DE202004003511U1 - Controlled variation of electrical power supplied to a surface heater is provided by a pulse width modulation swing cycle - Google Patents

Controlled variation of electrical power supplied to a surface heater is provided by a pulse width modulation swing cycle Download PDF

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Abstract

The electrical power supplied [P]to a surface heating system is varied by using a form of pulse width modulation. The power supplied is switched on and off for controlled periods [ts] within a base period cycle time [T]. The switching period is variable between defined limits.

Description

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.The invention relates to a circuit arrangement with adjustable electrical output power especially for surface heating. Under "circuit" both Low power circuits that only provide corresponding output signals Generate control of a power stage, as well as corresponding High-performance circuits can be understood. applications such circuits include devices for controlling the indoor climate, as in connection with hot water and electric heating, air conditioning and controlled living room ventilation are used.

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.The background to the invention is to note that this is the area of tax and regulatory concepts concerns, as exemplified in the temperature control of a surface by means of underfloor heating for example in the form of an electric surface heating explained should be. So it is known that the electrical power of surface heating is regulated with temperature controllers, the sensors of which are located within the heating surface. This essentially means the heating surface temperature, but not regulates the room temperature.

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.There are also complex temperature controls known in which the heat output according to the interior or outside temperature is regulated. This is particularly in connection with underfloor heating of indolence this heating system is problematic.

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.The object of the invention is now based on a circuit arrangement with adjustable electrical Output power that is flexible with simple means Control output power over a wide range allowed.

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.This task is performed by those in the labeling section of claim 1 specified basic features solved, after which on the one hand, the output power only after an on-off control periodically between an upper and a lower limit and switched and the time of switching between the two limits within a given base period is varied manually for setting the output quantity. Essentially it will So for setting the power quantity and thus for varying the one given period of time the duty cycle between the on and off duration varies within the base period. Is it assumed that at the beginning of each base period the upper limit, i.e. maximum is switched, then the circuit set to the lower output quantity, the earlier the Switching point between upper limit and lower limit is within the base period. The setting of the electrical output power is only due to a shift in the switchover time achieved within the specified base period and is therefore conceivable simple. It should be noted that the above control concept according to the invention has nothing to do with a phase control, where yes an AC voltage signal is cut off from a certain phase point becomes. The method according to the invention on the other hand, works in a time window that is orders of magnitude about that lies.

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.In summary, with the help of circuit arrangement according to the invention implemented a simple temperature control concept in which an input unit a scale value that is not specified in ° C is set so that there is a comfortable surface temperature established. This can be done without a control process and without complex sensors the heating surface achieved with the described power controller according to the invention become.

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:Preferred further developments are in the subclaims the circuit arrangement and optional setting variants, to explain them to avoid repetitions on the description of the exemplary embodiments Reference is made, which are explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:

1 bis 5 Diagramme des zeitlichen Schaltverhaltens zur Leistungsstellung einer elektrischen Schaltung, 1 to 5 Diagrams of the switching behavior over time for the power setting of an electrical circuit,

6 eine schematische Außen-Ansicht eines auf der erfindungsgemäßen Schaltung beruhenden Leistungsstellers, 6 2 shows a schematic external view of a power controller based on the circuit according to the invention,

7 ein Blockdiagramm des Leistungsstellers von 6, und 7 a block diagram of the power controller of 6 , and

8 eine schematische Außen-Ansicht eines Leistungsstellers in einer alternativen Ausführungsform. 8th is a schematic external view of a power controller in an alternative embodiment.

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.In the 1 to 5 the time t is plotted on the abscissa and the output power P is plotted on the ordinate. Based on 1 the basic setting procedure for the electrical output power quantity of the corresponding circuit can now be represented. A base period T is thus defined on the time axis, within which a switch is made from the maximum output power P max as the upper limit value to an output power of 0 as the lower limit value at a changeover time t s .

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 With the beginning of the next period T, the output power P is switched back to its maximum P max and switched off again at the fixed switching time t s and so on. The output power of the circuit can be set according to the relationship by varying V of the switching instant t s in the periods in the range between 0 <t s <T: P = (t s / T) · P Max

Die Dauer der Periode T ist unkritisch, vernünftige Werte liegen zwischen 1 und 30 Minuten.The duration of the period T is not critical, reasonable Values are between 1 and 30 minutes.

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.The changeover time t s itself is variable, for example, by manual input on the circuit and can be changed, for example, using a rotary controller scaled between 0 and 100%.

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.How out 2 it becomes clear that in a preferred embodiment the base period can be varied in length. So the first two are in 2 Periods shown from the time period T, while the subsequent periods have a longer duration T '. The base period length is also changed again by manual input on the circuit. For example, the reason for a shortening of the base period length can be a "punching through" of the on-off behavior of the output power on the external system, such as a room air-conditioned by an electric heater. If the period is chosen too long, the surface temperature of the surface heating fluctuates too much what is perceived as uncomfortable by the user of the room.

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.In order to include external influences on the system coupled to the power controller in the setting procedure for the electrical output power quantity, the signal of a corresponding sensor is included without an actual regulation. How out 3 In this context it becomes clear that the manually entered changeover time t s can be shifted towards an earlier or later changeover time t s ' or t s "by the influence of a sensor and can thus be varied in the sense of a correspondingly lower or higher output of output quantity An example is a room temperature sensor that, when the room temperature rises, for example, as at a certain limit of 22 ° C, shifts the switchover time t s forward to t s ', which reduces the performance of the heating, but the surface temperature of the heating surface due to the higher one Ambient temperature remains approximately constant.

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.The variability in the changeover time generated by the sensor signal influence can itself be adjustable, for example by manually setting the percentage shift of the changeover time t s within the base period T per 1 ° C. compared to a limit temperature.

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.As a further option in the setting method according to the invention, it is provided that the output power P is "locked" to the lower limit value of 0 here in each base period T during a predetermined partial period T T. The output power can thus be at a defined value below the maximum power of the system be limited, for example, to prevent a faulty operation of the power controller with oversized heating that results in a surface temperature beyond reasonable ranges.

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.Another option for setting the power within the inventive method is based on 5 to explain. The background to this is, for example, the practical case that when the holiday was absent for a longer period in winter, the room heating was lowered and that the room should be heated up as quickly as possible when the room is used again. In this respect, it can be provided that after a longer “timeout” A during which no output power or a minimum of it has been given off, after the circuit has been reactivated for a fixed or adjustable number of base periods T, the output power P during the entire base period T to the upper limit value P to switch max. the switching time t s so is T, a shift in the sense therefore does not take more place, but it is delivered continuously maximum output power P max.

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. 6 shows highly schematically a power controller to be installed on a flush-mounted box, with which, for example, the heating power of a room heater can be varied. The power controller 1 has a flat, rectangular housing 2 whose front has various input elements. That's a bigger knob 3 provided, by means of which the pulse duty factor, that is, the position of the changeover time t s within the base period T, can be set.

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.The other knobs 4 . 5 . 6 are used to set the influence of a room sensor signal on the shift in the switchover time, to set a guaranteed timeout T T within the base period T and to set the base period length T itself.

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.In the housing 2 is the in 7 schematically housed in the manner of a block diagram circuit housed in the terplatte on a conventional Lei 7 a microprocessor 8th as well as other elements. In the microprocessor 8th the setting method according to the invention is implemented by a corresponding control and sequence program. The elements mentioned consist of the knobs already mentioned 4 . 5 . 6 and the control dial 3 actuated circuit elements such. B. the potentiometers 16 to 19 , Furthermore, in 7 a room temperature sensor on the circuit board 9 and a relay or triac output 10 shown as additional components. About the exit 10 a corresponding output stage for the operation of an electric space heater can be controlled.

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. 8th shows a power controller 1' , on the menu-driven using the LCD display 11 and the input keys 12 to 15 is accessed. This power controller too 1' is through a microprocessor 8th controlled and has a relay or triac output 10 on.

Claims (7)

Schaltungsanordnung mit einstellbarer elektrischer Ausgangsleistungsmenge insbesondere für Flächenheizungen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ausgangsleistung (P) der Schaltungsanordnung nach Art einer Ein-Aus-Steuerung lediglich periodisch zwischen einem oberen (Pmax) und einem unteren Grenzwert (0) hin und her schaltbar ist, und – der Zeitpunkt (ts) der Umschaltung zwischen den beiden Grenzwerten (Pmax ; 0) innerhalb einer vorgegebenen Basisperiode (T) zur Leistungsmengeneinstellung mittels einer manuellen Eingabeeinheit (3) variierbar ist.Circuit arrangement with adjustable amount of electrical output power, in particular for surface heating, characterized in that - The output power (P) of the circuit arrangement in the manner of an on-off control only periodically between an upper (P max ) and a lower limit value ( 0 ) can be switched back and forth, and - the time (t s ) of switching between the two limit values (P max ; 0) within a predefined base period (T) for setting the power quantity by means of a manual input unit ( 3 ) is variable. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert (Pmax) der Maximalleistung und der untere Grenzwert einer Ausgangsleistung von null entspricht.Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the upper limit value (P max ) corresponds to the maximum power and the lower limit value corresponds to an output power of zero. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisperiode (T) in ihrer zeitlichen Länge variierbar ist.Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the base period (T) can be varied in length is. Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jeder Basisperiode (T) während einer vorgegebenen Teilperiode (TT) die Ausgangsleistung (P) auf den unteren Grenzwert (0) verriegelbar ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that within each base period (T) during a predetermined partial period (T T ) the output power (P) to the lower limit value ( 0 ) can be locked. Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines einen Eingangsparameter, insbesondere einen Raumklima-Parameter, repräsentierenden Sensorsignals der eingestellte Umschaltzeitpunkt (ts) in der Basisperiode variierbar ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that by means of a sensor signal representing an input parameter, in particular a room climate parameter, the set switching time (t s ) can be varied in the base period. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Sensorsignal-Einfluss erzeugte Variabilität im Umschaltzeitpunkt (AS) einstellbar ist.Circuit arrangement according to Claim 5, characterized in that the variability generated by the influence of the sensor signal can be set at the changeover time (A S ). Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Schaltung vorzugsweise mittels einer Zeitgeber-Funktion während vorgegebener Auszeiten (A) deaktivierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Auszeit (A) über eine feste oder einstellbare Anzahl von Basisperioden (T) die Ausgangsleistung (P) während der gesamten Basisperiode (T) auf den oberen Grenzwert (Pmax) schaltbar ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the circuit can preferably be deactivated by means of a timer function during predetermined timeouts (A), characterized in that after a timeout (A) over a fixed or adjustable number of base periods (T) the output power (P ) can be switched to the upper limit value (P max ) during the entire base period (T).
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