DE3704534C1 - Schaltungsanordnung fuer temperaturabhaengige Heizelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem in einem ersten Brückenzweig einer wechselspannungsgespeisten Brückenschaltung in Reihe mit einem temperaturunabhängigen Widerstand geschalteten temperaturabhängigen Heizelement, wie sie beispielsweise aus der US-PS 37 89 190 bekannt ist.

Bei derartigen Schaltungsanordnungen ist, da das Heizelement als Meßfühler arbeitet, die Installation eines getrennten Meßfühlers entbehrlich. Als Heizelement können sämtliche Heizelemente verwendet werden, die ein Material mit einem von Null verschiedenen Temperaturkoeffi­ zienten des Widerstands aufweisen.

Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist ein an die Brückendiagonale angeschlossener Differenzverstärker vorgesehen. In einem Meßzyklus wird von der Brückendiagonale ein der Temperatur proportionales Signal abgenommen, und in einem von dem Meßzyklus getrennten Heizzyklus erfolgt eine Aufheizung des Heizelements. Für die Umschaltung vom Meßzyklus auf den Heizzyklus ist ein selbstständiger Taktgenerator erforderlich. Hierbei wird bei der bekannten Schaltungsanordnung der Heizzyklus nur dann aktiviert, wenn die im Meßzyklus gewonnene Information über einen Polaritätswechsel in der Brückendiagonale eine Aktivierung des Heizzyklus erfordert. Für die Brückenschaltung und das Heizelement sind verschiedene Spannungsquellen erforder­ lich, die jeweils beim Umschalten von dem Meßzyklus auf den Heizzyklus entkoppelt werden müssen. Darüber hinaus benötigt die bekannte Schaltungsanordnung zu ihrer Reali­ sierung zahlreiche, zum Teil kompliziert aufgebaute Bau­ teile, und dies hat grundsätzlich eine höhere Störanfällig­ keit sowie einen relativ hohen Kostenaufwand zur Folge, so daß die durch Wegfall eines separaten Meßfühlers erziel­ baren Vorteile durch einen höheren Aufwand erkauft werden müssen.

Weiterhin ist aus der DE-AS 12 95 111 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Beheizung und Regelung der Temperatur dünner Schichten, die elektrisch leitfähig sind und einen temperaturabhängigen Widerstand haben, bekannt, wobei über die vom Heizstrom durchflossene Schicht ein vom Heizstromkreis getrennter Meßstrom fließt. Der Meßstrom dient als Stellgröße für eine Temperaturregelung. Die Trennung des Heizstroms vom Meßstrom kann etwa durch eine Gleichstromheizung und einen Meßwechselstrom erfolgen. Dann sind jedoch zwei unterschiedliche Stromquellen erfor­ derlich. Soll dagegen eine Wechselstromheizung vorgesehen werden, so kann der Heizwechselstrom eine erste Frequenz und der Meßstrom ein zweite, von der ersten unterschied­ liche Frequenz aufweisen. Die Trennung von Heizstrom und Meßstrom erfolgt in diesem Falle beispielsweise mittels Kondensatoren, Drosseln, elektrischen Filtern oder dergleichen. Wird die kombinierte Heiz- und Meßschicht als Widerstand in einem Brückenzweig einer mit Wechselstrom gespeisten Brücke verwendet, so kann die Diagonalspannung der Brücke einem Differentialverstärker zugeführt und so für eine Temperaturregelung eingesetzt werden.

In der DE-PS 32 28 202 ist eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Betriebstemperatur des Heizkörpers eines Lötkolbens beschrieben, bei welcher im Heizstromkreis des Heizkörpers zusätzlich ein Meßwiderstand zur Über­ wachung des durch den Heizkörper fließenden Stroms sowie ein elektronisches Schaltelement zwischen dem Meßwiderstand und dem Heizkörper vorgesehen ist. Der Spannungsabfall am Meßwiderstand wird mit der Vorgabespannung eines Spannungs­ teilers in einer mit einer integrierten Operationsverstärker versehenen Regelverstärkungsschaltung ausgewertet. Der Spannungsteiler liegt am Ausgang einer Mittelwert-Gleich­ richterschaltung, und eine Komparatorschaltung steuert das Schaltelement in Abhängigkeit vom Spannungsabfall am Meßwiderstand oder läßt nur die zur Messung der Einschalt­ schwelle benötigten Impulse einer Impulserzeugerschaltung durch, die über eine Nullpunkterkennungsschaltung abhängig vom Nulldurchgang der Wechselspannung synchronisiert wird. Die bekannte Schaltungsanordnung soll dazu dienen, Spannungsänderungen der Versorgungsspannung zu kompensieren. Hierzu findet ein ständiges Umschalten zwischen Messen und Heizen statt. Auch bei dieser Schaltungsanordnung wird der Vorteil einer Doppelnutzung des Heizkörpers, der ebenfalls als Temperaturmeßelement genutzt wird, durch einen vergleichsweise hohen Bauteilaufwand erkauft.

Aus der US-PS 25 22 826 ist eine Temperaturregelschaltung mit einer wechselspannungsgespeisten Brücke bekannt, in welcher ein Heizelement mit einem bekannten Temperatur­ koeffizient und ein einstellbarer Widerstand vorgesehen sind. An die Brückenschaltung ist ein Verstärker angeschlossen, der durch Widerstandsänderungen der Brückenschaltung gesteuert wird, und ein durch den Verstärker gesteuertes Relais ist vorgesehen, um die Brückenschaltung auswählbar mit einer Spannungsquelle zu verbinden. Eine Zeitgeber­ schaltung überwacht den stromlosen Zustand der Brücken­ schaltung und sorgt dafür, daß über das Relais nach einer festlegbaren Zeitdauer die Brückenschaltung wieder an die Spannungsquelle angelegt wird. Die aus dieser Schrift bekannte Schaltungsanordnung ist mit Röhren aufgebaut und daher verhältnismäßig aufwendig.

Aus "elektronikpraxis", Februar 1978, Seite 75, ist eine Schwingungspaketsteuerung für Wechselstromverbraucher wie Motoren, Lampen und Stromversorgungen bekannt, bei welcher eine Zählschaltung, eine Impulserzeugungsschaltung für das Sperren einer Periode des Wechselstroms, Halbleiter­ relais mit Nullspannungsdetektor sowie, wenn eine Regelung erreicht werden soll, eine Soll-Istwert-Vergleichsschaltung erforderlich sind. Durch die Zählung der dem Verbraucher zugeführten Wechselstromperioden kann durch das Verhältnis der durchgelassenen Perioden zu einer gesperrten Periode ein Maß für die vom Verbraucher abzugebende Energie erhal­ ten werden.

Aus der DE-OS 28 37 934 ist eine Vorrichtung zur Regelung der Auslauftemperatur bei elektrischen Durchlauferhitzern bekannt, bei welcher die Heizleistung von einem im Auslauf angeordneten Temperaturfühler mittels eines Reglers steuerbar ist. Hierzu ist vorgesehen, daß die Heizleistung des Durchlauferhitzers in wenigstens zwei Stufen unterteilt ist und für die Temperaturregelung jeweils nur eine der Stufen geschaltet wird. Hierzu beaufschlagt ein Regler ein Stellglied, welches einen mit fester Taktfrequenz betriebenen Pulsbreitenmodulator enthält. Vom Pulsbreiten­ modulator werden über Nullspannungsschalter Triacs zur Schaltung der einen Heizleistungsstufe geschaltet. Die Temperaturregelung erfolgt durch eine Stufe der Heiz­ leistung, die wesentlich kleiner als die gesamte Heiz­ leistung des Durchlauferhitzers sein kann. Die geringe Heizleistung dieser Stufe kann dann verhältnismäßig leistungs­ arm mit einer entsprechend hohen Frequenz geschaltet werden, die bei hoher Leistung unzulässig wäre, da sie dann zu Störungen auf der Netzversorgung führen würde.

Aus der DE-OS 26 32 685 ist eine Kontrolleinrichtung zur Überwachung von Steuerspannungsimpulsen einer Auflade­ steuerung für Nachtstromspeicherheizungen bekannt, bei welcher eine Anzeigevorrichtung in Abhängigkeit von einem Lade/Entladezustand eines Kondensators gesteuert ist, dessen Ladung beziehungsweise Entladung wiederum von einem zweistufigen Verstärker gesteuert wird. An der einen Stufe des Verstärkers liegt ein zeitabhängiges Signal und an dessen zweiter Stufe eine impulsbreiten­ modulierte Wechselspannung. Die Impulse der einen Polarität bilden eine Betriebsspannung, die Impulse der anderen Polarität die Spannung an einer Steuerelektrode dieser zweiten Verstärkerstufe. Die Impulse der impulsbreiten­ modulierten Wechselspannung dienen als Steuerspannungs­ impulse für die Aufladesteuerung der Nachtstromspeicher­ heizung. Diese Impulse müssen überwacht werden, damit sich nicht bei fehlendem Steuersignal in unerwünschter Weise die Speicherheizung einschaltet. Die Überprüfung der Impulse kann mittels zweier gegenläufig geschalteter Dioden, die an ein Widerstandsnetzwerk angeschlossen sind, erfolgen. Bei gleichmäßigen Impulsreihen, also positiven Impulsen an der einen Diode und negativen Impul­ sen an der anderen Diode, wird ein Kondensator entladen und ein Schaltverstärker bleibt in seinem einen Zustand. Bei ungleichmäßigen Impulsreihen, also entweder mehr positiven oder mehr negativen Impulsen, bleibt der Konden­ sator geladen und bewirkt so, daß der Schaltverstärker in seinen anderen Zustand umschaltet und eine Störungs­ meldung abgibt.

Aus der DE-OS 32 32 169 ist ein Verfahren zum Regeln einer Widerstandslast mit Temperaturkoeffizient sowie eine Schaltung für die Durchführung dieses Verfahrens bekannt, bei welchen ein Halbleiterschalter-Leistungs­ stellglied im Versorgungskreis der Widerstandslast vorge­ sehen ist, welches periodisch getaktet geschaltet wird. Die Einschaltdauer des Leistungsstellglieds wird in Abhängig­ keit von einem Regler verändert, der die Temperatur des Widerstands nach dem Widerstandswert steuert. Der Widerstands- Istwert wird durch eine mit vorgegebenem Zeittakt erzwun­ gene, jeweils zunächst kurzzeitige Einschaltung des Leistungs­ stellglieds festgestellt. Ist der Widerstandswert kleiner als ein vorgegebener Wert, so wird das Leistungsstell­ glied so lange stromleitend geschaltet gesteuert, bis die Überschreitung eines vorgegebenen Widerstandswerts festgestellt wird. Hierzu kann das Leistungsstellglied jeweils bei den Polaritätswechseln des Wechselstroms geschaltet werden und die Zeitdauer, während der das Leistungsstellglied jeweils kurzzeitig stromleitend geschal­ tet ist, eine Wechselstromperiode lang sein. Hierzu dient bei der bekannten Schaltung ein Zeittaktgeber, dessen Taktimpulse über eine Entkopplungsdiode einem Vergleicher des Reglers zugeführt werden.

Aus "FUNK-TECHNIK", 1974, Nr. 15, Seite 532-534, Nr. 16, Seite 567-569, 572 Nr. 17, Seite 611, ist die Thyristor- oder Triacansteuerung mit Nullspannungsschaltern zur Erzielung einer Halb- oder Vollwellen-Paketsteuerung bekannt. Hierzu sind die Nullspannungsschalter als (relativ komplizierte) integrierte Schaltungen ausgebildet.

Schließlich ist aus der DE-OS 27 57 334 eine Schaltung für elektrisch betriebene Heiz- oder Wärmegeräte mit einem Temperaturregelkreis für einen Heizleiter, einem hiermit in Serie geschalteten elektronischen Schalter und einem diesem periodisch betätigenden Taktgenerator bekannt. Istwertgeber der Temperaturregelung ist der Heizleiter, der in den Öffnungsintervallen des Schalters von einem kleinen Meßstrom und in den Schließintervallen von einem größeren Heizstrom durchflossen wird. In einem Speicher wird das Ergebnis der Istwertmessung gespeichert und im folgenden Schließintervall zur Steuerung der Stromver­ sorgung des Heizleiters eingesetzt. Zur Erzeugung des Meßstroms ist ein Konstantstromgenerator erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beispielsweise aus der US-PS 37 89 190 bekannte gattungs­ gemäße Schaltungsanordnung weiterzuentwickeln und eine Schaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen, die einfacher aufgebaut ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer derartigen Brückenschaltung durch eine geeignete Beschaltung mit unidirektionalen Bauteilen, die - zumindest unter gewissen Bedingungen - Strom nur in jeweils einer Richtung durchlassen, in der Gegenrichtung jedoch den Strom sperren, eine wesentliche Schaltungsvereinfachung erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit einem in einem ersten Brückenzweig einer wechselspannungs­ gespeisten Brückenschaltung in Reihe mit einem temperatur­ unabhängigen Widerstand geschalteten temperaturabhängigen Heizelement, welches derart mit unidirektionalen Schalt­ gliedern beschaltet ist, daß die Aufheizung und die Meßwert­ erfassung jeweils in Wechselstromhalbwellen unterschied­ licher Polarität erfolgen.

In überraschend einfacher Weise lassen sich daher die bekannten Vorteile einer Brückenschaltung aufrechterhalten, insbesondere die Unabhängigkeit der Abgleichbedingung von der Brückenspeisespannung. Es sind nur wenige zusätz­ liche Bauteile erforderlich, die einfach aufgebaut und daher wenig störanfällig sind.

Vorteilhafterweise sind die unidirektionalen Schaltglieder in der Brückendiagonale angeordnet. Eine einfache Ableitung einer Führungsgröße für eine Regelung ergibt sich, wenn die unidirektionalen Schaltglieder über Widerstände verbun­ den sind, an die ein einen Mittelwert bildendes Schaltungs­ glied angeschlossen ist, von welchem ein als Führungs­ größe für die Regelung der Schaltungsanordnung dienendes Signal abgebbar ist. Bei einer besonders einfachen Aus­ führungsform der Erfindung ist das einen Mittelwert bildende Schaltungsglied ein Kondensator.

Zur Ansteuerung des Heizelements ist vorteilhafterweise dem einen Mittelwert bildenden Schaltungsglied ein Schalt­ glied nachgeschaltet, welches das Heizelement mit Strom versorgt.

Für eine Nulldurchgangsschaltung ist vorzugsweise zwischen das einen Mittelwert bildende Schaltungsglied und das Schaltglied ein Nulldurchgangsdetektor geschaltet, welcher einen Schalter, durch den das Schaltglied schaltbar ist, im Nulldurchgang des Wechselstroms schaltet. Der Null­ durchgangsdetektor kann einfach durch einen an das eine Mittelwert bildende Schaltungsglied angeschlossenen Wider­ stand und einen an die Wechselspannung angeschlossenen Kondensator verwirklicht werden.

Vorzugsweise sind die unidirektionalen Schaltelemente einfache Dioden, die als passive Bauelemente besonders einfach und kostengünstig sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt eine wechselspannungsgespeiste Brücken­ schaltung, die einen Lastzweig, in dem ein temperaturab­ hängiger Heizwiderstand RH und ein niederohmiger tempera­ turunabhängiger Widerstand RH 2 in Serie geschaltet sind, und einen vornehmlich hochohmigen temperaturabhängigen Vergleichszweig mit drei in Serie geschalteten Widerständen R 1, R 3 und R 0 aufweist. Der Widerstand R 3 ist als Potentio­ meter ausgebildet, damit der Vergleichszweig durch Ein­ stellung des Potentiometers um einen Betrag verstimmt werden kann, der der Widerstandsänderung entspricht, die der Heizwiderstand RH aufgrund einer Temperaturerhöhung erfährt.

Die Widerstände R 1 und R 0 dienen hierbei zur Festlegung des gewünschten Temperaturregelbereiches.

In der Brückendiagonale sind zwei Dioden D 1, D 2 so angeordnet, daß der Soll- und der Istwert jeweils aus Halbwellen des Wechselstroms unterschiedlicher Polarität gewonnen wird.

Zwischen den Dioden D 1, D 2 sind in der Brückendiagonale zwei Widerstände R 5, R 6 vorgesehen.

Der Soll- und Istwert wird über die Dioden-Widerstandskombi­ nation D 1, R 5, R 6, D 2 einem Kondensator C 1 zugeführt. Dieser Kondensator bildet einen Mittelwert. Hierfür muß das Widerstandsnetzwerk R 0, R 1, R 3, R 5, R 6, R 2 und RH so ausgelegt sein, daß im abgeglichenen Zustand die auf den Kondensator fließenden Ströme in der Summe zu null werden, also I _Soll = I _Ist .

In diesem Fall ist die am Kondensator C 1 liegende Spannung immer null. Weichen Soll- und Istwert von einander ab, so lädt sich der Kondensator mit einer Spannung entsprechen­ der Polarität auf. Diese Spannung wird nun als Führungs­ größe für den Regelvorgang verwendet, und zwar so, daß je nach Polarität der Führungsgröße die auf die Istwert­ erfassung folgende Halbwelle für den Heizwiderstand RH auf- oder abgeschaltet wird.

Eine R-C-Kombination aus einem an die Wechselspannung angeschlossenen Kondensator C 2 und einem an den einen Mittelwert bildenden Kondensator C 1 angeschlossenen Wider­ stand R 7 dient als Nulldurchgangsdetektor für den Null­ durchgang der Wechselspannung. Der Ausgang des Nulldurch­ gangsdetektors ist an die Basis eines Transistors T ange­ schlossen, dessen Kollektor über einen nicht näher bezeich­ neten Widerstand einen Thyristor TH betätigt, der zusammen mit einer Diode D 3 den Widerstand R 2 überbrückt und so bei Durchschaltung des Thyristors den Heizwiderstand Rh an die Wechselspannung anlegt.

Der Spannungsabfall an dem Widerstand R 7 wird der vom Kondensator C 1 abgegebenen Führungsgröße überlagert und liegt in der Höhe der Anlaufspannung des Transistors T und ist durch den Kondensator C 2 um 90° voreilend phasen­ verschoben, so daß der Transistor T im Nulldurchgang des Wechselstroms geschaltet wird.

Bei der in der Figur dargestellten Schaltungsanordnung ist es daher nicht erforderlich, einen verhältnismäßig aufwendigen Differenzverstärker vorzusehen.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung mit einem in einem ersten Brücken­ zweig einer wechselspannungsgespeisten Brückenschal­ tung in Reihe mit einem temperaturunabhängigen Wider­ stand geschalteten temperaturabhängigen Heizelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (RH) derart mit unidirektionalen Schaltgliedern (D 1, D 2) beschaltet ist, daß die Aufheizung und die Meßwerterfassung jeweils in Wechsel­ stromhalbwellen unterschiedlicher Polarität erfolgen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unidirektionalen Schaltglieder (D 1, D 2) in der Brückendiagonalen angeordnet sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unidirektionalen Schaltglieder (D 1, D 2) über Widerstände (R 5, R 6) verbunden sind, an die ein einen Mittelwert bildendes Schaltungsglied (C 1) angeschlossen ist, von welchem ein als Führungsgröße für die Regelung der Schaltungsanordnung dienendes Signal abgebbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Mittelwert bildende Schaltungsglied ein Kondensator (C 1) ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem einen Mittelwert bildenden Schaltungsglied (C 1) ein Schaltglied (TH) nachgeschaltet ist, welches das Heizelement (TH) mit Strom versorgt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das einen Mittelwert bildende Schaltungs­ glied (C 1) und das Schaltglied (TH) ein Nulldurch­ gangsdetektor (C 2, R 7) geschaltet ist, welcher einen Schalter (T), durch den das Schaltglied (TH) schaltbar ist, im Nulldurchgang des Wechselstroms schaltet.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nulldurchgangsdetektor einen an das einen Mittelwert bildende Schaltungglied (C 1) angeschlos­ senen Widerstand (R 7) und einen an die Wechselspannung angeschlossenen Kondensator (C 2) aufweist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die unidirektionalen Schaltelemente Dioden (D 1, D 2) sind.