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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur
eines mit einer Gleichspannung gespeisten Heizdrahts. Die Erfindung
findet eine besondere, aber nicht ausschließliche Nutzung beim Enteisen
aerodynamischer Sonden, die in der Flugtechnik verwendet werden.
Das Enteisen der Sonden ist bei Flugphasen in großer Flughöhe notwendig,
während
denen die Umgebungstemperatur weit unter 0°C liegt. Das Enteisen wird üblicherweise
mit Hilfe eines Heizdrahts durchgeführt, der im Körper der
Sonde angeordnet ist. Indem man einen elektrischen Strom im Draht
fließen lässt, erwärmt man
die Sonde, wodurch die Bildung von Reif auf der Sonde vermieden
wird, der die Form der Sonde und folglich ihre aerodynamischen Eigenschaften
verändern
könnte.
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Aus
den französischen
Patenten
FR 2 726 148 und
FR 2 393 363 ist es bekannt,
die Temperatur einer Sonde mittels eines Heizdrahts zu regeln, dessen
Widerstand in Abhängigkeit
von seiner Temperatur variiert. Diese Widerstandsänderung
ermöglicht es,
die Temperatur des Heizdrahts zu messen. Die Temperaturmessung ermöglicht es,
die Stromversorgung des Heizdrahts periodisch zu unterbrechen. Das
zyklische Verhältnis
zwischen der Zeitdauer, während
der die Stromversorgung des Drahts vorhanden ist, und der Gesamtdauer
einer Periode ermöglicht
es, die Temperatur des Heizdrahts zu regeln. Um die Stromversorgung
des Drahts ein- oder auszuschalten, kann man einen Leistungstransistor verwenden.
Wenn man zur Stromversorgung des Heizdrahts ein Wechselstromnetz,
zum Beispiel 115 V AC – 400
Hz, verwendet, kann man die Umschaltungen des Transistors mit den
Nulldurchgangszeitpunkten der Speisespannung des Netzes synchronisieren.
Die Störspannungen
auf dem Netz sind dann begrenzt, da die Spannung an den Klemmen
des Transistors bei seiner Umschaltung niedrig ist. Wenn man dagegen
ein Gleichstromnetz, zum Beispiel 28 V DC, verwendet, gibt es keinen
Nulldurchgang der Speisespannung, und der Transistor schaltet große Ströme um. Für eine Sonde,
die eine Heizleistung in der Größenordnung
von 400 bis 500 W benötigt, schaltet
man zum Beispiel Ströme
von etwa 15 bis 20 A in einer sehr kurzen Zeit um. Die Umschaltzeit
eines Leistungstransistors, der als elektronischer Unterbrecher
verwendet wird, liegt typischerweise weit unter 1 μs. Eine geringe
Umschaltzeit ist vorteilhaft aus der Sicht der Verlustleistung im
Transistors, denn je kürzer
die Umschaltzeit ist, desto geringer ist die Verlustleistung beim
Umschalten.
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Die
schnellen Veränderungen
des Stromverbrauchs im Netz bewirken Störspannungen, die umso schwieriger
zu filtern sind, als die eingesetzten Leistungen hoch sind.
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Die
Erfindung hat zum Ziel, eine Lösung
des Problems der Störspannungen
vorzuschlagen, indem sie die zu schnellen Umschaltungen im elektronischen
Unterbrecher vermeidet.
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Zu
diesem Zweck hat die Erfindung zum Ziel, die Umschaltzeit des elektronischen
Unterbrechers unabhängig
von seinen eigenen Eigenschaften zu beherrschen. In anderen Worten
hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Heizdrahts
zum Gegenstand, wobei die Vorrichtung einen elektronischen Unterbrecher,
der in Reihe an den Heizdraht angeschlossen ist, und Mittel zur
Steuerung des elektronischen Unterbrechers aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung außerdem
Mittel zur Beherrschung einer Umschaltzeit des elektronischen Unterbrechers
aufweist.
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Die
Erfindung hat zur Folge, die Umschaltzeit des Unterbrechers zu verlängern, was
die Tendenz hat, die Verlustleistung beim Umschalten des Unterbrechers
zu erhöhen.
Man kann trotzdem die Verlustleistung im Hinblick auf die Zykluszeit,
mit der der Unterbrecher arbeitet, in vernünftigen Grenzen halten.
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Die
Erfindung wird besser verstanden werden und weitere Vorteile gehen
aus der ausführlichen Beschreibung
einer als Beispiel angegebenen Ausführungsform hervor, wobei die
Beschreibung durch die beiliegende Zeichnung veranschaulicht wird.
Es zeigen:
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1 ein
Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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die 2a und 2b in
Form eines Ablaufdiagramms die Steuerung des mit dem Heizdraht in
Reihe geschalteten elektronischen Unterbrechers;
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3 ein
ausführliches
Schaltbild der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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Zum
besseren Verständnis
der Beschreibung tragen die gleichen Elemente in den verschiedenen
Figuren die gleichen topologischen Bezugszeichen.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung weist einen Heizdraht
RH auf, der mit einem elektronischen Unterbrecher SW in Reihe geschaltet
ist. Die vom Heizdraht RH und vom elektronischen Unterbrecher SW
gebildete Einheit wird von einer Gleichspannungsquelle gespeist,
deren positiver Pol mit + bezeichnet und der negative Pol mit – bezeichnet
ist. Der Heizdraht RH wird aus einem Material hergestellt, das einen
nicht vernachlässigbaren,
zum Beispiel positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Wenn der
Unterbrecher SW geschlossen ist, fließt ein Strom im Heizdraht RH,
und es ist möglich,
die Temperatur des Heizdrahts RH zu messen, indem die zwischen seinen
Klemmen 1 und 2 vorhandene Spannung gemessen wird.
Die Klemme 1 ist mit dem positiven Pol +, und die Klemme 2 ist
mit dem Unterbrecher SW verbunden. Die Vorrichtung weist ebenfalls
Mittel zur Messung der Temperatur des Heizdrahts RH und Steuermittel
des Unterbrechers SW auf, die beide im Rahmen 3 dargestellt
sind, um das Prinzipschema nicht zu überladen. Ein Ausführungsbeispiel
wird mit Hilfe der 3 beschrieben. Der Rahmen 3 ist
an die Klemme 2 des Heizdrahts RH und an den positiven
Pol + angeschlossen, um die Temperatur des Heizdrahts RH zu bestimmen.
Der Rahmen 3 produziert eine Information i, die in Abhängigkeit
von der Zeit variabel und mit i(t) bezeichnet ist. Der Gegenwert
der Information i(t} erlaubt die direkte Steuerung des Unterbrechers
SW, wenn man die zur Gleichspannungsquelle emittierten Störspannungen
vernachlässigt.
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Die
Information i(t}, von der ein Ablaufdiagramm in 2a dargestellt
ist, kann nur zwei unterschiedliche Werte 0 und 1 annehmen. 0 stellt
den Wert von i(t) dar, bei dem der Unterbrecher SW geschlossen ist,
und 1 stellt den Wert von i(t) dar, bei dem SW offen ist. i(t) nimmt
den Wert 0 während
einer Zeitdauer T1 und den Wert 1 während einer Zeitdauer T2 an.
Die Dauer T1 + T2 stellt einen Betriebszyklus dar. Das Verhältnis T1/(T1
+ T2} bildet ein zyklisches Verhältnis,
das von den Steuermitteln des Unterbrechers SW, die im Rahmen 3 vorhanden
sind, in Abhängigkeit
von einer möglichen
Abweichung zwischen der Temperatur des Heizdrahts RH und einem Sollwert
verändert
wird.
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Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung außerdem
Mittel 4 zur Beherrschung einer Umschaltzeit des elektronischen
Unterbrechers SW auf. Die Mittel 4 enthalten einen Widerstand
R5, der an den negativen Pol – der
Gleichspannungsquelle über
einen Kondensator C5 angeschlossen ist. Eine Klemme 5 des
Widerstands R5, die nicht an den Kondensator C5 angeschlossen ist,
empfängt
die Information i(t). Am gemeinsamen Punkt 6 des Widerstands
R5 und des Kondensators C5 tritt eine Sollspannung c(t) auf, die
in 2b gezeigt ist. Wenn eine abfallende
Flanke in der Information i(t) auftritt, folgt die Sollspannung
c(t) dieser Flanke mit einem langsameren Abfall als derjenige der
Flanke. Die Abfallgeschwindigkeit wird durch die Werte des Widerstands
R5 und des Kondensators C5 definiert. Diese Geschwindigkeit bestimmt
die Umschaltzeit des elektronischen Unterbrechers SW. Gleiches gilt,
wenn eine ansteigende Flanke in der Information i(t) auftritt, und
die Sollspannung c(t) folgt dieser Flanke mit einem langsameren
Anstieg als derjenige der Flanke.
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Der
Widerstand R5 und der Kondensator C5 bilden ein Filter erster Ordnung.
Es ist natürlich
möglich,
andere Arten von Bauteilen zu wählen,
um ein Filter der ersten Ordnung oder sogar ein Filter höherer Ordnung
herzustellen, um die Entwicklung der Sollspannung c(t) an den Bedarf
anzupassen.
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Die
Umschaltzeit, die von den Größen des Widerstands
R5 und des Kondensators C5 definiert wird, ist länger als die normale Umschaltdauer
des elektronischen Unterbrechers einzeln gesehen. Genauer gesagt,
wenn man zum Beispiel einen Feldeffekttransistor als elektronischer
Unterbrecher SW verwendet, liegt die Umschaltzeit eines solchen
Transistors einzeln gesehen in der Größenordnung von etwa hundert
Nanosekunden. Um die Störspannungen
zu reduzieren, kann man die Umschaltzeit auf einen Wert von zum
Beispiel einer Millisekunde verlängern.
Durch Verlängerung
der Umschaltzeit wird auch die vom Unterbrecher SW beim Umschalten
abgeführte
Leistung erhöht.
Man kann diese Erhöhung zulassen,
wenn die Zykluszeit T1 + T2 sehr viel länger als die Umschaltzeit bleibt.
So kann der elektronische Unterbrecher die beim Umschalten erzeugte Leistung
während
der Dauern T1 oder T2 und nach den entsprechenden Umschaltungen
abführen.
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Vorteilhafterweise
regeln die Beherrschungsmittel 4 die Spannung an den Klemmen
des Unterbrechers SW in Abhängigkeit
von der Sollspannung c(t). Genauer gesagt, immer noch im Beispiel eines
als elektronischer Unterbrecher SW verwendeten Feldeffekttransistors,
hat man festgestellt, dass die Regelung der Gatespannung es nicht
erlaubte, die Verlustleistung des Transistors mit großer Präzision zu
beherrschen. Es ist günstiger,
die Spannung zwischen der Source und dem Drain des Transistors zu
regeln, was es ermöglicht,
den durch den Transistor fließenden
Strom und somit die Leistung zu regeln, die dort abgeführt wird.
Um diese Regelung durchzuführen,
weisen die Beherrschungsmittel 4 zum Beispiel einen Operationsverstärker A1
auf, dessen erster Eingang, der nicht-invertierende Eingang 7,
an den gemeinsamen Punkt 2 des Heizdrahts RH und des elektronischen
Unterbrechers SW angeschlossen ist, und dessen zweiter Eingang,
der invertierende Eingang 8, die Sollspannung c(t) empfängt. Der
Operationsverstärker
A1 weist ebenfalls einen Ausgang 9 auf, der das Öffnen oder
Schließen des
elektronischen Unterbrechers SW steuert. Der Operationsverstärker A1
vergleicht die am gemeinsamen Punkt 2 vorhandene Spannung
mit der Sollspannung c(t). Der Operationsverstärker A1 steuert den Unterbrecher
SW derart, dass die am gemeinsamen Punkt 2 vorhandene Spannung
permanent, und insbesondere während
der Umschaltungen, gleich der Sollspannung c(t) bleibt. Man kann
einen Widerstand R6, der zwischen der Klemme 6 und dem
invertierenden Eingang 8 angeschlossen ist, sowie einen Kondensator
C6 vorsehen, der zwischen dem invertierenden Eingang 8 und
dem Ausgang 9 des Operationsverstärkers A1 angeschlossen ist.
Der Kondensator C6 und der Widerstand R6 gewährleisten die Stabilität der Regelung.
Ihre Größen ermöglichen
es, eine Zeitkonstante zu bestimmen, die zum Beispiel in der Größenordnung
einer Mikrosekunde liegt.
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3 stellt
ein detailliertes Schaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Temperaturregelung dar, deren Prinzipschema mit Hilfe der 1 beschrieben
wurde.
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Im
Rahmen 3 ermöglicht
ein Komparator A2 den Vergleich der Temperatur des Heizdrahts RH
mit einer Solltemperatur. Genauer gesagt, ist ein invertierender
Eingang 10 des Komparators A2 mit dem gemeinsamen Punkt
von zwei Widerständen
R1 und R2 verbunden, die zwischen dem positiven Pol + und dem negativen
Pol – der
Gleichspannungsquelle in Reihe geschaltet sind. Ein nicht-invertierender
Eingang 11 des Komparators A2 ist mit dem gemeinsamen Punkt
des Heizdrahts RH und eines Widerstands R3 verbunden, der mit dem
elektronischen Unterbrecher SW parallelgeschaltet ist. Der Heizdraht
RH und der Widerstand R3 sind zwischen dem positiven Pol + und dem
negativen Pol – in
Reihe geschaltet. Der Heizdraht RH und die drei Widerstände R1,
R2 und R3 bilden eine Wheatstone-Brücke, deren Ungleichgewicht
vom Komparator A2 erfasst wird. Der gemeinsame Punkt der Widerstände R1 und
R2 bildet eine Bezugsspannung, die die Solltemperatur darstellt.
Indem man einen Heizdraht RH wählt,
dessen Widerstand sich in Abhängigkeit
von der Temperatur ändert,
ist es möglich,
mittels des Komparators A2 zu bestimmen, ob die Temperatur des Heizdrahts
höher oder
niedriger als die Solltemperatur ist. Der Vorgang der Messung der
Temperatur des Heizdrahts RH wird durchgeführt, wenn der Unterbrecher
SW offen ist. Die Größe des Widerstands R3
wird so gewählt,
dass, wenn der elektronische Unterbrecher SW offen ist, nur ein
schwacher Strom im Heizdraht RH und im Widerstand R3 fließt. Zum Beispiel
ist die Größe des Widerstands
R3 fünf
mal höher
als die mittlere Größe des Widerstands
des Heizdrahts RH.
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Der
Widerstand des Heizdrahts RH weist zum Beispiel einen positiven
Temperaturkoeffizienten auf. Man wählt die Größen der Widerstände R1 und
R2 so, dass, wenn die Wheatstone-Brücke im Gleichgewicht ist, die
Temperatur des Heizdrahts RH gleich der Solltemperatur ist. Wenn
der Temperaturkoeffizient des Heizdrahts RH positiv ist, wenn die Temperatur
des Heizdrahts RH höher
ist als die Solltemperatur, ist eine an einem Ausgang 12 des
Komparators A2 vorhandene Spannung nahe der Spannung des negativen
Pols –.
Wenn dagegen die Temperatur des Heizdrahts RH niedriger ist als
die Solltemperatur, ist die am Ausgang 12 vorhandene Spannung
nahe der Spannung des positiven Pols +. Die am Ausgang 12 vorhandene
Spannung kann mittels eines Widerstands R4 und einer Zener-Diode
Z1, die beide zwischen dem Ausgang 12 und dem negativen Pol
in Reihe geschaltet sind, angepasst werden. Die Anode der Zener-Diode Z1 ist direkt
an den negativen Pol – angeschlossen.
An einem Punkt 13 ist die Kathode der Zener-Diode Z2 an
den Widerstand R4 angeschlossen. Der Punkt 13 bildet außerdem einen Eingang
einer UND-Zelle 14, deren Ausgang 15 einen Eingang
einer monostabilen Schaltung M1 bildet. Ein Ausgang 17 der
monostabilen Schaltung M1 bildet den Eingang einer monostabilen
Schaltung M2. Ein Ausgang 16 der monostabilen Schaltung
M2 bildet einen zweiten Eingang der UND-Zelle 14. Das Signal
i(t) ist am Ausgang 16 der monostabilen Schaltung M1 vorhanden.
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Wenn
der elektronische Unterbrecher SW offen ist, und wenn die Temperatur
des Heizdrahts RH unter die Solltemperatur fällt, steigt die Spannung am Ausgang 12 des
Komparators A2, und die monostabile Schaltung M1 liefert am Ausgang 16 einen
Impuls mit einem Wert 0 für
das Signal i(t) einer festen Dauer T1, zum Beispiel in der Größenordnung
von 500 ms, beim Auftritt einer ansteigenden Flanke am Ausgang 15 der
UND-Zelle 14. Wie man weiter oben mit Hilfe der 1 gesehen
hat, wird während
des Impulses mit dem Wert 0 für
das Signal i(t) der Unterbrecher SW leitend gemacht, und der Heizdraht
RH wird mit einem Starkstrom gespeist, der seine Erwärmung ermöglicht.
Am Ende des Impulses mit dem Wert 0 für das Signal i(t) liefert die
monostabile Schaltung M2 am Ausgang 17 einen negativen
Impuls einer Mindestdauer T2, zum Beispiel in der Größenordnung
von 5 ms, was den Unterbrecher SW öffnet und die Messung der Temperatur
des Heizdrahts RH ermöglicht.
So lange die Temperatur des Heizdrahts RH höher als die Solltemperatur
bleibt, bleibt die am Ausgang 12 des Komparators A2 vorhandene
Spannung auf ihrem tiefsten Pegel, und der negative Impuls verlängert sich.
Wenn dagegen die Temperatur des Heizdrahts RH unter die Solltemperatur
fällt,
ermöglicht
die UND-Zelle 14 das Auftreten eines neuen positiven Impulses.
Zusammengefasst ist die Erwärmung
des Heizdrahts RH effektiv bei einem Impuls einer festen Dauer T1,
und auf jeden Impuls einer Dauer T1 folgt eine Dauer mindestens
gleich T2, während
der die Erwärmung
unterbrochen ist. Die Dauer T1 ist konstant und wird von der monostabilen Schaltung
M1 festgelegt, während
die Dauer T von der Temperatur des Heizdrahts RH abhängt. Die
Mindestdauer T2 der Dauer T wird von der monostabilen Schaltung
M2 festgelegt. Die Dauer T bleibt gleich der Dauer T2, so lange
die Temperatur des Heizdrahts RH niedriger ist als die Solltemperatur.
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Es
kann eine Anpassung des Spannungspegels des am Ausgang 16 vorhandenen
Signals i(t) notwendig sein. In diesem Fall sieht man einen Verstärker A3
vor, der das am Ausgang 16 vorhandene Signal i(t) empfängt und
an die Klemme 5 des Widerstands R5 ein Signal proportional
zum Signal i(t) liefert.
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Der
elektronische Unterbrecher SW ist vorteilhafterweise ein Feldeffekttransistor,
dessen Gate g das am Ausgang 9 des Verstärkers A1
vorliegende Signal über
einen Widerstand R10 empfängt.
Eine Kathode einer Zener-Diode Z2 ist an das Gate g, und eine Anode
der Zener-Diode Z2 ist an den negativen Pol – angeschlossen. Der Widerstand
R10 und die Zener-Diode Z2 ermöglichen
es, die Spannung des am Ausgang 9 des Verstärkers A1
vorliegenden Signals an den Bedarf des Feldeffekttransistors anzupassen.
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Wenn
die Ausgangspannung des am Ausgang 9 vorhandenen Signals
nicht die Spannung des negativen Pols – oder die des positiven Pols
+ erreicht, kann man vorteilhafterweise Widerstände R7, R8 und R9 sowie Dioden
D1 und D2 vorsehen, um eine korrekte Regelung der Spannung zwischen
dem Drain und der Source des Transistors, oder anders gesagt, der
Spannung an den Klemmen des elektronischen Unterbrechers SW zu gewährleisten.
Der Widerstand R9 ist zwischen dem Punkt 2 und dem nicht-invertierenden
Eingang 7 des Verstärkers
A1 angeschlossen. Der Widerstand R7 und die Diode D1 sind zwischen
dem positiven Pol + und dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers A1
in Reihe geschaltet. Der Widerstand R8 und die Diode D2 sind zwischen
dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers A1 und dem negativen
Pol – in
Reihe geschaltet. Die Dioden D1 und D2 sind so gerichtet, dass ein
Strom vom positiven Pol + zum negativen Pol – fließt.