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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
mit einstellbarer elektrischer Ausgangsleistung insbesondere für Flächenheizungen.
Unter „Schaltung" sollen dabei sowohl
Niederleistungsschaltungen, die lediglich entsprechende Ausgangssignale zur
Steuerung einer Leistungsendstufe generieren, als auch entsprechende
Hochleistungsschaltungen selbst verstanden werden. Einsatzgebiete
solcher Schaltungen sind unter anderem Geräte zur Steuerung des Raumklimas,
wie sie im Zusammenhang mit Warmwasser- und Elektroheizungen, Klimaanlagen und
kontrollierten Wohnraumlüftungen
zum Einsatz kommen.
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Zum Hintergrund der Erfindung ist
festzuhalten, dass diese das Gebiet von Steuer- und Regelkonzepten
betrifft, wie sie beispielhaft bei der Temperatursteuerung einer
Oberfläche
mittels einer Fußbodenheizung
etwa in Form einer Elektro-Flächenheizung
erläutert
werden sollen. So ist bekannt, dass die elektrische Leistung von
Flächenheizungen
mit Temperaturreglern geregelt wird, deren Fühler innerhalb der Heizfläche liegen.
Damit wird im Wesentlichen die Heizflächentemperatur, nicht aber
die Raumtemperatur geregelt.
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Ferner sind komplexe Temperaturregelungen
bekannt, bei denen die Heizleistung entsprechend der Innen- oder
Außentemperatur
geregelt wird. Gerade im Zusammenhang mit Fußbodenheizungen ist dies wegen
der Trägheit
dieses Heizsystems problematisch.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zu Grunde, eine Schaltungsanordnung mit einstellbarer elektrischer
Ausgangsleistung anzugeben, die mit einfachen Mitteln eine flexible
Steuerung der Ausgangsleistung innerhalb einer großen Bandbreite
erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil
des Anspruches 1 angegebenen grundsätzlichen Merkmale gelöst, wonach
einerseits die Ausgangsleistung nach An einer Ein-Aus-Steuerung lediglich
periodisch zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert hin
und her geschaltet wird und zum anderen der Zeitpunkt der Umschaltung zwischen
den beiden Grenzwerten innerhalb einer vorgegebenen Basisperiode
zur Leistungsmengeneinstellung manuell variiert wird. Im Wesentlichen wird
also zur Leistungsmengeneinstellung und damit zur Variation der über einen
bestimmten Zeitraum abgegebenen Energie das Tastverhältnis zwischen
der Ein- und Ausschaltdauer innerhalb der Basisperiode variiert.
Wird davon ausgegangen, dass am Beginn jeder Basisperiode auf den
oberen Grenzwert, also Maximum geschaltet ist, so wird die Schaltung
auf umso geringere abgegebene Leistungsmenge eingestellt, je früher der
Umschaltzeitpunkt zwischen oberen Grenzwert und unterem Grenzwert
innerhalb der Basisperiode liegt. Die Einstellung der elektrischen Ausgangsleistung
wird also lediglich durch eine Verschiebung des Umschaltzeitpunktes
innerhalb der vorgegebenen Basisperiode erzielt und ist damit denkbar
einfach. Es ist darauf hinzuweisen, dass das vorstehende erfindungsgemäße Stellkonzept
nichts mit einer Phasenanschnittsteuerung zu tun hat, bei der ja
ein Wechselspannungssignal ab einem bestimmten Phasenpunkt abgeschnitten
wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
arbeitet demgegenüber in
einem Zeitfenster, das um Größenordnungen
darüber
liegt.
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Zusammenfassend wird mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ein einfaches Temperatursteuerungskonzept umgesetzt, bei dem an
einer Eingabeeinheit ein Skalenwert, der nicht in °C angegeben
wird, so eingestellt wird, dass sich eine behagliche Oberflächentemperatur
einstellt. Das kann ohne Regelprozess und ohne aufwändigen Fühler in
der Heizfläche
mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Leistungssteller erreicht
werden.
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In den Unteransprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen
der Schaltungsanordnung und optionale Einstellvarianten angegeben,
zu deren Erläuterung
zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele
verwiesen wird, die im Folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 bis 5 Diagramme des zeitlichen Schaltverhaltens
zur Leistungsstellung einer elektrischen Schaltung,
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6 eine
schematische Außen-Ansicht
eines auf der erfindungsgemäßen Schaltung
beruhenden Leistungsstellers,
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7 ein
Blockdiagramm des Leistungsstellers von 6, und
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8 eine
schematische Außen-Ansicht
eines Leistungsstellers in einer alternativen Ausführungsform.
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In den 1 bis 5 sind auf der Abszisse die Zeit
t und auf der Ordinate die Ausgangsleistung P aufgetragen. An Hand
von 1 lässt sich
nun das grundsätzliche
Einstellverfahren für
die elektrische Ausgangsleistungsmenge der entsprechenden Schaltung
darstellen. So ist auf der Zeitachse eine Basisperiode T festgelegt,
innerhalb derer zu einem Umschaltzeitpunkt ts von
der maximalen Ausgangsleistung Pmax als
oberen Grenzwert auf eine Ausgangsleistung von 0 als unteren Grenzwert
geschaltet wird.
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Mit dem Beginn der nächsten Periode
T wird die Ausgangsleistung P wieder auf ihr Maximum Pmax geschaltet
und zum festgelegten Umschaltzeitpunkt ts wieder
abgeschaltet und so weiter. Durch die Variierung V des Umschaltzeitpunktes
ts in den Perioden im Bereich zwischen 0 < ts < T kann die Ausgangsleistung
der Schaltung eingestellt werden gemäß der Beziehung: P
= (ts/T)· Pmax
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Die Dauer der Periode T ist unkritisch,
vernünftige
Werte liegen zwischen 1 und 30 Minuten.
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Der Umschaltzeitpunkt ts selbst
ist beispielsweise durch eine manuelle Eingabe an der Schaltung variabel
und kann beispielsweise über
einen zwischen 0 und 100% skalierten Drehregler verändert werden.
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Wie aus 2 deutlich wird, ist in einer bevorzugten
Ausführungsform
die Basisperiode in ihrer zeitlichen Länge variierbar. So sind die
beiden ersten in 2 dargestellten
Perioden von der Zeitdauer T, während
die darauffolgenden Perioden eine längere Dauer T' aufweisen. Die Veränderung
der Basisperiodenlänge
erfolgt ebenfalls wieder durch eine manuelle Eingabe an der Schaltung.
Grund beispielsweise für
eine Verkürzung
der Basisperiodenlänge
kann ein „Durchschlagen" des Ein-Aus-Verhaltens
der Ausgangsleistung auf das externe System sein, wie beispielsweise
einen von einer Elektroheizung klimatisierten Raum. Ist hier die
Periodendauer zu lang gewählt,
schwankt die Oberflächentemperatur
der Flächenheizung
zu sehr, was vom Benutzer des Raumes als unangenehm empfunden wird.
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Um äußere Einflüsse auf das mit dem Leistungssteller
gekoppelte System in das Einstellverfahren für die elektrische Ausgangsleistungsmenge
einzu beziehen, ist ohne eine eigentliche Regelung das Signal eines
entsprechenden Sensors einbezogen. Wie aus 3 in diesem Zusammenhang deutlich wird,
kann der manuell eingegebene Umschaltzeitpunkt ts durch
den Einfluss eines Sensors in Richtung zu einem früheren oder
späteren
Umschaltzeitpunkt ts' bzw. ts" verschoben und damit
im Sinne einer entsprechend niedrigeren bzw. höheren Leistungsmengenabgabe
variiert werden. Als Beispiel sei ein Raumtemperatursensor genannt,
der bei Ansteigen der Raumtemperatur beispielsweise wie bei einem bestimmten
Grenzwert von 22°C
hinaus den Umschaltzeitpunkt ts nach vorne
zu ts' hin
verlagert, womit die Leistung der Heizung abnimmt, die Oberflächentemperatur
der Heizfläche
aber wegen der höheren
Umgebungstemperatur in etwa konstant bleibt.
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Die durch den Sensorsignal-Einfluss
erzeugte Variabilität
im Umschaltzeitpunkt kann wiederum selbst einstellbar sein, indem
beispielsweise die prozentuale Verschiebung des Umschaltzeitpunktes
ts innerhalb der Basisperiode T pro 1°C gegenüber einer
Grenztemperatur manuell eingestellt wird.
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Als weitere Option in dem erfindungsgemäßen Einstellverfahren
ist es vorgesehen, innerhalb jeder Basisperiode T während einer
vorgegebenen Teilperiode TT die Ausgangsleistung
P auf den unteren Grenzwert von hier 0 zu „verriegeln". Damit kann die
Ausgangsleistung auf einen definierten Wert unterhalb der maximalen
Leistung des Systems begrenzt werden, beispielsweise um zu verhindern, dass
bei fehlerhafter Bedienung des Leistungsstellers bei überdimensionierter
Heizung eine Oberflächentemperatur über vernünftige Bereiche
hinaus sich einstellt.
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Eine weitere Option für die Leistungseinstellung
innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
an Hand von 5 zu erläutern. Hintergrund
davon ist beispielsweise der Praxisfall, dass bei längerer Urlaubsabwesenheit
im Winter die Raumheizung abgesenkt wurde und bei Wieder-in-Benutzungsnahme des
Raumes eine möglichst
schnelle Aufheizung gewünscht
wird. Insoweit kann vorgesehen sein, nach einer längeren „Auszeit" A, während der
keine Ausgangsleistung oder ein Minimum davon abgegeben wurde, nach
dem Reaktivieren der Schaltung während
einer festen oder einstellbaren Anzahl von Basisperioden T die Ausgangsleistung
P während der
gesamten Basisperiode T auf den oberen Grenzwert Pmax zu
schalten. Der Umschaltzeitpunkt ts liegt also
bei T, ein Umschalten in dem Sinne findet also nicht mehr statt,
sondern es wird ständig
maximale Ausgangsleistung Pmax abgegeben.
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6 zeigt
höchst
schematisch einen auf einer Unterputzdose zu installierenden Leistungssteller,
mit dem beispielsweise die Heizleistung einer Raumheizung variierbar
ist. Der Leistungssteller 1 weist ein flaches, quaderförmiges Gehäuse 2 auf, dessen
Frontseite verschiedene Eingabeelemente aufweist. So ist ein größerer Drehknebel 3 vorgesehen,
mittels dem das Tastverhältnis,
also die Lage des Umschaltzeitpunkts ts innerhalb
der Basisperiode T einstellbar ist.
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Die weiteren Drehknöpfe 4, 5, 6 dienen
zur Einstellung des Einflusses eines Raumsensorsignals auf die Verschiebung
des Umschaltzeitpunktes, zur Einstellung einer garantierten Auszeit
TT innerhalb der Basisperiode T und zur
Einstellung der Basisperiodenlänge
T selbst.
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Im Gehäuse 2 ist die in 7 schematisch nach Art eines
Blockdiagramms wiedergegebene Schaltung untergebracht, bei der auf
einer üblichen Lei terplatte 7 ein
Mikroprozessor 8 sowie weitere Elemente sitzen. Im Mikroprozessor 8 ist
das erfindungsgemäße Einstellverfahren
dabei durch ein entsprechendes Steuer- und Ablaufprogramm implementiert. Die
erwähnten
Elemente bestehen aus den durch die bereits erwähnten Drehknöpfen 4, 5, 6 und
den Drehregler 3 betätigten
Schaltungselementen wie z. B. den Potentiometern 16 bis 19.
Ferner sind in 7 auf
der Leiterplatte ein Raumtemperatursensor 9 und ein Relais-
oder Triac-Ausgang 10 als weitere Bauteile dargestellt. Über den
Ausgang 10 kann eine entsprechende Endstufe für den Betrieb
einer elektrischen Raumheizung angesteuert werden.
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8 zeigt
einen Leistungssteller 1',
auf den menügesteuert
mit Hilfe des LCD-Displays 11 und der Eingabetasten 12 bis 15 zugegriffen
wird. Auch dieser Leistungssteller 1' wird durch einen Mikroprozessor 8 gesteuert
und weist einen Relais- oder Triac-Ausgang 10 auf.