DE1615310B1

DE1615310B1 - Regeleinrichtung fuer Heizelemente

Info

Publication number: DE1615310B1
Application number: DE1967H0064166
Authority: DE
Inventors: Konstantin Dipl-Phys Dr Apel
Original assignee: Holzer Patent AG
Current assignee: Holzer Patent AG
Priority date: 1967-10-14
Filing date: 1967-10-14
Publication date: 1971-08-12
Also published as: US3614392A; FR1599809A; GB1213208A

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung mit nicht unterbrochenem Regelkreis für Heizelemente, beispielsweise zur Verwendung in Kochplatten, mit einem Temperaturfühler für die Kochplattentemperatur und einem Regelwiderstand, die beide in einer Brückenschaltung liegen und eine Steuerspannung für eine elektronische Steuervorrichtung liefern, welche ein elektronisches, im Heizstromkreis liegendes Schaltglied steuert, und mit einem vom Heizstrom beeinflußten Hilfssteuerglied, das ebenfalls eine Steuerspannung an die elektronische Steuervorrichtung abgibt.
Eine derartige Regeleinrichtung ist durch die USA.-Patentschrift 3 299 345 bekanntgeworden, bei der als Hilfssteuerglied ein weiterer Temperaturfühler vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung erfolgt die Regelung in Abhängigkeit von der jeweils gemessenen Temperatur. Dies bringt den Nachteil mit sich, daß wegen der Trägheit der Regelstrecke in der Regel mit einem überschwingen der Heizleistung gerechnet werden muß.
Ferner ist es in der Regeltechnik allgemein bekannt (vgl. »Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge«, 1956, S. 388ff.), für die Temperaturregelung eines Ofens od. dgl. einen Hilfsregelkreis vorzusehen, der zusammen mit dem Hauptregelkreis den gesamten Regelkreis regelt. Dabei können die Größen gewählt werden, daß im Hilfsregelkreis ein schneller Regelvorgang stattfindet, der bereits abgeklungen ist, wenn der Hauptregelvorgang gerade seine ersten größeren Ausschläge macht.
Ausgehend von einer Regeleinrichtung der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Regeleinrichtung so auszugestalten, daß bei dem Heizelement der jeweils vorgewählte Temperaturbereich ohne überschwingen erreicht werden kann.
Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß mindestens ein temperaturabhängiger Steuerspannungsgeber und ein heizleistungsabhängiger Steuerspannungsgeber, z. B. in Form eines vom Heizstrom durchflossenen ohmschen Widerstandes über ein Oder-Gatter und- einen Steuerspannungsverstärker die Steuerung des die Heizleistung beeinflussenden Schaltelements im Heizstromkreis bewirken. Wesentlich ist die heizleistungsabhängige Regelung durch den zweiten Steuerspannungsgeber, der also nicht mehr mit der den Temperaturfühlem eigenen Phasenverschiebung anspricht. Hierdurch wird das nachteilige überschwingen vermieden. Auch ist es nunmehr möglich, eine eingestellte Temperatur mit einem sanften übergang anzufahren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung enthält der Regelspannungserzeuger für die Leistung einen Gleichrichter und einen Integrator. Dabei kann der Integrator ein aktives Verstärkerelement, beispielsweise in Form eines Transistors, enthalten. Der Regelspannungsverstärker ist mit Vorteil mit Halbleitern, beispielsweise mit Transistoren aufgebaut.
Auch kann der Kollektor des zweiten Transistors des Regelverstärkers in bekannter Weise zur Herstellung von Kippeigenschaften mit der Basis des ersten Transistors rückgekoppelt sein.
Vorteilhaft ist es, wenn der Regelspannungserzeuger für die Leistung über einen Regelwiderstand, einen Widerstand und eine Diode an den Eingang des Regelverstärkers angeschlossen ist. Der Topfbodenfühler kann in Verbindung mit einem Einstellwiderstand mit dem Zweiweg-Gleichrichter eines Netzgerätes zu einer Brückenschaltung kombiniert sein. Dabei kann der aus Topfbodenfühler und Einstellwiderstand bestehende Zweig der Bräckenschaltung über eine Diode an den Eingang des Regelverstärkers gelegt sein.
In der Schaltungsanordnung kann die Katode einer mit ihrer Anode an der Basis des zweiten Transistors liegenden Diode über einen Widerstand an die Verbindung zwischen Schaltelement und Heizelement angeschlossen sein. Auch ist es möglich, daß die Anode einer mit ihrer Katode an der Basis des ersten Transistors liegenden Diode über einen Widerstand an die Verbindung zwischen Schaltelement und Heizelement angeschlossen ist.
Die Einstellwiderstände sind mit Vorteil konstruktiv so ausgebildet, daß sie sich stufenweise einstellen lassen. Hierdurch können die vorgegebenen Heizarten leicht aufgefunden werden.
Mit Vorteil ist der am Regelspannungserzeuger für die Leistung liegende Einstellwiderstand so verdrahtet, daß bei einer oder mehreren Stellungen die Wirkverbindung zur Diode unterbrochen wird.
Die beiden Einstellwiderstände weisen vorteilhaft eine gemeinsame Betätigungsachse auf.
Der Topfbodenfühler kann aus einem Draht mit hohem Temperaturkoeffizienten hergestellt sein.
Als Schaltelement wird mit Vorteil ein Fünfschicht-Halbleiter verwendet.
Das Schaltelement kann auch auf zwei antiparallel geschalteten Thyristoren aufgebaut sein.
Auf der gemeinsamen Betätigungsachse für die Einstellwiderstände können auch Zusatzkontakte für die Zuschaltung eines zusätzlichen Heizelementes untergebracht sein.
Nfit Vorteil liegt zwischen Triac und Heizelement eine Diode, die mit einem Integrator verbunden ist, der seinerseits mit seinem Ausgang an einem Widerstand liegt, wobei eine zweite Diode an Netzspannung liegt und ebenfalls auf einem Integrator arbeitet, der über einen Widerstand mit dem freien Ende des erstgenannten Widerstandes verbunden ist.
Die Erfindung weist gegenüber bisher bekannten Regeleinrichtungen verschiedene Vorteile auf. Mit der Einrichtung ist es möglich, vorgewählte Temperaturbereiche exakter als bisher einzuhalten. Bei Schnellaufheizung der Herdplatte tritt nur noch minimales überschwingen auf. Es können kleinste Temperaturtoleranzen eingehalten werden. Die Verwendung unterschiedlicher Topfbodenqualitäten bleibt ohne Auswirkung auf die richtige Funktion der Automatik. Sämtliche Kochbereichstufen können mit Hilfe des Schalters mit Einknopfbedienung bequem eingestellt werden. Außerdem wird ein weicher übergang von der Schnellaufheizung zum Kochen erreicht. Ausführungsbeispiele nach den Ansprüchen werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine schematische übersicht über den Aufbau der Regeleinrichtung, -F i g. 2 eine Regeleinrichtung, die im wesentlichen aus einem zweistufen, triggerbaren Verstärker und Regelspannungserzeugern für Leistung und Temperatur besteht, F i g. 3 eine etwas vereinfachte Regeleinrichtung der Anordnung nach F i g. 2, wobei der Regelspannungserzeuger für die Leistung nur mit passiven Elementen aufgebaut ist, F i g. 4 eine weitere Anordnung zur Gewinnung der Regelspannung, die ein Maß für die mittlere Heizleistung ist.
Die Regeleinrichtung (F i g. 2 und 3) wird aus einem Netzgerät 30 mit Gleichspannung versorgt. Ein Topfbodenfühler 1 und ein Einstellwiderstand 2, die miteinander in Reihe liegen, bilden mit dem Zweiweggleichrichter des Netzgerätes 30 eine Brücke. Der Topfbodenfühler 1 ist als temperaturabhängiger Widerstand ausgelegt und beispielsweise aus N-Fe-Draht hergestellt.
Die zwischen Topfbodenfühler 1 und Einstellwiderstand 2 stehende Spannung gelangt über eine Diode 3 auf die Basis eines in Emitterbasisschaltung betriebenen npn-Transistors 7, wird verstärkt und über einen Koppelwiderstand 10 an die Basis eines zweiten npn-Transistors 13 gelegt. Dieser Transistor 13 ist über eine Rückkopplungsanordnung 9 mit der Basis des ersten Transistors 7 verbunden. Die Rückkopplungsanordnung 9 verleiht der zweistufigen Verstärkerschaltung Triggereigenschaften. Die Triggerwirkung kann dabei je nach Dimensionierung der Rückkopplungsanordnung 9 verschieden ausgelegt werden. Der Transistor 13 steuert über seinen Emitter ein Triae 15 an, das mit einem Heizelement 14 eines Heizgerätes in Reihe geschaltet ist. Eine mit ihrer Katode an der Basis des ersten Transistors 7 angeschlossene Diode 18 und eine mit ihrer Anode mit der Basis des zweiten Transistors 13 verbundene Diode 16 sind (F i g. 2) über entsprechende Widerstände 17 und 19 an der Seite des Triacs angeschlossen, die am Heizeleinent 14 liegt bzw. direkt am Netz angeschlossen.
Mit Hilfe der Spannungen an den Dioden 16 und 18 und der Phasenumkehrwirkung des Transistors 7 entsteht an der Basis des Transistors 13 zusätzlich zur eigentlichen Regelung eine zweiweggleichgerichtete Spannung mit Netzfrequenzen. Durch die überlagerung der beiden Spannungen wird erreicht, daß die Zündung des Triacs 15 immer genau irn Nulldurchgang der an ihm liegenden Spannung bzw. der Netzspannung erfolgt.
Mit dem Heizwiderstand 14 liegt ein Vorwiderstand 20 in Reihe, der klein gegenüber dem Widerstand des Heizelementes gewählt ist. Die an ihm bei Betrieb des Heizelementes 14 abfallende Wechselspannung wird gleichgerichtet und mit einem Miller-Integrator 26 in Verbindung mit den entsprechenden Schaltelementen integriert. Die dann am Einstellwiderstand 29 stehende Gleichspannung ist ein Maß für den mittleren Strom, der das Heizelement 14 durchfließt. Nimmt man an, daß die Netzspannung konstant ist, so ist die am Einstellwiderstand 29 stehende Spannung zugleich ein Maß für den Mittelwert der vom Heizelement aufgenommenen elektrischen Leistung. Ein über den Schleifer des Einstellwiderstandes 29 abgegriffener Teil der am Widerstand stehenden Gleichspannung wird über einen Widerstand 6 und eine Diode 4 ebenfalls der Basis des ersten Transistors 7 des Regelverstärkers 55 zugeführt. Damit schließt sich der Regelkreis zur Regelung der Heizleistung.
Der Triac 15 wird dann durchgeschaltet, wenn die Heizleistung unter den mittels der Einstellwiderstände 2 und 29 eingestellten Sollwerten liegt.
Die beiden Einstellelemente 2, 29 sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Betätigungsachse untergebracht und stufenweise einstellbar. Der Einstellwiderstand 29 weist verschiedene Schaltstellungen auf, bei denen der Widerstand 6 vom Einstellwiderstand 29 getrennt ist, wobei die Leistungsregelung unwirksam ist.
Die Einstellvorrichtung ist bei Verwendung in einer elektrischen Kochplatte beispielsweise mit drei Bereichen versehen, die ihrerseits jeweils in eine Anzahl Stufen unterteilt sind. Beispielsweise können folgende Bereiche gewählt werden: 1 . Warmhaltebereich: Leistungskreis ist abgetrennt, die Temperaturen sind mit dem Einstellwiderstand 2 von etwa 50' C bis 90' C einstellbar.
2. Kochbereich: Bei niedriger Kochleistung ist der Einstellwiderstand 2 auf etwa 80' C eingestellt, bei hoher Kochleistung dicht unter dem Kochpunkt. Bis zu diesen voreingestellten Temperaturen bewirkt der Fühler 1 über den Regelverstärker 55 die volle Heizleistung.
Sobald die Temperatur erreicht ist, wird der Füliler 1 mit Hilfe der Diode 3 vom Regelverstärker getrennt. Es wirkt nun die Regelung der Fortkochleistung über die Diode 4. Die Verschiebung der Umschalttemperatur mit der Leistung erfolgt, um einen weichen übergang von der Schnellaufheizung zum Kochen zu erzielen.
3. Bratbereich: Dieser Bereich entspricht vollkommen dem Warmhaltebereich, nur wird hierbei mit anderen Temperaturen von etwa 120' C bis 250' C gearbeitet.
Bei der mittels der Fig. 2 erläuterten Einrichtung ist die vom Heizelement 14 aufgenommene elektrische Leistung linear abhängig von Netzspannungsschwan--kungen.
Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der in F i g. 2 gezeigten lediglich dadurch, daß die Regelspannungserzeugung anders durchge--führt wird. Zur Regelung bedient man sich hierbei der Spannung am Triac 15. Auf diese Weise kann man sich ein aktives Verstärkerelem ent im Integrator ersparen, Netzspannungsschwankungen gehen aber quadratisch in die Heizleistung ein.
Eine weitere Schaltungsausführung, die in F i g. 4 gezeigt wird, vermeidet jedoch diese Unzulänglichkeit. Diese Schaltung verwendet ebenfalls die am Triac 15 anstehende Spannung U" die mit einer Diode 24 gleichgerichtet und mit einem Integrator 50 integriert wird. Zur Kompensation von Netzspannungsschwankungen ist ein zweiter Integrator 51 über eine Diode 25 direkt an die Netzspannung angeschlossen. Die Ausgänge beider Integratoren werden über die Widerstände 21 und 22 zusammengeschaltet. Die so entstehende Spannung U ist ein Maß für den Mittelwert der Spannung am Heizelement 14, so daß der Einfluß von Netzspannungsschwankungen auf die Regelspannung U eliminiert ist.
Für die Unteransprüche wird nur im Zusammen- hang mit Patentanspruch 1 Schutz begehrt.

Claims

Patentansprüche, 1. Regeleinrichtung mit nicht unterbrochenem Regelkreis für Heizelemente, beispielsweise zur Verwendung in Kochplatten, mit einem Temperaturfühler für die Kochplattentemperatur und einem Regelwiderstand, die beide in einer I#rückenschaltung liegen und eine Steuerspannung für eine elektronische Steuervorrichtung liefern, welche ein elektronisches, im Heizstromkreis liegendes Schaltglied steuert, und mit einem vom Heizstrom beeinflußten Hilfssteuerglied, das ebenfalls eine Steuerspannung an die elektronische Steuervorrichtung abgibt, d a d u r c h g e - kennzeichnet, daß mindestens ein temperaturabhängiger Steuerspannungsgeber (53) und ein heizleistungsabhängiger Steuerspannungsgeber z. B. in Form eines vom Heizstrom durchflossenen ohmschen Widerstandes (20 oder 15), über ein Oder-Gatter und einen Steuerspannungsverstärker die Steuerung des die Heizleistung beeinflussenden Schaltelementes im Heizstromkreis bewirken, 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelspannungserzeuger (52) für die Leistung einen Gleichrichter (23) und einen Integrator enthält. 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator ein aktives Verstärkereleinent, beispielsweise in Form eines Transistors (26) enthält. 4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelspannungsverstärker mit Halbleitern, beispielsweise Transistoren (7, 13) aufgebaut ist. 5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten Transistors (13) des Regelverstärkers in bekannter Weise zur Herstellung von Kippeigenschaften mit der Basis des ersten Transistors (7) rückgekoppelt ist. 6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelspannungserzeuger (52) für die Leistung über einen Regelwiderstand (29), einen Widerstand (16) und eine Diode (4) an den Eingang des Regelverstärkers (55) angeschlossen ist. 7. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Topfbodenfühler (1) in Verbindung mit einem Einstellwiderstand (2) mit dem Zweiweggleichrichter eines Netzgerätes (30) zu einer Brückenschaltung kombiniert ist, 8. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Topfbodenfühler (1) und Einstellwiderstand (2) bestehende Zweig der Brückenschaltung über eine Diode (3) an den Eingang des Regelverstärkers (35) gelegt ist. 9. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode einer mit ihrer Anode an der Basis des zweiten Transistors (13) liegenden Diode (16) über einen Widerstand (17) an die Verbindung zwischen Schaltelement (56) und Heizeleinent (14) angeschlossen wird. 10. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode einer mit ihrer Katode an der Basis des ersten Transistors (7) liegenden Diode (18) über einen Widerstand (19) an die Verbindung zwischen Schaltelement (56) und Heizelement (14) angeschlossen ist. 11, Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellwiderstände (2, 29) konstruktiv so. ausgebildet sind, daß sie sich stufenweise einstellen lassen. 12. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dall der am Regelspannungserzeuger (52) für die Leistung liegende Einstellwiderstand (29) so verdrahtet ist, daß bei einer oder mehreren Stellungen die Wirkverbindung zur Diode (4) unterbrochen wird. 13. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einstellwiderstände (2, 29) eine gemeinsame Betätigungsachse aufweisen. 14. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Topfbodenfühler (1) aus einem Draht mit hohem Temperaturkoeffizienten hergestellt ist. 15. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelement (56) ein Fünfschicht-I-Ialbleiter verwendet wird. 16. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalteleinent (56) aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren aufgebaut ist. 17. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet daß auf der gemeinsamen Betätigungsachse für die Einstellwiderstände (2, 29) Zusatzkontakte (60) für die Zuschaltung. eines zusätzlichen Heizelementes (61) untergebracht sind. 18. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Triae (15) und Heizeleinent (14) eine Diode (24) liegt, die mit einem Integrator (50) verbunden ist, der seinerseits mit seinem Ausgang an einem ersten Widerstand (22) liegt und daß eine zweite Diode (25) an Netzspannung liegt und ebenfalls auf einen Integrator (51) arbeitet der über einen Widerstand (21) mit dem freien Ende des ersten Widerstandes (22) verbunden ist.