DE2400219A1

DE2400219A1 - Elektronischer thermostat

Info

Publication number: DE2400219A1
Application number: DE2400219A
Authority: DE
Inventors: B Hbert Pinckaers
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1973-01-08
Filing date: 1974-01-03
Publication date: 1974-07-18
Also published as: US3817453A; NL7400195A; CA1004748A

Description

01-4729 Ge 2. Januar 1974

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Elektronischer Thermostat

exnen
Die Erfindung bezieht sich auf elektronischen Thermostaten, der über Eingangsklemmen und eine zu steuernde Last an eine VersorgungsSpannungsquelle angeschlossen ist, mit einem elektronischen Schalter, der zwischen den Eingangsklemmen angeordnet ist und von einer temperaturabhängigen Spannungsteilerschaltung gesteuert ist.

Durch die US Patentschrift 3 694 663 ist ein elektronischer Thermostat bekannt geworden, bei dem ein Thermowiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten in einer Spannungsteilerschaltung angeordnet ist. Der Thermowiderstand fühlt die Raumtemperatur und verändert somit das Potential an bestimmten Abgriffspunkten der Spannungsteilerschaltung. Diese Abgriffspunkte sind an die Ein-· gangsklemmen eines Differenzverstärkers geführt, der ausgangsseitig einen elektronischen Schalter steuert, welcher zwischen die Eingangsklemmen des Thermostaten geschaltet ist. Zwischen den Eingangsklemmen und einer diese speisende Versorgungsspannungsguelle ist eine Last geschaltet. Wenn bei diesen bekannten Thermostaten die an einem Einstellpotentionmeter eingestellte Temperatur unterschritten wird, so erzeugt der die Raumtemperatur fühlende Thermowiderstand eine Potentialänderung an der Spannungsteilerschaltung, welche von dem Differenzverstärker abgegriffen und verstärkt wird und ausgangsseitig den elektronischen Schalter

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auf Durchgang schaltet. Hierdurch wird die eingangsseitig angeordnete Last,beispielsweise eine Heizungsanlage, voll an die Versorgungsspannung angeschlossen. Der über den elektronischen Schalter fließende Laststrom erzeugt an diesem Wärme, die ungewollt von dem Thermowiderstand gefühlt wird und somit ein Erreichen der eingestellten Raumtemperatur signalisiert, bevor diese in Wirklichkeit erreicht ist. Die tatsächlich erzielte Raumtemperatur kann bei den bekannten Thermostaten in nachteiliger Weise von der eingestellten Raumtemperatur um mehrere Grad Celsius abweichen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Thermostaten der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß diese Abweichung zwischen eingestellter und erzielter Raumtemperatur verschwindet bzw. auf ein Minimum beschränkt wird. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.Es zeigen:

Figur 1 das Schaltschema eines Thermostaten mit drei Anschlüssen,

Figur 2 das Schaltschema eines Thermostaten mit zwei Anschlüssen und

Figur 3 ein wesentlich vereinfachtes Schaltschema eines Thermostaten mit zwei Anschlüssen.

Gemäß Figur 1 weist ein elektronischer Thermostat 10 drei Anschlüsse 11, 12 und 13 auf. Die Anschlüsse 11 und 13 sind vorgesehen, um über Leitungen 14 und 15 an eine elektrische Spannungsquelle 16 angeschlossen zu werden. Der Anschluß 12 ist über eine Leitung 17 an eine Last 20 angeschlossen _t und eine weitere Leitung 21 verbindet die Last 20 mit der. an die Eingangsklemme führenden Leitung 14. Die Last 20 kann entweder vom Heizungs-

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oder vom Kühlungstyp sein'aber.in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel soll die Last im folgenden als eine Heizlast, insbebesondere als eine Heizungsanlage angesehen werden.

Der Thermostat 1O weist zwei thermisch getrennte Schaltungsteile 22 und 2 3 auf. Diese thermische Trennung kann durch die bloße Anordnung der Komponenten innerhalb eines bekannten Thermostaten oder durch die Anordnung einer thermisch isolierenden Zwischenschicht erzielt werden. Der Grund für die thermische Isolation der beiden Schaltungsabschnitte 22 und 23 soll später nach der Beschreibung des Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Ein Vorwiderstand 24 in Reihe mit einer Diode 25 verbindet die Eingangsklemme 11 mit einer Versorgungsspannungsleitung 26. Andererseits ist die Eingangsklemme 13 direkt an eine Versorgungsspannungsleitung 27 angeschlossen. Die der Versorgungsspannungsquelle 16 entnommene Wechselspannung wird somit in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt. Zwischen den Versorgungsspannungs leitungen 26 und 27 sind ein Siebkondensator 30 und parallel hierzu eine die Spannung begrenzende Zenerdiode 31 angeordnet. . . '

Ein Differenzverstärker 34 ist mittels Leitungen 32 und 33 dem Siebkondensator 30 parallelgeschaltet. Der Differenzverstärker weist Eingangsleitüngen 35 und 36 auf, welche an die potentialbezogenen Eingänge des Differenzverstärkers führen. Der Differenzverstärker 34 besitzt eine Ausgangsleitung 37, und beim Erscheinen eines positiven Signales zwischen den Eingangsleitungen 35 und 36 nimmt die Ausgangsleitung 37 das auf der Leitung 32 anstehende Potential an und läßt somit einen Strom durch die hintereinandergeschalteten Widerstände 40 und 41 fließen. Der Widerstand 41 liegt einerseits an der Versorgungsspannungsleitung 27 und ist andererseits über eine Leitung 42 mit einer Steuerelektrode 43 eines elektronischen Schalters 44 verbunden. Der elektronische Schalter 44 ist vorzugsweise als Triac ausgeführt. Der elektronische Schalter 44 ist zwischen die Eingangs-

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klemmen 12 und 13 geschaltet, so daß im Falle seiner Schließung die Eingangsklemmen 12 und 13 kurzgeschlossen sind. Dies bewirkt, daß die Last 20 voll an die Versorgungsspannungsquelle 16 angeschlossen wird. Es versteht sich von selbst, daß alle elektronischen Schalter,in dem Fall wo sie Strom ziehen, Hitze erzeugen. Diese Hitze erzeugt, wenn sie nicht kompensiert wird, eine Abweichung des Thermostaten 10. Im Falle einer Thermoregelung führt die Abweichung des Thermostaten zu einer Abnahme der tatsächlichen Raumtemperatur in Bezug auf die eingestellte Raumtemperatur. Der Thermostat 10 fühlt die von dem elektronischen Schalter 44 erzeugte Wärme und schaltet die Last 20 bereits ab, bevor diese aufgrund der eingestellten Raumtemperatur abschalten darf. Die Abweichung kann 4 - 5°C bei einem elektronischen Thermostaten betragen, wenn keine Kompensation vorgesehen ist.

Ein Umgebungstemperaturfühler in Form eines ersten temperaturempfindlichen Elements 50 ist als Thermowiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten ausgebildet und mit einem parallelgeschalteten Linearisierungswiderstand 51 versehen. In Reihe zu der Parallelschaltung aus Thermowiderstand 50 und Linearisierungswiderstand 51 ist ein Einstellpotentiometer 52 und ein weiterer Widerstand 54 zwischen die Versorgungsspannungsleitungen 26 und 27 geschaltet. Ein weiterer zwischen die Versorgungsspannungsleitungen 26 und 27 geschalteter Spannungsteiler besteht aus der Reihenschaltung zweier Widerstände 53 und 55 und einem Thermowiderstand 56 mit positivem Temperaturkoeffizienten. Der Thermowiderstand 56 steht in intensivem Wärmeaustausch mit dem elektronischen Schalter 44. Der intensive Wärmeaustausch,angedeutet durch die gestrichelte Linie 57, kann erzielt werden, indem der Thermowiderstand 56 in unmittelbarer Nähe des elektronischen Schalters 44 oder in direkten Kontakt mit diesem angeordnet wird.

Der Thermowiderstand 50 mit negativem Temperaturkoeffizienten und die Widerstände 52 bis 56 sind in einer Wheatestone'sehen Brückenschaltung angeordnet und bilden in weiterem Sinne einen temperaturabhängigen Spannungsteiler, der zwischen die Eingangsklemmen 11 und 13 des Thermostaten 10 geschaltet ist.

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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ergibt sich aus ihrem Aufbau und wird nachstehend beschrieben:

Der Thermostat 10 wird über die Leitungen 14 und 15 an die elektrische Spannung angeschlossen. Der Kondensator 30 nimmt dadurch die eingezeichnete Aufladung an. Die über dem Kondensator 30 anstehende Spannung liegt gleichzeitig an dem Verstärker 34 und der Brückenschaltung an. Der Thermowiderstand 50 hält die Brückenschaltung- im Gleichgewicht, solange der Thermostat 10 sich auf der durch das Einstellpotentiometer 52 eingestellten Temperaturbefindet. Wenn das zu regelnde System ein Heizungssystem ist. und die-Temperatur unter den eingestellten Wert fällt, so verursacht der Thermowiderstand 50 eine Verstimmung der Brückenschaltung dergestalt, daß ein positives Eingangssignal zwischen den Eingangsleitungen 35 und 36 des Differenzverstärkers 34 erscheint. Der Differenzverstärker 3 4 wird somit ausgesteuert. Als Folge davon wird die Ausgangsleitung 37 des Differenzverstärkers 34 mit der positiven Leitungen 32 verbunden und es erscheint ein Spannungsabfall über den Widerständen 40 und 41. Die über dem Widerstand 41 erscheinende Spannung schaltet den elektronischen Schalter 44 in den stromführenden Zustand, welcher seinerseits die Eingangsklemmen 12 und 13 kurzschließt, wodurch die Last an die Versorgungsspannungsquelle 16 angeschlossen wird. Auf diese Weise beginnt die Last 20, welche eine Heizungsanlage sein soll, zu arbeiten. Gleichzeitig verursacht der durch den elektronischen Schalter 44 fließende Strom eine Wärmeentwicklung, welche von dem Thermowiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten 56, angedeuted durch die Wirkungslinie 57, direkt gefühlt wird, und angedeutet durch die Wirkungslinie 60,von dem Thermowiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten 50 ebenfalls schwach gefühlt wird. Der Thermowiderstand 50 fühlt somit Wärme in dem Thermostat 10, die der zu regelnde Raum noch nicht erreicht.hat. Der Thermowiderstand 50 ist demnach bestrebt, die Brücke abzugleichen, bevor der Raum die eingestellte Temperatur erreicht hat. Diese Fehlfunktion wird durch den Thermowiderstand 56 vermieden. Die auf den Thermowiderstand 56 übertragene Wärme verursacht eine

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Verstimmung der Brückenschaltung, so daß der Thermowiderstand verhindert wird, die Brückenschaltung zu früh in den abgeglichenen Zustand zu bringen. Die Bemessung der Thermowiderstände 50 und 56 sowie ihre Anordnung in dem Thermostaten und die dadurch bedingte Wärmekopplung zwischen ihnen und dem elektronischen Schalter 44 kann so getroffen werden, daß auf jegliche Kühlbzw. Hitzeableitungvorrichtung verzichtet v/erden kann.

Gemäß Figur 2 weist ein weiterer Thermostat 10' zwei Anschlüsse auf. Schaltungselemente, die bereits anhand der Figur 1 beschrieben wurden, werden hier mit gleichen Bezugsziffern versehen. Eine Last 20 ist über Leitungen 14 und 15 an die Versorgungsspannungsquelle 16 angeschlossen. Eine weitere Leitung 14¹ verbindet die Last 20 mit einer Ein'qangsklemme 11'. Die Leitunq 15 ist an die zweite Einqangsklemme 13 herangeführt. Der elektronische Schalter 44, der über die Steuerelektrode 43 angesteuert _f wird, ist wiederum über Leitungen 61 und 62 mit den Eingangsklemmen 11 'und 13 verbunden, um die Last 20 direkt an die Versorgungsspannungsquelle legen zu können. Der Thermowiderstand 56 mit positivem Temperaturkoeffizienten befindet sich, angedeutet durch die Wirkungslinie 57, wiederum in engem Wärmekontakt mit dem elektronischen Schalter 44. Der Thermowiderstand 56 mit positivem Temperaturkoeffizienten ist in einer Brückenschaltung angeordnet, welche die Widerstände 51 bis 55 sowie den Thermowiderstand 50 mit negativem Temperaturkoeffizienten aufweist. Der Thermowiderstand 50 mit negativem Temperaturkoeffizienten wird als Raumtemperaturfühler benutzt und befindet sich in leichtem Wärmekontakt, angedeutet durch die Wirkungslinie 60, mit dem elektronischen Schalter 44. Der Ausgang der Brückenschaltung, die aus den zuvorerwähnten Widerständen besteht, ist mit den Anschlüssen 35' und 36' eines Verstärkers 63 verbunden. Der Verstärker 63 kann von bekannter Bauart sein, insbesondere kann ein Verstärker , wie er in dem US Patent 3 694 663 beschrieben ist, Verwendung finden. Der Verstärker 63 ist über eine Leitung 64 mit der Eingangskiemme 11' verbunden und durch Versorgungsspannungsleitungen 65 und 66 an die zuvor erwähnte Brückenschaltung

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angeschlossen. Eine weitere Leitung 67 verbindet den Verstärker mit der Eingangsklemme 13. Eine Ausgangsklemme 70 des Verstärkers 63 ist über eine Leitung 42 mit dem Steuergitter 43 des elektronischen Verstärkers 44 verbunden.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 ist folgende :

Wenn der die Raumtemperatur fühlende Thermowiderstand 50 anzeigt, daß eine Anschaltung der Last 20 an die Versorgungsspannungsquelle 16 nicht erforderlich ist, so befinden sich die Eingangsklemmen 35' und 36' des Verstärkers 63 auf einem Potential, welches an der zu dem Steuergitter 43 des elektronischen Schalters führenden Leitung 42 kein Au^angssignal erscheinen läßt.

Für den Fall, daß die von dem Thermostat 10' gefühlte Temperatur genügend abfällt, um die Brückenschaltung ins Ungleichgewicht zu bringen, erscheint ein Signal an den Eingangsklemmen 35' und 36', welches den Verstärker 6 3 aussteuert. Ein auf der Ausgangsleitung 42 erscheinendes Signal schaltet somit den elektronischen Schalter 44. Durch' die Betätigung des elektronischen Schalters wird die Eingangsklemme 11' mit der Eingangsklemme 13 kurzgeschlossen, wodurch die Last 20 direkt an die Versorgungsspannungsquelle 16 angeschlossen wird. Der stromführende elektronische Schalter erzeugt Wärme, welche sowohl auf den Thermowiderstand 56 mit positivem Temperaturkoeffizienten als auch auf den die Raumtemperatur fühlenden Thermowiderstand 50 mit negativem Temperaturkoeffizienten übertragen wird. Der Betrag der auf den Thermowiderstand 56 übertragenen Wärme ist beachtlich, während die Wärme, die auf den Thermowiderstand 50 übertragen wird, geringfügig ist. Die auf den Thermowiderstand 56 einwirkende Wärme verursacht eine Verstimmung der Brückenschaltung, welche Verstimmung dem durch den Thermowiderstand 50 bewirkten Abgleich der Brückenschaltung entgegenwirkt. Eine Abweichung der tatsächlichen Raumtemperatur von der eingestellten Raumtemperatür wird somit vermieden.

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Gemäß Figur 3, welche ein stark vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, ist die Versorgungsspannungsquelle widerum über Leitungen 14, 14' und 15 und eine Last 20 mit den Eingangsklemmen 11' und 13 eines Thermostaten 10'' verbunden. Im dargestellten Beispiel wird die Last 20 im Halbwellenbetrieb angesteuert, und der elektronische Schalter besteht aus einem Thyristor 44", welcher über Leitungen 61 bzw. 62 mit den Eingangsklemmen 11^r bzw. 13 verbunden ist. Der Thyristor 44' besitzt eine Steuerelektrode 43', über welche er in den leitenden Zustand gesteuert werden kann. Angedeutet durch die Wirkungslinie 60 steht der Thyristor 44^f mit einem Thermowiderstand 70 mit positivem Temperaturkoeffizienten in Wärmewirkung, welcher im dargestellten Fall als Raumtemperaturfühler dient. Ein Linearisierungswiderstand 71 ist dem Thermowiderstand 70 parallelgeschaltet. Ein Steuerwiderstand 72 verbindet den Linearisierungswiderstand 71 mit einer Versorgungsspannungsleitung 76 des Thermostaten' 10". Andererseits ist der Lineariserungswiderstand 71 über einen Thermowiderstand 73 mit negativem Temperaturkoeffizienten und einen Einstellwiderstand 74 mit einer weiteren Versorgungsspannungsleitung 75 verbunden. Der Thermowiderstand 73 mit negativem Temperaturkoeffizienten steht,angedeutet durch die Wirkungslinie 57, in unmittelbarem Wärmekontakt mit dem Thyristor 44".

Im Fall der Figur 3 ist anstelle einer Brücken-Spannungsteilerschaltung ein einfacher temperaturabhängiger Spannungsteiler verwendet. Der Spannungsteiler besteht aus dem Einstellwiderstand 74, dem Thermowiderstand 73 mit negativem Temperaturkoeffizienten,der Parallelanordnung des ThermowiderStandes 70 mit positivem Temperaturkoeffizienten und des Linearisierungswiderstandes 71 und dem Steuerwiderstand 72

Wenn der Thermostat 1O" keine Temperaturabweichung registriert, ist der Spannungsabfall über dem Steuerwiderstand 72 zu gering, um den Thyristor 44* an seinem Steuergitter 43' in den leitenden Zustand zu steuern. Wenn jedoch der Thermostat 10'' einer Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, die unterhalb des an dem Einstell-

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widerstand 74 eingestellten Wertes liegt, so fällt der Widerstand des Thermowiderstandes 70 genügend, um in dem Spannungsteiler einen Strom zu erzeugen, der an dem Steuerwiderstand 72 einen ausreichenden Spannungsabfall erzeugt, um den Thyristor 44' an seinem Steuergitter43' aufzusteuern. Eine Halbwelle der angelegten Wechselspannung 16 fließt demnach über die Last 20 und den Thyristor 44*. Der Thermowiderstand 73 mit negativem Temperaturkoeffizienten empfängt die von dem Thyristor 44' erzeugte Wärme, wodurch der Einfluß der auf den Thermowiderstand einwirkenden Thermostatwärme kompensiert wird.

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Claims

Patentansprüche

.j Elektronischer Thermostat, der über Eingangsklemmen und eine zu steuernde Last an eine Versorgungsspannungsquelle angeschlossen ist, mit einem elektronischen Schalter, der zwischen den Eingangsklemmen angeordnet ist und von einer temperaturabhängigen Spannungsteilerschaltung gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilerschaltung (50-56) neben einem an sich bekannten, die Raumtemperatur fühlenden temperaturempfindlichen ersten Element (50,70) ein mit dem elektronischen Schalter (44,44') in Wärmekontakt stehendes zweites temperaturempfindliches Element (56,73) mit entgegengesetztem Temperaturkoeffizienten aufweist zur Kompensation der auf das erste temperaturempfindliche Element !50,7O) einwirkenden thermostateigenen V7ärme.
2. Elektronischer Thermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturempfindliche Elemente Thermowiderstände (50,56;70,73) mit entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten verwendet sind.
3. Elektronischer Thermostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs teilerschaltung (50-56) als Brückenschaltung ausgebildet ist, wobei die Thermowiderstände (50,56;70,73) in verschiedenen Brückenzweigen angeordnet sind.

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4. Elektronischer Thermostat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Diagonale der Brückenschaltung ein elektronischer Verstärker (34,63) geschaltet ist, dessen Ausgang den elektronischen Schalter (44,44') steuert.
5. Elektronischer Thermostat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronischer Schalter bei Vollwellensteuerung ein Triac (44) bzw. bei Halbwellensteuerung ein Thyristor (44') verwendet ist.

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