DE10222590B4

DE10222590B4 - Entladungsschutzvorrichtung für elektronische Hochfrequenz-Schweissgeräte

Info

Publication number: DE10222590B4
Application number: DE10222590A
Authority: DE
Inventors: Ermete Acerbi
Original assignee: GENERATORI ELETTRONICI ALTA FR; Generatori Elettronici Alta Frequenza Geaf Srl Calestano
Current assignee: GENERATORI ELETTRONICI ALTA FR; Generatori Elettronici Alta Frequenza Geaf Srl Calestano
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: ITPR20010032A1; DE10222590A1

Abstract

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.

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.
In der Druckschrift JP 02165876 A ist ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Stabilisierung der elektrischen Leistungsversorgung eines Hochfrequenzschweißgeräts offenbart.
Ein weiteres Verfahren bzw. Vorrichtung zur Steuerung der Leistungsversorgung eines Hochfrequenzschweißgeräts ist aus der JP 06099287 A bekannt. Die Steuerung des Hochfrequenzschweißgeräts besteht dabei aus einer Triode und einem Resonanzkreis, wobei die Gittervorspannung der Triode in Abhängigkeit der gemessenen Stromstärke des Resonanzkreises gesteuert wird.
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 und der Beschreibung 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:
1 den Schaltplan einer ersten Ausführung mit Gitterrelais zeigt;
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 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 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 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 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 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 Sperrrelais 23 von der Masse 3 getrennt wird (1), oder bis der Versorgungskreis der Anodenspannung am Anschluss 26 geöffnet wird (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 (1) bzw. mit dem Öffnen der Fernschalter der Anodenspannungsversorgung am Anschluss 26 (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 (1) oder die Anodenspannung der Triode von Anschluss 26 wird getrennt (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

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.
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.
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.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterwiderstand direkt und nicht über ein Relais an die Masse angeschlossen ist.
Hochfrequenz-Schweißgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Vorrichtung nach einem beliebigen der obigen Ansprüche beinhaltet.