CN1335466A - 微波炉及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种微波炉及其控制方法,包含一个提供交流电源的电源部分,一个对交流电进行整流和滤波的整流和滤波部分,一个用来自所述整流和滤波部分的直流电产生高压的高压变压器,一个磁控管,用于通过从高压变压器提供的高压产生电磁波,微波炉还包含一个控制信号生成部分,其产生控制信号;一个转换部分;和一个控制部分,通过此结构,可控制非正常的控制信号,由此可更精确地保护微波炉的电路系统。
Description
本发明涉及一种微波炉和其控制方法，更具体的涉及一种通过控制转换控制信号而对其进行控制的微波炉和其控制方法，可使其电路系统稳定。
通常的，微波炉通过将商用交流电(AC)提供到芯型高压变压器的主绕组而获得次级高压。通过对磁控管内的阴极灯丝进行加热而进行微波炉的操作，并将高压提供给磁控管，从而振荡磁控管，由此辐射非常高频率(VHF)的能量。如果VHF和水或含水的物质(诸如食物)结合会在有限的空间内转化为热能。热能被用于对食物进行烹饪。
图6为传统的微波炉的结构的电路图。如图中所示，传统的微波炉包含电源部分51、高压变压器53，用于通过从电源部分51提供的电源产生高压，一个磁控管55，通过由高压变压器53产生的高压产生电磁波，以便加热微波炉的烹饪室中的食物；一个继电器开关57，用于对电源和频率进行开和关的切换；和一个控制部分59，当从电源部分51提供电源时控制高压变压器53、磁控管55和继电器开关57。
采用此结构，如果通过控制控制部分59而接通来自电源部分51和继电器开关57的电源，则电流开始在高压变压器的主绕组上进行流动，从而在高压变压器53的次级绕组产生高压。在高压变压器53的次级绕组上提供几个伏特的电压，以对磁控管的灯丝进行加热，并提供几千伏特的电压用于振荡磁控管55。为了将直流提供到磁控管55的负极，同样在其中提供用于整流和滤波的整流和滤波装置。
然而，由于在传统的微波炉中使用的高压变压器53的芯由硅钢片制成，其很重且体积大，并且不利于用户进行操作。由于为了在高压变压器53产生高压就必须增大高压变压器的次级绕组，这样就导致了高压变压器53的尺寸要进一步增大。
另外，为了调节来自高压变压器的次级绕组的输出电压，传统的微波炉使用控制工作比的方法，因为从低输出到高输出无法进行模拟控制。工作比控制方法控制来自电源部分51的最大比例的输出，该比例为高压变压器的“通”和“断”时间之比。在工作比控制方法中，如果最大比输出的通时间短而断时间长，则产生低输出，由于如果最大比输出的通时间长而断时间断，则产生高的输出。在通过工作比控制方法对输出进行调节时，温度就会产生很大的变化，影响对食物的烹饪，这样会降低烹饪效率，进而影响食物的味道。
相应的，本发明的目的在于克服上述的缺点，其目的之一在于提供一种微波炉，其通过使得高压变压器以模拟的方式连续和可变的产生来自次级绕组的高压输出而便于对输出进行控制。
通过具有下面结构的微波炉可实现上述的和其他的目的，所述的的微波炉包含一个电源部分，用于提供交流电；一个整流和滤波部分，用于对商用交流电进行整流和滤波；一个高压变压器，通过来自整流和滤波部分的直流电源而产生高压；和一个磁控管，用于根据来自高压变压器的高压产生电磁波，另外还包含一个控制信号发生器部分，用于产生控制信号；一个变换部分，用于根据来自控制信号生成部分的控制信号将来自整流和滤波部分的直流电转换为高压交流电；和一个控制部分，用于当被转换的控制信号不在预定的范围内时，防止通过转换部分转换的控制信号提供给磁控管。
在控制信号不在预定的范围内时，控制部分可防止控制信号进入到转换部分中。
控制部分包含一个D/A变换部分，用于将来自控制信号发生器的控制信号转换为模拟信号；一个检测部分，用于检测被D/A变换部分转换的控制信号是否在预定的范围内；一个输出控制部分，其控制通过检测器部分的控制信号的输出；和一个振荡器部分，其改变从输出控制部分输出的控制信号并将被改变的输出控制信号输入到转换部分中。
控制部分还包含一个开-关和软启动部分，其根据控制信号控制振荡器部分的开-关操作和软启动操作。
控制部分还包含一个低压断开部分，在通过电源部分输入异常电压时将断开信号提供到开-关和软启动部分及D/A变换部分，以终止开-关和软启动部分及D/A变换部分的操作。
控制部分将来自控制信号生成部分的控制信号分解为开-关和软启动部分及D/A变换部分。
将通过检测部分检测的控制信号提供到输出控制部分的输入端。
输出控制部分使用场效应晶体管(FET)的漏极和源极之间的电阻特性。
振荡器部分包含一个切换部分，用于将直流电切换为交流电。
振荡部分将外部电阻和电容器相连和振荡，以产生切换部分的门脉冲。
振荡部分的振荡频率的表达式为Fo＝1/(1.4 X(外部电阻+75)X电容)。
开-关和软启动部分使用FET的漏极和源极之间的电阻特性。
低压断开部分包含一个晶体管和一个光耦合器，其彼此串联，形成一个逻辑积(与)电路器件。
高压变压器包含一个铁氧体芯，以降低高频的损耗。
控制微波炉的方法，其中微波炉包含一个电源部分，其提供交流电，和一个整流和滤波部分，用于对商用交流电进行整流和滤波，一个转换部分，用于将来自所述整流和滤波部分的直流电转换为高频的交流电，一个高压变压器，用于通过来自转换部分的交流电产生高压；和一个磁控管，用于根据来自高压变压器的高压产生电磁波；所述的的方法包含如下的步骤：产生一个控制信号；将控制信号提供给转换部分，从而转换部分将来自整流和滤波部分的直流电转换为高频交流电；检测通过转换部分转换的控制信号是否在预定的范围内；如果控制信号不在预定的范围内，阻止控制信号被提供到磁控管。
该方法还包含如下的步骤，确定被提供到转换部分的控制信号是否在预定的范围内；并当控制信号不在预定的范围内时，阻止控制信号进入到转换部分中。
通过下面结合相应附图的详细描述会对本发明有更清楚的了解。
图1为根据本发明的微波炉的方框图；
图2为图1的详细电路图；
图3为图2中的几个点的波形和电势示意图；
图4为为了提高功率因数而对源信号叠加直流(DC)所获得的波形的示意图；
图5为检测部分的工作特性的示意图；及
图6为传统的微波炉的方框图。
参考图1和图2，根据本发明的微波炉包含一个电源提供部分7，用于提供商用交流电(AC)，一个整流和滤波部分8，用于对从电源部分7提供的电源进行整流和滤波，一个高压变压器24，用于根据商用交流电产生高压，和一个磁控管25，其通过由高压变压器24产生的高压生成电磁波。
反应器9(参见图2)和滤波电容器10(同样参见图2)与整流和滤波部分8相连，从而阻止来自转换部分的噪声泄露到外部。电阻19和与整流和滤波部分8相连的滤波电容20将在整流和滤波部分8中进行整流的大致为310V的高压降低为大约15V的电压，从而将其作为半导体驱动电源。
根据本发明的微波炉还包含一个控制信号生成部分26，其产生控制信号，和一个转换部分30，其与高压变压器24的主绕组相连，转换部分30根据通过控制信号生成部分26输入的控制信号将通过整流和滤波部分8进行整流和滤波的直流电转换为高压交流电。在转换部分30中提供一个和高压变压器24的主绕组串联连接的谐振部分6，以进行谐振操作。
另外，根据本发明的微波炉还包含一个控制部分40，用于控制通过转换部分30的谐振部分6转换的控制信号，如果被转换的控制信号不在控制信号的预定的范围内，从而使被转换的控制信号位于预定的范围。
控制部分40接收来自控制信号生成部分26的控制信号并确定控制信号是否在预定的范围内。在确定控制信号不在预定的范围中的情况下，控制部分40可阻止将控制信号提供到转换部分30。
控制部分40还具有一个D/A变换部分2，用于将来自控制信号生成部分26的控制信号转换为模拟信号，一个检测部分5，用于检测被D/A变换部分转换的控制信号，以确定控制信号是否在预定的范围内，一个输出控制部分4控制和输出由检测部分5所检测的控制信号，和一个振荡部分21，改变由输出控制部分4输出的控制信号的控制周期，以将其提供到转换部分30。振荡部分21包含一个切换部分27，用于将直流电转换为交流电；切换部分27设置一对切换电源元件。
控制部分40还包含一个开-关和软启动部分3，用于根据通过控制信号生成部分26输入的控制信号控制振荡部分21的开-关和软启动部分的操作，低压断开部分21在当通过电源部分所输入的直流电被确定为非正常时，向开-关和软启动部分3输出一个终止信号。控制部分40将通过控制信号生成部分26产生的控制信号进行分解，并将被分解的控制信号输入到D/A变换部分2和开-关和软启动部分3。
下面将详细描述被分流到D/A变换部分2中的控制信号的流动。
被分流到D/A变换部分2中的控制信号被转换为模拟信号，且将被转换的模拟信号提供到检测器部分5。在通过控制部分40确定被提供到检测器部分5的控制信号位于预定的范围内时，控制部分40将控制信号提供到输出控制部分4的输入端。将被提供到输出控制部分4的控制信号提供到振荡部分21的输入端，通过振荡部分21进行改变，并然后输入到转换部分30。通过高压变压器24的主和次级绕组将被输入到转换部分30的控制信号转换为具有高频的交流电，从而产生电磁波。
控制部分40确定通过转换部分30转换的控制信号是否在预定的范围内。在控制部分40确定被转换的控制信号不在预定的范围内时，控制部分40阻止被转换的控制信号被提供到磁控管25。如果确定被转换的控制信号在预定的范围内，则控制部分40将被转换的控制信号通过输出控制部分4和转换部分30提供到磁控管25。
另外，如上所述，在控制部分40确定通过D/A变换部分的控制的信号不在预定的范围内时，控制部分40阻止控制信号被提供到输出控制部分4，从而以更稳定的方式对电路进行保护。
由于通过半导体振荡用高频(大约20Khz)驱动高压变压器24，可有效的使用铁氧体芯并使高频转换损耗降低到最小，从而无须增大高压变压器24的次级绕组的绕数。使用铁氧体芯的高压变压器与传统的芯型的高压变压器相比尺寸很小，且重量轻。
下面将参考图2对构成控制部分30的D/A变换部分2、开-关和软启动部分3、振荡部分21、输出部分4等进行详细描述。
当最初将电源从电压部分7提供到微波炉时或当微波炉处于备用状态时，从信号生成部分26不向和控制信号生成部分26相连的光耦合器18输入控制信号，因此转换部分不工作。这意味着不产生来自转换部分30的振荡。为了使转换部分30进行振荡，需要连续的从控制信号生成部分26通过光耦合器18的输入端提供脉宽调制(PWM)波形。
被提供到光耦合器18的PWM波的作用在于对转换部分30进行控制(启动振荡)，并通过根据PWM波形的脉宽的变化改变振荡部分21的振荡频率而控制来自转换部分30的输出。
当PWM波不被提供到开-关和软启动部分3时，用通过电阻302和电容303进行偏置的基极导通构成开-关和软启动部分3的晶体管306。如果晶体管306导通，则场效应晶体管(FET)310的栅极电压变为最小，而FET310的漏极和源极之间的电阻变为无限大。当FET的漏极和源极之间的电阻变为无限大时，导致电容311与振荡部分21分离，从而终止振荡部分21的振荡。因此，转换部分30停止工作。
相反的，在将PWM波提供到开-关和软启动部分3时，通过导向二极管301对晶体管306的基极偏压进行分流，从而保证晶体管306断开。齐纳二极管304截止晶体管306的基极偏压，使得晶体管维持该状态。如果晶体管306断开，用VCC电压通过电阻305和门电阻307对滤波电容器308进行缓慢充电。相应的，FET310的漏极和源极之间的电阻缓慢降低，导致振荡电容器311和振荡部分21结合，从而开始振荡。
在将PWM波提供到光耦合器18的输入端的情况下，根据PWM波形的高值和低值之间关系确定D/A转换器2的模拟电压值。
在电压值(P2)被降低的情况下，FET402的漏极和源极之间的电阻值被增大，以使得振荡频率被降低，且转换部分30的输出被增大。电阻201用于FET402的栅极偏压；电阻203和205及电容204为π-型滤波器，将数字PWM波转换为模拟波，并通过门电阻401提供到FET310。
如上所述，FET310的漏极和源极之间的电阻用于连接和分离振荡部分21和振荡电容311。在漏极和源极之间的电阻为高的情况下，电容器311具有低电容，从而增大振荡频率。相反的，在漏极和源极之间的电阻很低且可被忽略的情况下，电容311的整个电容产生振荡。
在振荡频率很高的情况下，转换部分30的输出下降。因此，当转换部分30开始振荡时，需要尽可能高的增大振荡频率，从而使输出尽量的小，然后缓慢的降低频率，直到获得所需的输出，从而对各个电子元件都不造成负担。软启动操作要考虑到振荡频率和转换部分30的所有的性能。本发明是通过FET310之间的漏极和源极之间的电阻性质实现软启动。
下面将详细的对本发明的输出控制部分进行描述。
振荡部分21通过其自身进行振荡，当将外部电阻(RT)和电容(CT)结构相连时，产生切换元件22和23的门脉冲。
通过公式Fo＝1/4(1.4*(RT+75)*CT)获得振荡部分21的振荡频率Fo，其中外部电阻(RT)＝电阻(404)/{电阻(403)+漏极和源极之间的电阻(402)}，而电容(CT)＝电容(311)。
通过改变外部电阻(RT)的值可改变振荡频率。根据本发明的转换部分使用FET 402的漏极和源极之间的电阻性质改变外部电阻值。
改变振荡频率的目的在于除了控制转换部分30的输出外还用于提高转换部分30的功率因数。在来自转换部分30的输出未考虑功率因数增大的情况下，与通过电源部分提供的电压成比例的确定高压变压器24的次级绕组的电压。所提供的电压为对交流电进行了整流的波形，而次级高压的波形与被整流的波形相同。结果，磁控管25工作在次级高压的顶点(交流信号的90度和270度)附近。相反的，在零交叉点附近(交流信号的0度和180度)磁控管25停止工作，这是因为次级高压很低，其缩短了磁控管的振荡元件的寿命，且降低了电能效率。因此，最好所提供的振荡元件在交流波形的整个范围内具有与电阻相类似的负载特性。
如图3中所示，其示出了图2的几个点的电势和波形，通过提高功率因数，可使磁控管25在交流信号的整个部分具有均一的负载。然而，在非线性负载结构下，在直流信号的整个部分具有均一的负载很不容易，只有在纯电阻负载的情况下才可能。因此，为了控制磁控管26使其具有均一的负载特性，应反向的对工作电压进行校准。
通过在90度和270度附近降低提供到磁控管的高压可实现对工作电压的反向校准，在该位置磁控管处于最大的工作状态，并在0度和180度附近增大高压，在该位置磁控管处于最低的工作状态。因此，可获得接近纯电阻负载的电流。
二极管11和12为全波整流电路元件，用于获得所需的交流信号波形，提高功率因数，并控制低压断开部分1。将所获得的波形信号通过衰减电阻元件13和14转换为低压，并通过电容17发送到输出控制部分4的栅极。电容17只可传送交流信号，而不降低输出控制部分4的栅极偏压，从而保证FET402总是处于工作状态。
在相角为90度和270度的情况下，通过求信号波的基准偏压的权重而获得栅极偏压的强度，从而FET的漏极和源极之间的电阻被改变，使得转换部分30的输出也被改变。即，在相角为90度和270度的情况下，FET402的漏极和源极之间的电阻变为最小，而振荡部分21的振荡频率变为最大，从而降低转换部分的输出。图4示出了用于提高功率因数的被叠加了直流信号的源信号波形的示意图。如上所述，通过交流电获得用于提高功率因数的参考源；和利用FET的漏极和源极之间的电阻的变化提高功率因数。
其中，由于异常的电压线路或雷电的产生，低压断开部分1通过延缓转换部分30的操作而对变化的功率元件进行保护，其中交流输入电压非常的低。用于由衰减电阻15和16通过低压断开部分1的二极管101而转换为低压的交流信号对滤波电容器103进行充电。当用于对滤波电容器103进行充电的交流信号低于齐纳二极管102的预定值时，晶体管104断开，去掉被提供到光耦合器18的PWM波，并延缓转换部分30的振荡。光耦合器18和低压断开部分1的晶体管104彼此串联连接，由于这些元件为逻辑积的关系，即“与”的关系，从而如果其中一个断开的话，则整体会断开。
当在谐振部分6中产生的谐振电压高于预定的值的情况下，检测部分5通过分压的电阻601和505将谐振电压提供到晶体管504的基极。在用被提供到晶体管504的谐振电压对发射电阻503和充电电容502进行充电的情况下，通过二极管501将谐振电压提供到输出控制部分的输入端。
由于受到来自电源线的浪涌噪声的影响，谐振部分6的谐振电压陡升。为了保护电路免受噪声的影响，根据本发明，通过利用发射极-接地的晶体管将异常的谐振电压转换为正常的电压，并将被转换的常压输送回输出控制部分4的输入端，从而使得谐振部分工作在闭合的环路。
如图5中所示，其示出了在转换部分30开始工作之前检测部分的工作特性的示意图，即在转换部分30的被延缓期间，当谐振部分6的中央电压P6为V/2时，开始最优的软启动。这里，“V”表示通过反应器9被提供到切换电源元件22的集电极和谐振电容602的直流电压。其中交流电为220V，而V为大约310V，因此V/2为大约155V。
为了将电压(P6)调节到V/2，负载电阻502的值应等于电阻601和电阻505之和。然而，电阻505的值与电阻601相比小到可被忽略，电阻502具有和电阻601相等的值，从而使得对谐振部分6的中心点(P6)可提供值为V/2的直流偏压。
用于本发明的微波炉的转换器的主要功能在于通过半导体的振荡产生高压，另外，通过改变振荡频率而增大或降低从半导体振荡所获得的高压的强度。如果振荡频率被降低，谐振电流增大，从而增大高压。相反的，如果振荡频率被增大，则次级高压被降低。
微波炉的输出，即磁控管的输出与高压变压器的次级高压的强度成比例，因此，通过控制次级高压而对微波炉的输出进行控制。
如上所述，根据本发明的微波炉通过将控制信号反馈回微波炉可对其输出进行精确的控制。通过检测控制信号的异常状态，可对电路系统进行保护，从而增强其稳定性。
虽然为了描述的目的已经对本发明的具体的实施例进行了描述，但对本领域中的技术人员而言，对其所做的各种的变化和修改都在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (16)
1一种微波炉，包含一个电源部分，用于提供交流电；一个整流和滤波部分，用于对商用交流电进行整流和滤波；一个高压变压器，通过来自整流和滤波部分的直流电源而产生高压；和一个磁控管，用于根据来自高压变压器的高压产生电磁波，其特征在于还包含：
一个控制信号发生器部分，用于产生控制信号；
一个变换部分，用于根据来自控制信号生成部分的控制信号将来自整流和滤波部分的直流电转换为高压交流电；和
一个控制部分，用于当被转换的控制信号不在预定的范围内时，防止通过转换部分转换的控制信号提供给磁控管。
2.根据权利要求1所述的微波炉，其特征在于在控制信号不在预定的范围内时控制部分可阻止控制信号进入到转换部分中。
3.根据权利要求2所述的微波炉，其特征在于控制部分包含一个D/A变换部分，用于将来自控制信号发生器的控制信号转换为模拟信号；
一个检测部分，用于检测被D/A变换部分转换的控制信号是否在预定的范围内；
一个输出控制部分，其控制通过检测器部分的控制信号的输出；和
一个振荡器部分，其改变从输出控制部分输出的控制信号并将被改变的输出控制信号输入到转换部分中。
4.根据权利要求3所述的微波炉，其特征在于控制部分还包含一个开-关和软启动部分，其根据控制信号控制振荡器部分的开-关操作和软启动操作。
5.根据权利要求4所述的微波炉，其特征在于控制部分还包含一个低压断开部分，在通过电源部分输入异常电压时将断开信号提供到开-关和软启动部分及D/A变换部分，以终止开-关和软启动部分及D/A变换部分的操作。
6.根据权利要求4所述的微波炉，其特征在于控制部分将来自控制信号生成部分的控制信号分解为开-关和软启动部分及D/A变换部分。
7.根据权利要求3所述的微波炉，其特征在于将通过检测部分检测的控制信号提供到输出控制部分的输入端。
8.根据权利要求7所述的微波炉，其特征在于输出控制部分使用场效应晶体管(FET)的漏极和源极之间的电阻特性。
9.根据权利要求3所述的微波炉，其特征在于振荡器部分包含一个切换部分，用于将直流电切换为交流电。
10.根据权利要求9所述的微波炉，其特征在于振荡部分将外部电阻和电容器相连和振荡以产生切换部分的门脉冲。
11.根据权利要求10所述的微波炉，其特征在于振荡部分的振荡频率的表达式为Fo＝1/(1.4X(外部电阻+75)X电容)。
12.根据权利要求4所述的微波炉，其特征在于开-关和软启动部分使用FET的漏极和源极之间的电阻特性。
13.根据权利要求5所述的微波炉，其特征在于低压断开部分包含一个晶体管和一个光耦合器，其彼此串联，形成一个逻辑积(与)电路器件。
14.根据权利要求1所述的微波炉，其特征在于高压变压器包含一个铁氧体芯，以降低高频的损耗。
15.一种控制微波炉的方法，其中微波炉包含一个电源部分，其提供交流电，和一个整流和滤波部分，用于对商用交流电进行整流和滤波，一个转换部分，用于将来自所述整流和滤波部分的直流电转换为高频的交流电，一个高压变压器，用于通过来自转换部分的交流电产生高压；和一个磁控管，用于根据来自高压变压器的高压产生电磁波；其中的方法包含如下的步骤：产生一个控制信号；将控制信号提供给转换部分，从而转换部分将来自整流和滤波部分的直流电转换为高频交流电；检测通过转换部分转换的控制信号是否在预定的范围内；如果控制信号不在预定的范围内阻止控制信号被提供到磁控管。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于该方法还包含如下的步骤：
确定被提供到转换部分的控制信号是否在预定的范围内；
并当控制信号不在预定的范围内时阻止控制信号进入到转换部分中。
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