DE4023132A1 - Hochfrequenz-heizvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenz-Heiz­ vorrichtung, etwa einen Mikrowellenherd, bei der ein(e) Gleichspannung oder -strom, die bzw. der durch Gleich­ richten einer von einem Wechselrichterkreis gelieferten und durch einen Transformator hinauftransformierten Hochfrequenzspannung in einem Gleichrichterkreis erhal­ ten wird, für die Ansteuerung eines Magnetrons benutzt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine derarti­ ge Hochfrequenz-Heizvorrichtung mit einer Einheit zum Detektieren eines abnormalen Zustands eines elektri­ schen Stromkreises zum Anlegen der Spannung an die Ano­ de des Magnetrons.

Eine herkömmliche Hochfrequenz-Heizvorrichtung der oben umrissenen Art umfaßt eine Gleichrichtereinheit zum Um­ wandeln einer Wechselstrom-Netzspeisespannung in eine Gleichspannung und eine Wechselrichtereinheit mit einem Schalt(er)element und einem Transformator, der auch als Induktivitäts- oder Spuleneinheit dient. Die Gleichspan­ nung von der Gleichrichtereinheit wird an den Transfor­ mator über das zum Schließen und Öffnen angesteuerte Schaltelement angelegt, so daß von der Wechselrichter­ einheit eine Hochfrequenzspannung geliefert wird. Die Hochfrequenz-Heizvorrichtung umfaßt ferner ein Magne­ tron, das mit einem Hochfrequenz-Gleichrichterkreis verbunden ist, welcher die Wechselspannung von der Se­ kundärwicklung des Transformators gleichrichtet und da­ mit eine an das Magnetron anzulegende Gleichspannung liefert. Eine Steuerschaltung dient zum Steuern der EIN- und AUS- bzw. Schließ- und Offenperioden des Schaltelements in der Weise, daß ein Magnetron-Anoden­ strom auf einer vorbestimmten Größe gehalten wird. Die Wechselrichtereinheit ist vorgesehen zur Verringerung der Größe des verwendeten Transformators für die Liefe­ rung der hohen Spannung, die an das Magnetron angelegt bzw. diesem zugespeist wird.

Bei der beschriebenen Hochfrequenz-Heizvorrichtung wird das Magnetron bei Anlegung der Gleichspannung an dieses in Schwingung versetzt. Infolgedessen erzeugt das Ma­ gnetron Mikrowellenenergie, die auf ein zu garendes Nah­ rungsmittel abgestrahlt wird. Wenn das Magnetron konti­ nuierlich betrieben oder angesteuert wird, erwärmt sich ein Dauermagnet desselben als Folge der Wärmeerzeugung durch das Magnetron. Mit der Temperaturerhöhung des Dauermagneten verringert sich folglich die Zahl bzw. Größe der induzierten Magnetflüsse. Mit der Temperatur­ zunahme am Dauermagneten steigt auch die Größe des Ano­ denstroms des Magnetrons an, womit auch die Größe der erzeugten Mikrowellenenergie zunimmt. Um eine unnötige Erhöhung des Magnetron-Anodenstrome zu vermeiden, wird üblicherweise parallel zur Primärwicklungs-Eingangs­ leitung des Transformators ein Stromwandler zum Detek­ tieren oder Messen (detecting) eines Transformator-Ein­ gangsstroms vorgesehen; weiterhin wird eine Stromregel­ einheit zum Steuern des Schaltelements der Wechselrich­ tereinheiten in Abhängigkeit von einem Strommeßsignal vom Stromwandler vorgesehen, so daß der Magnetron-Ano­ denstrom auf einer vorbestimmten Größe gehalten wird.

Andererseits hat es sich als wünschenswert und zweck­ mäßig erwiesen, Maßnahmen gegen einen abnormalen Zu­ stand, wie ein Durchbrennen in einem Transformator-Se­ kundärwicklungskreis oder dem Stromkreis zum Anlegen der Spannung an die Magnetronanode, zu treffen. Ob­ gleich eine derartige Maßnahme an sich darin besteht, den Eingangsstrom zu einer Primärwicklung des Transfor­ mators zu detektieren bzw. zu messen und damit den ab­ normalen Zustand zu erfassen, ist diese Maßnahme aus dem Grund undurchführbar, weil die genannte Stromregel­ einheit zum Regeln des Magnetron-Anodenstroms so arbei­ tet, daß eine Erhöhung und Verringerung im Primär(wick­ lungs)strom begrenzt (restrained) wird.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Hochfrequenz-Heizvorrichtung, bei welcher ein abnorma­ ler Zustand oder Störzustand des Transformator-Sekun­ därwicklungskreises, wie Durchbrennen oder Stromkreis­ unterbrechung (open circuit), einwandfrei festgestellt werden kann, ohne den Transformator-Eingangsstrom zum Zwecke der Spannungsanlegung an die Magnetronanode zu detektieren, und der Betrieb eines Magnetron-Ansteuer­ kreises bei Feststellung eines solchen Störzustands un­ terbrochen werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist eine Hochfrequenz-Heizvor­ richtung, umfassend einen Transformator mit Primär- und Sekundärwicklungen, eine Wechselrichtereinheit mit einem elektrisch mit der Primärwicklung des Transforma­ tors verbundenen Schwingkreis und einem zum Ein- und Ausschalten bzw. Durchschalten und Sperren angesteuer­ ter Schalt(er)element, so daß dem Schwingkreise intermit­ tierend ein Gleichstrom zugespeist wird, um eine Hoch­ frequenzspannung in der Primärwicklung zu induzieren, ein Magnetron, das mit einem Hochfrequenz-Gleichrichter­ kreis zum Gleichrichten einer Wechselspannung von der Sekundärwicklung des Transformators zu einer Gleichspan­ nung, welche dem Magnetron zuspeisbar ist, verbunden ist, und einer Steuerschaltung zum Steuern der EIN- und AUS-Perioden des Schalt(er)elements, um damit einen Ma­ gnetron-Anodenstrom zu regeln, die gekennzeichnet ist durch eine im Transformator vorgesehene, magnetisch an die Primärwicklung angekoppelte Meß- oder Detektorwick­ lung zum Detektieren oder Erfassen einer induzierten Spannung, deren Größe entweder einen Kurzschluß oder einen offenen (unterbrochenen) Stromkreis im Sekundär (wicklungs)kreis des Transformators angibt, eine Ab­ normal- oder Störzustands-Detektoreinheit zum Feststel­ len eines abnormalen Zustands oder Störzustands des Se­ kundärkreises des Transformators anhand der durch die bzw. in der Detektorwicklung induzierten Spannung und eine Unterbrechungseinheit zum Unterbrechen bzw. Been­ den des Betriebs des Schalt(er)elements, wenn der Stör­ zustand des Sekundärkreises des Transformators durch die Störzustands-Detektoreinheit erfaßt wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung kennzeichnet sich diese Hochfrequenz-Heizvorrichtung durch eine Alarmeinheit für Alarmauslösung, wenn der Störzustand des Sekundär­ kreises des Transformators durch die Störzustands-Detek­ toreinheit erfaßt wird.

Vorteilhaft ist dabei ferner, daß die Detektorwicklung zwischen Primär- und Sekundärwicklung des Transforma­ tors angeordnet und mit Masse verbunden oder geerdet ist.

Ein Transformatorkern bei der oben umrissenen Vorrich­ tung wird stark durch einen Sekundärmagnetfluß beein­ flußt, der durch den Sekundärwicklungsstrom induziert wird. Die Meß- oder Detektorwicklung ist dabei so ange­ ordnet, daß sie über den Transformatorkern magnetisch an die Primärwicklung angekoppelt ist. Wenn sich der Sekundär(wicklungs)kreis in einem abnormalen oder Stör­ zustand, wie Kurzschluß oder Stromkreisunterbrechung bzw. offener Stromkreis (open-circuit), befindet, schwankt der Sekundärwicklungsstrom entsprechend, wo­ durch sich die Größe eines magnetischen Streuflusses ändert. Dementsprechend ändert sich auch die durch die bzw. in der Detektorwicklung induzierte Spannung.

Anhand der von der Detektorwicklung erzeugten Aus­ gangsspannung erfaßt die Störzustands-Detektoreinheit den Störzustand des Sekundärwicklungskreises. Als Er­ gebnis wird der EIN/AUS-Betrieb des Schalt(er)elements unterbrochen, und es findet eine Alarmauslösung statt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Magnetron-Ansteuer­ schaltung, wie sie bei einer Hochfrequenz- Heizvorrichtung gemäß der Erfindung vorge­ sehen ist,

Fig. 2(a) und 2(b) graphische Wellenformdarstellun­ gen eines Primär(wicklungs)stroms bzw. der Spannung eines Aufwärtstransformators, der auch als Induktivität oder Spule (inductance coil) eines Wechselrichterkreises dient,

Fig. 3 eine Vorderansicht des zur Lieferung eines Magnetron-Anodenstroms verwendeten Trans­ formators und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Windungszahl der Transformator- Sekundärwicklung, bei welcher ein Kurz­ schluß aufgetreten ist (Ordnungszahl), und der durch eine bzw. in einer Detektorwick­ lung induzierten Spannung.

Gemäß Fig. 1 wird eine Wechselspannung von einem Wech­ selstromnetz 1 durch eine in Brückenschaltung vorlie­ gende, als Gleichrichterkreis dienende Diode 2 gleich­ gerichtet und durch eine Drosselspule 3 und einen Glät­ tungskondensator 4 geglättet, so daß damit eine Gleich­ spannung erhalten wird, die wiederum durch einen Wech­ selrichterkreis 5 in eine Hochfrequenzspannung einer Frequenz von etwa 30 kHz umgewandelt wird. Der Wechsel­ richterkreis 5 umfaßt eine Primärwicklung 6a eines Auf­ wärtstransformators 6, auch als Induktivität oder Spule wirkend, einen Schalttransistor 7 als Schalt(er)ele­ ment, einen Resonanzkondensator S und eine Diode 9. Ein Ausgangssignal von einer Sekundärwicklung 6b des Trans­ formators 6 wird einer Halbweggleichrichtung durch eine Hochfreguenz-Gleichrichtereinheit oder Gleichrichter­ diode 10 und einen Kondensator 11 unterworfen und dann einem Magnetron 12 zugespeist.

Eine Tertiärwicklung 6c des Transformators 6 dient zum Aktivieren (energizing) eines Heizelements des Magne­ trons 12. Die vom Magnetron 12 erzeugte Hochfrequenz­ energie wird in einen Garraum der Hochfrequenz-Heizvor­ richtung abgestrahlt, um ein darin eingebrachtes Nah­ rungsmittel zu garen.

Der Schalttransistor 7 des Wechselrichterkreises 5 wird einer EIN/AUS- oder Schließ/Öffnungs-Steuerung durch eine Steuerschaltung 15 unterworfen, die einen Mikro­ rechner 13 und eine Transistor-Ansteuerschaltung 14 um­ faßt. Zur Gewährleistung der EIN/AUS-Steuerung des Schalttransistors 7 ist ein spannungsteilender Wider­ standskreis 17 parallel zu einem Schwingkreis 16 in Form einer Reihenschaltung aus der Primärwicklung 6a und dem Resonanzkondensator S geschaltet. Wenn der Schalttransistor 7 im Wechselrichterkreis 5 EIN/AUS- gesteuert (durchgeschaltet/geschlossen) wird, werden im Schwingkreis 16 ein Schwingstrom (oszillierender Strom) I_L und eine Schwingspannung (oszillierende Spannung) V_L erzeugt, wie sie in Fig. 2(a) bzw. 2(b) dargestellt sind, in denen eine EIN- bzw. Durchschaltperiode des Schalttransistors 7 mit T1 und eine freie Schwingungs­ periode mit T2 bezeichnet sind. Die Schwingspannung V_L wird durch den Spannungsteiler-Widerstandskreis 17 ab­ gegriffen und dem Mikrorechner 13 als Synchronsignal S1 zugespeist. Infolgedessen wird der Schalttransistor 7 so (an)gesteuert, daß die Zeitspanne, in welcher er zum Schließen angesteuert (initiated) ist, mit der Zeit synchronisiert ist, zu welcher die Schwingspannung V_L die Größe VO entsprechend einem Nulldurchgangspunkt t0 des Schwingstroms I_L erreicht. Ein Stromwandler 18 ist über eine (parallel zu einer) Wechselstrom-Eingangslei­ tung der in Brückenschaltung Vorliegenden Diode 2 ge­ schaltet, wobei diese Eingangsleitung der Primär(wick­ lungs)seite des Transformators 6 entspricht. Da ein Ausgangsstrom des Stromwandlers 18 einem Anodenstrom des Magnetrons 12 proportional ist, wird der Ausgangs­ strom des Stromwandlers 18 dem Mikrorechner 13 als Ma­ gnetronanodenstrom-Detektionssignal S2 zugespeist. Auf der Grundlage des Signals S2 steuert der Mikrorechner 13 den Schalttransistor 7 so an, daß dessen EIN- bzw. Durchschaltperiode mit einer Erhöhung der Größe des Anodenstroms verkürzt wird; damit wird der Anodenstrom auf einer vorbestimmten Größe gehalten.

Im Transformator 6 ist eine Meß- oder Detektorwicklung 19 vorgesehen, die - wie in Fig. 3 näher veranschau­ licht - zwischen der Primärwicklung 6a und der Sekun­ därwicklung 6b, die beide auf den Transformator-Kern 6d gewickelt sind, angeordnet und an ihrer einen Seite über den Kern 6d magnetisch an die Primärwicklung 6a angekoppelt ist. Alle Wicklungen 6a, 6b, 6c und 19 sind unter Zwischenfügung von Spulenträgern 20 auf den Kern 6d gewickelt. Die Detektorwicklung (detecting winding) 19 liegt mit ihrer anderen Seite an Masse. Eine in der Detektorwicklung 19 induzierte Spannung wird dem Mikro­ rechner 13 der Steuerschaltung 15 über einen Gleich­ richterkreis 21 und einen A/D-Wandler(kreis) 22 zuge­ speist. Eine Anzeigeeinheit 23 in Form einer Leucht­ diode (LED) vermag einem Anwender ein Alarmsignal zu liefern.

Der Mikrorechner 13 dient als Alarmeinheit sowie als Störzustands-Detektoreinheit zum Detektieren bzw. Er­ fassen eines abnormalen Zustands bzw. Störzustands des Sekundärkreises des Transformators 6 und (als) Unter­ brechungseinheit zum Unterbrechen des Wechselrichter­ kreises 5. Diese Funktionen des Mikrorechners 13 sind nachstehend in Verbindung mit der Arbeitsweise der De­ tektorwicklung 19 im einzelnen beschrieben.

Im Betrieb der beschriebenen Hochfrequenz-Heizvorrich­ tung erzeugt das Magnetron 12 Mikrowellenenergie einer Frequenz von etwa 2450 MHz, die in den Garraum gelie­ fert wird. Ein erfindungsgemäß durchgeführter Versuch hat ergeben, daß in einem Normalzustand des Sekundär­ kreises des Transformators 6 eine Spannung von etwa 1,8 V in der Detektorwicklung 19 induziert wird. Wenn ein Kurzschluß im Transformator-Sekundärkreis aufgetre­ ten ist oder, genauer gesagt, ein Kurzschluß zwischen den beiden Seiten der Sekundärwicklung 6b infolge eines Kurzschlusses zwischen ihren beiden Ausgangsanschlüs­ sen, eines Kurzschlusses zwischen den beiden Seiten einer Reihenschaltung aus der Diode 10 und dem Kon­ densator, eines Kurzschlusses im Magnetron 12 oder aus anderen Gründen stattgefunden hat, fällt die in der De­ tektorwicklung 19 induzierte Spannung auf eine Größe von 0,7 V, und zwar als Folge eines übermäßigen An­ stiegs des um die Sekundärwicklung 6b herum induzierten Magnetflusses. Wenn dagegen ein geschlossener Strom­ kreis (closed loop) zwischen den beiden Ausgangsan­ schlüssen der Sekundärwicklung 6b oder der Transforma­ tor-Sekundär(wicklungs)kreis geöffnet wird, verringert sich die Größe des um die Sekundärwicklung 6b induzier­ ten Magnetflusses zu Null. Infolgedessen steigt die in der Detektorwicklung 19 induzierte Spannung auf 2,2 V an. Wenn ferner ein Kurzschluß in der Sekundärwicklung 6b stattfindet, variiert die in der Detektorwicklung 19 induzierte Spannung im Bereich zwischen 0,7 V und 1,8 V entsprechend der Windung der Wicklung, in welcher der Kurzschluß aufgetreten ist (vgl. Fig. 4).

Im Mikrorechner 13 ist eine Referenz- oder Bezugsgröße vorabgespeichert, anhand derer bestimmt wird, ob sich die Sekundärwicklung 6b in einem abnormalen Zustand bzw. Störzustand, wie Kurzschluß oder offener Strom­ kreis, befindet oder nicht. Anhand eines Vergleichs der in der Detektorwicklung 19 induzierten Spannung mit der Bezugsgröße stellt der Mikrorechner 13 fest, ob sich die Sekundärwicklung 6b im genannten Störzustand be­ findet oder nicht. Wenn ein Störzustand der Sekundär­ wicklung 6b festgestellt wird, bewirkt der Mikrorechner 13 die Unterbrechung (oder Beendigung) der Schaltope­ ration des Schalttransistors 7 und die Aktivierung der Anzeigeeinheit 23 für die Auslösung eines den Störzu­ stand anzeigenden Alarms. Die Anzeigebetriebsarten sind für Kurzschluß und Zustand eines offenen Stromkreises unterschiedlich.

Bei der beschriebenen Ausführungsform kann somit ein Störzustand des Sekundär(wicklungs)kreises des Trans­ formators 6, z. B. Kurzschluß und offener Stromkreis, festgestellt werden. Bei Erfassung des Störzustands wird der Schalttransistor 7 deaktiviert oder die Akti­ vierung bzw. Spannungsspeisung des Magnetrons über den Wechselrichterkreis 5 unterbrochen bzw. beendet. Auf diese Weise kann ein Betrieb der Hochfrequenz-Heizvor­ richtung in einem Störzustand des Transformator-Sekun­ därkreises verhindert werden. Da weiterhin bei Erfas­ sung des Störzustands eine Alarmauslösung erfolgt, kann der Anwender unverzüglich vom Auftreten des Störzu­ stands informiert werden.

Wie erwähnt, ist die Detektorwicklung 19 zwischen Pri­ mär- und Sekundärwicklung 6a bzw. 6b des Transformators 6 angeordnet und an Masse gelegt. Auch wenn sich die Isolierung der Sekundärwicklung 6b, als Hochspannungs­ wicklung, verschlechtert, kann infolgedessen die De­ tektorwicklung 19, die eine kleinere Windungszahl als die Sekundärwicklung 6b aufweist (Windungszahlverhält­ nis z. B. 1 : 3), einen Kurzschluß(strom) zwischen den beiden Seiten der Sekundärwicklung 6b über die Masse­ leitung ableiten. Folglich kann eine Übertragung der Hochspannung von der Sekundär(wicklungs)seite zur Sei­ te der Primärwicklung 6a oder des Wechselstromnetzes 21 verhindert werden.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform beim Auftreten eines Störzustands sowohl die Deaktivierung des Wechselrichterkreises als auch die Alarmauslösung erfolgen, kann auch jeweils nur eine dieser Maßnahmen durchgeführt werden.

Claims (3)

1. Hochfrequenz-Heizvorrichtung, umfassend einen Trans­ formator (6) mit Primär- und Sekundärwicklungen (6a; 6b), eine Wechselrichtereinheit (5) mit einem elek­ trisch mit der Primärwicklung (6a) des Transforma­ tors (6) verbundenen Schwingkreis und einem zum Ein- und Ausschalten bzw. Durchschalten und Sperren ange­ steuerter Schalt(er)element (7), so daß dem Schwing­ kreis intermittierend ein Gleichstrom zugespeist wird, um eine Hochfrequenzspannung in der Primärwick­ lung (6a) zu induzieren, ein Magnetron (12), das mit einem Hochfrequenz-Gleichrichterkreis (5) zum Gleich­ richten einer Wechselspannung von der Sekundärwick­ lung (6b) des Transformators (6) zu einer Gleichspan­ nung, welche dem Magnetron (12) zuspeisbar ist, ver­ bunden ist, und einer Steuerschaltung (15) zum Steu­ ern der EIN- und AUS-Perioden des Schalt(er)elements (7), um damit einen Magnetron-Anodenstrom zu regeln, gekennzeichnet durch eine im Transformator (6) vor­ gesehene, magnetisch an die Primärwicklung (6a) an­ gekoppelte Meß- oder Detektorwicklung (19) zum De­ tektieren oder Erfassen einer induzierten Spannung, deren Größe entweder einen Kurzschluß oder einen of­ fenen (unterbrochenen) Stromkreis im Sekundär(wick­ lungs)kreis des Transformators (6) angibt, eine Ab­ normal- oder Störzustands-Detektoreinheit (15) zum Feststellen eines abnormalen Zustands oder Störzu­ stands des Sekundärkreises des Transformators (6) anhand der durch die bzw. in der Detektorwicklung (19) induzierten Spannung und eine Unterbrechungs­ einheit (15) zum Unterbrechen bzw. Beenden des Be­ triebs des Schalt(er)elements (7), wenn der Störzu­ stand des Sekundärkreises des Transformators (6) durch die Störzustands-Detektoreinheit erfaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Alarmeinheit für Alarmauslösung, wenn der Stör­ zustand des Sekundärkreises des Transformators durch die Störzustands-Detektoreinheit erfaßt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorwicklung (19) zwischen Primär- und Sekundärwicklung (6a; 6b) des Transformators (6) an­ geordnet und mit Masse verbunden oder geerdet ist.