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Temperaturregler für ein elektrisches Kochgerät
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Die Erfindung betrifft einen Temperaturregler für ein elektrisches
Kochgerät, mit einem im Dampfraum oder im Dampfabzug eines von dem Kochgerät beheizbaren
Kochgefäßes angeordneten Temperaturfühler.' Bei einem bekannten Temperaturregler
dieser Art ist oberhalb eines Lochs im Deckel des Kochgefäßes ein Thermostat angebracht,
an welchem der aus dem Loch entweichende Wasserdampf kondensiert. Der Thermostat
wird hierdurch erwärmt und schaltet bei Erreichen seiner Umschalttemperatur das
Kochgerät ab. Durch die Umgebungsluft wird er anschließend abgekühlt, bis er bei
ca. 80°C das Kochgerät wieder einschaltet.
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Der Thermostat des bekannten Temperaturreglers muß relativ groß sein,
d. h. eine relativ große Oberfläche haben, damit er sich einerseits schnell abkühlen
kann und anderer seits kondensierte Wassertropfen sein Schaltverhalten möglichst
wenig beeinflussen. Ein derartiger Thermostat ist relativ träge und nicht für rasch
ansprechende Kochgeräte, beispielsweise Induktions-Kpchgeräte brauchbar.
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Weiterhin bedingt der große Thermostat ein relativ großes Loch im
Deckel, was zu entsprechenden Wasserdampfverlusten im Kochgefäß führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen rasch ansprechenden und insbesondere
zur Regelung des Dampfdrucks brauchbaren Temperaturregler anzugeben, dessen Regelverhalten
trotz geringer Größe nicht durch kondensierenden Wasserdampf beeinflußt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Temperaturfühler
ein Heißleiter ist, daß eine Stromquelle den Heißleiter auf eine Temperatur höher
als die Siedetemperatur von Wasser heizt und daß eine auf einen vorgegebenen Schwellwert
einstellbare Schwellwertstufe das Kochgerät abhängig von der Spannung an dem Heißleiter
steuert.
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Da der Heißleiter mittels der Stromquelle auf eine Temperatur aufgeheizt
wird, die höher als die Dampftemperatur ist, kann kein Dampf am Heißleiter kondensieren.
Der Dampf kühlt vielmehr den Heißleiter.
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Der Heißleiter kann unmittelbar im Dampfraum angeordnet sein, wobei
lediglich Voraussetzung ist, daß die ihm zugeführte Heizleistung ausreicht, um ihn
über die Dampftemperatur zu erwärmen. Als günstig haben sich Ausfüh rungsformen
erwiesen, bei welchen der Heißleiter in einer Dampfabzugsöffnung, beispielsweise
im Deckel des Kochgefäßes angeordnet ist. Da derartige Heißleiter relativ klein
sind, kann auch die öffnung klein gehalten werden. Die Temperatur des Heißleiters
beträgt im dampffreien Zustand vorzugsweise 150 bis 2000C, Um definierte Schaltverhältnisse
der Schwellwertstufe zu erreichen, handelt es sich bei der Stromquelle bevorzugt
um eine Konstantstromquelle.
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Kochgeräte sind vielfach so aufgebaut, daß bis zum Erreichen einer
bestimmten Temperatur die volle Heizleistung des Kochgeräts eingeschaltet werden
soll, während nach Erreichen dieser Temperatur mit verminderter Heizleistung fortgekocht
werden soll. Um die Umschalttemperatur, bei welcher von Ankochen auf Fortkochen
umgeschaltet wird, möglichst dicht an den Kochpunkt legen zu können, ist in
einer
bevorzugten Ausführungsform parallel zum Heißleiter eine Spannungsbegrenzerschaltung
geschaltet. Die Spannungsbegrenzerschaltung kann eine in Serie zur Basis-Emitterstrecke
eines Schalttransistors geschaltete Zenerdiode umfassen, wobei die Serienschaltung
dem Heißleiter parallel geschaltet ist. Der Schalttransistor schaltet das Kochgerät
von Ankochen auf Fortkochen um.
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Bei Fortkochbetrieb hat der Heißleiter eine Temperatur, die durch
das Gleichgewicht zwischen zugeführter Heizungsenergie und der durch Kühlung abgeführten
Wärmeenergie bestimmt ist. Beim Ankochen ist die Umgebungstemperatur des Heißleiters
relativ klein, so daß der von der Konstantstromquelle gelieferte Strom nicht zur
Erwärmung des Heißleiters ausreicht. Aufgrund des relativ großen Widerstands des
kalten Heißleiters fließt der von der Stromquelle gelieferte Strom im wesentlichen
vollständig durch die parallel geschaltete Spannungsbegrenzerschaltung, d. h. durch
die Zener-Diode. Mit steigender Temperatur des Kochgutes nimmt der Strom durch den
Heißleiter zu, da sein Widerstand kleiner wird. Damit steigt die Verlustleistung
des Heißleiters und ebenso die Differenz der Heißleitertemperatur zur Kochguttemperatur.
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Bei einer durch die Begrenzerschwelle der Spannungsbegrenzerschaltung
bestimmten Temperatur reicht die Eigenerwärmung des Heißleiters aus, um ihn auf
den Arbeitspunkt bei Fortkochbetrieb zu erwärmen. Die Schaltung wird instabil und
"kippt um, womit der Strom der Stromquelle nun im wesentlichen vollständig durch
den Heißleiter fließt. Der Umschaltpunkt äußert sich im plötzlichen Anstieg des
Stroms durch den Heißleiter oder im plötzlichen Abfall des Stroms durch die parallel
geschaltete Spannungsbegrenzerschaltung. Die Stromänderung kann zur Steuerung des
Kochgeräts herangezogen werden.
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Aus Sicherheitsgründen sollte der mit dem Kochgefäß verbundene Heißleiter
bzw. dessen Steuerschaltungen mit relativ niedriger Spannung betrieben werden, während
das Kochgerät an die Netzspannung angeschlossen ist. Die Schaltsignale des Temperaturreglers
werden deshalb bevorzugt über Optokoppler, d. h. unter Zwischenschaltung einer Lichtstrecke
dem Kochgerät zugeführt.
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Beim Abheben des Deckels vom Kochgefäß steigt die Temperatur am Heißleiter
an, da der Heißleiter nicht mehr durch die Dampfströmung gekühlt wird. Damit sinkt
die Spannung am Heißleiter ab. Um zu verhindern, daß der Temperaturregler hierbei
das Kochgerät auf volle Heizleistung schaltet, kann ein von einem Schalter steuerbarer
Schaltkreis vorgesehen sein, der die von der Schwellwertstufe erfaßte Spannung um
einen vorgegebenen Spannungswert erhöht. Beispielsweise kann in Serie zu dem Heißleiter
ein Widerstand oder eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode geschaltet sein, die
bei normalem Kochbetrieb mit aufgesetztem Deckel durch einen Kurzschlußschalter
überbrückt ist. Der Schalter wird beim Abheben des Deckels geöffnet, so daß an dem
Widerstand bzw. der Diode ein zusätzlicher Spannungsabfall erzeugt wird. Der zusätzliche
Spannungsabfall ist so bemessen, daß die Schwellwertstufe die einer starken Dampf
entwicklung entsprechende Spannung detektiert und das Kochgerät abschaltet. Vorteil
dieser Ausführungsform ist, daß neben den ohnehin zum Heißleiter führenden Leitungen
keine zusätzlichen Leitungen zum Deckel des Kochgefäßes geführt werden müssen.
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Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von
Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt Fig. 1 einen schematischen Querschnitt
durch ein in Verbindung mit einem Temperaturregler gemäß der Erfindung betreibbares
Kochgefäß;
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines Temperaturreglers
und Fig. 3 ein Schaltbild eines Temperaturreglers, welcher sich insbesondere für
ein Induktions-Kochgerät eignet.
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Fig. 1 zeigt einen Kochtopf 1 mit einem Deckel 3, an dessen Oberseite
ein als Dampfauslaß dienender Rohrstutzen 5 angebracht ist. In dem Rohrstutzen 5
ist ein Heißleiter 7 angeordnet, der als Temperaturfühler für ein nicht näher dargestelltes
Kochgerät, insbesondere ein Induktions-Kochgerät angeordnet ist. Induktions-Kochgeräte
sind bekannt; sie erzeugen in dem metallischen Kochtopf 1 auf elektromagnetischem
Weg Wirbelströme, die den Kochtopf 1 und damit das im Kochtopf 1 enthaltene Xochgut
9 erwärmen. Der Heißleiter 7 ist relativ klein, eo daß auch der Innendurchmesser
des Rohrstutzens 5 klein sein kann.
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Der Temperaturregler gemäß dem Schaltbild der Fig. 2 regelt den Dampfdruck
in dem Kochtopf 1. Der Heißleiters7 iet mit einer Konstantstromquelle 11 verbunden,
deren Strom den Heißleiter 7 auf eine über der Siedetemperatur von Wasser liegende
Gleichgewichtstemperatur erwärmt.
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geeignet ist eine Temperatur von 1 50°C - 2000C bei dampftreiem Zustand.
Der Wasserdampf kühlt somit den Heißleitor 7 und kann nicht am Heißleiter 7 kondensieren.
An den Heißleiter 7 ist mit seinem einen Eingang ein Kompastator 13 angeschlossen,
dessen anderem Eingang eine varible Bezugsspannung Uref zugeführt wird. Der Komparator
13 gibt ein logisches Ausgangssignal ab, dessen Pegel davon abhängt, ob die mit
wachsendem Dampfdruck ansteiende Spannung an dem Heißleiter 7 größer oder kleiner
q die Bezugsspannung Uref ist. Der Ausgang des Komparotors 13 steuert das in Fig.
1 nicht näher dargestellte @ochgerät, wobei die Bezugsspannung Uref die Kochtemperatur
bestimmt.
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Fig. 3 zeigt ein detailliertes Schaltbild eines zur Regelung des Dampfdrucks
geeigneten Temperaturreglers für ein Induktions-Kochgerät. Dieser Temperaturregler
weist einen einseitig an Masse angeschlossenen Heißleiter 15 auf, dessen anderer
Anschluß über eine von einem nachstehend noch näher erläuterten Schalter 55 normalerweise
überbrückte, in Durchlaßrichtung gepolte Diode 17 an den Kollektor eines eine Konstantstromquelle
bildenden Transistors 19 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 19 ist über
einen Emitterwiderstand 21 an eine positive Betriebsspannungsquelle UB angeschlossen.
Die Basis des Transistors 19 ist zur Arbeitspunkteinstellung über eine in Sperrichtung
gepolte Zenerdiode 23 ebenfalls an die Betriebsspannungsquelle UB angeschlossen.
Der Verbindungspunkt zwischen der Diode 17 und dem Kollektor des Transistors 19
ist über einen Widerstand 25 mit dem positiven Eingang eines Komparators 27 verbunden,
der die Funktion des Komparators 13 aus Fig. 2 hat. Der negative Eingang des Komparators
27 ist mit dem Abgriff eines Potentiometers 29 verbunden, welches einer Zenerdiode
31 parallel geschaltet ist. Die Zenerdiode 31 ist in Serie zu einem Arbeitswiderstand
33 zwischen Masse und die Zenerdiode 23 geschaltet und bildet in Verbindung mit
dem Potentiometer 29 und dem Widerstand 33 eine Bezugsspannungsquelle für den Komparator
27. An dem Potentiometer 29 kann die konstant zu haltende Temperatur des Kochgeräts
eingestellt werden. Der Ausgang des Komparators 27 ist über einen Optokoppler 35
und einen Arbeitswiderstand 37 mit der Betriebsspannungsquelle UB verbunden.. Der
Optokoppler 35 umfaßt eine Leuchtdiode sowie eine nicht näher dargestellte Fotodiode,
die auf das von der Leuchtdiode emittierte Licht anspricht und dementsprechend das
Kochgerät steuert. Der Temperaturregler ist damit von der Spannungsversorgung des
Kochgeräts entkoppelt.
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Über den Optokoppler 35 kann der Kochbetrieb des Kochgeräts geregelt
werden. Beim Fortkochen ist das Kochgerät üblicherweise auf eine kleinere Heizstufe
eingestellt als beim Ankochen, d. h. beim erstmaligen Aufheizen des Kochguts. Um
auch den Ankochvorgang selbsttätig regeln zu können, ist der Serienschaltung aus
Diode 17 und Heißleiter 15 eine Spannungsbegrenzerschaltung mit einer in Sperrichtung
gepolten Zenerdiode 39 parallel geschaltet. Die Zenerdiode 39 ist an den Kollektor
des Transistors 19 angeschlossen und über die Basis-Emitterstrecke eines Transistors
41 mit Masse verbunden.
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Parallel zur Basis-Emitterstrecke des Transistors 41 ist ein für die
Wirkungsweise der Spannungsbegrenzerschaltung vernachlässigbarer Widerstand 43 angeschlossen,
der den Arbeitspunkt des Transistors 41 bestimmt. Der dem Transistor 19 abgewandte
Anschluß des Widerstands 25 ist über eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode 45 mit
dem Kollektor des Transistors 41 verbunden. Der Kollektor des Transistors 41 ist
darüberhinaus mit der Kathode einer Diode 47 verbunden, deren Anode über einen Widerstand
.49 an die Betriebsspannungsquelle UB angeschlossen ist.
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Zwischen den Verbindungspunkt des Widerstands 49 und der Diode 47
einerseits und Masse andererseits sind eine Leuchtdiode 51 und ein weiterer Optokoppler
53 in Serie zueinander angeschlossen. Über den Optokoppler 53 kann zwischen der
Ankoch-Heizstufe und der Fortkoch-Heizstufe des Induktionsheizgeräts umgeschaltet
werden. Die Leuchtdiode 51 zeigt hierbei den Betriebszustand an.
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Die Umschalttemperatur wird durch die Begrenzerschwelle der Spannungsbegrenzerschaltung
bestimmt. Unterhalb der Umschalttemperatur ist der Heißleiter 15 hochohmig, so daß
der Strom der durch den Transistor 19 gebildeten Konstantstromquelle nicht zur Eigenerwärmung
des Heißleiters 15 ausreicht. Der Strom fließt im wesentlichen
vollständig
durch die Zenerdiode 39 und schaltet den Transistor 41 durch. Der Kollektor des
Transistors 41 hat damit im wesentlichen Massepotential, womit die Leuchtdiode 51
und der Optokoppler 53 abgeschaltet sind.
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Diese Schaltzustände entsprechen der Ankochstufe. Weiterhin wird über
die Diode 45 das Potential am positiven Eingang des Komparators 27 erniedrigt, so
daß die Fortkochstufe des Heizgeräts außer Betrieb ist.
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Mit steigener Temperatur des Kochgutes steigt der Strom am Heißleiter
15 an, da sein Widerstand kleiner wird.
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Damit steigt die Verlustleistung des Heißleiters 15,und die Differenz
der Temperatur des Heißleiters zur Temperatur des Kochguts erhöht sich. Bei Erreichen
der durch die Zenerspannung der Zenerdiode 39 festgelegten Temperaturschwelle reicht
der Strom durch den Heißleiter 15 zur Eigenerwärmung aus, so daß dieser sich sprunghaft
erwärmt. Die Schaltung "kippt" um. Damit fließt der Strom durch den Heißleiter'
und der Transistor 41 wird abgeschaltet. Gleichzeitig wird über die Optokoppler
3 und 53 von der Ankochstufe auf die Fortkochstufe umgeschaltet, was durch Aufleuchten
der Leuchtdiode 51 angezeigt wird.
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Um bei Abheben des Deckels während des Fortkochbetriebes das ständige
Einschalten des Kochgeräts durch den bei abgehobenem Deckel 3 einen zu niedrigen
Dampfdruck signalisierenden Heißleiter 15 zu verhindern, wird der die Diode 17 überbrückende
Kurzschlußschalter 55 beim Abheben des Deckels 3 geöffnet. Dadurch erhöht sich der
Spannungsabfall zwischen Masse und dem Kollektor des Transistors 19,und der Koarator27detektiert
einen Spannungsabfall, der einer starken Dampfentwicklung" entsprechen würde, so
daß auch bei abgehobenem Deckel 3 das Kochgerät nicht eingeschaltet wird. Der Schalter
55 kann, wie in Fig. 1
dargestellt, an einem Griff 57 des Deckels
angebracht sein und wird von Hand oder aber durch Abheben des Deckels betätigt.
Neben den Zuleitungen zu dem Heißleiter 15 müssen also keine weiteren Leitungen
zum Deckel geführt werden.
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L e e r s e i t e