DE69007761T2

DE69007761T2 - Schaltungsanordnung für Stromversorgung einer Last wie Magnetron.

Info

Publication number: DE69007761T2
Application number: DE69007761T
Authority: DE
Inventors: Gilbert Dauge
Original assignee: Moulinex SA
Current assignee: Moulinex SA
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1990-12-18
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2010-12-19
Also published as: ES2051450T3; DE69007761D1; EP0433975A1; CA2033030A1; BR9006546A; PT96306A; US5243163A; KR910013664A; JPH04209446A; CA2033030C; KR960001024B1; EP0433975B1; PT96306B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Versorgungskreis mit Gleichspannung oder gleichgerichteter Spannung zur Versorgung einer unidirektionalen Last wie beispielsweise eines Magnetrons, der einen Aufwärtstransformator mit erhöhter Streuinduktivität aufweist, dessen Primärwicklung mit einem Umschaltelement in Reihe geschaltet ist, das dazu bestimmt ist, die Spannung in Reaktion auf einen auf ein Gate des Umschaltelements angelegten Impuls mit einer bestimmten Frequenz zu zerhacken, und dessen Sekundärwicklung dazu bestimmt ist, mit der Last verbunden zu werden, sowie einen Kondensator, der mit der Primärwicklung parallelgeschaltet ist.
Schaltungen wie die beispielsweise in der US-Patentschrift 4 318 165 von General Electric Company beschriebenen sind bereits bekannt; sie erfordern ein stark überproportioniertes Umschaltelement sowie einen Transformator, der in der Lage ist, hohe Stromspitzen auszuhalten. Darüberhinaus weist der Strom in der Last Spitzen auf, die ein Magnetron für einen Haushaltselektroofen nur schwer ertragen kann.
Um einigen dieser Nachteile abzuhelfen, wurde beispielsweise vorgeschlagen, einen Versorgungskreis des obengenannten Typs herzustellen, wie er in der unter der Nummer 202579 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 86106467 beschrieben und in Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht ist (die verschiedenen Bauteile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie den bei der Beschreibung der vorliegenden Anmeldungen verwendeten bezeichnet). Leider funktioniert diese Schaltung nicht zufriedenstellend. Der Primärstrom fließt nämlich hauptsächlich in dem Transformator und erregt die Resonanz des Sekundärkreises, wodurch es auch nötig wird, den Transformator so zu dimensionieren, daß der erhöhte Magnetisierungsstrom nicht zur Sättigung des Kreises führt. Falls andererseits der sogenannte "By-pass"-Sekundärkondensator einen geringen Wert aufweist und so, daß die Ströme in dem Kondensator und dem Magnetron von der gleichen Größenordnung sind, dann sind die Sperrströme auf dem Magnetron sehr hoch.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es; den Mängeln der oben beschriebenen Kreise abzuhelfen.
Erfindungsgemäß ist ein Versorgungskreis des vorstehend genannten Typs insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Selbstinduktionsspule aufweist, die in Reihe mit der Einheit geschaltet ist, die aus dem Kondensator und der Primärwicklung besteht, und daß das Umschaltelement aus einem unidirektionalen Stromunterbrecher besteht, sowie daß die Sekundärwicklung des Transformators direkt mit der unidirektionalen Last verbunden ist.
Dank dieser Schaltung ist das Umschaltelement nicht überproportioniert und arbeitet mit geringen Verlusten; ebenso sind die Bauteile der Schaltung nicht erhöhten Sperrspannungen unterworfen und das Magnetron empfängt nur einen Strom mit mäßigem Maximalwert.
Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der folgenden beispielhaften Beschreibung unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung; darin zeigen
Fig. 1 das Schema eines Versorgungskreises, der dem Stand der Technik entspricht;
Fig. 2 das Schema des Versorgungskreises nach der Erfindung; und
Fig. 3 eine Variante eines Teils der Schaltung von Fig. 2, bei der die Primärseite des Transformators aus zwei Teilen gebildet ist.
Bei dem in Fig. 2 beschreibenen Ausführungsbeispiel ist der Kreis insbesondere für die Versorgung eines Magnetrons 1 eines Mikrowellenofens aus einem Wechselstromleitungsnetz bestimmt, das zu den Anschlüssen 3 und 4 des Kreises gelangt. Diese Anschlüsse 3 und 4 sind an einen Gleichrichter 5 angeschlossen, der durch eine Diodenbrücke mit doppelter Wechselfolge gebildet ist und dessen Ausgang an zwei Versorgungsleitungen 6 und 7 eines Transformators 8 angeschlossen ist. Der Gleichrichter 5 weist am Ausgang ein Entstörfilter auf, das durch eine Drosselspule 9 und einen Kondensator 10 gebildet ist.
Die Leitungen 6 und 7 sind mit dem Ende 11 bzw. 12 der Primärwicklung 13 des Transformators 8 verbunden. Die Relativrichtung der Wicklungen des Transformators heißt "FORWARD". Die Leitung 7 weist in an sich bekannter Weise ein Umschaltelement 14 mit einem Gate 15, das mit einer Steuerschaltung 16 verbünden ist, sowie eine "CALC" genannte Hilfsumschalteinrichtung 16' auf.
Erfindungsgemäß weist die Schaltung ferner einen Kondensator 18 auf, der parallel zu der Primärwicklung 13 geschaltet ist, sowie eine Selbstinduktionsspule 17, die mit der so durch den Kondensator 18 und die Primärwicklung 13 gebildeten Einheit in Reihe geschaltet wird, und das Umschaltelement 14 ist durch einen unidirektionalen Stromunterbrecher gebildet, wobei die Sekundärwicklung 19 des Transformators 8 direkt mit dem Magnetron 1 verbunden ist.
Der unidirektionale Stromunterbrecher ist durch einen Abschaltthyristor ("GTO") gebildet. Der Fachmann kann anstelle des GTO-Bauteils beispielsweise eines der Bauteile "IGBT", "Thyristor" usw. verwenden und anpasen.
Der unidirektionale Unterbrecher 14 ist mit einer Diode 20 in Reihe geschaltet, die den Sperrstrom zu der Quelle untersagt, womit ein besseres Verhältnis von mittlerem injiziertem Strom zu Wirkstrom in dem Primärkreis erreicht wird. Diese Diode 20 ist so gewählt, daß sie rasch genug ist und eine ausreichende Sperrspannung liefert (praktisch mit dem gleichen Wert wie die von dem Unterbrecher 14 ausgehaltene Gleichspannung).
Nach einer in Fig. 2 in gestrichelten Linien veranschaulichten Variante ist die Diode 20 durch eine "Antiparallel"-Diode 20' ersetzt, die den Unterbrecher 14 in Nebenschluß setzt. Diese Anordnung der Diode läßt den Gegendurchgang des Stroms zu und ermöglicht es damit, insbesondere die Schaltung "CALC" 16' auszulassen.
Die Selbstinduktionsspule 17 ist mit einer sogenannten Heizsekundärwicklung 21 verbunden, deren Enden mit dem Heizelement 22 des Magnetrons 1 (Kathode) verbunden sind. Die Anode 23 des Magnetrons 1 ist direkt mit dem Ende 24 der Sekundärwicklung 19 sowie mit Masse verbunden.
Um einen regelmäßigen und zuverlässigen Betrieb dieses Kreises zu erhalten, muß die Reihenresonanzfrequenz des Kreises mit der Selbstinduktionsspule 17 und dem Kondensator 18 in der Größenordnung von 1,5- bis 2-mal der Zerhackerfrequenz des Unterbrechers 14 sein, und die Parallelresonanzfrequenz des abgestimmten Transformators 8 muß in dem Kreis mit dem Kondensator 18 und dem Transformator 8 unter der Zerhackerfrequenz sein, wenn sich der Unterbrecher im geöffneten Zustand befindet. Der Transformator muß ferner einen Kopplungskoeffizienten von 0,6 bis 0,8 sowie ein Transformationsverhältnis von 5 bis 10 aufweisen.
In der Praxis hat man festgestellt, daß dann, wenn bei einem Magnetron mit einer Betriebsspannung von 4 Kilovolt ein "GTO" mit einer maximalen Durchlaßspannung in der Größenordnug von 800 Volt verwendet wird, ein Transformationsverhältnis von etwa 7 und ein Kopplungskoeffizient von 0,7 bis 0,8 angenommen werden muß.
Nach der in Fig. 3 dargestellten Variante ist die Selbstinduktionsspule 17 durch einen sogenannten ersten Teil 25 der Primärwicklung 13' eines Transformators 8' realisiert, der mit dem anderen, dem sogenannten zweiten Teil 26 der Primärseite und der Sekundärwicklung 19' schwach gekoppelt ist, während ein Kondensator 18' parallel zu dem zweiten Teil 26 der Primärwicklung geschaltet ist, wobei die unidirektionale Last 1 direkt mit der Sekundärwicklung 19' verbunden ist, die schwach mit dem ersten und zweiten Teil der Primärwicklung 13' gekoppelt ist.
Um ein gutes Funktionieren der Schaltung nach dieser Variante zu erhalten, müssen die folgenden Bemessungsregeln angewendet werden:
Die Reihenresonanzfrequenz des ersten Teils 25 und des zweiten Teils 26 der Primärwicklung 13' mit dem Kondensator 18' liegt in der Größenordnung von 1,5- bis 2-mal der Zerhackerfrequenz des Unterbrechers 14, und die Parallelresonanzfrequenz liegt unter der Zerhackerfrequenz; die Relativrichtung der Wicklungen 13' der Primärseite und der Sekundärwicklung 19' heißt "FORWARD", und der Kopplungskoeffizient liegt zwischen 0,5 und 0,8, während das Transformationsverhältnis zwischen 5 und 10 liegt.
Im folgenden wird insbesondere unter Bezug auf Fig. 2 die Funktionsweise des Versorgungskreises für das Magnetron 1 beschrieben. Die an den Anschlüssen 3 und 4 aus dem Stromnetz austretende Wechselversorgung wird durch die Diodenbrücke mit doppelter Wechselfolge 5 gleichgerichtet, dann durch die Drosselspule 9 und den Filterkondensator 10 entstört und zu den Leitungen 6 und 7 übertragen, um über einen Umschaltbetrieb (geöffneter/geschlossener Zustand) des unidirektionalen Stromunterbrechers 14 die Primärwicklung 13 des Transformators 8 mit einem hochfrequenten Strom zu versorgen. Dieser hochfrequenter Strom ist mit den Stromimpulsen verbunden, die von dem Gate 15 des Unterbrechers 14 empfangen und von der Steuerschaltung 16 abgegeben werden.
Nimmt man an, daß das System nach einer bestimmten Betriebsdauer stationär ist, wenn sich der Unterbrecher 14 in einem geöffneten Zustand befindet, dann erreicht die Schaltung bei Schwingung auf der Parallelresonanzfrequenz eine Spannung in der Nähe der maximalen Lastspannung. In diesem Augenblick geht der Unterbrecher 14 in den geschlossenen Zustand über. Die Spannung an den Anschlüssen des Unterbrechers geht damit von dem um die Versorgungsspannung erhöhten Lastwert des Kondensators 18 zum Wert Null über, und der Strom in dem Primärkreis wird durch die Ladung des Kondensators 18 über die Selbstinduktionsspule 17 gesteuert. Dieser Strom läuft durch ein Maximum und nimmt dann bis Null ab, wenn die Selbstinduktionsspule der Schaltung des Streutransformators einen ausreichenden Wert aufweist, wobei die Dauer dieses "Bogens" in der Nähe der Reihenresonanzhalbperiode der Schaltung liegt.
Während dieser Phase entlädt sich der Kondensator 18 und lädt sich in Gegenrichtung auf, da die Spannung an seinen Anschlüssen umgekehrt ist und einen Wert aufweist, der gleich dem am Ausgangszeitpunkt betrachteten, um die durch den Strom in dem geschlossenen Unterbrecher bewirkte Ladung erhöhten Maximalwert ist.
Während der folgenden Phase schickt der Kondensator 18 über eine Schwingentladung einen Strom in die Primärseite 13 des Transformators 8, der, da er vom "FORWARD"-Typ ist sowie dank der Sekundärwicklung mit hohem Transformationsverhältnis und schwacher Kopplung, dem Magnetron 1 einen Strom ohne übermäßige Spitze liefert. Das Magnetron 1 wird leitend, und die Stärke steigt in Steuerung durch die Selbsinduktionsspule, die den Wert von di/dt begrenzt, und verstärkt damit den Stromimpuls in dem Magnetron, wobei gleichzeitig dessen Abklingzeit erhöht wird.
Wie oben erläutert, kann die Reihendiode 20 durch eine Antiparalleldiode 20' ersetzt sein. In diesem Fall wird fachgerecht ein Transformator mit einem Kopplungskoeffizienten in der Größenordnung von 0,6 und einem solchen Transformationsverhältnis gewählt, daß bei Betrieb des Magnetrons die Dampfung der Schaltung den Gegenstrom in der Diode 20' auf einen schwachen Wert vor dem Gleichstrom begrenzt. So folgt dem von der Quelle abgegebenen Stromimpuls, der in seinem positiven Teil gleich ist, aufgrund der Entladung des Kondensators 18 in der Quelle ein negativer Teil. Reicht die Dämpfung des Parallelresonanzkreises aus, dann kann der negative Teil auf einen zu vernachlässigenden Wert reduziert werden und die Betriebsweise der Schaltung ist praktisch der bei Fig. 2 beschriebenen identisch.
Der Fachmann versteht, daß die Betriebsweise der Variante nach Fig. 3 nicht genau beschrieben werden braucht, da sie ähnlich der für Fig. 2 beschriebenen ist.

Claims

1. Versorgungskreis mit Gleichspannung oder gleichgerichteter Spannung zur Stromversorgung einer unidirektionalen Last (1) wie beispielsweise eines Magnetrons, der einen Aufwärtstransformator (8) mit erhöhter Streuinduktivität aufweist, dessen Primärwicklung (13) mit einem Umschaltelement (14) in Reihe geschaltet ist, das dazu bestimmt ist, die Spannung in Reaktion auf einen auf ein Gate (15) des Umschaltelements angelegten Impuls mit einer bestimmten Frequenz zu zerhacken, und dessen Sekundärwicklung (19) dazu bestimmt ist, mit der Last (1) verbunden zu werden, sowie einen Kondensator (18), der mit der Primärwicklung (13) parallelgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Selbstinduktionsspule (17) aufweist, die in Reihe mit der Einheit geschaltet ist, die aus dem Kondensator (18) und der Primärwicklung (13) besteht, und daß das Umschaltelement (14) aus einem unidirektionalen Stromunterbrecher besteht, sowie daß die Sekundärwicklung (19) des Transformators (8) direkt mit der Last (1) verbunden ist.

2. Versorgungskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenresonanzfrequenz des Kreises mit der Selbstinduktionsspule (17) und dem Kondensator (18) in der Größenordnung von 1,5- bis 2-mal der Zerhackerfrequenz des Unterbrechers (14) liegt und die Parallelresonanzfrequenz des abgestimmten Transformators in dem Kreis mit dem Kondenstor (18) und dem Transformator (8) unter der Zerhackerfrequenz liegt, wenn sich der Unterbrecher (14) im geöffneten Zustand befindet.

3. Versorgungskreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativrichtung der Wicklungen (13 und 19) des Transformators (8) "FORWARD" heißt.

4. Versorgungskreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (8) einen Kopplungskoeffizienten von 0,6 bis 0,8 sowie ein Transformationsverhältnis von 5 bis 10 aufweist.

5. Versorgungskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstinduktionsspule (17) durch einen sogenannten ersten Teil (25) der Primärwicklung (13') eines Transformators (8') realisiert ist, der mit dem anderen, dem sogenannten zweiten Teil (26) der Primärseite und der Sekundärwicklung (19') schwach gekoppelt ist, während ein Kondensator (18') parallel zu dem zweiten Teil (26) der Primärwicklung geschaltet ist, wobei die unidirektionale Last (1) direkt mit der Sekundärwicklung (19') verbunden ist, die schwach mit dem ersten und dem zweiten Teil der Primärwicklung (13') gekoppelt ist.

6. Versorgungskreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenresonanzfrequenz des ersten Teils (25) und des zweiten Teils (26) der Primärwicklung (13') mit dem Kondensator (18') in der Größenordnung von 1,5- bis 2-mal der Zerhackerfrequenz des Unterbrechers (14) liegt und die Parallelresonanzfrequenz unter der Zerhackerfrequenz liegt.

7. Kreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativrichtung der Wicklungen der Primärseite (13') und der Sekundärwicklung (19') "FORWARD" heißt und der Kopplungskoeffizient zwischen 0,5 und 0,8 liegt, während das Transformationsverhältnis zwischen 5 und 10 liegt.

8. Kreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der unidirektionale Unterbrecher (14) mit einer Diode (20) in Reihe geschaltet ist.

9. Kreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der unidirektionale Unterbrecher (14) durch eine Antiparalleldiode (20') in Nebenschluß gelegt ist.

10. Kreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator einen Kopplungskoeffizienten in der Größenordnung von 0,6 und ein solches Transformationsverhältnis aufweist, daß bei Betrieb des Magnetrons die Dämpfung der Schaltung den Gegenstrom in der Antiparalleldiode 20' auf einen schwachen Wert vor dem Gleichstrom begrenzt.

11. Kreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der unidirektionale Unterbrecher (14) ein elektronisches Bauteil des "GTO"-Typs ist.