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Netzgerät zum Speisen einer Resonanz last
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Die Erfindung betrifft allgemein Netzgeräte und insbesondere ein Netzgerät
zum Speisen einer Resonanz last mit Hochfrequenzenergie Induktiv beheizte Verdampfungsquellen
für Verdampfungsanlagen und -geräte weisen eine in unmittelbarer Nähe der Last befindliche
Erregerspule auf, durch welche ein Strom durchgeleitet wird, wobei eine Energieübertragung
auf die Last erfolgt, wodurch Wärme in der Last induziert wird und die Verdampfung
erfolgt.
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Die bekannten Erregerspulen werden in der Regel mit effektiven Betriebs
strömen von mehreren hundert Ampere und mit Frequenzen in der Größenordnung von
50 kHz betrieben. Die Netzgeräte' welche diese Ströme liefern, weisen typischerweise
in der Endstufe Hochleistungs-Schalttransistoren auf.
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Diese Schalttransistoren sind sehr kostspielig und können leicht beschädigt
werden, insbesondere während der An- und Abschaltvorgänge, welche bei einer Ausgangsfrequenz
von 50 kHz sich fünfzigtausendmal pro Sekunde wiederholen.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Netzgeräts
zum
Speisen einer Resonanzlastw in welchem die Gefahr einer Beschådigung der Schalttransistoren
praktisch ausgeschaltet oder zumindest ganz wesentlich herabgesetzt ist.
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Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Netzgerät zum
Speisen einer Resonanz last besteht aus der Erregerspule für eine Verdampfungsquelle,
vermittels welcher ein Strom in einem Verdampfungsgut erzeugbar ist, und einem elektrisch
in- Reihe mit der Erregerspule geschalteten kapazitiven Element und ist erfindungsgemäß
gekennzeichnet durch einen zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit durch ein Steuersignal
vorgegebener Frequenz dienenden spannung geregelten Oszillator, eine auf das Oszillatorsignal
ansprechbare und zur Leistungseinspeisung in die Last mit der Frequenz des Oszillatorsignals
dienende Vorrichtung, einen zur Überwachung der Phasen der in die Last eingespeisten
Spannung, sowie der am kapazitiven Element entwickelten Spannung und zur Erzeugung
von den relativen Phasen der Spannungen entsprechenden Ausgangssignalen dienenden
Phasendetektor, eine auf die Phasendetektorausgangssignale ansprechbare und zur
Erzeugung eines Signals von den relativen Phasen der in die Last eingespeisten Spannung
und der am kapazitiven Element entwickelten Spannung entsprechender mittlerer Amplitude
dienende Vorrichtung und eine zum Vergleichen der mittleren Amplitude des letztgenannten
Signals mit einem Bezugssignal, dessen Pegel einem vorbestimmten Unterschied der
überwachten Phasen entspricht, und zur Veränderung der Spannung des in Abhängigkeit
von Abweichungen der mittleren Amplitude von dem Pegel des Bezugssignals an den
Oszillator angelegten Steuersignals und zur Einhaltung einer vorbestimmten Oszillatorfrequenz
dienende Vorrichtung.
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Es wurde gefunden, daß die Gefahr einer Beschädigung der Schalttransistoren
dadurch wesentlich herabgesetzt werden
kann, daß das An- und Abschalten
derselben dann erfolgt, wenn der Stromdurchgang durch die Transistoren null ist.
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Das erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Netzgerät dadurch, daß es im
Resonanzbetrieb arbeitet. Bei dem erfindungsgemäßen Netzgerät ist daher ein Kondensator
elektrisch in Reihe mit der Erregerspule einer Verdampfungsquelle geschaltet. Eine
phasenverriegelte Schleife dient dazu, das Netzgerät mit der Resonanz frequenz von
Spule und Kondensator zu betreiben. Die Ermittlung des Resonanzbetriebs erfolgt
dadurch, daß die Phasen von Erregerspannung und Spannung am Kondensator miteinander
verglichen werden, welche bei Resonanz um 900 phasenverschoben sind. Der spannungsgeregelte
Oszillator wird durch ein Signal gesteuert, welches der Phasenabweichung gegenüber
einer Phasenverschiebung von 900 entspricht. Durch die phasenverriegelte Schleife
wird die Frequenz der Ausgangsleistung auf der Resonanzfrequenz der Last gehalten.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Netzgerät ist im nachfolgenden
anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen ist Fig. 1 ein teilweise als Blockschaltbild dargestellter Schaltplan
eines erfindungsgemäß ausgebildeten Netz geräts und Fig. 2 eine grafische Darstellung
von Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig. 1.
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In Fig. 1 ist das Netzgerät in Verbindung mit einer Resonanzlast 10
dargestellt, die hier aus einer Spule 11 besteht, welche beispielsweise die Erregerspule
einer entfernt vom Netzgerät angeordneten, induktiv beheizten Verdampfungsquelle
ist. In diesem Falle ist die Erregerspule durch Kabal mit dem Netzgerät verbunden.
Die Erregerspule
erhitzt das zu verdampfende Material, indem in
diesem ein Strom induziert wird, wobei sich die am Netzgerät anliegende Impedanz
mit Veränderungen von Zustand und Menge des Materials etwas verändert. In Fig. 1
ist die sich verändernde Impedanz der Last durch einen zur Spule 11 parallel geschalteten
Widerstand 11a dargestellt. Die Last umfaßt außerdem einen elektrisch in Reihe mit
der Spule geschalteten Kondensator 12. Dieser Kondensator befindet sich vorzugsweise
innerhalb des Gehäuses des Netzgeräts, wobei die Parameter von Spule und Kondensator
so bemessen sind, daß die Last bei der gewählten Betriebsfrequenz für die Verdampfungsquelle
in Resonanz schwingt.
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Das Netzgerät umfaßt einen spannungsgeregelten Oszillator 21, der
ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz durch ein Steuersignal vorgegeben ist.
Der spannungsgeregelte Oszillator ist von an sich bekannter Ausführung und arbeitet
innerhalb eines Betriebsfrequenzbereichs, der die Resonanzfrequenz der Last umfaßt.
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Die Einspeisung von Energie in die Last erfolgt mit der vom Oszillator
vorgegebenen Frequenz, gesteuert durch die Resonanzfrequenz der Last. Zu diesem
Zweck ist mit dem Oszillatorausgang ein Phasenteiler 22 verbunden, der von bekannter
Ausführung sein kann und zwei Ausgangssignale erzeugt, welche die gleiche Frequenz
wie das Oszillatorsignal bzw. eine Phasendifferenz von 1800 aufweisen. Die Ausgänge
des Phasenteilers sind in einer Gegentakt-Endstufe mit den Basen der Transistoren
23 und 24 verbunden. Die Emitter beider Transistoren liegen an Masse, während die
Kollektoren dieser Transistoren mit der Primärwicklung eines Endtransformators 26
verbunden sind. Diese Primärwicklung weist einen Mittenabgriff auf, der mit einer
Spannungsquelle +V verbunden ist. Die Sekundärwicklung des Endtransformators 26
ist mit der Last 10 verbunden.
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Weiterhin umfaßt das Ntetzgerät einen Phasenschieberdetektor 30, welcher
die Phasen der in die Last 10 eingespeisten Spannung und der am Kondensator 12 erzeugten
Spannung überwacht. Der Phasendetektor umfaßt die Inverter 31, 32 und die UND-Gatter
33, 34 wobei der Ausgang des Inverters 31 mit jeweils dem einen Eingang der beiden
UND-Gatter 33 und 34 verbunden ist. Der Ausgang des Inverters 32 ist mit dem zweiten
Eingang des UND-Gatters 33 verbunden. Eine Leitung 36 verbindet die Sekundarwicklung
des Endtransformators 26 mit des Eingang des Inverters 31 und führt dem Phasendetektor
ein Signal zu, dessen Phase der an die Last angelegten Speisespannung entspricht.
Die Primärwicklung eines Transformators 37 ist parallelgeschaltet dem Kondensator
12, während die Sekundärwicklung dieses Transformators 37 über eine Leitung 38 mit
dem Eingang des Inverters 32 und dem zweiten Eingang des UED-Gatters 34 verbunden
ist. Das über die Leitung 38 angelegte Eingangssignal ist phasengleich mit der am
Kondensator 12 anliegenden Spannung.
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Die Ausgänge der UND-Gatter 33, 34 steuern die Betätigung der Schalter
41, 42. Diese Schalter sind in der Zeichnung nur schematisch dargestellt und bestehen
in der Praxis vorzugsweise aus Elektronikschaltern, wobei die Ausgänge der UND-Gatter
mit den Steuereingängen dieser Schalter verbunden sind Eine Klemme des Schalters
41 ist mit einer Bezugsspannung VREF verbunden, während die andere Klemme dieses
Schalters illit der einen Klemme des Schalters 42 verbunden ist. Die zweite Klemme
des Schalters 42 liegt an Masse, und ein Widerstand 44 ist zwischen den miteinander
verbundenen Klemmen der beiden Schalter und dem negativen Eingang eines Differentialverstärkers
46 geschaltet. Wie weiter unten im einzelnen ersichtlich, weist das am negativen
Eingang des Verstärkers 46 erscheinende Signal eine mittlere Größe auf, welche den
relativen Phasen von Last- und Kondensatorspannung entspricht.
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Ein einstellbares Signal, dessen Größe in etwa der Hälfte der Bezugsspannung
VREF entspricht, wird an den positiven Eingang des Verstärkers 46 durch einen Spannungsteiler
angelegt, der aus einem Regelpotentiometer 47 und einem Festwidertstand 48 besteht.
Regelpotentiometer 47 und Festwiderstand 48 haben etwa gleiche Nennwerte. Ein Kondensator
51 und ein Widerstand 52 sind in Reihe geschaltet zwischen dem Ausgang und dem negativen
Eingang des Verstärkers 46, und der Verstärkerausgang ist mit dem Steuereingang
des Oszillators 21 verbunden.
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Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Netz geräts sei anhand Fig.
2 erläutert. Dazu sein angenommen, daß das Regelpotentiometer 47 zum Betrieb bei
Resonanz frequenz eingestellt ist, d.h. daß die am positiven Eingang des Verstärkers
46 angelegte Spannung gleich ist der Hälfte der Bezugsspannung VREF Außerdem wird
davon ausgegangen, daß der Oszillator 21 mit der Resonanzfrequenz der Last 10 arbeitet,
so daß die am Kondensator 12 anliegende Spannung der Speisespannung um 900 voreilt,
wie durch die Wellenformen V36 und V34 in Fig. 2(a) dargestellt ist. In dieser Situation
sind die Ausgänge V33 und V34 von UND-Gatter 33 bzw. UND-Gatter 34 beide hoch während
genau einem Viertel jeder Periode des Ausgangssignals. Wenn der Ausgang V33 hoch
ist, ist Schalter 41 geschlossen, und während dieser Viertelperiode sind Spannung
V44 und der negative Eingang von Verstärker 46 gleich der Bezugsspannung VREF Wenn
der Ausgang V34 des UND-Gatters 34 hoch ist, ist Schalter 42 geschlossen, und während
dieser Viertelperiode beträgt die Eingangsspannung V44 gleich null. Während der
Halbperiode, in der die Ausgänge der UND-Gatter beide niedrig sind, sind beide Schalter
41 und 42 offen, und die Eingangsspannung V44 ist gleich der Bezugs spannung am
positiven Eingang des Verstärkers 44, d.h. gleich der halben Bezugsspannung VREF
Das Steuersignal VC am Ausgang des
Verstärkers 46 ist proportional
dem Unterschied zwischen dem mittleren Pegelwert der Eingangsspannung V44 und der
an den positiven Eingang angelegten Bezugsspannung. Bei Resonanz ist der Mittelwert
der Eingangsspannung V44 gleich der halben Bezugsspannung VREF, das Steuersignal
ist stetig, und der Oszillator 21 arbeitet durchgehend in Resonanzfrequenz.
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Sollte die Oszillatorfrequenz über die Resonanz frequenz anwachsen,
wie in Fig. 2(b) dargestellt ist, eilt die am Kondensator 12 anliegende Spannung
der Speisespannung um weniger als 900 vor. In diesem Zustand ist der Ausgang des
UND-Gatters 33 während eines größeren Teils der Periode hoch als der Ausgang des
UND-Gatters 34, und der Mittelwert der Spannung V44 ist größer als die halbe Bezugsspannung
VREF. Folglich besteht das Ausgangssignal des Verstärkers 46 aus einer negativen
Spannung, die proportional ist dem mittleren Unterschied zwischen Spannung V44 und
der halben Bezugsspannung VREF Dieses negative Steuersignal setzt die Frequenz des
Oszillatorsignals herab, bis die Resonanzfrequenz wiederum erreicht ist.
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Sollte die Oszillatorfrequenz niedriger werden als die Resonanzfrequenz,
wie in Fig. 2(c) dargestellt ist, eilt die Spannung am Kondensator 12 der Speisespannung
um mehr als 900 vor. In dieser Situation ist der Ausgang des UND-Gatters 34 während
eines größeren Teils der Periode höher als der Ausgang des UND-Gatters 33, und der
mittlere Wert der Spannung V44 ist niedriger als die Hälfte der Bezugsspannung VREF.
Das Steuersignal VC ist eine positive Spannung, durch welche die Oszillatorfrequenz
wiederum zur Resonanzfrequenz gesteigert wird.
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Die Erfindung weist mehrere interessante Merkmale und Vorteile auf.
Das Netzgerät arbeitet mit der Resonanzfrequenz
der Last, und wenn
die Resonanzfrequenz triften oder nach unten oder nach oben abweichen sollte, wird
der Oszillator schnell und wirksam auf die neue Resonanz frequenz eingestellt. Auf
diese Weise lassen sich die Schalttransistoren des Netzgeräts bei Stromdurchgang
null an- und abschalten, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung der Schalttransistoren
weitgehend ausgeschaltet und gleichzeitig die Leistungsabgabe der Transistoren ganz
erheblich gesteigert ist.
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- Patentansprüche: -
L e e r s e i t e