DE2651516A1

DE2651516A1 - Schaltung zur erzeugung eines offenen magnetfeldes

Info

Publication number: DE2651516A1
Application number: DE19762651516
Authority: DE
Inventors: Rudy Tellert
Original assignee: Sachs Systemtechnik GmbH
Current assignee: Sachs Systemtechnik GmbH
Priority date: 1976-11-11
Filing date: 1976-11-11
Publication date: 1978-05-18
Also published as: GB1591854A; US4177494A; IT1091456B; JPS5947875B2; FR2371085B1; FR2371085A1; DE2651516C2; JPS5360741A

Description

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Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Wr. ic km an ν, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Tiiickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

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Sachs Systemtechnik GmbH

Johann-Georg-Gademann-Str. 13 872o Schweinfurt

Schaltung zur Erzeugung eines offenen Magnetfeldes

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung eines offenen Magnetfeldes mit wenigstens zwei im Gegentakt gesteuerten Transistoren, mit einem diesen zugeschalteten ersten Schwingkreis , dessen Spule gleichzeitig die das offene Magnetfeld erzeugende Induktionsspule ist, mit einem diesem, aufeine Grundfrequenz abgestimmten ersten Schwingkreis in Reihe geschalteten zweiten Schwingkreis, der auf die dritte Oberwelle (Harmonische) der Grundfrequenz abgestimmt ist, wobei die Spulen der beiden Schwingkreise sich gegenseitig nicht dämpfend angeordnet sind, und mit Mitteln zur Lieferung eines zur Erzeugung eines angenähert rechteckigen Spannungsverlaufes durch Addition der entstehenden beiden Resonanzspannungen geeigneten zeitlichen Kollektorstromablaufs nach Patent ... (P 24 53 924.0).

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Ein derartiges offenes Magnetfeld kann dazu dienen, über einen räumlichen Abstand hinweg induktiv elektrische Energie von der Induktionsspule der Schaltung auf eine Last, etwa in Form eines durch Wirbelstrom- und gegebenenfalls Hysteresisverluste zu erhitzenden Gegenstands oder in Form eines elektrisch betriebenen Sekundärgeräts jedweder Art zu übertragen. Die eingangs genannte, vorgeschlagene Schaltung erzielt gegenüber vorher bekannt gewordenen Schaltungen eine Verbesserung des Wirkungsgrads dadurch, daß der Lastkreis der im Gegentakt gesteuerten Transistoren aus der Reihenschaltung zweier Parallelschwingkreise besteht, von denn der eine auf die Grundfrequenz und der andere auf die dritte Harmonische abgestimmt sind. Die die Schwingkreise speisenden Transistoren sollen Zur Vermeidung hoher Schaltverluste möglichst im Schalterbetrieb arbeiten, d.h. möglichst schnell aus dem Sperrzustand in den leitenden Zustand und umgekehrt gesteuert werden. Das bedeutet, daß die Kollektorspannung der Transistoren nahezu rechteckförmig ist und außer der Grundwelle Oberwellen enthält, von denen der Anteil der dritten Harmonischen am größten ist. Der auf die Grundfrequenz abgestimmte Parallelschwingkreis stellt für die Frequenz der dritten Harmonischen bzw. dritten Oberwelle einen relativ geringen Widerstand dar. Ohne den zusätzlichen, auf die dritte Harmonische abgestimmten Parallelschwingkreis könnten durch den ersten Schwingkreis daher relativ große Ströme der dritten Harmonischen fließen, die entsprechende Schaltverluste zur Folge hätten. Diese Verluste werden also durch den zusätzlichen Parallelschwingkreis, der bei Frequenzen der dritten Harmonischen einen sehr hohen Widerstand darstellt, vermieden, so daß der Wirkungsgrad der Schaltung im Lastbetrieb verbessert bzw. die Leerlaufverluste der Schaltung verringert werden konnten.

Die Summe der Schwingkreisspannungen der beiden Parallelschwingkreise ergibt im wesentlichen den gewünschten rechteckförmigen Verlauf. Bei der vorgeschlagenen Schaltung ist man davon ausgegangen, daß diese Rechteckform der Summenspan-

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nung bei Belastung der Schaltung nur aufrecht erhalten werden kann, wenn beide Schwingkreise gleichermaßen belastet werden. Das bedeutet; daß die Spulen beider Schwingkreise mit der anzuschließenden Last induktiv gekoppelt werden müssen. Da andererseits die beiden Spulen gegeneinander entkoppelt sein müssen, ergibt sich ein sehr komplizierter Aufbau, insbesondere für die Anwendung der Schaltung bei Kochgeräten, Warmhaltegeräten oder dergleichen, bei denen die mit der Last zu koppelnde Induktionsspule der Schaltung am besten aus einer Flachspule besteht. Bei der vorgeschlagenen Schaltung ist ein Induktions-Flachspulenaufb&u erforderlich, der sowohl die Spule des ersten Schwingkreises als auch diejenige des zweiten Schwingkreises enthält, wobei beide Spulen gegeneinander entkoppelt sein müssen. Abgesehen von der Schwierigkeit, die sich bei der Herstellung eines solchen Spulenaufbaus ergibt, besteht eine weitere Schwierigkeit darin, daß die Einstellung der Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises auf die dritte Harmonische der Grundfrequenz über den Kondensator dieses zweiten Schwingkreises erfolgen muß. Da die Grundfrequenz mehrerer völlig gleich aufgebauter Schaltungen infolge von Bauteiletoleranzen nie exakt übereinstimmen wird,ist es nötig, für jede einzelne Schaltung den geeigneten Kondensator für den zweiten Schwingkreis auszuwählen und einzulöten. Eine Änderung der Induktivität der Flachspule des zweiten Schwingkreises zur Einstellung der Resonanzfrequenz ist bei der bekannten Schaltung nicht möglich.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die eingangs genannte Schaltung so weiterzubilden, daß ein einfacherer und damit billigerer Induktions-Spulenaufbau verbunden mit einem geringeren Abgleichaufwand für den zweiten Schwingkreis möglich wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Spule des zweiten Schwingkreises räumlich 3O angeordnet ist, daß sie keinen Beitrag zum erzeugten offenen Magnetfeld leistet.

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Es hat sich herausgestellt, daß die vorteilhafte Wirkung des zweiten, auf die dritte Harmonische abgestimmten Schwingkreises im Lastbetrieb auch dann erhalten bleibt, wenn dieser Schwingkreis nicht durch induktive Kopplung mit der Last bedämpft wird, wie dies beim ersten Schwingkreis der Fall ist. Wenn der erste, auf die Grundfrequenz abgestimmte Schwingkreis durch induktive Kopplung seiner Induktionsspule mit einer Last belastet wird, dann sinkt seiae Sehwingkreisspannung. Zur Äufrechterhaltung einer angenäherten Rechteckform der Summe aus der Schwingkreisspannung des ersten Parallelschwingkreises und derjenigen des zweiten Parallelschwingkreises muß auch diese letztere Schwingkreisspannung etwa in gleichem Verhältnis wie die des ersten Schwingkreises fallen. Diese Abnahme der Schwingkreisspannung auch des zweiten Schwingkreises tritt auch bei alleiniger äußerer Belastung des ersten Schwingkreises jedoch dadurch auf, daß der zweite Schwingkreis von dem Strom bedämpft wird, den der erste Schwingkreis mit steigender Last zunehmend zieht. Eine induktive Kopplung auch der Spule des zweiten Schwingkreises mit der Last ist daher zur Bedämpfung dieses zweiten Schwingkreises nicht erforderlich. Die Spule des zweiten Schwingkreises braucht daher nicht in einem einzigen Induktions-Flachspulenaufbau zusammen mit der Spule des ersten Schwingkreises untergebracht zu werden, sondern sie kann an irgendeiner beliebigen Stelle angeordnet werden. Damit vereinfacht sich der Induktions-Flachspulenaufbau erheblich, da er nicht mehr aus zwei gesonderten Spulen bestehen muß, die gegenseitig entkoppelt sein müssen. Die erforderliche Entkopplung zwischen den Spulen des ersten Schwingkreises und des zweiten Schwingkreises kann auf einfache Weise dadurch erzielt werden, daß die nun vorzugsweise als kleine Zylinderspule oder dergleichen ausgebildete Spule des zweiten Schwingkreises innerhalb eines Gehäuses der Schaltung räumlich getrennt von der Spule des ersten Schwingkreises untergebracht wird.

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Die erfindungsgesaäße getrennte Anordnung der Spulen der beiden Schwingkreise läßt es zu, daß die Spule des zweiten Schwingkreises als eine mittels eines Spulenkerns in der Induktivität variable Spule aufgebaut ist. Die Einstellung der Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises auf die dritte Harmonische der Grundfrequenz des ersten Schwingkreises braucht daher nicht mehr durch gesondert einzulötende Kondensatoren, sondern kann einfach durch Einstellung der Induktivität der Spule des zweiten Schwingkreises vorgenommen werden.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Transistoren und wenigstens der erste Schwingkreis einen auf der Grundfrequenz selbst^erregten Oszillator bilden, daß der Basiskreis jedes Transistors eine Rückkopplungsspule enthält und daß die Rückkopplungsspulen direkt in induktiver Kopplung mit der Spule des ersten Schwingkreises stehen. Wenn ein Induktions-Flachspulenaufbau sowohl die Spule des ersten als auch diejenige des zweiten Schwingkreises in einer sich gegenseitig nicht dämpfenden Weise umfaßt, wie dies bei der vorgeschlagenen Schaltung der Fall ist, dann ist es allenfalls nur noch unter nicht mehr vertretbarem Aufwand möglich, Rückkopplungsepulen für die Steuerung der Transistoren so anzuordnen, daß sie zwar in direkter induktiver Kopplung mit der Spule des ersten Schwingkreises, nicht gleichzeitig aber mit derjenigen des zweiten Schwingkreises stehen. Bei der vorgeschlagenen Schaltung ist zur Gewinnung der Steuerspannungen für die Transietoren daher ein gesonderter übertrager vorgesehen, dessen Primärwicklung parallel an den ersten Schwingkreis angeschlossen ist und dessen beide Sekundärwicklungen gegenphasig die beiden Transistoren steuern. Da der Induktionsspulenaufbau, der mit der Last gekoppelt wird, gemäß der Erfindung nur noch die Spule des ersten Schwingkreises enthält, können in diesem Aufbau ohne Schwierigkeiten noch zwei Rückkopplungsepulen zur gegenphasigen Ansteuerung der Transistoren vorgesehen werden, wodurch einerseits der

Induktionsepulenaufbau nicht wesentlich komplizierter wird,

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andererseits jedoch ein zusätzlicher übertrager eingespart werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Äusführungsbeispiel anhand der einzigen Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt den Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Schaltung. Die Schaltung kann über eine Sicherung 1 und einen Brückengleichrichter 2 an ein Wechselstromnetz angeschlossen werden. Die Gleichspannungsausgänge des Brückengleichrichters 2 sind mit der Reihenschaltung eines niederohmigen Widerstands 3 und zweier Ladekondensatoren 4 und 5 verbunden. Parallel zum Ladekondensator 4 liegt ein Widerstand 6, parallel zum Ladekondensator 5 ein Widerstand 7. Die Widerstände 6 und 7 dienen der Symmetrierung der Spannungen über den beiden Ladekondensatoren 4 und 5. Parallel zur Reihenschaltung der beiden Ladekondensatoren 4 und 5 ist die Reihenschaltung eines Transistors 8, zweier Dioden 9 und 1o und eines Transistors 11 geschaltet. Zwischen dem Schaltungsknoten 12 zwischen den beiden Dioden 9 und 1o und dem Schaltungsknoten 13 zwischen den beiden Ladekondensatoren 4 und 5 liegt die Reihenschaltung eines ersten Parallelschwingkreises 14 und eines zweiten Parallelschwingkreises 15. Der erste Parallelschwingkreis 14 besteht aus einer Spule 16 und eimern Kondensator 17. Der zweite Parallelschwingkreis 15 besteht aus einer Spule 18 und einem Kondensator 19. Die Spule 16 stellt die Induktionsspule dar, die mit einer nicht dargestellten Last zur Induktiven Energieübertragung koppelbar ist. Die Spule 16 kann beispielsweise als Flachspule ausgebildet sein, um in Kopplung mit einem Speise- oder Kochbehälter Speisen oder dergleichen zu erhitzen oder warm zu halten. Die Spule 16 kann aber auch mit der ebenfalls nicht gezeigten Induktionsspule eines Sekundärgerätes transformatorisch gekoppelt werden«

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Zwischen Basis und Emitter jedes der Transistoren 8 und 11 befindet sich die Reihenschaltung einer Rückkopplungsspule 2ο bzw. 21 mit einem RC-Glied 22 bzw, 23. Die beiden RC-Glieder 22 und 23 bestehen im wesentlichen aus der Parallelschaltung eines Kondensators 22a bzw. 23a und eines Widerstands 22b bzw. 23b. In Reihe mit den Widerständen 22b bzw. 23b liegt jeweils noch eine Diode 24 bzw. 25, auf die später noch eingegangen wird. Die Rückkopplungsspulea 2o und 21 sind mit der Spule 16 des ersten Parallelschwingkreises 14 transfοrraatorisch gekop-

1© pelt, so daß in ihnen Steuerspannungen für die Transistoren induziert werden. Zur Gegentaktsteuerung der Transistoren 8 und 11 sind die Rückkopplungs spulen 2o und 21 gegensinnig an** geschlossen. Durch die Rückkopplung der Schwingkreisspannung des ersten Schwingkreises 14 über die Rückkopplungsspulen 2o und 21 auf die Basis der Transistoren 8 bzw. 11 wird ein selbsterregter Oszillator gebildet, dessen Grundfrequenz von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 14 bestimmt wird. Das übersetzungsverhältnis zwischen der Spule 16 des ersten Schwingkreises 14 und den Rückkopplungsspulen 2o bzw. 21 ist so gewählt, daß eine relativ hohe Steuerspannung für die Transistoren zur Verfügung steht. Mit Hilfe der RC-Glieder 22 und 23 läßt sich ein nahezu rechteckförmiger Basisstrom für die Transistoren erzielen. Am Anfang der Einschaltphase beispielsweise des Transistors 8 ist der Kondensator 22a nahezu entladen, so daß der Basisstrom rasch ansteigen kann, um den Transistor 8 in die Sättigung zu bringen. Der Kondensator 22a wird abhängig von der Zeitkonstanten des RC-Glieds dann langsam vom Basisstrora so aufgeladen, daß sein der Basis zugewandter Anschluß negativer als der dem Emitter zugewandte Anschluß wird. Die Kondensatorspannung ist daher der Steuerspannung von der Rückkopplungsspule 2o entgegengesetzt und bewirkt, daß der Kollektorstrom des Transistors 8 frühzeitig gesperrt wird, bevor die Kollektor-Emitter-Spannung wieder ansteigt. Während der Sperrphase des Transistors 8 kann sich der Kondensator 22a über die Diode 24 und den Widerstand 22b entladen. Ein Widerstand 26 liegt zwischen dem positiven Anschluß

des Ladekondensators 4 und dem basisseitigen Anschluß des RC-Glieds 22. Ein entsprechender Widerstand 27 liegt zwischen dem positiven Anschluß des Ladekondensators 5 und dem basisseitigen AnschluB des RC-Gliedes 23. Die relativ hochohmigen Widerstände 26 und 27 dienen la Verbindung mit den jeweiligen Dioden 24 bzw. 25 als Anschwinghilfe des Oszillators. Solange der Oszillator noch nicht angeschwungen ist, sind die Kondensatoren 22a bzw. 23a noch nicht aufgeladen,- so daß an ihrem basisseitigen Anschlußtein negatives Potential vorhanden ist.

Die Aufgabe der Dioden 24 und 25 besteht darin zu verhindern, daß die über die Widerstände 26 bzw. 27 an die Basis gelangende Spannung zur Anschwinghilfe durch das Widerstandsverhältnis der Widerstände 26 und 22b bzw. 27 und 23b bestimmt wird. Eine solche Spannungstellung wäre nämlich insofern problematisch, als die Widerstände 22b und 2 3b verhältnismäßig niederohmig sind. Aufgrund der Dioden 24 und 25 können ungeachtet der niederohmigen Widerstände 22b und 23b hochohmige Widerstände 26 und 27 zur Anschwinghilfe verwendet werden.

Der zweite Parallelschwingkreis 15 ist auf die dritte Harmonische der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises 14 abgestimmt. Die Spule 18 des zweiten Schwingkreises trägt erfindungsgemäß nicht zur Erzeugung des offenen Magnetfeldes bei, wird also nicht mit einer zu speisenden Last gekoppelt. Die Spule 18 kann daher in beliebiger Form, beispielsweise als Zylinderspule, mit einem Spulenkern ausgebildet sein, wobei die Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises 15 durch Änderung der Induktivität der Spule 18 justiert werden kann. Die Summe der Schwingkreisspannungen der Schwingkreise 14 und 15 d.h. die Spannung zwischen den Schaltungsknoten 12 und 13 hat einen angenähert rechteckförmigen Verlauf, der sich aus der überlagerung einer Spannung der Grundwelle und einer Spannung der dritten Oberwelle bzw. dritten Harmonischen ergibt. Das zur Erzielung des nahezu rechteckförmigen Verlaufs der Sumraenspannung erforderliche Verhältnis zwischen der Grundwellen-

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Spannung und der Oberwellenspannung wird nicht dadurch nachteilig beeinflußt, daß im Belastungsfall lediglich die Spule 16 des ersten Schwingkreises 14 mit der Last gekoppelt, nur der erste Schwingkreis also direkt von der Last bedämpft wird. Im Belastungsfall zieht der erste Schwingkreis 14 einen last** abhängigen Strom, der nur durch den zweiten Schwingkreis 15 geliefert werden kann. Dieser Strom bedämpft den Schwingkreis 15, so daß dessen Schwingkreisspannung im Lastfall genauso abnimmt wie die des ersten Schwingkreises 14»

Die Siod@a9 und Io verhindern einen inversen Betrieb der Transistoren 8 bzw. 11, der ohne diese Dioden bei einer Spannungsüberhöhung der Schwingkreisspannung auftreten könnte. Der Widerstand 3 dient zum einen als Schutz des Brückengleichrichters 2 zur Strombegrenzung. Zum anderen stellt der Widerstand 3 in Verbindung mit einem Kondensator 28 parallel zu den Wechselstromanschlüssen des Brückengleichrichters 2 einen Tiefpaß dar, der zur Funkentstörung die Rückspeisung hochfrequenter Ströme in das Wechselstromnetz verhindert.

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Claims

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Patentansprüche

( 1.'Schaltung zur Erzeugung eines offenen Magnetfeldes mit wenigstens zwei im Gegentakt gesteuerten Transistoren, mit einem diesen zugeschalteten ersten Parallelschwingkreis kreis, dessen Spule gleichzeitig die das offene Magnetfeld erzeugende Induktionsspule ist, mit einem diesem, auf eine Grundfrequenz abgestimmten ersten Schwingkreis in Reihe geschalteten zweiten Paralle Lsctiwintrkreis , · der auf die dritte Oberwelle der Grundfrequenz abgestimmt ist, wobei die Spulen der beiden Schwingkreise sich gegenseitig nicht dämpfend angeordnet sind, und mit Mitteln zur Lieferung eines zur Erzeugung eines angenähert rechteckigen Spannungsverlaufes durch Addition der entstehenden beiden Resonanzspannungen geeigneten zeitlichen Kollektorstromablaufs nach Patent ... (P 24 53 924.0), dadurch gekennzeichnet , daß die Spule (18) des zweiten Schwingkreises (15) räumlich so angeordnet ist, daß sie keinen Beitrag zum erzeugten offenen Magnetfeld leistet.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (18) des zweiten Schwingkreises (15) eine Zylinderspule oder dergleichen ist, die innerhalb eines Gehäuses der Schaltung räumlich getrennt von der als Flachspule ausgebildeten Spule (16) des ersten Schwingkreises (14) angeordnet ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Spule (18) des zweiten Schwingkreises (15) zur Veränderung der Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises einstellbar ist.

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Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Transistoren (8, 11) und wenigstens der erste Schwingkreis (14) einen auf der Grundfrequenz selbst_erregten Oszillator bilden, daß der Basiskreis jedes Transistors eine Rückkopplungsspule (2o, 21) enthält und daß die Rückkopplungsspulen direkt in induktiver Kopplung mit der Spule (16) des ersten Schwingkreises stehen.

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