DE3708610C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturregelung einer elektrischen Heizvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung einer elektrischen Heizvorrichtung, insbesondere bei einem Haushaltsherd, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der DE 32 04 518 C2 ist eine Schaltungsanordnung in Back­ öfen bekannt, bei der zur Steuerung der Backofenleistung ein Impuls-Pausen-Verhältnis den Steuerwert für die Heizleistung darstellt. Ein Temperaturstellglied stellt das Impuls-Pausen- Verhältnis ein, so daß eine reine Steuerung vorliegt, durch die im Hinblick auf verschiedenartige Einflüsse eine exakte Einstellung einer gewünschten Temperatur nur sehr ungenau möglich ist.

Eine weitere Leistungssteuerung für eine Heizvorrichtung ist aus der GB 20 67 857 bekannt. Dort wird ein vorgebbarer Tem­ peratur-Sollwert mit einer rampenförmigen Vergleichsspannung verglichen, und ein Leistungsschalter wird zur Steuerung der Heizvorrichtung in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ge­ tankt. Diese bekannte Leistungssteuerung ist zunächst als reine Steuerung beschrieben, die jedoch in nicht näher be­ schriebener Weise auch zu einer Regelung erweitert werden kann. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß der Leistungsschalter im Falle einer Regelung permanent ein- und ausgeschaltet wird, da der Sollwert die Schalt­ schwelle für das Ein- und Ausschalten des Leistungsschalters bildet, und der Istwert ständig um den Sollwert herum­ schwankt. Dies hat unnötig viele Schaltvorgänge des Lei­ stungsschalters zur Folge, wodurch dessen Lebensdauer sinkt.

Bei einer aus der AT 329 164 bekannten Schaltungsanordnung zur Regelung der Heizleistung oder der Temperatur eines Warm­ wasserbereitungsgeräts, erfolgt die Regelung lediglich durch Ein- und Ausschalten von Leistungsschaltern, wobei während der Aufheizphase keine Leistungsregelung durch Taktung vorge­ sehen ist. Auch hier sind daher sehr viele Schaltvorgänge er­ forderlich, und zumindest nach der Aufheizphase ist eine grö­ ßere Regelschwingung zu erwarten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturregelung einer elektri­ schen Heizvorrichtung zu schaffen, die einen einzigen Lei­ stungsschalter aufweist und durch die das Regelspiel bei ho­ her Genauigkeit wesentlich reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der An­ sprüche 1 bzw. 5 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Regelvorrichtung erfolgt somit ei­ ne automatische Anpassung der Heizleistung an den jeweils vorgegebenen Temperatur-Sollwert, indem das Tastverhältnis der Steuerspannung entsprechend verändert wird. Bei höheren Sollwerten nimmt dabei das Verhältnis von Impulsbreite zur Impulspause zu, während es in Richtung zum niedrigeren Soll­ wert abnimmt. Da somit die Leistung automatisch an die für die jeweilige Temperatur notwendige Leistung angepaßt wird, werden die Regelschwingungen bzw. das Regelspiel auf den kleinstmöglichen Wert reduziert, so daß die eingestellte Sollwert-Temperatur gegenüber herkömmlichen Heizanlagen we­ sentlich exakter eingehalten wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im An­ spruch 1 angegebenen Verfahrens und der im Anspruch 5 angege­ benen Vorrichtung möglich.

Um eine schnelle Aufheizphase vor allem bei mittleren Tempe­ ratur-Sollwerten zu erreichen, wird bei Vorgabe eines über einem vorgebbaren Grenzwert liegenden Temperatur-Sollwerts der Leistungsschalter während der ersten Aufheizphase durch­ gehend in seiner geschlossenen Schaltstellung gehalten. Da­ durch erfolgt die Aufheizphase bei größtmöglicher Heizlei­ stung, und erst die folgenden Heizphasen erfolgen dann mit der jeweils zugeordneten getakteten Steuerspannung. Ein der­ artiger Grenzwert liegt vorzugsweise zwischen 100 und 120 C°.

Zur Steuerung des Leistungsschalters erweist sich eine eine Schalthysteresis aufweisende Vergleichsvorrichtung als beson­ ders zweckmäßig, die mit dem Temperatur-Sollwert einerseits und einem Temperatur-Istwert eines Temperatursensors anderer­ seits beaufschlagt ist. Auf diese Weise kann eine Trennung von Leistungsschalter und Temperatursensor erfolgen, so daß dieser an der günstigsten Stelle plaziert werden kann. Die Temperaturerfassung und der Vergleich können dabei in exakter Weise rein elektronisch erfolgen, insbesondere mittels eines Schmitt-Triggers. Zur Einstellung der Steuerspannung und vor­ zugsweise auch zur wenigstens teilweisen Durchführung des Vergleichsvorgangs eignet sich besonders ein Mikrorechner. Dabei kann die Vergleichsvorrichtung diesem Mikrorechner nachgeschaltet sein oder sie ist wenigstens zum Teil Bestand­ teil des Mikrorechners. Der Mikrorechner kann dabei auch vollständig beide Funktionen übernehmen, also den Vergleichs­ vorgang und die Erzeugung der Steuerspannung.

Zur Vorgabe der Temperatur-Sollwerte eignet sich besonders eine als Tastatur ausgebildete Eingabevorrichtung, wobei der eingegebene Sollwert auf einer als LCD- oder LED-Display aus­ gebildeten Eingabevorrichtung angezeigt werden kann. Dieser Sollwert wird zum einen der Vergleichsvorrichtung zugeführt und steuert zum anderen die Einstellung des Tastverhältnisses der Steuerspannung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungs­ weise.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Eingabetastatur 10 mit einem Mikrocomputer 11 verbunden, wie er in vielfacher Ausführung beispielsweise als 1-Chip-Mikro­ computer im Handel erhältlich ist. An diesen Mikrocomputer 11 ist zur Anzeige der angegebenen Temperatur-Sollwerte ein Dis­ play 12 ausgangsseitig angeschlossen. Ein erster Steueraus­ gang 13 des Mikrocomputers 11 ist über ein RC-Glied 14 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines als Schmitt-Trigger geschalteten Operationsverstärkers 15 verbunden. An dem in­ vertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15 ist der Ausgang eines Temperatursensors 16 angeschlossen, der bei Be­ darf noch einen Signalverstärker enthalten kann. Der Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist einmal über eine Mitkopplungsleitung 17 mit dem Mikrocomputer 11 und weiterhin mit einem Eingang eines UND- Gatters verbunden. Ein zweiter Steuerausgang 19 des Mikrocom­ puters 11 ist an einen zweiten Eingang des UND-Gatters 18 angeschlossen, dessen Ausgang am Steuereingang eines Leis­ tungsschalters 20 liegt. Dieser Leistungsschalter 20 kann bei­ spielsweise als Relais oder als elektronischer Leistungs­ schalter ausgebildet sein. Die Schaltstrecke dieses Leistungsschalters 20 liegt im Wechselstromschaltkreis einer elektrischen Heizvorrichtung 21.

Diese elektrische Heizvorrichtung 21 kann beispielsweise in einem Backofen oder in einer Herdplatte eines Haus­ haltsherdes angeordet sein, wobei der Temperatursensor 16 dann jeweils eine entsprechende Position einnimmt. Selbst­ verständlich ist die Anwendung nicht auf Haushaltsherde beschränkt, sondern auf alle anderen Arten von Heizanlagen verwendbar, bei denen eine Verringerung der Regelschwingungen erreicht werden soll.

Die Wirkungsweise soll im folgenden anhand des in Fig. 2 dargestellten Signaldiagramms erläutert werden. Zunächst wird über die Eingabetastatur 10 der gewünschte Temperatur- Sollwert eingegeben, z. B. 190°C. Dieser Sollwert erscheint am ersten Steuerausgang 13 als Soll­ wert-Signal und wird über das RC-Glied 14 dem Operations­ verstärker 14 zugeführt, wo es mit dem durch den Temperatur­ sensor 16 ermittelten Istwert-Signal verglichen wird.

Durch das RC-Glied können Störimpulse ausgefildert werden und ein integrales Verhalten erreicht werden. Durch die Mitkopplungsleitung 17 ist der Operationsverstärker 15 in Zusammenwirkung mit dem Mikrocomputer 11 als Schmitt- Trigger geschaltet, der eine gegenüber der Ausschaltschwelle T1 niedrigere Einschaltschwelle T2 aufweist, so daß ein Hysterese-Verhalten bewirkt wird. Wird die Schwelle T1 überschritten, so wechselt der Ausgang des Operationsver­ stärkers 15 von einem 1-Signal zu einem 0-Signal, während dies bei Unterschreitung der Einschaltschwelle T2 umge­ kehrt ist. Es ist selbstverständlich möglich, einen völlig separaten Schmitt-Trigger dem ersten Steuerausgang 13 nachzuschalten, wie es auch möglich ist, den Schmitt- Trigger im Mikrocomputer zu integrieren, d. h. seine Funktionen softwaremäßig zu realisieren.

Am zweiten Steuerausgang 19 wird eine getaktete Steuerspan­ nung erzeugt, deren Tastverhältnis D mit dem vorgegebenen Temperatur-Sollwert T_S über die Funktion

D = T_S/A - B

verknüpft ist. Dabei sind A und B Konstanten und T_S ist in der Einheit °C einzusetzen. Für Haushaltsbacköfen haben sich beispielsweise die Werte A = 3 und B = 9 als günstig erwiesen. Je größer der vorgegebene Sollwert ist, desto größer wird das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis von Impulsbreite zur Impulspause. Dadurch erfolgt eine automatische Anpassung der Heizleistung an die jeweils gewünschte Sollwert-Temperatur, was zu minimalen Regelschwingungen führt.

Im UND-Gatter 18 wird das Ausgangssignal U₁₅ des Operations­ verstärkers 15 mit der getakteten Steuerspannung am zweiten Steuerausgang verknüpft, so daß die Signalfolge U₁₈ entsteht, die zur Steuerung des Leistungsschalters 20 herangezogen wird. Diese weist im dargestellten Aus­ führungsbeispiel etwa das Tastverhältnis 1 auf, d. h. die maximal mögliche Heizleistung wird halbiert.

Ein Temperaturverlauf I einer bekannten Regelvorrichtung weist große Regelschwingungen auf. Zum Zeitpunkt t1 wird nach einer ersten Aufheizphase mit maximaler Heizleistung der Ausschaltschwellwert T1 erreicht, so daß ein vorgesehener Leistungsschalter gemäß dem Signalverlauf U₀ den Heizstrom unterbricht. Dieser wird zum Zeitpunkt t2 bei Erreichen des unteren Einschaltschwellwerts T2 wieder eingeschaltet, wobei wiederum die volle Heizleistung vorliegt. Ein weiteres Ausschalten erfolgt zum Zeitpunkt t4 und ein weiteres Einschalten wiederum zum Zeitpunkt t6.

Ein Temperaturverhalten, wie es dagegen bei der in Fig. 1 beschriebenen Regelvorrichtung auftreten kann, ist durch die Temperaturkennlinie II dargestellt. Bei dieser Dar­ stellung wird davon ausgegangen, daß der Temperatur-Sollwert T_S einen Wert aufweist, zu dessen Erreichen etwa die halbe Heizleistung erforderlich ist, die sich durch ein Tastver­ hältnis von etwa 1 gemäß U₁₈ äussert. Der Temperaturan­ stieg erfolgt daher langsamer und der obere Ausschalt­ schwellwert T1 wird erst zum Zeitpunkt t₃ erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wechselt das Ausgangssignal U₁₅ des Operations­ verstärkers 15 von einem 1-Signal zu einem 0-Signal, und der Heizstrom wird unterbrochen. Erst zum Zeitpunkt t₅, also beim Unterschreiten des unteren Einschalt-Schwellwerts T2, wird wieder ein getakteter Heizstrom bis zum Zeitpunkt t₇ zu­ geführt. Durch diese Leistungsanpassung an den Temperatur- Sollwert werden die Regelschwingungen gegenüber den Herkömmlichen reduziert. Vor allem bei sehr niedrigen Temperatur- Sollwerten wird das Verhältnis zwischen den herkömmlichen Regelschwingungen und den durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung Bewirkten noch wesentlich größer. Gerade bei niedrigen Temperaturen sind jedoch Regelschwingungen oft besonders unerwünscht, so z. B. beim Gehen von Hefeteig von 40°C und bei der Herstellung von Baiser bei 70°C. Große Regelschwingungen können dabei das erwünschte Back- oder Kochergebnis in Frage stellen.

Um insbesondere bei hohen Temperatur-Sollwerten eine zulange erste Aufheizphase zu vermeiden, kann diese mit der vollen Heizleistung durchgeführt werden, d. h. während der ersten Aufheizphase wird am zweiten Steuerausgang 19 eine kontinuierliche Steuerspannung erzeugt, durch die währ­ end eines Signals U₁₅ der Leistungsschalter 20 in seiner geschlossenen Stellung gehalten wird. Erst ab der zweiten Aufheizphase wird dann eine getaktete Steuerspan­ nung vorgegeben. Diese Umschaltung der Steuerspannung während der ersten Aufheizphase erfolgt zweckmäßigerweise ab einer Grenztemperatur von etwa 100 bis 120°C. Gleich­ falls ist es möglich, grundsätzlich unterhalb einer vorbestimmten Temperatur von beispielsweise 80°C für die erste Aufheizphase eine kontinuierliche Steuer­ spannung vorzugeben. Selbstverständlich ist es auch in Abwandlung von Fig. 1 möglich, die Funktionen der Bauteile 14, 15, 17, 18 im Mikrorechner 11 zu integrieren und rein digital auszuführen, so daß an einem Ausgang dieses Mikrorechners 11 direkt die Steuerspannung U₁₈ abgenommen werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Temperaturregelung einer elektrischen Heizvorrichtung, insbesondere bei einem Haushaltsherd, bei dem ein in Reihe zur elektrischen Heizvorrichtung (21) ge­ schalteter elektrisch steuerbarer Leistungsschalter (20) wäh­ rend einer Heizphase mittels einer getakteten Steuerspannung geschaltet wird, deren Tastverhältnis (D) sich aus der Funk­ tion
D = T_S/A - B
ergibt, wobei D das Verhältnis Impulslänge zu Impulspause, A und B Konstanten und T_S der Temperatur-Sollwert sind, wobei der Leistungsschalter (20) bei Überschreiten des Tempe­ ratur-Sollwerts (T_S) durch den Temperatur-Istwert geschlossen und bei Unterschreiten dieses Temperatur-Sollwerts (T_S) wie­ der geöffnet und mit der getakteten Steuerspannung beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorgabe eines über einem vorgebbaren Grenzwert liegenden Temperatur-Sollwerts der Leistungsschalter (20) während der Aufheizphase durchgehend in seiner geschlossenen Schaltstel­ lung gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert 100 bis 120°C beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Hysterese- Verhaltens der Temperatur-Sollwert (T_S) eine höhere Aus­ schaltschwelle (T1) und eine niedrigere Einschaltschwelle (T2) aufweist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Leistungsschal­ ter (20) eine eine Schalthysteresis aufweisende Vergleichs­ vorrichtung (15) vorgesehen ist, die mit dem Temperatur- Sollwert (T_S) einerseits und einem Temperatur-Istwert eines Temperatursensors (16) andererseits beaufschlagt ist und daß der Vergleichsvorrichtung (15) ein UND-Glied (18) nachge­ schaltet ist, dessen Eingänge mit dem Ausgangssignal der Ver­ gleichsvorrichtung (15) sowie mit der Steuerspannung beauf­ schlagt sind und dessen Ausgang direkt oder indirekt am Steu­ ereingang des Leistungsschalters (29) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung (15) als Schmitt-Trigger ausgebil­ det ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Mikrorechner (11) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Operationsverstärker ausgebildete Vergleichsvorrich­ tung (15) dem Mikrorechner (11) nachgeschaltet ist, deren Mitkopplungsleitung (17) zum Mikrorechner (11) rückgeführt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingabevorrichtung (10) zur Vorgabe der Temperatur-Sollwerte (T_S) sowie eine Anzeigevorrichtung (12) für dieselben vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabevorrichtung (10) als Tastatur und die Anzeigevor­ richtung (12) als LCD- oder LED-Display ausgebildet ist.