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Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung mit einem ersten Schwingkreis mit einer ersten Induktionsspule, wobei der erste Schwingkreis eine erste Resonanzfrequenz aufweist, mit einem zweiten Schwingkreis mit einer zweiten Induktionsspule, wobei der zweite Schwingkreis eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, und mit einem ansteuerbaren Schaltmittel mit einem Ausgang. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Induktionsheizvorrichtung.
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Gattungsgemäße Induktionsheizvorrichtungen werden insbesondere für Induktionskochfelder verwendet. Die Induktionsspulen dienen dazu, auf bekannte Art und Weise ein Kochgeschirr, welches sich auf einer Kochfeldplatte befindet, mittels eines elektromagnetischen Feldes und Wirbelströmen im Kochgeschirr zu erwärmen. Hierzu sind die Induktionsspulen meist unmittelbar unterhalb der Kochfeldplatte angeordnet. Dabei ist häufig eine separate Schaltung oder Auswahl der Leistungsabgabe der einzelnen Schwingkreise sinnvoll, beispielsweise wenn ein Kochfeld mehrere Kochfelder hat oder wenn die Größe oder Form eines Kochgeschirrs berücksichtigt werden soll.
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Üblicherweise werden gattungsgemäße Induktionsheizvorrichtungen derart ausgeführt, dass jeder Schwingkreis ein eigenes ansteuerbares Schaltmittel hat oder dass die Schwingkreise in anderer Weise separat schaltbar sind. Die gemäß dem Stand der Technik bekannte Ausführung mit mehreren Schaltmitteln oder anderen Schaltern führt zu einem komplizierten Aufbau und einem hohen Bedarf an entsprechenden Bauteilen. Dies verteuert Induktionsheizvorrichtungen und die Induktionskochfelder.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Induktionsheizvorrichtung sowie ein Verfahren zu deren Ansteuerung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und es insbesondere möglich ist, eine Induktionsheizvorrichtung einfacher und kostengünstiger aufbauen zu können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Induktionsheizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zu deren Ansteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Induktionsheizvorrichtung oder nur für das Verfahren beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Induktionsheizvorrichtung als auch für das Verfahren selbstständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Induktionsheizvorrichtung, weist auf:
- – einen ersten Schwingkreis mit einer ersten Induktionsspule, wobei der erste Schwingkreis eine erste Resonanzfrequenz aufweist,
- – einen zweiten Schwingkreis mit einer zweiten Induktionsspule, wobei der zweite Schwingkreis eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, und
- – ein ansteuerbares Schaltmittel mit einem Ausgang.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- – ein Pol des ersten Schwingkreises und ein Pol des zweiten Schwingkreises an dem Ausgang angeschlossen sind, und
- – die erste Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz verschieden ist.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich die Leistungsabgabe der Schwingkreise nicht nur durch ein separates Schalten, sondern auch durch das Vorsehen unterschiedlicher Resonanzfrequenzen steuern lässt. Beispielsweise lässt sich ein jeweiliger Schwingkreis dadurch gezielt ansteuern, dass eine Anregung am Ausgang des Schaltmittels mit seiner Resonanzfrequenz erfolgt, da dann seine Leistungsabgabe am höchsten ist. Damit kann ein einziges Schaltmittel für zwei oder auch noch mehr Schwingkreise verwendet werden, ohne dass diese Schwingkreise gleichzeitig betrieben werden müssen bzw. nur gleichzeitig betrieben werden können. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können zusätzliche Schaltmittel oder weiterer apparativer Aufwand eingespart werden, was die Kosten der Induktionsheizvorrichtung und auch den Aufwand für das Verfahren zu ihrem Betrieb erheblich senkt. Theoretisch können zwar auch mehr als zwei Schwingkreise betrieben werden, in der Praxis und vorteilhaft sind es aber genau zwei.
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Bevorzugt beträgt der Abstand der ersten Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz mehr als 50 % dieser Frequenz, vorzugsweise mehr als 100 % oder bis zu 200%, daher etwa ein Vielfaches der untersten Arbeitsfrequenz, wobei zu beachten ist, dass die Frequenzverteilung keinen scharfen Hochpunkt hat, sondern eher breit verteilt ist. Dies gilt vorteilhaft für Frequenzbereiche von 15 kHz bis 70kHz. Damit kann eine gute Trennschärfe erreicht werden bei der Einstellung, welcher Schwingkreis zur Leistungsabgabe angesteuert werden soll.
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Gemäß einer Ausführung, welche insbesondere eine noch größere Variabilität und/oder das Vorsehen eines größeren Induktionskochfelds ermöglicht, weist die Induktionsheizvorrichtung ferner eine Anzahl weiterer Schwingkreise mit jeweils einer weiteren Induktionsspule auf, wobei jeder weitere Schwingkreis eine weitere Resonanzfrequenz aufweist bzw. für eine solche ausgelegt wird. Jeweils ein Pol jedes weiteren Schwingkreises ist dabei an dem Ausgang angeschlossen, und alle Resonanzfrequenzen sind voneinander verschieden. Dies ermöglicht die Skalierung des weiter oben beschrieben Konzepts auf beliebig viele Schwingkreise. Dabei können mehrere der Induktionsspulen zusammen betrieben werden als gemeinsame Kochstelle für ein einziges Kochgeschirr, was entweder als Zweikreis oder als Dreikreis oder als sogenanntes Flächenkochen bekannt ist. Dieses Flächenkochen ist aus der
DE 102011083125 A1 , der
DE 102006054973 A1 oder der
EP 862714 A1 in jeweils unterschiedlicher Art und Weise bekannt.
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Es sei erwähnt, dass bevorzugt die jeweiligen Pole der Schwingkreise unmittelbar, also insbesondere ohne Zwischenschaltung weiterer elektrischer Komponenten, mit dem Ausgang des Schaltmittels elektrisch verbunden sind. Damit können beispielsweise die nach einigen Ausführungen gemäß dem Stand der Technik benötigten Schalter in vorteilhafter Weise eingespart werden, was die Anzahl benötigter Bauteile weiter verringert.
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Bevorzugt weist die Induktionsheizvorrichtung ein Treibermittel zum Ansteuern des Schaltmittels auf. Dies ermöglicht insbesondere die Auswahl einer Frequenz, welche an dem Ausgang des Schaltmittels anliegt.
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Bevorzugt ist das Treibermittel dazu ausgebildet, in einem ersten Betriebsmodus das Schaltmittel mit einer Frequenz anzusteuern, welche in einem vorgegebenen Bereich um die erste Resonanzfrequenz liegt, und zwar vorzugsweise 1 % bis 10 % der Höhe der Resonanzfrequenz um diese. Damit kann in dem ersten Betriebsmodus der erste Schwingkreis derart angesteuert werden, dass er Leistung an ein Kochgeschirr abgibt bzw. dieses erwärmt, wohingegen der zweite Schwingkreis und eventuelle weitere Schwingkreise keine Leistung abgeben und kein Kochgeschirr erwärmen, da sie nicht in Resonanz betrieben werden.
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Weiter bevorzugt ist das Treibermittel dazu ausgebildet, in einem zweiten Betriebsmodus das Schaltmittel mit einer Frequenz anzusteuern, welche in einem vorgegebenen Bereich um die zweite Resonanzfrequenz liegt, und zwar vorzugsweise 1 % bis 10 % darum. Damit kann in dem zweiten Betriebsmodus der zweite Schwingkreis derart angesteuert werden, dass er Leistung an ein Kochgeschirr abgibt bzw. dieses erwärmt, wohingegen der erste Schwingkreis und eventuelle weitere Schwingkreise keine Leistung abgeben, da diese nicht in Resonanz betrieben werden.
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Weiter bevorzugt ist das Treibermittel dazu ausgebildet, in einem weiteren Betriebsmodus das Schaltmittel mit einer Frequenz anzusteuern, welche in einem vorgegebenen Bereich um eine weitere Resonanzfrequenz liegt, vorzugsweise wieder 1 % bis 10 % darum. Damit kann in dem weiteren Betriebsmodus ein weiterer Schwingkreis derart angesteuert werden, dass er Leistung an ein Kochgeschirr abgibt bzw. dieses erwärmt, wohingegen der erste Schwingkreis, der zweite Schwingkreis und eventuelle weitere Schwingkreise keine Leistung abgeben, da diese nicht in Resonanz betrieben werden.
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Bevorzugt ist das Treibermittel dazu ausgebildet, in einem kombinierten Betriebsmodus das Schaltmittel mit einer Frequenz anzusteuern, welche in einem vorgegebenen Bereich um eine Mittenresonanzfrequenz der Schwingkreise liegt, und zwar vorzugsweise 1 % bis 10 % darum. Damit können zwei oder mehr Schwingkreise gleichzeitig so angesteuert werden, dass sie Leistung an ein Kochgeschirr abgeben bzw. dieses erwärmen. Dies kann zwar für beide dasselbe Kochgeschirr sein, vorteilhaft ist es aber ein Kochgeschirr pro Induktionsspule. Die hierfür erforderliche Mittenresonanzfrequenz berechnet sich im Fall von zwei Schwingkreisen bevorzugt als Quadratwurzel aus dem Produkt der beiden Resonanzfrequenzen.
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Gemäß einer alternativen oder auch damit kombinierbaren Ausführung ist das Treibermittel dazu ausgebildet, in einem kombinierten Betriebsmodus das Schaltmittel mit einer Frequenz anzusteuern, welche einem gemeinsamen ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenzen von zumindest zwei Schwingkreisen entspricht. Dies macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass Schwingkreise nicht nur mit ihrer Resonanzfrequenz, sondern auch mit einem ganzzahligen Vielfachen davon, sogenannten Harmonischen, angeregt werden können, um zur Schwingung angeregt zu werden und Leistung an ein Kochgeschirr abzugeben bzw. dieses zu erwärmen. Dies ermöglicht insbesondere auch eine Auswahl, welche Schwingkreise zur Leistungsabgabe angesteuert werden sollen. Hierzu muss lediglich ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der jeweiligen Resonanzfrequenzen berechnet werden.
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Es sei erwähnt, dass es auch möglich wäre, einen einzelnen Schwingkreis mit einer Harmonischen anzusteuern. Typischerweise wird sich jedoch die Verwendung der jeweiligen Resonanzfrequenz ohne Vervielfachung anbieten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist das Treibermittel dazu ausgebildet, die Leistung eines jeweiligen Schwingkreises zu steuern, und zwar durch Einstellen einer Differenz zwischen der Frequenz, mit welcher das Schaltmittel angesteuert wird, und
- – der Resonanzfrequenz des Schwingkreises oder
- – einer Mittenresonanzfrequenz oder
- – einem gemeinsamen ganzzahligen Vielfachen.
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Auf welchen Wert die Differenz eingestellt wird hängt dabei insbesondere davon ab, in welchem Betriebsmodus das Treibermittel betrieben wird. Wird beispielsweise lediglich ein Schwingkreis angesteuert, so kann die Differenz bevorzugt zu der Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises eingestellt werden. Werden mehrere Schwingkreise durch Ansteuerung mit einer Mittenresonanzfrequenz betrieben, so wird die Differenz bevorzugt zu dieser Mittenresonanzfrequenz eingestellt. Werden mehrere Schwingkreise mit einem gemeinsamen ganzzahligen Vielfachen ihrer jeweiligen Resonanzfrequenzen betrieben, so wird die Differenz bevorzugt zu diesem gemeinsamen ganzzahligen Vielfachen eingestellt. Durch die Variation der Frequenz, mit welcher das Schaltmittel angesteuert wird, kann in einfacher Weise die Leistungsabgabe der angesteuerten Schwingkreise verändert werden.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Treibermittel dazu ausgebildet sein, in einer Ausgestaltung des Verfahrens die Leistung eines jeweiligen Schwingkreises durch Einstellen eines sogenannten Tastgrads zu steuern. Auch dies ermöglicht in einfacher und bewährter Weise die Einstellung der Leistungsabgabe eines jeweiligen Schwingkreises oder einer Gruppe von Schwingkreisen, welche angesteuert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist das Schaltmittel als Umrichterschaltung mit Halbleiterschaltern, vorteilhaft mit einem ersten Transistor und mit einem zweiten Transistor ausgebildet, welche in Reihe geschaltet sind. Alternativ können es auch IGBT sein. Der Anschluss des Schaltmittels ist dabei zwischen dem ersten Halbleiterschalter bzw. Transistor und dem zweiten Halbleiterschalter bzw. Transistor angeordnet. Dies ermöglicht ein vorteilhaftes Umschalten der elektrischen Verbindung des Anschlusses zwischen einem Anschluss einer Versorgungsspannung und einem Masseanschluss. Damit können die Schwingkreise in bewährter Art und Weise angeregt und betrieben werden.
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Bevorzugt weisen die Resonanzfrequenzen jeweils einen Wert zwischen 16 kHz und 80 kHz auf, besonders bevorzugt zwischen 17 kHz und 70 kHz. Diese Werte haben sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, vorteilhaft liegen sie über der typischen menschlichen Hörschwelle, so dass keine für den Benutzer oder andere sich in der Nähe befindenden Menschen wahrnehmbaren störenden Geräusche entstehen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist keine Resonanzfrequenz eine Harmonische einer anderen Resonanzfrequenz. Dies vermeidet, dass bei Anregung mit einer Resonanzfrequenz eines Schwingkreises auch ein anderer Schwingkreis, welcher dann mit einer Harmonischen angeregt werden würde, in unerwünschter Weise mitschwingt. Auch entsprechende Bereiche um jeweilige Harmonische, beispielsweise von 1 % bis 10 % darum, können entsprechend freigehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist ein dem Anschluss des Schaltmittels gegenüberliegender Pol des ersten Schwingkreises an einem Versorgungsspannungsanschluss angeschlossen. Gemäß einer damit kombinierbaren Ausführung ist ein dem Anschluss des Schaltmittels gegenüberliegender Pol des zweiten Schwingkreises an einem Masseanschluss angeschlossen. Es hat sich gezeigt, dass durch den direkten Anschluss der jeweiligen Pole der Schwingkreise an einen Versorgungsspannungsanschluss bzw. an einen Masseanschluss ein vorteilhaftes Verhalten der Schwingkreise erreicht wird. Insbesondere ist es dabei bevorzugt, wenn die jeweiligen dem Anschluss des Schaltmittels gegenüberliegenden Pole der Schwingkreise nicht an einen Kondensator oder an eine Schaltung aus zwei Kondensatoren angeschlossen sind, wie dies im Stand der Technik teilweise erfolgt.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigt 1 eine Induktionsheizvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die für ein hier nicht dargestelltes Induktionskochfeld verwendet werden kann.
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Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine Induktionsheizvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Induktionsheizvorrichtung 10 weist einen Masseanschluss 12 sowie eine damit verbundene Spannungsquelle 14 als vorgenannten Versorgungsspannungsanschluss auf. Die Spannungsquelle 14 stellt eine im Vergleich zum Masseanschluss 12 positive Spannung bereit.
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Die Induktionsheizvorrichtung 10 weist ferner ein Schaltmittel 20 auf, welches aus einem ersten Transistor 22 und einem zweiten Transistor 24 als Halbleiterschalter aufgebaut ist, es können aber auch alternative Schalter sein. Das Schaltmittel 20 ist somit als Umrichterschaltung ausgebildet. Der erste Transistor 22 ist dabei mit einem Pol an dem positiven Pol der Spannungsquelle 14 angeschlossen. Der zweite Transistor 24 ist mit einem Pol an dem Masseanschluss 12 angeschlossen. Die jeweils gegenüberliegenden Pole der beiden Transistoren 22, 24 sind gemeinsam an einem Anschluss 26 des Schaltmittels 20 angeschlossen. Der Anschluss 26 kann somit wahlweise mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 14 oder mit dem Masseanschluss 12 verbunden werden.
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An dem Anschluss 26 sind ein erster Schwingkreis 30 und ein zweiter Schwingkreis 40 angeschlossen. Der erste Schwingkreis 30 weist eine erste Induktionsspule 32 und einen ersten Kondensator 34 auf. Des Weiteren ist über den ersten Transistor 22 eine erste Diode 36 geschaltet. Der zweite Schwingkreis 40 weist eine zweite Induktionsspule 42 und einen zweiten Kondensator 44 auf. Über den zweiten Transistor 24 ist eine zweite Diode 46 geschaltet.
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Jeweils ein Pol jeder der beiden Induktionsspulen 32, 42 ist unmittelbar mit dem Anschluss 26 des Schaltmittels 20 verbunden. Somit werden beide Schwingkreise 30, 40 gleichzeitig angesteuert. Der jeweils gegenüberliegende Pol der jeweiligen Induktionsspulen 32, 42 ist mit einem Pol des jeweiligen Kondensators 34, 44 verbunden. Der gegenüberliegende Pol des ersten Kondensators 34 ist mit dem positiven Pol der Stromquelle 14 verbunden. Der gegenüberliegende Pol des zweiten Kondensators 44 ist mit dem Masseanschluss 12 verbunden.
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Der erste Schwingkreis 30 hat eine erste Resonanzfrequenz, und der zweite Schwingkreis 40 hat eine zweite Resonanzfrequenz. Diese Resonanzfrequenzen berechnen sich in bekannter Weise aus der Induktivität der jeweiligen Induktionsspule 32, 42 und der Kapazität des jeweiligen Kondensators 34, 44. Die erste Resonanzfrequenz ist von der zweiten Resonanzfrequenz verschieden entsprechend der oben genannten Kriterien, wobei keine der beiden Resonanzfrequenzen eine Harmonische der anderen ist.
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Des Weiteren weist die Induktionsheizvorrichtung 10 ein Treibermittel 50 auf, welches durch eine aus mehreren Komponenten aufgebaute Schaltung gebildet ist, auf welche hier nicht näher eingegangen wird. Das Treibermittel 50 dient dazu, die Frequenz, mit welcher die beiden Transistoren 22, 24 die Verbindung des Anschlusses 26 zu dem positiven Pol der Stromquelle 14 oder zu dem Masseanschluss 12 umschalten, vorzugeben.
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In einem ersten Betriebsmodus wird das Treibermittel 50 so betrieben, dass das Schaltmittel 20 den Anschluss 26 mit der ersten Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises 30 umschaltet. Damit wird der erste Schwingkreis 30 zum Schwingen angeregt und die erste Induktionsspule 32 kann elektrische Leistung an ein Kochgeschirr abgeben bzw. dieses erwärmen. In einem zweiten Betriebsmodus wird das Treibermittel 50 so betrieben, dass das Schaltmittel 20 den Anschluss 26 mit der zweiten Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises 40 umschaltet. Damit wird der zweite Schwingkreis 40 zum Schwingen angeregt und die zweite Induktionsspule 42 kann elektrische Leistung an ein Kochgeschirr abgeben bzw. dieses erwärmen.
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In einem dritten Betriebsmodus wird das Schaltmittel 50 derart betrieben, dass das Schaltmittel 20 den Ausgang 26 mit einer Mittenresonanzfrequenz der beiden Schwingkreise 30, 40 umschaltet. Somit werden beide Schwingkreise 30, 40 zum Schwingen angeregt und beide Induktionsspulen 32, 42 können elektrische Leistung an ein jeweiliges Kochgeschirr oder auch an das gleiche Kochgeschirr abgeben und erwärmen. Dabei können diese Induktionsspulen 32, 42 als gemeinsame Kochstelle betrieben werden für ein einziges Kochgeschirr, was dann einer Art Zweikreis-Betrieb oder sogenannter Bräter-Betrieb entsprechend würde. Bei einer Verwendung von noch mehr Induktionsspulen könnte ein sogenanntes Flächenkochen mit einer Mehrzahl bzw. Vielzahl von Induktionsspulen realisiert werden, beispielsweise drei bis fünf oder acht.
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Durch die Einstellung der Frequenz kann somit in geeigneter Weise ausgewählt werden, welcher der beiden Schwingkreise 30, 40 betrieben werden soll. Durch leichte Variation der Frequenz kann auch die jeweilige Leistungsabgabe stufenlos eingestellt werden. Außerdem können beide Schwingkreise 30, 40 parallel betrieben werden. Auf weitere Komponenten kann zu dieser Ansteuerung verzichtet werden, was die Ausführung der Induktionsheizvorrichtung 10 besonders günstig macht und das Verfahren zur Ansteuerung vereinfacht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011083125 A1 [0010]
- DE 102006054973 A1 [0010]
- EP 862714 A1 [0010]
