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Mikrowellen-Heizeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Nikrowellen-Heizeinrichtung
mit einer Nagnetfeldröhre als Schwingungserzeuger und einem Hochspannungs-Netzgerät.
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Die bei derartigen Einrichtungen normalerweise verwendeten Nochspannungs-Netzgeräte
zur Erzeugung eines hochgespannten Stromes für die Nagnetfeldröhre enthalten einen
Netztransformator mit hoher Reaktanz. Dabei wird die sekundäre Streuinduktivität
des Transformators weitgehend durch einen in Serie mit der Last und/oder parallel
zur Sekundärwicklung des Transformators geschalteten Kondensator ausgeblendet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer derartigen Mikrowellen-Heizeinrichtung
das Hochspannungs-Netzgerät dahingehend zu verbessern, daß die abgegebene Leistung
mit einfachen Mitteln gesteuert werden kann. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe
dadurch gelöst, daß in den Primärkreis des Netztransformators in Reihe zur Primärwicklung
ein Wirkwiderstand geschaltet ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung liegt p'#ralie1 zu dem
Wirkwiderstand ein Schalter, durch welchen der Wirkwiderstand wahlweise eingeschaltet
oder überbrückt werden kann.
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Gemäß einer anerkannten theoretischen Erklärung der Wirkungsweise
der Erfindung, die an späterer Stelle erörtert wird, ist für den in Serie geschalteten
Wirkwiderstand eine solche Größe erwünscht, daß dadurch ein Ansteigen der Streuinduktivität
des Transformators derart hervorgerufen wird, daß die sich im Zusammenwirken mit
dem Koinpensationskondensator ergebende Resonanzfrequenz auf einen Wert unterhalb
der Netzfrequenz herabgesetzt wird.
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Zum besseren praktischen Verständnis der Erfindung wird nachstehend
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit drei bekannten Anordnungen
in seinen Einzelheiten an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1
das Schaltbild eines ersten bekannten Hochspannungs-Netzgerätes für eine Magnetfeldröhre,
wobei ein Kondensator in Reihe mit der Last geschaltet ist, Fig. 2 das Schaltbild
eines anderen, im Aufbau vereinfachten bekannten Netzgerätes, Fig. 3 das Schaltbild
eines weiteren bekannten Netzgerät es und Fig. 4 das Schaltbild eines nach der Erfindung
ausgebildeten Netzgerätes.
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Alle Fig. 1 bis 4 zeigen ein Hochspannungs-Netzgerät für eine Magnetfeldröhre
mit einem Netztransformator 1 mit
einer Primärwicklung 2 und einer
Sekundärwicklung 3. Die Primärwicklung 2 ist über Klemmen 4 und 5 an ein nicht dargestelltes)
Versorgungsnetz angeschlossen.
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Die sekundäre Streuinduktivität L des Transformators 1 ist durch eine
Induktivität 6 veranschaulicht.
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Bei allen Schaltungsanordnungen nach Big. 1 bis 4 wird die Spannung
von der Sekundärwicklung 3 an einen Gleichrichter herangeführt, und der gleichgerichtete
Strom wird einer Magnetfeldröhre 13 zugeführt. Die N#gnetfeldr##hre 13 liegt nn
einer Klemme 14 an Erde.
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Bei der Anordnung nach Fig, 1 ist ein Gleichrichter in Brückenschaltung
mit den Gleichrichtereleinenten 9 10, 11 und 12 verwendet. Bei der Anordnung nach
Fig. 2 ist ein Halbwellengleichrichter 9 benutzt.
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Die Anordnungen nach Fig. 3 und 4 verwenden eine Spannungsverdoppler-Schaltung
mit zwei Kondensatoren 7 und 8 und zwei Gleichrichtern 9 und 10.
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Bei den Anordnungen nach den Fig. 1 und 2 wird die Streuinduktivität
6 des Transformators 1 weitgehend durch den Kondensator 7 kompensiert. Bei den Anordnungen
nach Fig.
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3 und 4 liegen die Spannungsverdoppler-Kondensatoren 7 und 8 je nachdem,
welcher Gleichrichter 9, 10 gerade leitet, parallel zur Sekundärwicklung 3 des Dransformators
und erfüllen die gleiche Aufgabe wie der Kondensator 7 gemäß Fig. 1 und 2.
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Bei in der Praxis verwendeten'Mikrowellen-ÖSen zur Erwärmung von Nahrungsmitteln
besteht ein Betriebserfordernis, die der in dem Ofen erwärmten Speise zugeführte
Ausgangsleistung
zu vermindern, wenn nur kleine Nahrungsmittelmengen
erwärmt werden sollen.
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Bei den bekannten Hochspannungs-Netzgeräten der in den Fig.
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1, 2 und 3 gezeigten Ausführung hat dieses Erfordernis beträchtliche
Schwierigkeiten aufgewiesen und war nur kostspielig zu erreichen.
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In Netzgeräten der Ausführungsform nach den Fig. 1, 2 und 3 besteht
die in den meisten Fällen benutzte Methode zur Verminderung der abgegebenen Ileizleistung
darin, die Kapazität des Kondensators 7 bzw die Kapazitaten der Kondensatoren 7
und 8 nach Fig. 3 durch Sehaltkondensstoren zu vcrmindern. Diese Kapazitätsehaltungsinethode
zur Steuerung der Heizleistung ist kostspielig. Sie erfordert, daß der Kondensator
7 bzw. die Kondensatoren 7 und 8 in zwei Teile unterteilt werden, so daß ein Teil
jeweils ausgeschaltet werden kann, und sie erfordert ferner die Verwendung von Schalteinrichtungen,
die der hohen Spannung von etwa 4000 V zu widerstehen vermögen.
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Um die Entstehung von Überspannungen während einer solchen Kondensatorschaltung
zu vermeiden, zieht man für gewöhnlich vor, die primäre Versorgung des Transformators
1 auszuschalten, während die Kondensatorumschaltung vorgenommen wird, und dann die
Primärversorgung wieder einzuschalten.
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Dies bedeutet ein weiteres Erschwernis für den Betrieb oder das Schaltgerät.
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Als Alternative zu der vorerwähnten Kondensatorumsohaltung kann auch
ein Energieregler bekannter Ausbildung verwendet werden, der eine steuerbare Intervall-Ein-Aus-Schaltung
der Netzversorgung des Transformators 1 ermöglicht. Je
größer der
Zeitabschnitt ist, in welchem die Magnetfeldröhre erregt ist, umso größer ist auch
die gesamte IIeizleistung, die dem Ofen zugeführt wird.
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Auch diese Alternativlösung leidet jedoch unter einem schwerwiegenden
Nachteil. Die Hochspannungsversorgung der-Magnetfeldröhre kann auf diesem Wege in
veränderlichen Zeitabständen zwischen beispielsweise 5 Sekunden und 20 Sekunden
ein- und ausgeschaltet werden. Jedesmal wenn die Energiezufuhr zu der Nagnetfeldröhre
ein- oder ausgeschaltet wird, muß die Heizleiterspannung der Hagnetfeldröhre entsprechend
aus- und eingeschultet werden, weil während des Betriebes der Magnetfeldröhre der
Heizleiterrückprall bewirkt, daß die Heizleitertemperatur proportional dem Strom
der Hagnetfeldröhre ansteigt. Die Folge hiervon ist, daß die Ijebensdauer einer
Nagnetfeldröhre mit Wolfram-Heizleiter beträchtlich vermindert wird. Diese Alternativlösung
ist deshalb nur ausführbar, wenn die flagnetfeldröhre eine schwach erwärmende Verteilerkathode
(Dispenser-Kathode) mit großer thermischer Trägheit besitzt.
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Da die Benutzer von Mikrowellenöfen eine Zeitdauer von etwa 3 Minuten,
wie sie für eine solche Art der#Kathode einer Magnetfeldröhre erforderlich ist,
um die Kathode aufzuwärmen und damit die Nikrowellen-Ausgangsleistung der Magnetfeldröhre
verfügbar zu machen, nicht abwarten wollen, scheidet diese Alternativlösung deshalb
an diesen weiteren Gründen.
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Mit den Netzgerätausführungen nach den Fig. 1, 2 und 3 ist es nicht
möglich, die Leistung der Nagnetfeldröhre durch Verminderung der Spannung an den
Klemmen 4 und 5 herabzusetzen. Diese Schaltungsart mit einem Netztransformator mit
hoher Streureaktanz kompensiert in gewissem Ausmaß
eine Änderung
der Eingangsspannung, so daß der gleichgerichtete hochgespannte Sekundärstrom und
die Ausgangsleistung der Magnetfeldröhre mit geringer Verminderung der Eingangsspannung
nur wenig herabgesetzt werden.
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Durch Messungen ist nun festgestellt worden, daß ein für eine normale
Netzwechselspannung von 240 V und 50 Hz und für eine Hochspannungsversorgung von
6kV bei 450 mA ausgeletztes Netzgerät im wesentlichen die gleiche Ausgangsleistung
bis herab zu Netzspannungen von 200 V oder sogar 190 V beibehält. Ein typisches
Netzgerät dieser Art hält also den Ausgangsstrom innerhalb eines Bereichs der Eingangsspannung
von 240 V bis herab zu 200 oder 190 V innerhalb einer Grenze von etwa 2 mA, pro
Volt der Netzspannungs schwankung konstant.
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Wenn die Netzspannung weiter vermindert wird, fällt der Hochspannungsstrom
schnell ab.
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Als Beispiel dieser weiteren Auswirkung wurden Reihcnwirkwiderstände
zlmehmender Größe in den Stromkreis der Primnrwicklung 2 des Transformators 1 eines
Mustcr Netzgerates in der Ausführungsform nach Fig. 3 eingefügt. Die dabei erhaltenen
Meßwerte sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt, wobei unter "Widerstand"
der Ohmwert des in der Primärwicklung liegenden Reihenwiderstandes, unter "Spannung"
der resultierende Spannungsabfall an der Primärwicklung 2 und unter "Strom" der
Strom in der Sekundärwicklung 3 in Milliampere zu verstehen sind: Widerstand (Q
) Spannung (V) Strom (mA) 7 179 250 9 178 210 11 177 160 13 176 110
Bei
den vorerwähnten Messungen nahm der Serienwiderstand die Stellung des Wirkwiderstandes
15 nach Fig. 4 ein. Es wurde ferner bei diesen Messungen festgestellt, daß die Änderung
der Netzspannung an den Klemmen 4 und 5 unterhalb des Nennwertes von 240 V in einer
geringen Verminderung den Stroms auf auf dcii Sckudärseite resultierte. ci'L#' Innerhalb
eines normalen Arbeitsbereichs der Netzspannung zwischen 240 V und 200 V bei einem
Nennstrom auf der Sekundärseite von 450 mA wurde die Ausgangsleistung des Netzgerätes
auf 2 mA/V Netzspannungsschwankung stabilisiert. Im Zustand niedriger Stromversorgung
mit einer Wirkwiderstandsgröße von 7 Ohm und einem Sekundärstrom von 250 mA wurde
die Ausgangsleistung des Netzgerätes auf 4 mA/V Netzspannungsachwankung stabilisiert.
Diese Stabilisierung i.St weitaus besser, als für dieselben Primärwicklungsspannungen
ohne Anwesenheit des Serienwiderstandes.
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Fig. 4 zeigt das Schaltbild eines Hochspannungs-Netzgerätes gemäß
der Erfindung, das im Grundaufbau ~ähnlich demjenigen nach Fig. 3 ist und zusätzlich
einen Serienwiderstand 15 von 7 Ohm besitzt, der zwischen der Primärwicklung 2 und
der Klemme 4 eingeschaltet ist. Der Serienwiderstand 15 wird mittels eines Überbrückungsschalters
16 ein- oder ausgeschaltet. Wenn der Überbrückungsschalter 16 geschlossen wird,
gibt das Netzgerät sekundärseitig einen Strom von 450 mA ab, der auf 2 mA/V Spannungsschwankung
an den Klemmen 4 und 5 stabilisiert ist. Wenn der tlberbrückungsschalter 16 hingegen
geöffnet wird, beträgt die sekundärseitige Stromabgabe des Netzgerätes 250 mA mit
einer Stabilisierung von 4 mA/V Spannungs schwankung an den Klemmen 4 und 5.
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Die Größe des Wirkwiderstandes 15 hängt von den charakteristischen
Werten des Transformators 1, der Streuihduktivität
6, den Kapazitäten
der Kondensatoren 7 und 8 und in begrenztem Ausmaß den anderen charakteristischen
Größen des Netzgerätes ab. Die erfonierliche Größe (1es Wirkwicierstandes 15 kann
amperisch erm##ttelt werden. Sie ist io nuszuwählen, daß der Spannungsabfall an
der Primärwicklung 2 kleiner ist als die normale Bctriebsspannung, andererseits
jedoch in einem Bereich bleibt, für welchen das Netzgerät annähernd stabilisiert
ist. Sie bewegt sich ferner in einer Größenordnung, in welcher der Ausgangsstrom
des Netzgerätes mit fallender Primärspannung schnell absinkt, wie dies durch den
Spannungsbereich von 179 auf 176 V für die Primärspannung gemäß der obigen Tabelle
für das als Beispiel ausgewählte Netzgerät veranschaulicht ist.
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Es ist natürlich bei vielen Schaltungen bekannt, die Spannung an einem
Verbraucher durch Einfügung eines Serienwiderstandes zwischen den Verbraucher und
die Spannungsquelle herabzusetzen.
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Es ist auch bekannt, die Spannung an einem Verbraucher mit unterschiedlicher
Stromaufnahme in gewissem Ausmaß durch Einfügung eines Serienwiderstandes zu stabilisieren.
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Die Schaltung gemäß der Erfindung arbeitet jedoch verschieden gegenüber
diesen bekannten Anordnungen, wie aus der obigen Tabelle hervorgeht. Dies ist so
zu verstehen, daß die Wirksamkeit der Erfindung auf einer Veränderung der Resonanzfrequenz
der Sekundärseite des ITochrcaktanz-Transformators beruht, wobei diese Frequenz
in der Hauptsache durch die Streuinduktivität 6 und den Kondensator 7 oder 8 (Fig.
3) bestimmt ist, wenn der Serienwiderstand in den Stromkreis eingeschaltet ist.
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Die bekannte Ausführungsform des Netzgerätes hat solche Schaltungskonstanten,
daß die Resonanzfrequenz etwas oberhalb
der Netzfrequenz liegt.
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Die Stabilisierungswirkung der Schaltung ist dann folgende: Wenn die
Netzspannung fällt, wird die magnetische Sättigung des Transformatoreisens vermindert;
die Streulnduktivität wird dadurch vergrößert; die Resonanzfrequenz wird verringert,
so daß sie näher an die Netzfrequenz herankommt; die Sekundärreaktanz des Transformators
wird verringert; und der Sekundärstrom wird vergrößert, wodurch in gewissem Ausmaß
der Abfall der Netzspannung kompensiert wird.
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In einem Stromkreis gemäß der Erfindung hat der Serienwiderstand 15
(Fig. 4) eine solche Größe, daß der magnetische Fluß im Transformatoreisen verkleinert
wird und dadurch die Streuinduktivität ausreichend zunimmt, um die Resonanzfrequenz
auf eine Frequenz wesentlich unterhalb der Netzfrequenz zu ändern.
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Dies unterscheidet sich von der bekannten Schaltung, wo die Resonanzfrequenz,
wie oben erläutert wurde sich zwar ändert, jedoch immer oberhalb der Netzfrequenz
bleibt.
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Unter der Bedingung, daß die Transformator-Resonanzfrequenz unterhalb
der Netzfrequenz liegt, ergibt sich folgende Wirkungsweise: Wenn die Netzspannung
fällt, sinkt die Sättigung des Transformatoreisens; die Streureaktanz wird vergrößert;
und die Resonanzfrequenz fällt weiter unter die Netzfrequenz. Diese Wirkung würde
zu einer weiteren Verkleinerung des sekundären Ausgangsstromes führen. Jedoch schafft
der Serienwiderstand nun selbst eine Stabilisierwirkung. Wenn die Netzspannung fällt,
fällt auch der Primärstrom; der Spannungsabfall am Serienwiderstand fällt jedoch
ebenso, Dies
wirkt sich in einem Ansteigen des Spannungsabfalles
an der Primärwicklung des Transformators und damit einem Ansteigen des Primärstromes
aus; die Streureaktanz wird vermindert; die Resonanzfrequenz wird näher der Netzfrequenz
gehalten, und dadurch wird auch der Ausgangsstrom stärker gestützt, als wenn kein
Serienwiderstand vorhanden ist.
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Mit einem Netzgerät mit charakteristischen Schaltungskonstanten hat
die Einfügung eines Serienwiderstandes von der Größe 7 Ohm in den Primärkreis des
Transformators eine zufriedenstellende Leistungssteuerung ermöglicht, und der Bereich
zufriedenstellender Werte für die Größe des Serienwiderstandes liegt zwischen etwa
5 und 15 Ohm.
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Vorstehende Erläuterungen lassen erkennen, daß die Erfindl ein Netzgerät
schafft, mit welchem der lIcizleistungsausgang der Nagnetfeldröhre durch einen einfachen
Schaltvorgang vermindert werden kann, mit welchem die Ausgangsleistung aber auch
in Stufen durch Einschaltung von Serienwiderständen verschiedener Größe, falls erwünscht,
vermindert werden kann und in welchem ein beträchtliches Naß an weiterer Stabilisierung
des Ausgangsstromes mit der Änderung der Netzspannung erzielt wird.
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Patentansprüche /