DE10222590A1 - Entladungsschutzvorrichtung für elektronische Hochfrequenz-Schweissgeräte - Google Patents
Entladungsschutzvorrichtung für elektronische Hochfrequenz-SchweissgeräteInfo
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Abstract
Eine Entladungsschutzvorrichtung für elektronische Hochfrequenz-Schweißgeräte, bestehend aus: DOLLAR A - einem Oszillatorkreis (4); DOLLAR A - einer Sperreinheit (16) der Triode (5), die auf das Gitter (9) der Triode wirkt und Mittel (17, 18, 19) umfasst, die dem Gitterwiderstand (10) einen Impuls negativer Sperrgleichspannung zur Verfügung stellen; DOLLAR A - einer Steuereinheit (11), die an einen Sensor (12) angeschlossen ist, der elektrische Entladungen zwischen den Stempelhaltertischen (1, 2) des Schweißgerätes erfassen kann. DOLLAR A Die Sperreinheit (16) enthält einen oder mehrere IGBTs (21), die in Reihensschaltung zwischen dem Pluspol der Kondensatorbatterie (19) der Sperreinheit (16) und der Masse (3) eingebaut sind, wobei das Gate durch ein von der Steuereinheit (11) ausgegebenes Signal (14) angesteuert wird. DOLLAR A Die Sperreinheit (16) kann ein Sperrrelais (23) für die Triode (5) enthalten, das durch ein von der Steuereinheit (11) ausgegebenes Signal (15) angesteuert wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entladungsschutzvorrichtung für elektronische
Hochfrequenz-Schweißgeräte.
Elektronische Hochfrequenz-Schweißgeräte (oder Hochfrequenz-Schweißpressen)
beinhalten einen Oszillator der Klasse C, der aus einer Triode besteht. Zwischen dem
Gitter der Triode und der Masse befindet sich, zusätzlich zu den für den Betrieb
erforderlichen Blindkomponenten, ein direkt auf Masse gelegter Widerstand, der
sogenannte Gitterwiderstand.
Es sind bereits Entladungsvorrichtungen bekannt, deren Zweck die Erfassung von
Entladungen (Überschlag) zwischen den Stempelhaltertischen der Presse ist, das heißt
zwischen dem mit Hochfrequenzspannung versorgten Tisch und dem an Masse angelegten
Tisch.
Sobald diese Vorrichtungen zwischen den Schweißstempeln (oder Elektroden) eine
Entladung oder einen Widerstand erfassen, der bei eingelegtem Schweißgut einen
voreingestellten Wert unterschreitet, müssen sie die Triode sperren, um so schnell wie
möglich die Abgabe der Hochfrequenzenergie zu unterbrechen und damit Schäden an den
Stempeln zu verhindern.
Bei Normalbetrieb des Oszillators liegt am Triodengitter eine negative Gleichspannung
an, aufgrund derer ein Elektronenfluss vom Gitter über den Gitterwiderstand zur Masse
hin strömt. Zur Sperrung der Triode muss am Gitter selbst eine negative
Sperrgleichspannung angelegt werden, deren absoluter Wert höher ist als die
Betriebsspannung. Diese Sperrspannung erzeugt eine Potentialbarriere am Triodengitter,
so dass die Elektronen abgewiesen, anstatt vom Gitter angezogen zu werden. Dadurch
wird die Leitung der Triode, d. h. der Oszillator, gesperrt und damit auch die Abgabe der
Hochfrequenzenergie.
Anschließend werden die Fernschalter für die Versorgung des Transformators getrennt,
welcher die Versorgungshochspannung der Triode (Anodenspannung) erzeugt.
Entladungsschutzvorrichtungen sind normalerweise mit einem Sensor für die
kontinuierliche Messung des beim Schweißvorgang zwischen den Stempeln bestehenden
Widerstandes ausgestattet. Der gemessene Widerstandswert wird mit einem Referenzwert
verglichen, der an einem als Empfindlichkeitspotentiometer der
Entladungsschutzvorrichtung definierten Potentiometer eingestellt ist.
Sinkt der Widerstand zwischen den Schweißstempeln unter den eingestellten Sollwert ab
oder kommt es zu einer Entladung zwischen den Stempeln (vergleichbar mit einem
Kurzschluss), muss die Entladungsschutzvorrichtung eine negative Sperrgleichspannung
am Gitter anlegen, um die Triode zu sperren. Ebenso schnell müssen die Fernschalter der
Versorgungshochspannung der Triode selbst getrennt werden.
Bei einer Entladungsschutzvorrichtung bekannter Art besteht das System zur Erzeugung
der Sperrgleichspannung aus einem Transformator mit Dioden-Gleichrichterbrücke und
Filterkondensatoren. Dieser muss, da er den auf Masse gelegten Gitterwiderstand speisen
muss, in der Lage sein, die Sperrspannung lange genug aufrecht zu erhalten, damit der
Oszillator zu schwingen aufhören und die Anodenspannung getrennt werden kann.
Die Energie, die das Versorgungsteil einer Entladungsschutzvorrichtung bekannter Art
abgeben muss, ist von der Leistung des Schweißgerätes abhängig: Je größer die
Schweißgerätleistung, desto größer die Trägheit und desto länger damit auch die
Übergangszeit zur Sperrung der Triode.
Außerdem ist die Energie, die das Versorgungsteil abgeben muss, vom
Gitterwiderstandswert abhängig: Je niedriger dieser Wert, desto mehr Strom fließt bei
gleichem Wert der angelegten Sperrspannung.
Daher muss bei Hochleistungsschweißgeräten, die in der Regel auch einen niedrigeren
Gitterwiderstandswert aufweisen, der Transformator des Versorgungssystems der
Entladungsschutzvorrichtung ausreichend dimensioniert sein.
Zu den Nachteilen, die Entladungsschutzvorrichtungen bekannter Art aufweisen, gehört
daher auch, dass sie Transformatoren mit hoher Leistung für ihr Versorgungssystem
erfordern.
Außerdem sind sie aufgrund langer Ansprechzeiten nicht in der Lage, die elektrischen
Entladungen zwischen den Schweißstempeln umgehend zu unterbinden und damit deren
Beschädigung zu verhindern.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der aufgeführten Nachteile durch
Bereitstellung einer Vorrichtung, die eine sehr viel schnellere Sperrung der
Triodenschwingung mit geringerem Energieverbrauch und unabhängig von der Leistung
der Triode und dem Wert des Gitterwiderstandes ermöglicht.
Diesen Zweck erfüllt in jeder Hinsicht die erfindungsgemäße Vorrichtung, die in den
nachfolgenden Patentansprüchen beschrieben wird und im Besonderen dadurch
gekennzeichnet ist, dass sie einen oder mehrere untereinander reihengeschaltete IGBTs
(Insulated Gate Bipolar Transistor) umfasst, die zwischen dem Pluspol einer
Kondensatorbatterie und der Masse angeordnet und in der Lage sind, sehr rasch, mit einer
Verzögerung von nur wenigen Dutzend Mikrosekunden, dem Gitterwiderstand der Triode
einen Impuls negativer Sperrgleichspannung zur Verfügung zu stellen. Das Gate (Tor) des
IGBT wird durch ein Signal angesteuert, das von einer Steuereinheit ausgegeben wird,
welche kontinuierlich den von einem zwischen den Stempelhaltertischen des
Schweißgeräts angebrachten Entladungssensor erfassten Widerstandswert mit einem
voreingestellten Sollwert vergleicht.
Die Vorrichtung kann ferner ein Sperrrelais für die Triode enthalten (ein sog. Gitterrelais),
mit einem oder mehreren reihengeschalteten Arbeitskontakten, das den Gitterwiderstand
zur Masse schließt und ebenfalls durch ein von der Steuereinheit abgegebenes Signal
angesteuert wird.
Diese und andere Eigenschaften werden in der nachfolgenden Beschreibung zweier
bevorzugter Verwirklichungsformen, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht,
anhand von Beispielen mit keineswegs einschränkendem Charakter erläutert, wobei:
Abb. 1 den Schaltplan einer ersten Ausführung mit Gitterrelais zeigt;
Abb. 2 den Schaltplan einer zweiten Ausführung ohne Gitterrelais zeigt.
Mit Bezug auf die Abbildungen werden mit 1 bzw. 2 der mit Hochfrequenzenergie
versorgte ("heiße") Tisch bzw. der an eine Masse 3 angeschlossene Tisch einer
Hochfrequenz-Schweißpresse bezeichnet.
Diese Tische dienen im Wesentlichen als Träger der Schweißstempel (Elektroden),
zwischen denen zwei zu verschweißende Kunststofffolien 20 eingelegt werden.
Der "heiße" Tisch 1 wird über einen Oszillator 4 der Klasse C mit Hochfrequenz (ca.
27,12 MHz) versorgt, der eine Triode 5 beinhaltet, deren Anode 6 an einen Resonanzkreis
7 angeschlossen ist, der aus einer Induktivität und einer Kapazität in Parallelschaltung
besteht.
Die Kathode 8 der Triode 5 ist auf Masse gelegt und das Gitter 9 der Triode 5 ist über
einen Widerstand, der als Gitterwiderstand 10 bezeichnet wird, ebenfalls an die Masse
angeschlossen.
Mit 11 wird eine Steuereinheit bezeichnet, die an einen Sensor, den sogenannten
Entladungssensor 12 angeschlossen ist. Dieser erfasst den Widerstandswert zwischen den
beiden Schweißtischen 1 und 2 und vergleicht diesen Wert mit einem an einer
Einstellvorrichtung, dem sogenannten Empfindlichkeitsregler, eingestellten Wert 13.
Mit 27 wird ein Signal bezeichnet, das der Steuereinheit 11 meldet, wann die Presse für
den Schweißbetrieb bereit ist.
Beim Schweißvorgang verarbeitet die Steuereinheit den vom Sensor 12 eingehenden Wert
des Widerstandes zwischen den Stempelhaltertischen und sendet, sobald dieser Wert unter
den eingestellten Sollwert sinkt (und damit die Gefahr einer elektrischen Entladung
zwischen den Schweißstempeln und einer möglichen Beschädigung der Stempel anzeigt),
die Signale 14 und (nur in Abb. 1) 15 an eine Triodensperreinheit, die in ihrer Gesamtheit
mit 16 gekennzeichnet ist.
Die Triodensperreinheit umfasst einen Transformator 17 zur Versorgung einer (in den
dargestellten Beispielen) oder mehrerer Gleichrichterbrücken 18, die im Falle mehrerer,
vorzugsweise vier, Gleichrichterbrücken in Reihe geschaltet sind, wobei jede davon an
einen Sekundärkreis des Transformators angeschlossen ist und einen oder mehrere
Kondensatoren 19 in Parallelschaltung speist.
Der Transformator 17 mit den Gleichrichterbrücken 18 und der Kondensatorbatterie 19,
mit einem geeigneten Kapazitätswert, bilden die Mittel, die dem Gitterwiderstand 10 und
damit dem Gitter 9 der Triode 5 einen Impuls negativer Sperrgleichspannung zur
Verfügung stellen.
Mit 21 ist ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) gekennzeichnet, dessen Gate über
den von der Steuereinheit 11 kommenden Anschluss 14 angesteuert wird und dessen
Funktion darin besteht, den Pluspol der Kondensatorbatterie 19 an die Masse
anzuschließen, während der Minuspol über eine Diode 22 mit Schutzfunktion an das
Gitter 9 der Triode 5 angeschlossen ist.
Praktisch ist der IGBT ein Transistor mit MOSFET-Eingang, der geschlossen bleibt,
solange er am Gate unter Spannung angesteuert wird, während er sich bei fehlendem
Steuersignal öffnet. Es können entweder nur ein IGBT, wie in den dargestellten
Beispielen, oder mehrere IGBTs in Reihenschaltung vorgesehen werden.
Der andere von der Steuereinheit 11 kommende Anschluss 15 (nur Abb. 1) führt zu einem
Relais 23 zur Sperrung der Triode mit einem oder mehreren untereinander in Reihe
geschalteten Arbeitskontakten 24, das den Gitterwiderstand 10 mit der Masse 3 verbindet.
In Parallelschaltung zum Kontakt 24 ist ein Funkenlöschkreis 25 vorgesehen. Dieser
besteht im Wesentlichen aus einem oder mehreren Widerständen (in Reihen-
Parallelschaltung), die mit einer oder mehreren Kapazitäten (in Reihen-Parallelschaltung)
in Reihe geschaltet sind.
Die erfindungsgemäße Entladungsschutzvorrichtung wird im Wesentlichen durch die
Kombination von Steuereinheit 11 und Triodensperreinheit 16 gebildet.
In der in Abb. 2 dargestellten Ausführungsform ist kein Triodensperrrelais vorhanden. Die
Vorteile dieser Lösung bestehen einerseits im vereinfachten Schaltkreisaufbau der
Entladungsschutzvorrichtung (es fehlt das Sperrrelais 23 und der entsprechende Anschluss
15) und andererseits in dem Verzicht auf einen teuren Relaistyp bzw. ein billigeres Relais,
das dann allerdings hin und wieder zu ersetzen ist, da es hohe Gleichspannungen öffnen
muss (ca. 1350 V).
Was die Funktionsweise betrifft, wird über den Empfindlichkeitsregler der für das
jeweilige Schweißgut zwischen den Stempeln zulässige Widerstandswert 13 eingestellt.
Sobald die Presse den Schweißbetrieb aufnimmt, schmilzt das Material und der vom
Sensor 12 erfasste Wert des Widerstandes zwischen den Stempelhaltertischen 1 und 2
sinkt.
Bleibt dieser Wert größer als der eingestellte Sollwert, geschieht nichts. Sinkt er dagegen
unter den Sollwert ab, zum Beispiel aufgrund einer plötzlichen elektrischen Entladung
zwischen den Stempeln, aktiviert die Steuereinheit 11 die Triodensperreinheit 16.
Im Einzelnen steuert das von der Steuereinheit über den Anschluss 14 ankommende
Signal den IGBT 21 an. Dieser gibt, mit einer Verzögerung von nur wenigen Dutzend
Mikrosekunden ab der Erfassung einer möglichen Entladung zwischen den Stempeln,
einen Impuls negativer Sperrspannung aus, um die Triode 5 zu sperren, indem der Pluspol
der Kondensatorbatterie 19 mit der Masse 3 verbunden wird.
Während in dem Beispiel in Abb. 1 der IGBT 21 einen Impuls negativer Spannung am
Gitter 9 anlegt und damit die Schwingung der Triode 5 sperrt, entregt das von der
Steuereinheit 11 über den Anschluss 15 ankommende Signal das Sperrrelais 23 und
verhindert, durch Trennen des Gitterwiderstandes 10 von der Masse 3, das erneute
Schwingen der Triode nach Wegfall des der durch die Entladung der Kondensatorbatterie
19 bedingten Impulses.
Im Beispiel in Abb. 2, in dem kein Sperrrelais 23 vorhanden ist, wird, um das erneute
Schwingen der Triode 5 nach Wegfall des der durch die Entladung der
Kondensatorbatterie 19 bedingten Impulses zu verhindern, ein Öffnungssignal an die
Fernschalter der Versorgung der Anodenspannung der Triode ausgegeben.
Sobald der IGBT 21 schließt, wird durch die Entladung der Kondensatorbatterie 19 ein
negativer Spannungsimpuls am Gitter 9 der Triode 5 angelegt. Auf diese Weise wird eine
negative Potentialbarriere erzeugt, die den Elektronenfluss der Triode blockiert und an
deren Gitter anstehen bleibt (für einige Millisekunden), bis der Gitterwiderstand 10 durch
das Sperrelais 23 von der Masse 3 getrennt wird (Abb. 1), oder bis der Versorgungskreis
der Anodenspannung am Anschluss 26 geöffnet wird (Abb. 2).
Der IGBT 21 bleibt geschlossen, solange an seinem Gate das von der Steuereinheit 11
ausgegebene Signal 14 ansteht.
Die Kombination des IGBT 21 mit der Entladung der Kondensatorbatterie 19 und dem
Sperrrelais 23 (Abb. 1) bzw. mit dem Öffnen der Fernschalter der
Anodenspannungsversorgung am Anschluss 26 (Abb. 2) ermöglicht es, am Gitter 9 der
Triode 5 einen Impuls negativer Sperrspannung anzulegen, der lange genug andauert, um
die Schwingung zu blockieren. Nach dem Sperren des Oszillators wird der
Gitterwiderstand 10 durch Sperren der Triode 5 von der Masse getrennt (Abb. 1) oder die
Anodenspannung der Triode von Anschluss 26 wird getrennt (Abb. 2).
Die erfindungsgemäße Entladungsschutzvorrichtung ermöglicht es also, unerwünschte
Beschädigungen an den Stempeln zu verhindern, indem im Bedarfsfall die Triode
umgehend durch die Entladung der Kondensatorbatterie auf dem Gitter der Triode selbst
gesperrt wird.
Claims (6)
1. Entladungsschutzvorrichtung für elektronische Hochfrequenz-Schweißgeräte,
bestehend aus:
einem Oszillatorkreis (4), bestehend aus mindestens einer Triode (5) und einem Resonanzkreis (7);
einer Sperreinheit (16) der Triode (5), die auf ein Gitter (9) der Triode wirkt und Mittel (17, 18, 19) umfasst, die einem Gitterwiderstand (10) einen Impuls negativer Sperrspannung zur Verfügung stellen;
einer Steuereinheit (11), die an einen zwischen den Stempelhaltertischen (1, 2) des Schweißgerätes angeordneten Sensor (12) angeschlossen und dafür konzipiert ist, kontinuierlich den von diesem Sensor erfassten Wert mit einem voreingestellten Wert (13) zu vergleichen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die genannte Sperreinheit (16) der Triode (5) einen oder mehrere IGBTs (21) in Reihenschaltung enthält, die zwischen dem Pluspol von Kondensatoren (19) der genannten Sperreinheit (16) und der Masse (3) eingebaut sind, wobei das Gate des genannten IGBT durch ein von der Steuereinheit (11) ausgegebenes Signal (14) angesteuert wird.
einem Oszillatorkreis (4), bestehend aus mindestens einer Triode (5) und einem Resonanzkreis (7);
einer Sperreinheit (16) der Triode (5), die auf ein Gitter (9) der Triode wirkt und Mittel (17, 18, 19) umfasst, die einem Gitterwiderstand (10) einen Impuls negativer Sperrspannung zur Verfügung stellen;
einer Steuereinheit (11), die an einen zwischen den Stempelhaltertischen (1, 2) des Schweißgerätes angeordneten Sensor (12) angeschlossen und dafür konzipiert ist, kontinuierlich den von diesem Sensor erfassten Wert mit einem voreingestellten Wert (13) zu vergleichen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die genannte Sperreinheit (16) der Triode (5) einen oder mehrere IGBTs (21) in Reihenschaltung enthält, die zwischen dem Pluspol von Kondensatoren (19) der genannten Sperreinheit (16) und der Masse (3) eingebaut sind, wobei das Gate des genannten IGBT durch ein von der Steuereinheit (11) ausgegebenes Signal (14) angesteuert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinheit (16)
ein Sperrrelais (23) der Triode (5) beinhaltet, mit einem oder mehreren in
Reihenschaltung zueinander angeordneten Arbeitskontakten, die in Reihenschaltung
zwischen dem Gitterwiderstand (10) und der Masse (3) eingebaut sind, wobei das
genannte Sperrrelais (23) durch ein von der Steuereinheit (11) ausgegebenes Signal (15)
angesteuert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinheit (16)
einen Funkenlöschkreis (25) umfasst, der parallel zum Kontakt des Sperrrelais (23) der
Triode (5) angeordnet ist und aus einem RC-Kreis besteht, d. h. einem oder mehreren
Widerständen (in Reihen-Parallelschaltung), die mit einer oder mehreren Kapazitäten (in
Reihen-Parallelschaltung) in Reihe geschaltet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, die
dem Gitterwiderstand (10) einen Impuls negativer Sperrgleichspannung bereitstellen,
mindestens einen Transformator (17) beinhalten, der mindestens eine Gleichrichterbrücke
(18) für das Laden mindestens eines Kondensators (19) speist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterwiderstand
direkt und nicht über ein Relais an die Masse angeschlossen ist.
6. Hochfrequenz-Schweißgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine
Vorrichtung nach einem beliebigen der obigen Ansprüche beinhaltet.
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IT (1) | ITPR20010032A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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IT201600116587A1 (it) * | 2016-11-17 | 2018-05-17 | G E A F S P A | Dispositivo antiscarica per saldatrici elettroniche ad alta frequenza |
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---|---|---|---|---|
JPH02165876A (ja) * | 1988-12-15 | 1990-06-26 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 高周波溶接装置の溶接電力制御方法 |
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