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Lei stungs Steuergerät
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Die Erfindung betrifft ein Leistungssteuergerat fur die steuerbare
Zufuhrung von elektiischer Leistung in Leistungsimpulsen zu einem Verbraucher, mit
einer Einstellwelle und einem in Abhängigkeit von der geschalteten Leistung in Parallelschaltung
zu dem Verbraucher beheizten Bimetall und einer der Bimetallbeheizung vorgeschalteten
Diode. Aus der DT-OS 2 310 867 ist bereits eine Schaltung mit einem Leistungssteuergerät
bekannt geworden, bei dem der Steuerbeheizung des Leistungssteuergerätes eine Diode
vorgeschaltet ist. Diese Diode sitzt die der Steuerheizung zugeführte Leistung stets
auf die Halfte herab, wodurch es möglich wird, für die St euerheizwiderstande etwas
starkeres Widerstandsmaterial zu verwenden.
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Dieses Steuergerät ist für eine Kochplatte mit zwei Heizleitern vorgesehen,
von denen in einem unteren Leistungsbereich ein Verbraucher abgeschaltet ist. Das
Leistungssteuergerät quantelt dann nur die Leistung dieses Verbrauchers
mit
geringer Leistung, so daß eine Ansteuerung auch geringer Leistungen noch möglich
ist. Allerdings sind dazu Kochplatten mit zwei Heizleitern zwingend erforderlich
und es ist beir Drehung der Einstellwelle ein Punkt vorhanden, an dem die Umschaltung
einer höheren Leistung erfolgen muß. An dieser Stelle muß also durch eine entsprechende
Verrastung oder Sprungschaltung ein Sektor vorhanden sein, der eine Unstetigkeit
im Drehverhalten der Einstellwelle darstellt, damit nicht versehentlich der Leistungskontakt
zur Abschaltung des zweiten Verbrauchers halb geöffnet oder halb geschlossen stehen
bleibt.
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In der DTOS 1 615 231 ist in Fig. 8 ein Temperaturregler dargestellt,
der mit einem beheizten Bimetall arbeitet. Dort wird unter der Wirkung eines temperaturempfindlichen
Organes, d.h. einer Auadehnungsdose, ein Vorwiderstand eingeschaltet bzw. überbruckt,
der die Leistung der Steuerbeheizung für das Bimetall erhöht oder erniedrigt. Ein
solcher Vorwiderstand erzeugt in jedem Falle eine starke Aufheizung des Regelgerätes.
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Insbesondere bei hoher Leistungseinstellung, in der die relativen
Einschaltzeiten groß sind, ist daher die Heizung des Reglers unzulässig groß, was
große Schwierigkeiten mit der Kompensation und bei der Reglerausführung brachte.
Dies geht auch aus dem der genannten Offenlegungsschrift entsprechenden D?-PS 1
615 231 hervor. Diese Lösung konnte also in Richtung auf einen gut kompensierbaren
und leicht zu bauenden Schalter nicht weiterführen. Außerdem geht es hier um einen
Temperaturregler, bei dem der Vorwiderstand temperaturabhängig geschlossen wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungssteuergerät der eingangs
eriahsten Art zu schaffen, mit dem auch geringe Teilleistungen leicht ansteuerbar
sind, das mit geringer Baugröße und geringem Bauaufwand herstellbar ist und eine
gute Reproduzierbarkeit der Leistungseinstellungen gewährleistet. -Dazu gehört es,
daß die Umgebungstemperatur sich gut kompensieren läßt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Diode
durch einen von der Einstellwelle betätigbaren Schalter nur im oberen Leistungsbereich
der Beheizung vorgeschaltet und im unteren Leistungsbereich abgeschaltet ist.
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Es kann also eine relativ groß dimensionierte und daher auch von der
Drahtstärke leichter zu beherrschende Bimetallbeheizung vorgesehen sein. Im unteren
Leistungsbereich ist diese Beheizung voll wirksam, so daß eine schnelle Aufheizung
des Bimetalls erfolgt, woraus eine schnelle Abschaltung der Gesamtleistung resultiert.
Die sich dadurch ergebende geringe relative Einschaltdauer hält auch die Erwärmung
des Schalters in Grenzen, da die Bimetallsteuerbeheizung auch nur während der Einschaltung
des Verbrauchers eingeschaltet ist. Im oberen Leistungsbereich dagegen, der beispielsweise
bei 20 % reitiver Einschaltdauer beginnen kann, wird die Diode der Bimetallbeheizung
vorgeschaltet. Dadurch bekommt die Beheizung des Bimetalls jweils nur eine Halbwelle
des Wechselstromes und somit nur die halbe Leistung. Dementsprechend ist auch die
Wärmeentwicklung geringer und die höheren Leistungen sind leichter anzusteuern.
In diesem Bereich ware die Wärmeentwicklung besonders unangenehm, weil hier eine
hohe Einschaltdauer auch für die Bimetallbeheizung vorliegt. Ferner werden die Temperaturen
am Bimetall niedrig gehalten und die gesamte Schaltererwärmung bleibt gering, so
daß sich auch die Kompensation der Umgebungstemperatur vorteilhaft vornehmen läßt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Diode an der bedienungsfernen
Rückseite des Gehäuses des Leistungssteuergerätes unmittelbar an dem sie überbrückenden
Schalter angeordnet ist.
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Eine solche Ausführung hält den Aufwand für die Anordnung und Schaltung
der Diode sehr gering und die Diode ist im kühlen Außenbereich des Schalters angeordnet.
Der die Diode schaltende Schalter kann ein einfacher kriechend arbeitender Schalter
sein, der keinen Sprungmechanismus in der Einstellwelle benötigt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteranspruchen
und der Besckreibung im Zusammenhang mit der Zeiehnung hervor Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausfthrungsbeispiel eines Leistungssteuerungsgerätes
nach der Erfindung, von der Bedienungsseite her gesehen, mit abgenommene@ Abschlußdeckels
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie I1-II in Fig. 1, Fig. 3 eine Ruckansicht des
Leisttmgssteuerungsgerätes in Fig. 2 von links gesehen, und Fig. 4 ein schematisches
Schaltbild des Leistungssteuerungsgerätes nach den Fig. t bis 3.
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In den Fig. 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Leistungssteuerungsgerätes
11 dargestellt. Es besitzt ein bedienungsfernes oder hinteres Gehäuseteil 12 aus
Kunststoff, das die Form eines rechteckigen oder vorzugsweise quadratischen Blockes
mit einer inneren Ausnehmung 25 besitzt. Diese Ausnehmung ist durch einen zur Bedienungsseite
hin gelegenen plattenförmigen Deckel 13 abgeschlossen, der Zentrierzapfen 17 besitzt,
die in Zentrierausnehmungen 16 am Gehäuseteil 12 eingreifen. Am Deckel 13 ist eine
Gewindebuchse 14 befestigt, durch die eine Einstellwelle 15, die einen in Fig. 4
angedeuteten Einstellknopf 60 trägt, ragt . Die Einstellwelle 15 ragt in ein Mittelloch
23 eines Steuerkörpers t8 hinein, der aus Isoliermaterial besteht und an seinem
Außenumfang eine Steuerkurve 19 und einen
Schaltnoeken 20 trägt.
An seinem bedienungsfernen Ende besitzt der Steuerkörper 18 einen Lagerzapfen 2t,
der durch eine Oeffnung 24 des hinteren Gehäuseteils 12 hindurchragt und an der
Rückseite des Gehäuseteils 12 einen weiteren Schaltnocken 22 aufweist.
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Mit der Steuerkurve 19 wirkt ein Kompensationsbimetall 26 in Form
eines Übertragungshebels zusammen, der durch eine Feder 34 mit seinem vorderen abgebogenen
Rinde an die Steuerkurve 19 angedrückt wird. Das relativ dicke und steife Kompensationabimetall
ist an dem Ende, an dem es nicht an der Steuerkurve 19 anliegt, mittels einer schwenkachse
28 schwenkbar gelagert. An diesem Ende ist das Kompensationsbimetall mit einem Schalterträger
29 eines Schnappschalters 27 verbunden, so daß das Kompensationsbimetall zu dem
Schalterträger 29 in geringem Abstand parallel verläuft. Die Einheit Schnappschalterjkompensationsbimetall
ist also zusammen um die Achse 28 schwenkbar.
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An dem Schalterträger 29 ist eine Schnappfeder angebracht, die sich
in üblicher Weise mit einer ausgebogenen unter Knickspannung stehenden Federzunge
an einem Stützlager abstützt. Die Schnappfeder trägt an ihrem freien Ende ihren
Kontakt Zt, der mit einem festen Gegenkontakt 32 zusammenarbeitet und ist an ihrem
entgegengesetzten Ende durch eine Justierschraube 33 festgelegt, die eine umlaufende
Einkerbung besitzt, in die das gabelartig ausgebildete Ende der Schnappfeder eingesteckt
ist. Durch Anschweißen eines zur elektrischen Zuleitung 35 führenden Anschluß endes
ist die Schnappfeder elektrisch mit dem Abgang bzw. Zugang 68 des Verbrauchers 7Q
verbunden.
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Der Schnappschalter 27 wird von einem Bimetallglied 36 betätigt, das
eine Förmige Gestalt hat. Dieses L besteht vollständig aus Bimetall,und im inneren
Winkel des L ist eine Achse 37 befestigt, die, ebenso wie die Achse 28 vorteilhaft
dadurch festgelegt ist, daß jeweils in dem Gehäuseteil 12 und dem Deckel 13 Ausnehmungen
sind, die beim Zusammensetzen der beiden Gehäuseteile die Achsen aufnehmen.
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Der lange, beheizte Schenkel 38 des Bimetallgliedes 36 trägt eine
Heizwicklung 39 in Form einer Heizwicklung oder Heizspule, die über zwei Zuleitungen
mit Strom versorgt werden. An seinem freien Ende ist in den beheizten Schenkel 38
eine Justierschraube 40 eingeschraubt, die von einer Feder 41 gegen eine innere
Zwischenwand 42 des Gehäuses 12 gedrückt wird.
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Der kurze Schenkel 43 des Bimetallgliedes 36 besitzt an seinem Ende
eine Abbiegung 44, die auf den Betätigungspunkt der Schnappfeder 30 drückt.
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Der beheizte Schenkel 38 des Bimetallgliedes 36 liegt in einem von
der Zwischenwand 42 teilweise abgeschlossenen, durch Lüftungsschlitze 45 belüfteten
Raum 71.
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Es ist zu erkennen, daß die Einheit Schnappschalter/Kompen sationsbimetall
einerseits und das Bimetallglied 36 andererseits winkelförmig angeordnet sind und
zwischen sich den Steuerkörper 18 einschließen. In der diesem Winkel entgegengesetzten
Ecke der Ausnehmung 25 ist ein mechanischer Schalter angeordnet, der einen Schaltschieber
50 besitzt, der von dem Schaltnocken 20 betätigt wird. Dieser aus gunststoff bestehende
Schaltschieber hat die Form eines rechteckigen Stabes, dessen eine Stirnseite zum
Zusammenwirken
mit dem Schaltnocken 20 abgerundet ist und auf dessen
anderer Stirnseite eine Druckfeder 54 einwirkt. Der Schaltsch;eber 50 verläuft etwa
diagonal, so daß er bei kleinstem Platzbedarf die größtmögliche Länge haben kann.
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An seiner oberen und unteren Fläche hat der Schaltschieber Vorsprünge
51, die Widerlager für Kontaktarme 52, 53 bilden, die auf den Schaltschieberaufgeschoben
sind und nach beiden Seiten über ihn hinausragen. Der Schaltschieber 50 besteht
vorzugsweise aus einem Isolierteil, um die Kontaktarme aufschieben und durch Aufschnappen
festlegen zu können. Jeder Kontaktarm trägt an seinen beiden Enden je einen Kontakt.
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Der Schaltschieber 50 ist von Führungen 55 geführt, die die Form von
aus dem Boden des Gehäuseteils 12 hervorragenden quer zum Schaltschieber gerichteten
Metallplatten haben. Es sind vier Führungen 55 vorgesehen, von denen je zwei einander
gegenüberliegen, den Schaltschieber führen und ihn teilweise übergreifen. Diese
Führungen 55 tragen zum Teil Festkontakte 56 und ragen durch den Boden des Gehäuseteils
12 hindurch und bilden auf der Rückseite Anschlußfahnen nach Art von AMP-Steckfahnen.
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Aus Fig. 3 ist die Rückseite des Leistungssteuerungsgerätes 11 zu
erkennen. Man sieht dort, daß der Schaltnocken 22 mit einem sehr klein und leicht
ausgebildeten Schalter 61 in Form einer Kontaktfeder zusammenarbeitet, die zum Kurzschließen
einer Diode 62 ausgebildet ist. Dabei ist die Diode mit ihren Anschlüssen 63, 64
direkt an den zugehörigen Anschlußstecker bzw. die Kontaktfeder gelötet und die
Kontaktfeder greift vom Anschluß 63 herum und kann die Diode 62 durch Berührung
ihres Anschlusses 64 kurzschließen.
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Das Leistungssteuerungsgerät arbeitet wie folgt: In Fig. 1 ist der
ausgeschaltete Zustand dargestellt, bei dem der Schaltnocken 20 den Schaltschieber
50 entgegen der Kraft der Druckfeder 54 zurückgedrückt hat und somit den Kontaktarm
52 für den Signalkontakt und den Kontaktarm 53 für die Abschaltung des zeiten Anschlußpoles
von den entsprechenden Festkontakten abgehoben hat. In dieser Stellung des Steuerkörpers
18 bzw. der Einstellwelle liegt das Kompensationsbimetall 26 in einer Vertiefung
der Steuerkurve 19, so daß sich dadurch eine Rast ergibt.
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Beim Einschalten des Energiereglers (Drehung des Steuerkörpers 18
im Uhrzeigersinn) gibt zuerst der Steuernocken 20 den Steuerschieber 50 frei, der
unter der Kraft der Feder 54 seine zumindest zum Teil federnden Kontaktarme 52,
53 so gegen die Führungen 55 anlegt, daß sie überbrückt sind. Damit ist einerseits
die Signalkontaktleitung 66, 67 geschlossen und andererseits der eine Pol des Verbrauchers
70, beispielsweise der Beheizung einer Elektrokochplatte.
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Unter der Wirkung der Feder 34 schwenkt die Einheit Kompensationsbimetall/Schnappschalter
in ihre der jeweiligen Stellung der Steuerkurve 19 entsprechende Lage. Die Kontakte
31 und 32 sind geschlossen, so daß das Bimetallglied 36 von seiner Beheizung 39
beheizt wird. Der Schalter 61 ist im unteren Leistungsbereich geschlossen, beispielsweise
bei einer Stellung der Einstellwelle, die Leistungswerten zwischen 5 und 20 % der
Gesamtleistung entspricht. Bei einer niedrigen eingestellten Leistung ist also die
Diode 62 überbrückt, so daß die volle Heizleistung der Beheizung 39 wirksam ist.
Deswegen
biegt sich der Schenkel 38 des Bimetallgliedes relativ schnell aus und drückt über
den kurzen Schenkel 43 und die Abbiegung 44 auf den Schnappschalter im Ausschaltsinne,
so daß dieser nach relativ kurzer Zeit wieder geöffnet wird.
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Nach dem Abkühlen des Bimetallgliedes schaltet der Schnappschalter
27 wieder ein und das Arbeitsspiel beginnt wieder. Im oberen Arbeitsbereich ist
einerseits die Einheit Kompensationsbimetall/Schnappschalter stärker entgegen dem
Uhrzeigersinn verschwenkt und andererseits die Diode infolge Offnung des Schalters
61 wirksam. Die Beheizung 39 wird also nur mit jeweils eing Heizwelle des Wechselstroms,
d.h. mit der halben Heizleistung, betrieben. Das Bimetallglied braucht also wesentlich
länger, um so weit ausgelenkt zu sein, daß es den Schnappschalter öffnen und damit
die Leistungszufuhr zum Verbraucher 70 abschalten kann.
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Bei den dabei recht hohen Temperaturen am Bimetall geht dann auch
die Abkühlung schneller vor sich, so daß eine höhere relative Einschaltdauer gewährleistet
ist.
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Das Leistungssteuergerät nach der Erfindung hat zahlreiche Vorteile:
Es ist trotz seines klaren und zuverlässigen Aufbaues mit relativ geringem Bauaufwand
herstellbar und arbeitet mit Relativwegen und -kräften zum Schalten.
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Besonders die hohen Kräfte sind wesentlich. Sie werden durch eine
zieititLch starke Bimetallbemessung erreicht. Infolge des günstigen Aufbaues kann
das Arbeitsbimetall ziemlich lang und das Kompensationsbimetall ziemlich kurz und
kräftig sein. Durch die Federn 34, 41 wird das gesamte System kraftschlüssig in
eine bestimmte Lage bewegt, so daß nur ein Punkt vorhanden ist, an dem ein Spel
auftreten kann, nämlich der Berührungspunkt zwischen der Schnappfeder 30
und
der Biegung 44 des Arbeitsbimetalls 36.
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Die Ausbildung des Bimetallgliedes 36 als L-förmiges Glied aus Bimetallmaterial
hat noch einen weiteren Vorteil. Normalerweise ist die Kompensation eines solchen
Steuergerätes durch ein Kompensationsbimetall sehr schwierig, weil die beiden Bimetalle
in unterschiedlichen Temperaturbereichen arbeiten. Der Ausbiegeweg eines Bimetalls
je Temperatureinheit nimmt aber mit steigender Temperatur ab, so daß die Kompensation
stets nur für einen Arbeitsbereich genau stimmen kann. Das hier beschriebene Bimetallglied
hat jedoch sozusagen eine doppelte Behizung.
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Der kurze Schenkel 43 läuft in relativ geringem Abstand parallel zur
Schnappfeder 30. Diese wird über die Zuleitung 35 mit Strom versorgt und ist relativ
dünn. Sie heizt sich daher, wenn Strom durch sie fließt, auch in gewissem Maße auf.
Diese Wärme beheizt zusätzlich den kurzen Schenkel 43, jedoch in merklicher Weise
nur bei höheren Beistungsstufen, weil anderenfalls die Schnappfeder kaum über die
Raumtemperatur kommt. Dadurch wird jedoch der negative Effekt des mit der Temperatur
degressiven Ausbiegeweges kompensiert bzw. dieser negativen Erscheinung entgegengewirkt.
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Dagegen ist das Kompensationsbimetall von der Temperatur möglichst
weitgehend abgeschirmt . Es steht senkrecht zu dem Arbeitsbimetall und hat keine
leitende Verbindung mit diesem. Durch die Zwischenwand 42 ist es auch weitgehend
gegenüber dem heißen Raum abgeschirmt. Gegen die von der Schnappfeder erzeugte Temperatur
ist es durch den Schalter träger 29 geschützt. Diese Anordnung sorgt also dafür,
daß das Kompensationsbimetall wirklich das machen kann, wozu es bestimmt ist, nämlich
eine Kompensation der unterschiedlichen Umgebungstemperatur vorzunehmen und muß
nicht
in einer gegenüber der Umgebung wesentlich erhöhten Temperatur
arbeiten.
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Das Arbeitsbimetall und die Einheit Eompensationsbimetall/Schnappschalter
nehmen zwei Seiten des Schaltergehäuses ein, so daß eine Ecke für den Schalter 50
bis 56 völlig frei bleibt. Die Anordnung dieses sehr klein bauenden Schalters in
der gleichen radialen Ebene wie die übrigen Teile des Leistungssteuerungsgerätes
ermöglicht es, dieses mit sehr geringer Baugröße herzustellen.
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Die Tiefe in Richtung der Einstellwelle kann beispielsweise weniger
als 25 mm betragen, so daß ein Einbau mit senkrechter Welle auch in sehr flache
Kochmulden möglich ist.
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Durch die Diode 62 wird das Verhalten des Leistungssteuerungsgerätes
sehr positiv beeinflußt. Der mittlere Leistungsbereich ist für derartige Steuergeräte
selten eine Schwierigkeit. Die wirkliche Schwierigkeit liegt im oberen und vor allem
aber im unteren Leistungsbereich. Bei heutgen Kochplatten mit relativ hoher Leistung
ist aber gerade der untere Leistungsbereich dann kritisch, wenn man auf der Kochplatte
auch Wärmen will. Es müssen dort Leistungen bis zu 5% der Gesamtleistung und darunter
(100 W bei einer 2000 W Kochplatte) sicher angesteuert werden. Das erfordert aber
sehr hohe Leistungen auf dem Bimetall, weil dieses sehr schnell reagieren muß. Diese
hohen Leistungen würden aber im höheren Leistungsbereich nicht nur das Gerät sehr
stark erwärmen und Energie brauchen, sondern auch die Temperaturen am Bimetall unzulässig
hochtreiben. Durch die vorteilhafte verlustlose und damit verlu-stwärmefreie Herunterregelung
der Bimetallbeheizungsleistung mittels der Diode, kann dieses Problem einfach
gelöst
werden. Die hohe Leistung, für die die Bimetallbeheizung ausgelegt ist, ist kein
Nachteil, weil diese nur im unteren Leistungsbereich überhaupt zum Einsatz kommt
und dort die relativen Einschaltzeiten ja nur sehr gering sind. Die Aufheizung des
Steuergerätes durch die Beheizung 39 ist also sehr gering. Umgekehrt wird im hohen
Leistungsbereich die Leistung durch die Diode begrenzt, so daß bei den dort relativ
langen Einschaltzeiten die Schaltererwärmung ebenfalls in Grenzen bleibt.
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Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, daß man die Beheizung 39 einfach
ausführen kann. Wollte man die Leistung geringer auslegen, so hätte man Schwierigkeiten,
weil die Widerstandsdrähte für die geringen Leistungen bei Netzspannung und insbesondere
im Falle von höheren Netzspannungen, sehr gering werden würden, worunter auch die
Betriebssicherheit leiden würde.