gesteuerten Siliziumgleichrichter in einer Richtung leitfähig ist und direkt oder mit Hilfe von Transistortriggerschaltungen getriggert bzw. gezündet wird, damit das Heizelement auf selektive Weise betätigt wird. Werden gesteuerte Siliziumgleichrichter verwendet, kann das Heizelement nur während einer maximalen Zeitspanne eingeschaltet gehalten werden, deren Länge einer Hälfte aller Perioden eines ihm zugeführten Wechselstroms entspricht. Triac-Regelschaltungen die nicht mit zu ihrer Aktivierung dienenden Temperaturfühlern kombiniert sind, sind ferner in dem "SCR Manual 4th Edition" der General Electric Company beschrieben und in Fig. 9.11 und 9-13 bis 9.15 (S. 187 bzw. 189), Fig. 7.9 (S. 140) sowie weiter unten in Fig. 7«10 dargestellte Die erfindungsgemäße Anordnung unterscheidet sich jedoch von diesen bekannten Anordnungen dadurch, daß bei ihr eine Vollweg-Temperaturfühlerregelung angewendet wird, bei der eine vereinfachte Thyristor-Diac-Schaltung vorgesehen ist, die besonders geeignet ist, bei einer elektronisch geregelten Heizdecke oder bestimmten ähnlichen Heizvorrichtungen verwendet zu werden.

009841/1272

Die Erfindung sieht nüninenr eine triäc-diae-Kömbihation mit' einem .Temperaturfühler lind einem Kondensator zürn Steuern des Eins ehalt ens einer Heiz-y-orriöhtüng vor* Hierbei handelt es sich im wesentlichen um eine Steuersch&ltüng für eine HeizvorrichtüngV Ί5βΐ der die durch die Heizvorrichtung gebildete Last und die Steuervorrichtungen für eine elektrische Heizdecke mit einer TriäcschSLLtung in Reihe geschaltet sind. Das Zünden der !Triacschaltung wird durch eine Diäcschaltung gesteuert, die ihrerseits durch einen variablen Widerstand und einen Temperaturfühler gesteuert Wird< > In der · Praxis bietet die Erfindung besondere Vorteile _i da bei ihr die Gesamtzahl der benötigten Schaltungselemente im Vergleich zu den bis jetzt bekannten Schaltungen auf ein Minimum herabgesetzt ist. Die erfindungsgemäße Schaltung arbeitet wirtschaftlich, da der Stromverbrauch der Steuer- bzw. Kegelschaltung niedrig ist, so daß man die Schaltung in einem relativ kleinen Raum unterbrigen kann» Somit sieht die Erfindung nicht nur eine erhebliche Vereinfachung einer Steuer- bzw« Regelschaltung für den erwähnten Zweck vor, sondern es wird zum erstenmal eine Steuer- bzw-r Regelschaltung geschaffen, die mit einem positiven Temperaturbeiwert arbeitet. Im Anschluß an die Beschreibung einer solchen Schaltung wird jedoch eine alternative Ausführungsform beschrieben, die mit einem negativen Temperäturbeiwert arbeitete

. Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer. Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Schaltung gemäß der Erfindung mit einem Fühler, der mit einem positiven Temperaturbeiwert arbeitete

Fig. 2 zeigt eine abgeänderte erfindungsgemäße Schaltung mit einem Thermistor mit einem negativen Temperaturbeiwert.

009841/1272

2Ö1UU

In Fig. 1 erkennt man eine erfindungsgemäße Schaltung zum Hegeln des Betriebs einer Heizvorrichtung. Zwischen Eingangsklemmen 1 und 2 ist eine Wechselstromquelle bekannter . Art angeschlossen» Außerdem sind die Klemmen 1 und 2 durch eine Reihenschaltung überbrückt, die einen verstellbaren Widerstand E^., einen Fühler T, einen festen Widerstand Eg und einen Kondensator C umfaßt. Weiterhin ist an die Klemmen 1 und 2 eine Reihenschaltung angeschlossen, die eine Heizvorrichtung L und die Hauptklemmen eines Triac TR umfaßt. Ein Diac D ist mit dem Knotenpunkt zwischen dem Widerstand Ep und dem Kondensator C verbunden und mit seiner anderen Klemme an die Steuerelektrode des Triacs bzw. Thyristors TR angeschlossen. Der Diac D kann in manchen Fällen einen festen P Bestandteil des Thyristors bilden, so daß er bei der Verwendung eines solchen Thyristors automatisch vorgesehen ist. Bei der Heizvorrichtung L kann es sich z.B. um eine Heizwicklung handeln. Natürlich könnte der Fühler T auch mit einem Thermostaten bekannter Art, z.B_o einem Bimetallthermostaten, in Reihe geschaltet sein, und dieser Thermostat würde zusätzlich zu seiner Fühlfunktion den Fühler selbst in Tätigkeit setzen bzw. wirkungslos machen.

Der Fühler T hat vorzugsweise einen positiven Temperaturbeiwert, und die elektrischen Werte des verstellbaren Widerstandes R^, des Fühlers T, des festen Widerstandes R₂ und des Kondensators C sind so gewählt, daß die Einschalt- * zeit des Thyristors TR entsprechend der gewählten Temperatur geregelt wird, auf die die Heizvorrichtung mit Hilfe des verstellbaren Widerstandes R^ eingestellt worden ist, und daß die tatsächliche Temperatur der Zone geregelt wird, welche durch die Heizvorrichtung L bestimmt wird, durch die die Temperatur des Fühlers T beeinflußt wird.

Bekanntlich umfaßt ein Triac oder Thyristor ein in beiden Richtungen leitfähiges Element, und seiner Steuerelektrode muß eine Energiemenge zugeführt werden, die mindestens gleich der Schwollenergie des Triacs ist, wenn der

0098 /, 1/1272

■·■-' -.Z₅- 2-Q1Λ 4.4 A.

Triac bzw. Thyristor gezündet und leitfähig gemacht werden soll» Daher läßt ein Thyristor den über die Eingangsklifemmen und 2 zugefiihrten Wechselstrom während der positiven oder negativen Halbperioden durch, vorausgesetzt,;daß seiner Steuerelektrode eine mindestens der Schwellenergie entsprechende Energiemenge zugeführt worden ist, um ihn in den,leitfähigen Zustand zu bringen. Ferner bleibt der Thyristor während des verbleibenden Teils der entsprechenden positiven oder negativen Halbperiode leitfähig, nachdem er dadurch leitfähig gemacht wurde, daß seiner Steuerelektrode eine mindestens der Schwellenergie entsprechende Energiemenge zugeführt wurde·

Die in Fig. 1 dargestellte Kombination eines Thyristors oder Triac mit einem Diac liefert eine Vollwegphasenregelung für die Heizvorrichtung L. Der der Steuerelektrode des Thyristors TR zugeführte Strom kann der an dem Thyristor erscheinenden Spannung maximal um 90° voreilen, was sich jeweils nach den relativen elektrischen Werten des Kondensators C und den Widerstandswerten des verstellbaren Widerstandes E^, des Temperaturfühlers T und des festen Widerstandes Eo richtet. Durch Variieren der relativen Größe der elektrischen Werte der Widerstandselemente und des Kondensators kann man den Zündwinkel, d.h. den Punkt, an dem der Thyristor während der positiven oder negativen Halbperioden gezündet wird, und daher auch die Einschaltzeit des Thyristors entsprechend variieren.

Es sei angenommen, daß der verstellbare Widerstand E^j auf einen vorbestimmten Widerstandswert eingestellt worden ist. Wenn die Temperatur des Temperaturfühlers T zunimmt, erhöht sich auch sein Widerstand entsprechend. Infolgedessen geht die Spannung zurück, auf die der Kondensator O aufge» laden werden kann, und die Ladezeit des KondeHsators O verlängert sich. Unter diesen Umständen wird der Steuerstrom dem Thyristor TE während der betreffenden Halbperiode später zugeführt, und er kann gegebenenfalls nicht ausreichen, um

0098 A'1/1272

20U4U

-P-

den Thyristor zu zünden und ihn leitfähig zu machenj dies richtet sich Jeweils danach, oh die zugeführte Energiemenge mindestens gleich der Schwellenergie des Thyristors ist oder nicht. Selbst wenn die Schwellenergie erreicht bzw. überschritten wird und der Thyristor daher gezündet und leitfähig gemacht wird, würde sich dieser Vorgang während der betreffenden Halbperiode in einem entsprechend späteren Zeitpunkt abspielen, und daher würde die Einschaltzeit des Thyristors entsprechend verkürzt.

Wie erwähnt, handelt es sich bei der Einschaltzeit des Thyristors um diejenige Zeitspanne während der betreffenden positiven und negativen Halbperioden, während welcher der Thyristor leitfähig ist, und diese Einschaltzeit ist gleich der Zeitspenne, während welcher die Stromquelle mit der Heizvorrichtung L verbunden ist. Der Thyristor oder Triac TR bildet im wesentlichen eine Torschaltung, durch die die Heizvorrichtung L eingeschaltet wird, wenn die Torschaltung leitfähig wird, und durch die die Heizvorrichtung abgeschaltet wird, sobald die Leitfähigkeit des Thyristors aufgehoben wird. Je langer die Einschaltzeit des Thyristors ist, desto langer wird daher auch die Einschaltzeit der Heizvorrichtung L, und daher entwickelt die Heizvorrichtung eine entsprechend größere Wärmemenge.

Der Thyristor oder Triac TR bildet zusammen mit anderen w Schaltungseierne ten praktisch einen Kipposzillator, bei dem die Triggerschaltung durch den Diac D feebildet ist. Da der Thyristor nach dem Zünden der Steuerschaltung keine Energie entnimmt, ist der Widerstand R₂ vorgesehen, um die Steuerenergie zu begrenzen.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung, bei der die Widerstände R^ und R_? anders angeordnet sind, und bei der die Fühlvorrichtung T jetzt mit dem Kondensator C parallelgeschaltet ist, so daß es möglich ist, einen Thermistor mit einem negativen Temperatur-

009841 /1272

beiwert zu verwenden. Die iffi fölgend.en beseliriebene Wirkungs_r weise der Schaltung nach Fig. 1 wird somit in der Weise abgeändert, daß eine Änderung der elektrischen Werte der Schaltungselemente erforderlich ist.* Und daß sich auch eine Änderung der- phasenverschiebbafen Triggerung ergibt* doch entspricht die Schaltung nach .Fig.. 2 ebenfalls den Grundgedanken der Erfindung* -

Im folgenden wird die Arbeitsweise der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. -i beschrieben, doch sei bemerktf daß die Schaltung nach Fig. 2 im wesentlichen in der gleichen Weise arbeitet» . , ...."■'

Die elektronische Vorrichtung zum Steuern einer Heizvorrichtung arbeitet wie folgt: Wenn den Eingangsklemmen 1 mnd 2 ein Wechselstrom zugeführt wird, tritt die Regelschaltung in Tätigkeit. Der Temper at ürwähler, z'.B. ein Thermostat, und insbesondere der verstellbare Widerstand E,, wird eingestellt,- um die gewünschte Temperatur zu wählen, die mit Hilfe der Heizvorrichtung L aufrechterhalten werden solle Wenn die tatsächlich erreichte Temperatur niedriger ist als die gewählte Temperatur, hat der Temperaturfühler T einen solchen Widerstand, daß der Thyristor oder Triac TE während der positiven und negativen Teile des Eingangssignals, d.h. des zugeführten Wechselstroms, in einem entsprechenden Zeitpunkt gezündet wirdo Daher ist der Stromkreis der Vorrichtung L während der Einschaltzeit des Thyristors TE geschlossen, so daß die Heizvorrichtung schließlich die gewählte Temperatur erzeugt. ' .

Sobald die gewählte Temperatur erreicht ist, nimmt der Widerstand des Temperaturfühlers T einen solchen Wert an, daß der Thyristor TE so vorgespannt wird, daß er nicht mehr leitfähig ist.. Wenn dann die tatsächliche Temperatur zurückgeht, nimmt auch der Widerstand des Temperaturfühlers T ab ο Infolgedesssen wird der Thyristor TE während der positiven _sund negativen Halbperioden des Wechselstroms leitfähig

00 98/, 1 /1 27 2

.8- 2Q1UU

gemacht, so daß der Strom dem Heizelement L erneut zugeführt wird.' Die Einschaltzeit des Thyristors TR variiert in Abhängigkeit von der Abweichung der tatsächlichen Temperatur von der gewählten Temperatur bzw. der Solltemperatur, die durch die Einstellung des verstellbaren Widerstandes R^ bestimmt ist, d.h. je größer die Temperaturabweichung ist, desto langer wird die Einschaltzeit des Thyristors»

Wenn die Temperatur des Temperaturfühlers T infolge des Ansteigens der tatsächlichen Temperatur wieder zunimmt, so daß sich sein Widerstand wieder vergößert, verkürzt sich die Einschaltzeit des Thyristors TR, und sie geht auf Null zurück, wenn die tatsächliche Temperatur die Solltemperatur erreicht. Dieses Arbeitsspiel wiederholt sich automatisch, so daß die tatsächliche Temperatur im wesentlichen konstant und gleich der gewählten Temperatur gehalten wird.

Somit hält die Regelschaltung für die Heizvorrichtung die tatsächliche Temperatur relativ konstant auf der gewählten Temperatur, und zwar insbesondere deshalb, weil der Thermistor schnell auf Änderungen des seiner Steuerelektrode zugeführten Signals anspricht. Ferner erweist sich die erfindungsgemäße Regelschaltung bei dem vorgesehenen Verwendungszweck als besonders vorteilhaft, da sie nur eine geringe Leistung aufnimmt, und daß sie eine minimale Zahl von Bauteilen umfaßt, so daß sie nur sehr wenig Raum beansprucht.

Wenn die durch das Einstellen des varibalen Widerstandes R. gewählte Temperatur niedriger ist als die tatsächliche Temperatur, wird der Thyristor TR durch eine Vorspannung gesperrt, bis die Ist-Temperatur zurückgeht und die gewählte Solltemperatur unterschreitet. Der Temperaturfühler T ist so angeordnet, daß er auf die tatsächliche Temperatur der Zone oder des Elements anspricht, die durch die Heizvorrichtung L geregelt werden soll.

Wird der Widerstandswert des Widerstandes R,- verkleinert, erhöht sich die gewählte Temperatur, und daher verlängert

00 98Λ 1 /1272

. _ 9 - 20HΑΛΑ

sich die Einschaltzeit des !Thyristors; eine Erhöhung des Widerstandswertes des Widerstandes B,- führt zu einer Herabsetzung der gewählten Solltemperatur und damit auch zu einer Verkürzung der Einschaltzeit des Thyristors,

Natürlich kann man in Verbindung.mit der vorstehend beschriebenen Regelschaltung einen Ein- und Ausschalter, eine Überlastungsschutzvorrichtung und eine Anzeigelampe (nicht dargestellt) vorsehen. Diese Schaltungselemente sind nicht dargestellt, da sie von bekannter Art sind. Ferner kann man den verstellbaren Widerstand B^ durch ein Potentiometer ersetzen, und man kann einen Heißleiter'mit einem negativen Temgeraturbeiwert verwenden, wenn man die übrigen Schaltungselemente entspre&hend abändert.

Es sei bemerkt, daß man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die verschiedensten Abänderunge und Abwandlungen vorsehen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen«

Wenn man z.B. einen kleinen Bimetallthermostaten in Anlage an einem Thyristor, einem gesteuerten Siliziumgleichrichter oder einem Triac oder einer oder mehreren anderen Vorrichtungen anordnet, fühlt der Thermostat die Temperatur des betreffenden Schaltungselements, wenn es eingeschaltet wird, und wenn dem Schaltungselement mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Schaltung eine Bezugsspannung zugeführt wird,-wird die Stromzufuhr unterbrochen, sobald die Temperatur des Gehäuses (z,B_o eines Thyristors) den vorher eingestellten Wert erreicht. Hierdureh-fwird der Stromkreis innerhalb des Regelelements selbst vollständig unterbrochen, und die Wirkungsweise der elektronischen Regelschaltung, die den Heißleiter umfaßt, wird ergänzt. Somit arbeiten die erfindungsgemäßen Schaltungen auch bei fehlerhafter Benutzung zuverlässigj so daß öle als Schutzvorrichtungen zur Wirkung kommen. '

Patentansprüche ? . 009841/1277

Claims (10)

1. 20HU4

   /ο

   PATENTANSPRÜCHE

   ί1. Regelschaltung für eine flexible Heizvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Stromquelle mit einer ersten Ausgangsklemme (1) und einer zweiten Ausgangskiemme (2), einen Thyristor mit einer ersten und einer zweiten Hauptklemme und einer Steuerelektrode, dessen Hcuptklemmen mit den Ausgangsklemmen der Stromquelle verbunden sind, ein Heizelement (L), das mit den Ausgangsklemmen der Stromquelle und den Hauptklemmen des Thyristors in Reihe geschaltet ist, eine die Ausgangskiemmen der Stromquelle überbrückende, einen verstellbaren Widerstand (R,,), Schaltmittel, einen Temperaturfühler (T) und einen Kondensator (C) umfassende Reihenschaltung, sowie einen zwischen der Steuerelektrode des Thyristors und einer Klemme des Kondensators angeschlossenen Diac, wobei die andere Klemme des Kondensators mit einer der Ausgangsklemmen der Stromquelle verbunden ist.
2. 2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (T) einen Thermostatschalter umfaßt.
3. 3. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch, g e k e η η zeichnet, daß der Thyristor (TR) ein Triac ist, und daß der Temperaturfühler (T) einen positiven Temperaturbeiwert hat.
4. 4. Regelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Thyristor (TR) ein Triac ist und der Temperaturfühler (T) einen positiven Temperaturbeiwert hat.
5. 5· Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (TR) ein Triac ist und

   009841/1272

   2Q1UU

   der Temperaturfühler (T) ein Heißleiter mit einem negativen Temperaturbeiwert ist.
6. 6. Regelsehaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (TR) ein Triac ist und der Temperaturfühler (T) ein Heißleiter mit einem negativen Temperaturbeiwert ist. ,
7. 7. Regelschaltung nach Anspruch 5» dadurch ge ken n-Z--e i c h η e. t ,daß zwischen dem Temperaturfühler (T) und dem Kondensator (0) ein Widerstand (Rp) angeschlossen ist,
8. 8. Regelschaltung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t., daß der Temperaturfühler (T) mit dem Kondensator (C) parallelgeschaltet ist, und daß die erwähnte Verbindung einen Widerstand (R*) umfaßtfc.
9. 9ο Regelschaltung nach Anspruch 8,· dadurch gekennzeichnet , daß der Thyristor (TR) einen Thermostatschalter umfaßt. ■---'
10. 10. Regelschaltung nach Anspruch 9» dadurch g e k e η η ζ e i c h net , daß der Thermostatschalter ein Bimetallelement ist.

    00-984 1/1.2 72

    Leerseite