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Heizvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für Laborgeräte, insbesondere
für ein Heizbad zur Temperierung einer Badflüssigkeit od. dgl., wobei die Heizvorrichtung
ein Stellglied zum Ein- und Ausschalten von der Heizung aufweist, das mit einem
Steller oder Regler in Steuerverbindung steht.
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Solche Heizvorrichtungen haben häufig hohe Heizleistungen und es ergeben
sich dementsprechend hohe Betriebsströme, die von dem Stellglied geschaltet werden
müssen.
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Bei Heizbädern od. dgl., bei denen die Temperaturkonstanz-Anforderungen
vergleichsweise gering sind, kann als Schaltglied ein Relais eingesetzt werden,
da dieses bei geringer Schalthäufigkeit eine ausreichende Lebensdauer aufweist bei
gleichzeitig geringem übergangswiderstand und entsprechend geringer Verlustleistung.
Trotzem ist -durch den hohen Heizstrom und die zu schaltende Spannung ein entsprechender
Kontaktabbrand vorhanden.
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Bei Heizbädern mit höheren Anforderungen an die Regelgenauigkeit und
den dabei auftretenden häufigen Ein- und Ausschaltvorgängen werden als Stellglieder
anstatt Relais Halbleiterschalter verwendet. Diese haben jedoch den Nachteil, daß
durch die daran abfallende Restspannung entsprechend hohe, abzuführende Verlustleistungen
auftreten, deren Abführen insbesondere dann problematisch ist, wenn bei hohen Umgebungstemperaturen
gearbeitet wird. In der
Praxis können insbesondere auch durch die
kompakte Bauweise von Heizbädern Umgebungstemperaturen im Bereich des Stellgliedes
bzw. von weiteren Steuereinrichtungen, von bis zu 800 C auftreten. Das notwendige
Abführen der Verlustleistung ergibt dann in nachteiliger Weise eine noch weitere
Erhöhung der Umgebungstemperatur.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung is-t es, eine Heizvorrichtung der
eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der bei hoher Schalthäufigkeit zur Erzielung
einer guten Regelgenauigkeit das Stellglied trotz dieser hohen Schalthäufigkeit
eine lange Lebensdauer bei gleichzeitig geringer Verlustleistung aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen,
daß das Stellglied aus einer Parallelschaltung wenigstens eines elektromechanischen
Schalters und wenigstens eines Halbleiter-Schalters besteht, und daß die Ansteuerung
beider Schalter derart vorgesehen ist, daß jeweils der Einschalt- und der Ausschaltzeitpunkt
des elektromechanischen Schalters innerhalb der Einschaltphase des Halbleiter-Schalters
liegt.
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Der Halbleiter-Schalter übernimmt somit im wesentlichen die Schaltfunktion,
während der elektromechanische Schalter jeweils di.e Zwischenphase der Einschaltdauer
übernimmt. Somit können die an sich gegensätzlichen Forderungen nach hoher Lebensdauer
des Stellgliedes bei praktisch keiner Verlustleistung realisiert werden.
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Zweckmäßigerweise sind als Halbleiter-Schalter ein Triac, ein Thyristor
oder ein Transistor und als elektromechanischer Schalter ein Relais vorgesehen.
Mit einer Parallelschaltung aus diesen Bauteilen kann das erfindungsgemäße Stellglied
für unterschiedliche Einsatzzwecke verwendet werden.
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Vorzugsweise ist der Halbleiter-Schalter mit seinem zulässigen Dauergrenzstrom
aufzeigen Bruchteil des Heizstromesausgelegt, wobei der Dauergrenzstrom des Halbleiter-Schalters
vorzugsweise etwa 1/10 des Heizstromes beträgt.
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Da der Halbleiter-Schalter jeweils nur für kurze Zeit während der
Einschalt- und der Ausschaltphase belastet ist, genügt eine derartige Dimensionierung
für einen störungsfreien Betrieb. Der Halbleiter-Schalter kann somit eine vergleichsweise
kleine Baugröße aufweisen und ist auch wesentlich preisgünstiger und kleiner als
bei einer Auslegung für einen Dauerbetrieb bei vollem Heizstrom.
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Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen
aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand
der Zeichnung noch näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht eines zum Teil aufgebrochen dargestellten
Heizbades, Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild einer Heizvorrichtung und Fig. 3
drei einander zugeordnete Diagramme mit Darstellung der Schaltzustände am Halbleiter-Schalter,am
- elektromechanischen Schalter und am Verbraucher.
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Ein Heizbad 1 (Fig. 1) weist einen Badbehälter 2 mit einem darunter
angeordneten Standgehäuse 3 zur Aufnahme einer hier nicht näher dargestellten Heizvorrichtung,
die mit einem Regelgerät 4 verbunden ist, auf. Das Regelgerät 4 beinhaltet unter
anderem ein Stellglied sowie einen Regler.
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Bei dem Heizbad 1 kann mittels eines Einstellknopfes 5 eine gewünschte
Temperatur der im Badbehälter 2 befindlichen Flüssigkeit od. dgl. eingestellt werden.
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Fig. 2 zeigt in einem BRockschaltbild ein Regelgerät mit einem Regler
oder Steller 6, der mit einem im ganzen mit 7 bezeichneten, strichliniert umrandeten
Stellglied in Steuerverbindung
steht.WDas Stellglied 7 ist in Reihe
mit einer vom Netz zu versorgenden Last, die hier durch eine Heizung 8 gebildet
ist, geschaltet.
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Erfindungsgemäß ist nun das Stellglied, 7 aus einer Parallelschaltung
eines elektromechanischen Schalters 9§und eines Halbleiter-Schalters 10 gebildet.
Im Ausführungsbeispiel dient als elektromechanischer Schalter ein Relais und als
Halbleiter-Schalter 10 ein Triac.
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Üblicherweise werden bei solchen Laborgeräten Zeitpunkt regler verwendet,
die im Bereich des Soll-Temperaturwertes der Badflüssigkeit je nach Temperatur-Istwert
die Heizung ein- und ausschalten. Ist eine hohe Regelgenauigkeit gefordert, so erfolgen
in vergleichsweise kurzen Abständen Heizphasen geringer Länge. Dementsprechend muß
das Stellglied 7 häufig ein- und ausgeschaltet werden. Die Ansteuerung der beiden
Schalter 9 und 10 ist nun so vorgesehen, daß jeweils der Einschalt- und der Ausschaltzeitpunkt
des elektromechanischen Schalters 9 innerhalb der Einschaltphase des Halbleiter-Schalters
10 liegt. Dies ist gut in Fig. 3 erkennbar.
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Dabei zeigt das Diagramm A den Schaltzustand des Halbleiter-Schalters
10, während in dem Diagramm B der zugeordnete Schaltzustand des elektromechanischen
Schalters 9 dargestellt ist. Für eine Heizphase t1 bis t6 (Diagramm C) erfolgt zunächst
zum Zeitpunkt t1 die Ansteuerung des Halbleiter-Schalters 10, so daß dieser leitend
wird. Die Heizung 8 wird somit ab diesem Zeitpunkt t1 über den Halbleiter-Schalter
10 versorgt. Zum Zeitpunkt t2 (Diagramm B) erfolgt dann eine Zuschaltung des elektromechanischen
Schalters 9 und Übernahme der Stromversorgung der Heizung 8 durch ihn. Bei diesem
Schaltvorgang (t2) tritt eine wesentlich geringere Belastung des Relaiskontaktes
auf, da hierbei die Schaltspannung entsprechend dem Spannungsabfall über dem Halbleiter-Schalter
10 nur etwa 1 Volt beträgt. Nach dem Schließen des Kontaktes des elektromechanischen
Schalters 9 erfolgt die Versorgung der Heizung 8 über diesen.
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Der Halbleiter-Schalter 10 könnte zwar über die gesamte Heizphase
t1 bis t6 angesteuert bleiben, jedoch ergibt sich
eine vereinfachte
Ansteuerschaltung und auch eine geringere Ansteuerleistung, wenn der Halbleiter-Schalter
10 in der Zwischenphase abgeschaltet wird. Fig. 3 läßt in den Diagrammen A und B
erkennen, daß der Einschaltzeitpunkt t2 und der Ausschaltzeitpunkt t5 des elektromechaniscflen
Schalters 9 durch separate Einschaltphasen t1 bis t3 und t4 bis t6 überdeckt sind.
Erwähnt sei noch, daß die in Fig. 3 im Diagramm A dargestellten Einschaltphasen
tatsächlich die Ansteuerphasen des Halbleiter-Schalters 10 wiedergeben.
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Die vorbeschriebene Funktion mit zeitlich gestaffelter Übernahme der
Stromversorgung der Heizung 8 beim Ein- und Ausschalten wäre bereits dann gegeben,
wenn der elektromechanische Schalter 9 und der Halbleiter-Schalter 10 gleichzeitig
angesteuert werden würden. In diesem Falle würde der Ansteuerzeitpunkt t2 des elektromechanischen
Schalters 9 mit dem Zeitpunkt t1 zusammenfallen. Bedingt durch die mechanische Trägheit
des elektromechanischen Schalters 9 würde J sich bereits eine Verzögerung einstellen,
so daß auch dadurch bereits die zeitlich versetzte Übernahme durch den elektromechanischen
Schalter 9 gegeben wäre. Gleiches gilt auch für den Ausschaltvorgang. Bevorzugt
ist jedoch für den elektromechanischen Schalter zusätzlich eine Einschaltverzögerung
sowie eine Ausschaltverzögerung gegenüber dem jeweiligen Einschaltzeitpunkt t1 und
t4 des Halbleiter-Schalters 10 vorgesehen.
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Die Einschaltphasen t1bis t3 und t4 bis t6 des Halbleiter-Schalters
10 betragen vorzugsweise etwa 30 Millisekunden.
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Sie können jedoch bedarfsweise auch wesentlich weniger, beispielsweise
3 Millisekunden oder wie schon vorbeschrieben sich überdeckend über den gesamten
Einschaltzeitpunkt bis t6 erstrecken, ohne daß dadurch die Funktion beeinträchtigt
ist. Durch die bevorzugt nur kurzen Einschaltphasen des Halbleiter-Schalters 10
besteht die Möglichkeit, diesen hinsichtlich seines Dauergrenzstromes auf einen
Bruchteil des Heizstromes auszulegen. Für'die vorgesehenen Einschaltabschnitte kann
ein Halbleiter-Schalter, beispielsweise ein Triac ohne weiteres etwa zehnfach überlastet
werden. Man kommt somit
mit einer sehr kleinen Baugröße und auch
geringen Kosten aus.
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Um den Sicherheitsbestimmungen zu genügen, weist zumindest die Steuerverbindung
11 zu dem Halbleiter-Schalter 10 eine galvanische Trennung 12, z. B. einen Optokoppler,
einen Piezokoppler oder einen Transformator auf. Gegebenenfalls könnte auch in der
Steuerverbindung 13 zu dem elektromechanischen Schalter 9 eine galvanische Trennung
12 vorgesehen sein. Bei Verwendung eines Relais ist dies jedoch in der Regel nicht
erforderlich, da das Relais selbst eine galvanische Trennung bildet.
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Erwähnt sei noch, daß als Halbleiter-Schalter 10 außer dem in Fig.
2 gezeigten Triac, je nach Anwendungsfall auch ein Thyristor oder ein Transistor
eingesetzt werden kann.
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Durch den zum Relais 9 parallel geschalteten Halbleiter-Schalter 10
wird eine erheblich höhere Lebensdauer der Relaiskontakte erreicht, da die notwendige
Schaltleistung wesentlich reduziert ist Außerdem tritt praktisch kein Schaltfunke
auf, so daß der Störpegel etwa um den Faktor 10 reduziert ist. Gleichzeitig wird
die auftretende Verlustleistung am Stellglied derart vermindert, daß praktisch keine
Erwärmung auftritt.
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Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.