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Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Zustands eines Verbrauchers
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Zustands eines
Verbrauchers.
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Bei Steuer- oder Regelschaltungen, wie sie beispielsweise in Verbindung
mit der Beeinflussung vom Temperatur, Druck und Feuchtigkeit verwendet worden sind,
wird in der Praxis eine
Schaltung für die Energiezuführung und eine
Fühlschaltung benutzt.
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Diese Steuer- oder Regelschaltungen erfordern im allgemeinen getrennte
Energiezuffihrungsleitungen und Fühlerleitungen, Wegen der Platzverhältnisse und
Umgebungsbedingungen ist es manchmal schwierig oder praktisch nicht sich, gesonderte
Fühlerleitungen zu dem Verbraucherbereich zu verlegen, um den zu regelnden Verbraucher
zu überwachen.
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Bei der vorliegenden Erfindung braucht kein gesonderter Fühler vorgesehen
zu sein, um den zu regelnden Verbraucher beispielsweise im Hinblick auf die Temperatur,
Feuchtigkeit und/oder den Druck etc. zu überwachen. Der Verbraucher,z.B. ein mit
einer zu behandelnden Flüssigkeit gefülltes elektrisch beheiztes Gefäi3, liegt als
Wirk-, Blend- oder Scheinwiderstand in einem Brückenzweig einer entsprechend ausgebildeten
Brücke und der Brücke werden in Abständen Impulse zugeführt.
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Wenn der Verbraucher die Oleichgewichtseinstellung der Brücke verändert
hat, wird der Ausgang. einer Vergleichs schaltung zugeführt. Die Vergleichsschaltung
vergleicht den Brückenausgang mit einem vorbestimmten, geforderten Ausgangspegel
und erregt, wenn notwendig, eine Schaltanordnung, um Strom über eine gesonderte
Schaltung für eine bestimmte Zeitdauer zuzufiihren. Nachdem die Energie zuführung
für den Verbraucher wieder abFeschaltet worden ist, werden die Brücke und der Verbraucher
mittels Impulsen espeist, um den Verbraucherzustand zu bestimmen bzw.
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festzustellen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert, wobei auf die beigefügte Zeichnung mit einem schematischen Sehaltbild
bezug genommen wird.
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In der Zeichnung weisen die durch gestrichelte Linien zusame mengefaßten
Hauptbaugruppen der Schaltung gemäß der Erfindung eine Brücke lo, eine Wandlerschaltung
mit einer Vergleicherschaltung 11, eine Schaltungsanordnung 12 und ein Netzteil
13 auf. Obwohl die Erfindung hierauf nicht notwendigerweise be schränkt ist, wird
sie im folgenden anhand der Steuerung bzw.
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Regelung der Temperatur eines Wärmeverbrauchers beschrieben.
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In Fig. 1 wird eine Wechselnetzspannung über Leitungen 14 und 15 dem
Netzteil 13 und der Brücke 1o zugeführt. Die Brücke weist in einem Arm einen Widerstand
16, ein veränderliches Potentiometer 17, einen Widerstand 18 und eine aeichrichterdiode
19 auf. In dem gegenüberliegenden Arm besitzt die Brücke eInen Verbraucher mit einem
entweder negativen oder positiven Temperatur-Widerstandskoeffizienten, einen Widerstand
21 und eine Gleichrichterdiode 22, deren Kathode mit der Kathode der Diode 19 verbunden
ist. Der Brileke wird Strom von einer gemein samen Leitung 15 zugeführt, die mit
dem Widerstand 16 und dem Verbraucher 20 verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden
Seite wird Strom von der Leitung 14 über einen Widerstand 23 an den Verbindungspunkt
zwischen den Dioden 19 und 22 zugeführt
Der Ausgang der Brücke wird
über Anschlüsse 24 und 25 der Vergleichsschaltung 11 zugeführt. Das Brückenausgangssignal
an den Anschlüssen 24 und 25, das sich ergibt, wenn die Brücke nicht mehr im Gleichgewicht
ist,zeigt an, ob die Temperatur des Verbrauchers 20 höher oder niedriger liegt als
die Einstellung des geeichten Potentiometers 17.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Brücke mit in Abständen
erfolgenden Impulsen gespeist, um ihren Geichewichtszustand zu bestimmen und dadurch
den Zustand des Verbrauchers zu fühlen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird die Brücke mit Impulsen betrieben und ein Fühlvorgang kommt nur dann zustande,
wenn die leechselstromleitung 15 bezüglich der Leitung 14 positiv ist; es kann aber
auch ein anderer Impulsmodus verwendet werden. Für die Bestimmung des Brückengleichgewichts
soll beispielsweise angenommen werden, daß Spannung an die Leitungen 14 und 15 angelegt
wird, daß der Verbraucher 2o einen positiven Temperatur-Widerstandskoeffizienten
besitzt, und da2 der Verbraucher bzw. die Temperatur an dem Verbraucher unter der
am Potentiometer 17 eingestellten Temperatur liegt.
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Wenn unter diesen Umständen die Leitung 14 positiv bezüglich der Leitung
15 ist, dann fließt kein Strom durch die Brücke, da sie durch die Dioden 19 und
22 gesperrt ist. Es kommt daher kein Abfühlvorgang zustande.
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Wenn die Leitung 15 positiv bezüglich der Leitung 14 wird, fließt
ein Stromimpuls durch beide Arme der Brücke und durch die jeweiligen Dioden 19 und
22. Da der Verbraucher 20 eine niedrigere Temperatur besitzt als die an dem Potentiometer
17 eingestellte Temperatur, ist sein Widerstand niedriger als der des Potentiometers.
Es ergibt sich daher ein größerer Spannungsabfall an dem Potentiometer 17 als an
dem Verbraucher 20.
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Der Brückenausgangsanschluß 24 ist dann negativer als der Ausgangsanschluß
25.
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Das negative Spannungssignal an dem Anschluß 24 wird dann dem negativen-Eingang
26 eines Verstärkers 27 in der Vergleichsschaltung 11 zugeführt. Der Brückenausgangsanschluß
25 ist an den positiven Eingang 28 des Verstärkers gekoppelt.
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Der Verstärker 27 ist so ausgebildet, daß sein Ausgang bei einem negativen
Eingang positiv ist. Der positive Ausgang ist dann über einen Widerstand 29 an den
Kollektro 30 eines Transistors 31 und über eine Diode 32 gekoppelt, um einen mit
der gemeinsamen Leitung 15 verbundenen Kondensator 33 zu laden. Je größer der positive
Ausgang des'Verstärkers ist, um so größer wird die an dem Kondensator 33 aufgebaute
Spannung. Der Transistor 31 erfüllt eine synchrone Klemmfunktion, wenn die Leitung
14 positiv wird;dies wird im einzelnen noch später beschrieben.
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Wie vorbeschrieben, wird der Kondensator 33 geladen, wenn die Leitung
15 positiv ist; die Brückenlast liegt dann unter dem Sollwert des Potentiometers
17, wodurch das Signal von der
Brücke an den Verbraucher 27 negativ
wird; der Verstärkerausgang ist dann positiv.
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Der Ausgang der Vergleichsschaltung 11 wird dann der Schaltanordnung
12 zugeführt. Insbesondere die Spannung an dem Kondensator 33 wird an einen Flip-Flop-Schalter
angelegt, der Transistoren 34 und 35 aufweist. In dieser Anordnung ist der Kondensator
33 mit der Basis 36 des Transistors 34 verbunden, der seinerseits über einen Rückkopplungswiderstand
37 mit dem Kollektor 38 des Transistors 35 verbunden ist.
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Wenn die Spannung an dem Kondensator 33 einen ausreichenden, vorbestimmten
positiven Wert erreicht, wird der Transistor 34 leitend und der Transistor 35 nichtleitend.
Wenn der Transistor 34 leitend ist, liegt sein Kollektor 39, der an die Spannung
angeschaltet ist, auf niedriger Spannung. Der Transistor 35 schaltet dann ab, weil
seine asis 40 auf niedriger Spannung liegt, da sie über einen Rückkoplungswiderstand
41 mit der Versorgungsspannuiig E+ und dem Kollektor 39 des Transistors 34 verbunden
ist. Unter dieser Bedingung steigt dann die Spannung am Kollektor 38 des Transistors
35 nahezu auf die Versorgungsspannung E an.
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Wenn der Transistor 34 leitend ist (und der Transistor 35 abgeschaltet
ist), wird ein Kondensator 42 über Widerstände 43 und 44 auf die Speisespannung
E+ geladen. Der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Widerstände 43 und 44 ist
mit dem Kollektor 38
des Transistors 35 verbunden. Der Ausgang des
Kondensators 42 ist an den Emitter 45 eines Unijunction-Transistors 46 gekoppelt.
Wenn der Kondensator 42 die Scheitelspannung des Unijunction-Transistors 46 erreicht,
schaltet er ein, wodurch der Kondensator an einen Impulsübertrager 47 entladen wird.
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Die Spannung an-der Sekundärwicklung 48 des Impulsübertragers ist
an die Steuerelektrode 39 eines Triac 50 (Zweirichtungs-Thyristordiode) gekoppelt,
das die volle Wechselspannung an den Verbraucher 20 anlegt. Der Ausgang des Triac
schaltet den Teil der Brücke, in dem der Verbraucher liegt, dann parallel odeljschließt
ihn kurz.
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Mit Hilfe eines Triac 5o, der die volle Leitungsspannung an den Verbraucher
20 schaltet, wird, wenn die Leitung 14 bezüglich der Leitung 15 positiv wird, der
BrUc1Lenausgang auch positiv. Der Ausgang des Verstärkers 27 wird dann negativ und
der Kondensaotr 33 wird nicht geladen. Eine vorher an dem odensator gespeicherte
Ladung wird dann langsam über den Transistor 34, einen Widerstand 37 und einen weiteren
Widerstand 51, der mit der Transistorbasis 36 verbunden ist, an die gemeinsame Leitung
15 entladen. Hierdurch wird der Unijunetion-Transistor 46 in schwingendem Zustand
und der Triac 50 'iangeschaltet" gehalten, bis sich der Kondensator 33 unter den
kritischen Spannungspegel des im Gleichgewicn't befindlichen Tilip-Flops entlädt.
Hierauf schaltet der Transistor 34 ab nd der Transistor 35 an, wodurch der Unijunction-Transistor
46 und der Triac 50 abgeschaltet werden.
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Wenn die Energiezufuhr zu dem Verbraucher 20 abgeschaltet ist, wird
die Brücke 1o wieder mit Impulsen gespeist und fühlt den Zustand des Wärmeverbrauchers,
wenn die Leitung 15 positiv ist.
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Wenn die Temperatur des Verbrauchers noch unter der an dem Potentiometer
17 eingestellten Temperatur liegt, wiederholt sich der Ladevorgang des Kondensators
33 vollständig.
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Im folgenden wir die Aufgabe des Transistors 31 erläutert. Gemäß der
Zeichnung ist seine Basis 52 über eine Diode 52' an die Leitung 14 angekoppelt.
Wenn die Leitung 14 positiv ist, ist auch die Basis 52 positiv und der Transistor
31 leitend; hierdurch liegt dann der Ausgang des Verstärkers 37 statt an dem Schaltungspunkt
53 an der Leitung 15. Hierdurch ist dann ein verstä.rktes Rauschen durch eine zusätzliche
Ladung an dem Kondensator 33 verhindert und dadurch der Geräuschabstand des Systems
verbessert. Die zweite Aufgabe des Transistors 31 besteht darin, den Verstärk--ausgang
an der Leitung 15 festzuklemmen, wenn die Leitung 14 positiv ist und der Triac 50
leitend ist und die volle Wechselspannung an dem Verbraucher 20 und an dem Bnickenausgang
25 liegt. Da der Brückenausgang 25 mit dem positiven Eingang 28 des Verstärkers
27 verbunden ist, wird, wenn die Verbraucherspannung positiv wird, auch der Verstärkerausgang
positiv. In diesem Fall legt der Transistor 31 den Verstärkerausgang am Punkt 53
an die Leitung 15 und verhindert dadurch ein Laden des Kondensators 33. Der Eingang
des Verstärkers ist dann, solange die volle Speisespannung an dem Verbraucht anliegt,
durch Zenerdioden 54 und 55 geschützt.
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Der Verbrauch soll nun auf der an dem Potentiometer 1,7 einem stellten
Solltemperatur liegen und der Triac 50 abgeschaltet sein. Wenn dann die Leitung
14 positiv ist, fühlt die Brücke nicht, da die Dioden 19 und 22 sperren. Wenn die
Leitung 15 positiv ist und der Verbraucher heißer als di e an dem Potentiometer
eiagestellte Temperatur ist, ist der Brückenausgang positiv. Der Verstärkerausgang
wird dann negativ und die Diode 32 verhindert ein Laden des Kondensators 33. Hierdurch
bleibt der Transistor 34 und der Unijunction-Transistor 46 und folglich auch der
Verbraucher 20 abgeschaltet.
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Wenn der Verbraucher abkühlt, wird die Brücke 10 während der negativen
llalbperiode der Wechselspannung an der Leitung periodisch impulsgesteuert, um den
Verbraucherzustand zu fühlen.
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Bei Abkühlung unter den am Potentiometer eingestellten Sollwert wird
der Brückenausgang wieder negativ und damit der Verstärkerausgang positiv. Die Schaltanordnung
wird dann angesteuert bzw. getriggert, da der Kondensator 33 geladen ist und über
den Triac 50 Strom zu dem Verbraucher 20 fließt. Dies wiederholt sich periodisch,
so daß die Verbraucher temperatur immer etwas über oder unter der verlangten Temperatur
liegt.
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Die Steuerfeinheit wird mittels des Verstärkungsgrades des Verstärkers
und der Zeitkonstante des Kondensators 33, der Wieder~ stände 37 und 51 und des
äquivalenten Eingangswiderstands des Transistors 34 in dessen eingeschaltetem Zustand
eingestellt bzw. abgeglichen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen,
durch die verhindert wird, daß zu hohe Ströme in die Brücke io fließen, wenn Spannung
an den Verbraucher 20 angelegt ist. Dies ist mittels der Dioden 19 und 22 erreicht,
die gegensinnig gepolt an einen gemeinsamen Verbindungspunkt und in gegenüberliegenden
Armen der Brücke geschaltet sind. Die Verlustleistung in den Widerständen 16, 18
und 21 und in dem Potentiometer 17 ist damit auf Werten gehalten, die durch normale
Niederleistunswiderstände aufgenommen werden können. Die Dioden 19 und 22 dienen
aber auch zur Gleichrichtung der Ströme in den entsprechenden Brtickenarmen, wenn
die Brücke zum Fühlen eines pulsierenden Gleichstromfehlersignals an dem VerstUrker
verwendet wird.
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Obwohl nur ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, liegt es natürlich
im Bereich des Gegenstandes der Erfindung, statt des Triacs eine andere Schalteinrichtung
zu verwenden; auch können andere Vergleichsschaltungen als der verwendete Verstärker,
sowie auch andere Schalpordnungen als der Flip-Flop-Unijunction-Transistor verwendet
werden. Es können auch andere Schwingungserzeugungseinrichtungen verwendet werden,
beispielsweise ein aus Transistoren aufgebauter astabiler Multivibrator oder Sperrtransistoren.
Auch kann eine andere Wandler- bzw. Konvertereinrichtung verwendet werden, um den
Brückenausgang an die Schaltanordnung zu ilbertragen. Auch kann die Brücke mit Impulsen
betrieben bzw. gesteuert werden, die von einer gesonderten Quelle oder einer Gleichstromquelle
stammen, die von dem Netzteil an dem
Verbraucher getrennt ist;
der Verbraucherversorgungsteil kann auch eine Gleichstromeinrichtung oder ein Transformator
sein, Obwohl der Verbraucher als Heizeinrichtung mit veränderlichem, Olum'schen
Widerstand dargestellt ist, kann er durch andere Verbraucher ersetzt werden, deren
Impedanz sich bei Stromfluß zusammen mit ihrem Betriebszustand ändert, einschließlich
des Drucks und der Feuchtigkeit. Weiterhin kann dieselbe Schaltungsanordnung auch
zu Steuerungen von mehr als nur einer Betriebsart verwendet werden, beispielsweise
zur Steuerung der Heiz-und Kühlvorgängen.
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Die Erfindung schafft also eine Schaltung, in der ein zu stenernder,
elektrisch leitender Verbraucher in einem Brückenzweig mit dem Verbraucher liegt,
der als sein eigener Wandler wirkt.
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Wenn der Strom an dem Verbraucher abgeschaltet ist, werden Energieimpulse
der Brücke zugeführt, um den Betriebszustand des Verbrauchers mit der Gleichgewichtseinstellung
der Bru¢ks zu vergleichen. Ein nicht abgeglichener Zustand an, der -Brüe wird dann
zur Einleitung eines Steuervorgangs benutzt.