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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Entladungsschutzvorrichtung
für elektronische
Hochfrequenz-Schweißgeräte.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anschließend werden
die Fernschalter für die
Versorgung des Transformators getrennt, welcher die Versorgungshochspannung
der Triode (Anodenspannung) erzeugt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Daher
muss bei Hochleistungsschweißgeräten, die
in der Regel auch einen niedrigeren Gitterwiderstandswert aufweisen,
der Transformator des Versorgungssystems der Entladungsschutzvorrichtung ausreichend
dimensioniert sein.
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Zu
den Nachteilen, die Entladungsschutzvorrichtungen bekannter Art
aufweisen, gehört
daher auch, dass sie Transformatoren mit hoher Leistung für ihr Versorgungssystem
erfordern.
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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.
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In
der Druckschrift
JP
02165876 A ist ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur
Stabilisierung der elektrischen Leistungsversorgung eines Hochfrequenzschweißgeräts offenbart.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 den
Schaltplan einer ersten Ausführung
mit Gitterrelais zeigt;
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2 den
Schaltplan einer zweiten Ausführung
ohne Gitterrelais zeigt.
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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.
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Diese
Tische dienen im Wesentlichen als Träger der Schweißstempel
(Elektroden), zwischen denen zwei zu verschweißende Kunststofffolien 20 eingelegt
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Entladungsschutzvorrichtung
wird im Wesentlichen durch die Kombination von Steuereinheit 11 und
Triodensperreinheit 16 gebildet.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Der
IGBT 21 bleibt geschlossen, solange an seinem Gate das
von der Steuereinheit 11 ausgegebene Signal 14 ansteht.
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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).
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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.