DE102005029180B4

DE102005029180B4 - Elektrische Schaltung zur Beschaltung eines Heizelements

Info

Publication number: DE102005029180B4
Application number: DE102005029180A
Authority: DE
Inventors: Michael Seifert
Original assignee: WET Automotive Systems AG
Current assignee: WET Automotive Systems AG
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: DE102005029180A1; US20060289422A1

Abstract

Elektrische Schaltung zur Beschaltung wenigstens eines Heizelementes mit
– einer eine Versorgungsspannung liefernden Spannungsquelle,
– wenigstens einem Heizelement (7a, 7b),
– einem Tippschalter, der eine neutrale Position (3a) und eine erste und eine zweite nicht fixierbare Schaltposition (3b, 3c) aufweist,
– einem Relais (4), das einen Relaisbetätigten Kontakt (5) aufweist, wobei das Heizelement (7a, 7b) mit dem Kontakt (5) in Reihe an die Versorgungsspannung geschaltet ist, und
– mit wenigstens einem Thermoschalter (9, 19), der mit dem Heizelement (7a, 7b) im thermischen Kontakt steht und bei Erreichung einer vorgegebenen Temperatur öffnet,
wobei das Relais (4) und wenigstens einer der Thermoschalter (9) in Reihe geschaltet sind,
wobei in der ersten Schaltposition (3b) des Tippschalters das Relais (4) mit der Versorgungsspannung beaufschlagt ist, und
wobei in der zweiten Schaltposition (3c) des Tippschalters dem Relais (4) die Versorgungsspannung entzogen ist, um den Schaltzustand des Kontaktes...

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Beschaltung wenigstens eines Heizelements mit Versorgungsspannung von einer Spannungsquelle.
Zum Ein- und Ausschalten sowie zum Betreiben von elektrischen Heizelementen werden derzeit temperaturgeregelte Heizungssysteme eingesetzt, bei welchen elektronische Einrichtungen, wie z.B. ein Regler mit temperaturempfindlichem Element, die Temperatur des Systems überwachen und bei Bedarf die Heizung entweder ein- oder ausschalten. Derartige Systeme werden häufig in Fahrzeugsitzheizungen eingesetzt. Nachteilig bei derartigen Systemen sind hohe Herstellungskosten und eine durch den Einsatz von komplizierten elektronischen Schaltungen bedingte Defektanfälligkeit.
Es sind auch thermostatgesteuerte Heizungssysteme bekannt, bei welchen ein im Thermostat verwendeter temperaturempfindlicher Schalter den Heizstrom direkt zu- und abschaltet. Derartige Systeme sind weniger aufwändig, sie funktionieren jedoch nur mit rastenden, d.h. in eingeschalteter Position fixierbaren Schaltern. Dabei entsteht das Problem, dass das eingeschaltete Heizsystem in diesem Betriebszustand auch dann verbleibt, wenn die Heizungswärme nicht mehr benötigt wird. Auch das Abschalten einer Zündung in einem Kraftfahrzeug bewirkt keine Ausschaltung, so dass bei der nächsten Aktivierung der Zündung in dem Kraftfahrzeug das Heizsystem zwangsläufig wieder eingeschaltet wird.
Aus der DE 44 45 207 C2 ist eine Schaltungsanordnung für eine elektrisch beheizte Kaffeemaschine mit einem in Selbsthalteschaltung arbeitenden Schaltrelais bekannt, das über einen ersten Tastschalter mit der Netzspannung verbunden ist. Ferner weist diese Schaltungsanordnung einen eine Heizwicklung an die Netzspannung legenden Leistungsschalter auf, dessen Arbeitskontakt durch das Schaltrelais betätigt wird und der zugleich den Selbsthaltestromkreis geschlossen hält, wobei ein zweiter Tastschalter auf dem Selbsthaltestromkreis zum Ausschalten des Schaltrelais vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltung zur Beschaltung wenigstens eines Heizelements zur Verfügung zu stellen, deren Herstellungskosten im Vergleich zu bestehenden elektronischen Regeleinrichtungen reduziert sind, wobei die Betriebssicherheit erhöht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine elektrische Schaltung zur Beschaltung wenigstens eines Heizelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 10 vorgeschlagen.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung weist dabei folgende Elemente auf: eine eine Versorgungsspannung liefernde Spannungsquelle, wenigstens ein Heizelement, einen Tippschalter, der eine neutrale Position und eine erste und eine zweite nicht fixierbare Schaltposition aufweist, wenigstens ein Relais mit einem Relais-betätigten Kontakt, der offen ist, wenn dem Relais die Versorgungsspannung entzogen ist, und der geschlossen ist, wenn das Relais mit der Versorgungsspannung beaufschlagt ist, wobei bei geschlossenem Kontakt das Heizelement mit der Versorgungsspannung beaufschlagt ist, sowie einen Thermoschalter, der mit dem Heizelement in Kontakt steht und bei Erreichung einer vorgegebenen Temperatur öffnet. Das Relais und der Thermoschalter sind in Reihe geschaltet, wobei in der ersten Schaltposition des Tippschalters das Relais mit der Versorgungsspannung beaufschlagt ist, und wobei in der zweiten Schaltposition des Tippschalters dem Relais die Versorgungsspannung entzogen ist, um den Schaltzustand des Kontaktes zu öffnen.
Hierdurch wird selbst mit minimalen Bereitstellungskosten für die elektrische Schaltung gewährleistet, dass die Heizung nur bis zu einer vorgegebenen Temperatur mit der Versorgungsspannung beaufschlagt und dann automatisch ausgeschaltet wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nach Abschalten der Zündung auch das Heizsystem abgeschaltet wird, so dass dessen Reaktivierung nur durch Betätigung des Tippschalters vorgenommen werden kann. Dies führt schließlich zu einer höheren Sicherheit der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, da eine versehentlich im eingeschalteten Zustand belassene Heizung nach Abschalten der Versorgungsspannung in dem Kraftfahrzeug automatisch in einen ausgeschalteten Zustand versetzt wird.
Eine solche elektrische Schaltung erlaubt ferner kleinere Bauformen für den Tippschalter sowie für den Thermoschalter, da durch diese kein Heizstrom fließt.
In den abhängigen Unteransprüchen 2 bis 9 sind bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung angegeben.
Im folgenden wird die Erfindung im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 – die erfindungsgemäße elektrische Schaltung mit einem monostabilen Relais,
2 – die erfindungsgemäße elektrische Schaltung mit einem bistabilen Relais und
3 – die elektrische Schaltung wie in 1, jedoch mit zwei Thermoschaltern.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beinhaltet eine elektrische Schaltung zwei in Reihe geschaltete Heizelemente 7a, 7b, einen Tippschalter 2, 3, der eine neutrale Position 3a, eine erste nicht fixierbare Schaltposition 3b und eine zweite nicht fixierbare Schaltposition 3c aufweist. Der Tippschalter beinhaltet einen ersten Anschlussteil 2, dessen zwei Kontakte 3a und 3b in einer neutralen Position offen sind und in einer nicht fixierbaren Position miteinander kontaktieren und einen zweiten Anschlussteil 3, der durch zwei Kontakte 3c und 3a gebildet ist, wobei in einer neutralen Position des zweiten Anschlussteils 3 die Kontakte 3c und 3a offen sind, während in einer nicht fixierbaren Schaltposition beide Kontakte geschlossen sind. Beide Anschlussteile 2 und 3 sind miteinander in einem Tippschalter so integriert, dass das Schalten durch einen selbstrückstellenden bewegbaren Kontakt erfolgt, während der Kontakt eine neutrale Position 3a, eine erste nicht fixierbare Position 3b und eine zweite nicht fixierbare Position 3c einnehmen kann.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung weist ferner ein monostabiles Relais 4 auf, das einen Relais-betätigten Kontakt 5 hat, der offen ist, wenn dem Relais 4 die Versorgungsspannung entzogen ist, und der geschlossen ist, wenn das Relais 4 mit der Versorgungsspannung beaufschlagt ist. Das Relais 4 ist so geschaltet, das bei geschlossenem Kontakt 5 die Heizelemente 7a, 7b und das Relais 4 mit der Versorgungsspannung vom ersten Pol 1a beaufschlagt sind.
In Reihe mit dem Relais 4 ist ein Thermoschalter 9 geschaltet, der mit dem Heizelement 7b in einem thermischen Kontakt steht. In einem ursprünglichen Zustand, also in einem Zustand bei einer Umgebungstemperatur, ist der Thermoschalter 9 geschlossen, so dass bei dem geschlossenen Tippschalter 2, 3 in seiner ersten Position 3b der Strom über die Wicklung des Relais 4 und über den Thermoschalter 9 fließt.
Parallel zum Relais 4 und zum Thermoschalter 9 sind die in Reihe geschalteten Heizelemente 7a, 7b geschaltet. Es können noch weitere Heizelemente parallel oder in Reihe zu den Heizelementen 7a, 7b vorgesehen sein. Zwischen dem Eingang des Relais 4 und dem Heizelement 7a ist eine Diode 12 so geschaltet, dass in der ersten Position 3b des Tippschalters eine Sperrung in Richtung des Heizelements 7a erreicht wird. In Reihe mit der Diode 12 ist ein erster Widerstand 11 geschaltet, der seinerseits über den Relais-betätigten Kontakt 5 mit einem ersten Pol 1a einer Gleichspannungsquelle verbunden ist.
Parallel zum Relais 4 und zum Thermoschalter 9 sind eine in Reihe geschaltete Leuchtdiode 10 und ein zweiter Widerstand 14 geschaltet.
Der Betrieb der in der 1 dargestellten Schaltungsanordnung verläuft wie folgt.
In der ersten Schaltposition 3b des Tippschalters fließt, wie bereits oben erwähnt, der Strom über das Relais 4 und über den Thermoschalter 9. Die Diode 12 verhindert dabei, dass der Strom in der ersten Position 3b des Tippschalters auch über die Heizelemente 7a, 7b fließt. Das mit der Versorgungsspannung beaufschlagte Relais 4 schließt dabei den Kontakt 5, der ebenfalls an den ersten Pol 1a der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Dadurch fließt der Strom durch die Heizelemente 7 und durch den parallel dazu geschalteten ersten Widerstand 11, die Diode 12, das Relais 4 und den Thermoschalter 9. Ferner fließt der Strom auch über den zweiten Widerstand 14 und über die Leuchtdiode 10, wodurch der eingeschaltete Zustand der elektrischen Schaltung optisch kenntlich gemacht wird.
Erreicht nun der Thermoschalter 9 in Folge einer Aufheizung durch das Heizelement 7a eine vorgegebene Temperatur, schaltet er in einen geöffneten Zustand, so dass der Stromfluss durch das Relais 4 unterbrochen wird. Wegen einer rückstellenden Kraft des Relais-betätigten Kontakts 5 wird dieser ausgeschaltet, wodurch er die Spannungsversorgung der Heizelemente 7 unterbricht. Damit ist die elektrische Schaltung ausgeschaltet.
Eine andere Möglichkeit zum Ausschalten kann durch Umschalten des Tippschalters 2, 3 in seine zweite Position 3c erreicht werden, wobei die Spannungsquelle über den ersten Widerstand 11 und über die Diode 12 kurzgeschlossen wird. Dies bewirkt einen Spannungsabfall auf der Wicklung des Relais 4, wodurch das Relais 4 ausgeschaltet und folglich der Relais-betätigte Kontakt 5 geöffnet wird. Dadurch wird die Versorgungsspannung den Heizelementen 7a, 7b entzogen.
Die dritte und letzte Möglichkeit zum Ausschalten der elektrischen Schaltung besteht darin, dass der erste Pol 1a von der Gleichspannungsquelle abgeklemmt wird, so dass die Spannung der gesamten Schaltung entzogen wird. Dieser Vorgang liegt z.B. beim Ausschalten der Zündung im Kraftfahrzeug vor.
Bei jeder der drei oben aufgeführten Möglichkeiten zum Ausschalten der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung kann diese nur wieder eingeschaltet werden, indem der Tippschalter 2, 3 wieder in seine erste Position 3b gebracht wird.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der alternativ zu der in 1 dargestellten Ausführungsform an Stelle des monostabilen Relais 4 ein bistabiles Relais 25 benutzt wird. Das bistabile Relais 25 hat eine eigene Stromversorgung (nicht gezeigt), wodurch die Notwendigkeit einer im oben gezeigten Ausführungsbeispiel über die Schaltkreise der Schalterkomponenten erfolgten Stromversorgung entfällt. Das bistabile Relais 25 zum Ein- oder Ausschalten erhält durch Schaltung eines selbstrückstellenden Tippschalters 23 in seine nichtfixierbare Schaltposition einen Schaltimpuls, wodurch statt drei Schaltpositionen nur eine neut rale Position 23a und eine nicht fixierbare, Impuls auslösende Schaltposition 23c erforderlich ist.
Der vom Tippschalter 23 erhaltene Schaltimpuls bewirkt in dem bistabilen Relais 25, dass der Anschluss "OUT" des Relais 25 mit der vom erstel Pol 1a über den Port "IN" des Relais 25 eingespeisten Spannung beaufschlagt wird. Bei einem nächsten Schaltvorgang des Tippschalters 23 erhält das Relais 25 einen weiteren Schaltimpuls, der die Spannungsversorgung des Anschlusses "OUT" des Relais 25 unterbricht.
Beide in Reihe geschalteten Heizelemente 7a, 7b sind zwischen dem Relaisausgang "OUT" und dem zweiten Pol 1b der Spannungsquelle angeschlossen, wobei der zweite Pol der Spannungsquelle 1b über den Thermoschalter 9 an den Anschluss "GND" des bistabilen Relais 25 angeschlossen ist. Erreicht nun der Thermoschalter 9 infolge einer Aufheizung durch das Heizelement 7a eine vorgegebene Temperatur, schaltet er in einen geöffneten Zustand, so dass das Relais 25 vom zweiten Pol 1b der Spannungsquelle elektrisch getrennt wird. Dies bewirkt die Öffnung eines im Relais 25 angeordneten und nicht gezeigten Kontaktes zwischen den Anschlüssen "IN" und "OUT" des bistabilen Relais 25.
Auch in dieser Ausführungsform ist eine Leuchtdiode 10 über einen Widerstand 14 an einen Anschluss der Heizelemente 7a, 7b elektrisch gekoppelt, wodurch der eingeschaltete Zustand der elektrischen Schaltung optisch kenntlich gemacht wird.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, dessen Unterschied zu der in 1 gezeigten Schaltung darin besteht, dass zwischen beiden Heizelementen 7a und 7b ein weiterer Thermoschalter 19 vorgesehen ist. Der zweite Thermoschalter 19 ist an beide in Reihe geschalteten Heizelemente 7a, 7b einerseits und an den zweiten Pol 1b der Spannungsquelle andererseits angeschlossen. Bei dieser Ausführungsform ist der erste Thermoschalter 9 dem ersten Heizelement 7a zugeordnet, während der zweite Thermoschalter 19 mit dem zweiten Heizelement 7b in einem thermischen Kontakt steht. Das zweite Heizelement 7b kann in einem Autositz eine Sitzheizung bilden, während das erste Heizelement 7a zur Beheizung des Lehnenteils des Autositzes vorgesehen ist.
Der Betrieb der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung verläuft wie folgt. Beide Thermoschalter 9 und 19 sind in einem Anfangszustand bei Umgebungstemperatur geschlossen. Nachdem über den Tippschalter 2, 3 das Heizsystem eingeschaltet wird, fließt durch das der Sitzheizung entsprechende zweite Heizelement 7b ein Heizstrom I₁, da das zweite Heizelement 7b über den zweiten Thermoschalter 19 mit der Masse verbunden ist. Die Heizleistung des zweiten Heizelementes 7b beträgt in diesem Fall P₁. Das der Lehne des Sitzes zugeordnete erste Heizelement 7a bleibt ausgeschaltet. Nachdem eine vorgegebene Temperatur der Sitzheizung erreicht ist, öffnet der zweite Thermoschalter 19. Nachdem der zweite Thermoschalter 19 geöffnet hat, fließt durch beide Heizelemente 7a, 7b ein Strom I₂, wobei I₂ kleiner als I₁ ist. Die Heizleistung des zweiten Heizelementes 7b ist in diesem Fall kleiner als P₁. Bei gleichen Widerständen der Heizelemente 7a und 7b ist I₂ = 1/2 I₁ und P₂ = 1/4 P₁.
Nachdem der zweite Thermoschalter 19 geöffnet wurde, erfolgt der weitere Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung wie für die in 1 gezeigten Schaltung dargestellt.
Diese Ausführungsform ermöglicht für eine kurze Zeit, dem zweiten Heizelement 7b bzw. dem Sitzheizelement eine höhere Heizleistung P₁ zuzuführen, damit die für den Benutzer durch eine höhere Anpresskraft und dünnere Kleidung zwischen Person und Sitzfläche im Vergleich zur Lehne vermeintlich kältere Sitzoberfläche schneller erwärmt wird.

Claims

Elektrische Schaltung zur Beschaltung wenigstens eines Heizelementes mit – einer eine Versorgungsspannung liefernden Spannungsquelle, – wenigstens einem Heizelement (7a, 7b), – einem Tippschalter, der eine neutrale Position (3a) und eine erste und eine zweite nicht fixierbare Schaltposition (3b, 3c) aufweist, – einem Relais (4), das einen Relaisbetätigten Kontakt (5) aufweist, wobei das Heizelement (7a, 7b) mit dem Kontakt (5) in Reihe an die Versorgungsspannung geschaltet ist, und – mit wenigstens einem Thermoschalter (9, 19), der mit dem Heizelement (7a, 7b) im thermischen Kontakt steht und bei Erreichung einer vorgegebenen Temperatur öffnet, wobei das Relais (4) und wenigstens einer der Thermoschalter (9) in Reihe geschaltet sind, wobei in der ersten Schaltposition (3b) des Tippschalters das Relais (4) mit der Versorgungsspannung beaufschlagt ist, und wobei in der zweiten Schaltposition (3c) des Tippschalters dem Relais (4) die Versorgungsspannung entzogen ist, um den Schaltzustand des Kontaktes zu öffnen.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei der das Relais (4) ein monostabiles Relais ist
Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spannungsquelle in der zweiten Schaltposition (3c) des Tippschalters über einen ersten Widerstand (11) kurzgeschlossen ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, bei der – die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist, die einen ersten Pol (1a) und einen zweiten Pol (1b) aufweist, – das Relais (4) einen Eingang und einen Ausgang aufweist, – die in Reihe geschalteten Heizelemente (7a, 7b) einen ersten – und einen zweiten Anschluss aufweisen, wobei der erste Anschluss über den Kontakt (5) an den ersten Pol (1a) der Gleichspannungsquelle und der zweite Anschluss an den zweiten Pol (1b) der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, – der Thermoschalter (9) zwischen dem Ausgang des Relais (4) und dem zweiten Pol (1b) der Gleichspannungsquelle geschaltet ist, wobei in der ersten Schaltposition (3b) des Tippschalters der Eingang des Relais (4) mit dem ersten Pol (1a) der Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden ist, und in der zweiten Schaltposition (3c) des Tippschalters der Eingang des Relais (4) mit dem zweiten Pol (1b) der Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden ist und wobei der erste Anschluss der Heizelemente (7a, 7b) mit dem Eingang des Relais (4) elektrisch verbunden ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 4, bei der zwischen dem Eingang des Relais (4) und dem ersten Anschluss der Heizelemente (7a, 7b) eine Diode (12) geschaltet ist, wodurch in der ersten Schaltposition (3b) des Tippschalters eine Sperrung in Richtung der Heizelemente (7a, 7b) erreicht wird.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der Eingang des Relais (4) über eine Leuchtdiode (10) an den zweiten Pol (1b) der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein zweiter Thermoschalter (19) vorgesehen ist, wobei der erste Thermoschalter (9) einem ersten Heizelement (7a) und der zweite Thermoschalter (19) einem zweiten Heizelement (7b) zugeordnet sind, und wobei der erste und der zweite Thermoschalter (9, 19) bei voneinander verschiedenen Temperaturen schalten.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 7, bei der der zweite Thermoschalter (19) wenigstens eine erste Schaltposition, in der der erste Heizstrom über beide in Reihe geschalteten Heizelemente (7a, 7b) läuft, und wenigstens eine zweite Schaltposition aufweist, in der im wesentlichen das gesamte Potential der Versorgungsspannung am zweiten Heizelement (7b) anliegt.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 8, bei der der zweite Thermoschalter (19) parallel zu dem ersten Heizelement (7a) geschaltet ist, wobei er in seiner ersten Schaltposition offen und in seiner zweiten Schaltposition geschlossen ist.
Elektrische Schaltung zur Beschaltung wenigstens eines Heizelementes mit – einer eine Versorgungsspannung liefernden Spannungsquelle, – wenigstens einem Heizelement (7a, 7b), – mit wenigstens einem Thermoschalter (9), der mit dem Heizelement (7a, 7b) in Kontakt steht und bei Erreichung einer vorgegebenen Temperatur öffnet, – einem Tippschalter (23), der eine neutrale Position (23a) und eine nicht fixierbare Schaltposition (23c) aufweist, – einem eine eigene Stromversorgung aufweisenden bistabilen Relais (25), das folgende Anschlüsse aufweist: • einen Eingang (IN) zur Einspeisung der Versorgungsspannung von einem ersten Pol (1a) der Spannungsquelle, • einen ersten Anschluss (set/reset) zur Verbindung mit dem Tippschalter (23), • einen Ausgang (OUT) zur Beaufschlagung der Heizelemente (7a, 7b) mit der Versorgungsspannung und • einen zweiten Anschluss (GND), der über den Thermoschalter (9) an einen zweiten Pol (1b) der Spannungsquelle angeschlossen ist, wobei ein vom Tippschalter (23) erhaltener erster Schaltimpuls in dem Relais (25) bewirkt, dass der Ausgang (OUT) des Relais (25) mit der vom ersten Pol (1a) über den Eingang (IN) des Relais (25) eingespeisten Versorgungsspannung beaufschlagt wird, wobei ein vom Tippschalter (23) erhaltener folgender Schaltimpuls in dem Relais (25) bewirkt, dass die Versorgungsspannung des Ausgangs (OUT) des Relais (25) unterbrochen wird.