DE2657450A1

DE2657450A1 - Speiseschaltung fuer den mikrowellengenerator eines mikrowellen-erhitzungsgeraetes bzw. verfahren zum betrieb eines solchen mikrowellengenerators

Info

Publication number: DE2657450A1
Application number: DE19762657450
Authority: DE
Inventors: Henry Marshall Israel
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-12-18
Filing date: 1976-12-18
Publication date: 1977-06-30
Also published as: CA1074406A; US4142082A; JPS5278145A; DE2657450C2; GB1520167A; JPS5917593U

Description

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München, den 15. Dezember 1976 Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 150

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173, Yereinigte Staaten von Amerika

Speiseschaltung für den Mikrowellengenerator eines Mikrowellen-Erhitzungsgerätes bzw. Verfahren zum Betrieb eines solchen Mikrowellengene rators„

Die Erfindung bezieht sich auf eine Speiseschaltung für den Mikrowellengenerator eines Mikrowellen-Erhitzungsgerätes, insbesondere für das Magnetron eines Mikrowellenofens. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Mikrowellengenerators.

Im allgemeinen werden Mikrowellenofen durch Mirkowellenenergie aus Magnetrons gespeist, die eine hohe Spannung benötigen. Da es sich bei solchen Magnetrons im wesentlichen um Geräte mit konstanter Spannung handelt, die mehrere Tausend Volt benötigen, sollte die Stromquelle vorzugsweise Energie in Spaniiungs- und Strombereichen liefern, in denen die Magnetrons in einem bestimmten Modus im wesentlichen unabhängig von einem weiten Bereich von in einem Hohlraum angeordneten Mikrowellenbelastungen und im Betriebsbereich eines hohen Wirkungsgrades des Magnetrons

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betrieben werden können. Solche Stromquellen arbeiten im allgemeinen mit 60-Hz-Transformatoren, wobei die gewünschte Stromregelung durch Resonanzwirloing oder durch komplexe Regeleinrichtungen durchgeführt wird, bei denen das am Magnetron angelegte Magnetfeld als Punktion des Raumladestrons durch das Magnetron geändert wird. Solche Geräte sind sperrig und schwer. Außerdem sind hier zur Regelung oder Änderung der durchschnittlichen Mikrowellenleistung des Ofens relativ komplizierte Steuerschaltungen erforderlich.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Steuerung und gegebenenfalls Regelung der Ausgangsleistung des Mikrowellengenerators bei Aufrechterhaltung eines guten Wirkungsgrades zu vereinfachen und verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine an den Mikrowellengenerator bzw. das Magnetron angekoppelte und an diesen bzw. dieses Stromiiupulse liefernde Inipulserzeugungseinrichtung, welche einen Transformator enthält, wobei sich die Intensität der Strominipulse abhängig von der mittleren Kraftflußdichte im Transformator ändert.

Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrowellengenerators für Mikrowellen-Erhitzungsgeräte vorgeschlagen, bei welchem der Mikrowellengenerator bzw. das Magnetron von Stromimpulsen mit über tonfrequenter Wiederholungsfrequenz aus einem Transformator gespeist wird, wobei die Intensität der Impulse unter Veränderung der mittleren Kraft flußdichte im Transformator gesteuert wird.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der soeben kurz beschriebenen Schaltung sowie des vorstehend angegebenen Verfahrens sind Gegenstand der anliegenden Ansprüche, auf welche hier zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird.

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Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Mitrowellenofen mit Mikrowellenenergie aus einem Mikrowellengenerator gespeist, bei dem zumindest ein wesentlicher Teil der Eingangsleistung aus einem Magnetfeld kommt, dessen Stärke während des Betriebes des Mikrowellengenerators abnimmt und dabei einen beträchtlichen Teil der Leistung an diesen Mikrowellengenerator als Ansteuerung mit im wesentlichen konstanten Stromkennlinie liefert. Genauer gesagt, ein solches abnehmendes Magnetfeld liefert induzierte Spannung in einer Ausgangswicklung, die ausreicht, um einen Mikrowellengenerator, wie etwa ein Magnetron, zu erregen, und zwar unabhängig von Änderungen des Hochspannungsbedarfs des Magnetrons, die ihre Ursache beispielsweise in Ilerstellungstoleranzen, Änderungen der Mikrowellenbelastung, Änderungen der Kathodenemissionseigenschaften der Röhre während ihrer gesamten Lebensdauer und/ oder Änderungen im Transversalmagnetfeld des Magnetrons haben können.

Die vorliegende Erfindung zeigt ferner, daß die Energie für die Zuführung des Stromimpulses an den Mikrowellengenerator bzw. an das Magnetron in der Magnetisierungsreaktanz in Form eines Erregerstromes in einem Transformator gespeichert werden kann. Außerdem kann eine Ladung in einem Hochspannungskondensator oder in einem Energiespeichernetz während der gleichen Zeit gespeichert werden, in der dem Transformator zur Erhöhung seines Induktionsflusses Energie zugeführt wird, wobei anschließend die Ladung in Reihe mit dem durch den abnehmenden Transformator-Induktionsfluß hervorgerufenen Impuls angelegt werden kann, um so eine zusammengesetzte Leistungseinspeisung zum Magnetron zu bilden.

Im einzelnen wird hier eine Primärwicklung durch ein nichtreguliertes Netzteil über einen Halbleiterschalter versorgt, der periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Bei eingeschaltetem

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Halbleiterschalter wird eine Spannung aus dem nichtregulierten Netzteil an der Primärwicklung angelegt, wobei der Magnetfluß im Transformator ansteigt und in einer Ausgangswicklung Hochspannung entsteht, durch die ein Energiespeichersystem, wie etwa ein Kondensator, aufgeladen wird. Beim Ausschalten des Halbleiterschalter ändert sich die Polarität der an der Ausgangswicklung liegenden Spannung, die in Reihe zu der im erwähnten Energiespeichersystem gespeicherten Spannung geschaltet wird, um so einen - beispielsweise negativen - Impuls an die Kathode eines Magnetrons zu liefern, dessen Anode geerdet ist. Die Ausschaltzeit dieses Schalters, während der dem Magnetron Energie zugeführt wird, kann größer als die Einschaltzeit mit Stromzuführung zum Transformator sein, so daß die Ausgangsimpulsperiode mehr als fünfzig Prozent betragt. Die in der gesamten vorliegenden Patentbeschreibung und in den Patentansprüchen verwendeten Ausdrücke "Einschaltperiode" und "Ausschaltperiode" stellen die Perioden dar, in denen der Halbleiterschalter ein- bzw, ausgeschaltet ist.

Die vorliegende Erfindung sorgt ferner für eine Begrenzung der induzierten Spannung in der Ausgangswicklung für den Fall, daß die Belastung einen offenen Stromkreis aufweist. Im einzelnen bedeutet dies eine zusätzliche Wicklung bzw. Überspannungswicklung am Transformator, die in Reihe mit einem Gleichrichter an die Stromquelle geschaltet ist, wobei sowohl diese Wicklung als auch der Gleichrichter so gepolt sind, daß Strom in die nichtgeregelte Stromquelle zurückfließt, sobald der Halbleiterschalter geöffnet wird und die Spannung an diesem Schalter einen vorbestimmten Wert überschreitet. Wenn also die Belastung einen offenen Stromkreis aufweist, der z. B. auf einen Ausfall des Heizfadens oder auf einen Emiaeionsverlust der Magnetronkathode zurückzuführen ist, so wird eine zu hohe Spannung verhindert, die sonst am Halbleiterschalter auftreten würde.

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Die Erfindung zeigt auch, daß durch die ¥ahl des Vindungsverhältnisses der überspannungswicklung Energie für kurze Zeit zur Stromquelle zurückgespeist werden kann, und zwar nach öffnen des Schalters bei jeder Periode vor dem Zeitpunkt, in welchem die der Belastung zugeführte Energie einen Pegel erreicht hat, bei dem die Induktionsreaktanz der Streuinduktivität des Transformators überwunden wird, so daß Energie durch das Schalten von Einschwingimpulsen erhalten werden kann.

Ferner wird hier vorgeschlagen, daß durch Aufrechterhaltung des Kraftflusses im Transformator über einem vorbestimmten Wert Änderungen des maximalen Laststromes beispielsweise durch das Magnetron zu einer Verschiebung des Durchschnittswertes des Kraftflusses im Sinne einer Kompensierung dieser Änderungen führen, so daß dieser Laststrom stabilisiert wird.

Weiter erkennt man, daß durch eine .Änderung der Stromimpulsbreite des Stromes durch den Halbleiterschalter die Durchschnittsstärke des magnetischen Flusses im Transformator und dadurch die Größe des dem Magnetron zugeführten Stromes geändert werden kann,

Nach der Erfindung kann eine Änderung der °tromimpulsbreite auch in Übereinstimmung mit jedem gewünschten Programm zur Änderung oder Modulierung der dem Ofen gemäß jeglicher gewünschten Steuerfolge zugeführten Energie geschehen.

Außerdem kann der größte Teil der durch den Halbleiterschalter laufenden Wellenform des Stromes eine hauptsächlich rechteckförmige Komponente haben, so daß die Spitzenströme bei einer gegebenen Energiegröße reduziert werden. Da bei eingeschaltetem Halbleiterschalter die Größe des durch ihn gehenden Stromes eine Funktion der Größe des Magnetflusses im Transformator ist, kann der Halbleiterschalter ganz ein- und ganz ausgeschaltet werden, wodurch die Verluste im Schalter abnehmen.

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Ferner ergibt sich hei der hier vorgeschlagenen Schaltung, daß der Verbindungsschaltkreis zwischen Magnetron und Transformatorausgangswicklung hei eingeschaltetem Halbleiterschalter und in der Zeit der Aufladung des Ilochspannungskondensators unterbrochen und anschließend bei ausgeschaltetem Halbleiterschalter leitend gemacht werden kann. Der kapazitive Blindwiderstand des Magnetrons und der zugehörigen Filterkomponenteii schwingt wahrend des Leitens des Magnetrons vorzugsweise in Resonanz mit der Streuinduktivität des Transformators und/oder anderer induktiver Komponenten in einer vorherrschenden Frequenz, die höher ist als die vorherrschend Resonanzfrequenz der Reaktanz der Streuinduktivität mit dem kapazitiven Blindwiderstand des Tlochspannungs-Speicherkondensators, wenn der Halbleiterschalter eingeschaltet ist.

Auch kann der durch den Schalter gehende Strom abgetastet und der Schalter abgeschaltet werden, wenn dieser Strom vorbestimate Werte überschreitet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der anliegenden Ansprüche, auf welche zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird. l\Tachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erli'utert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Mikrowellenofens mit · übertonfrequent geschalteter Energieversorgung,

Fig. 2A Beispiele von Wellenformen zur Erläuterung

von Eigenschaften der Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine typische Magnetron-Stromspannungskurve, verwendbar in den Beispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2,

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Fig. 4 Kennlinien des magnetischen Flusses des Transformators zur Verwendung in den Ausführungsheispielen nach den Figuren 1 his 3 und

Fig. 5 ein alternatives Ausführungsheispiel.

Figur 1 zeigt einen Mikrowellenofen mit einem Heizraum 10 und einer Tür 12, in dem sich ein Lehensmittelstück 14 hefindet, das durch Mikrowellenenergie erwärmt werden soll. Der Heizraum 10 wird mit Mikrowellenenergie aus einem Magnetron 16 über einen Wellenleiter 18 versorgt. Die Innenahmessungen des Heizraums sind wesentlich größer als eine Freiraumwellenlänge beispielsweise hei 2450 MIIz der vom Magnetron l6 erzeugten Milrrowellenenergie und die im Ileizraum 10 entstehenden Resonanzwell en typ en werden durch ein Moden-Rührwerk 20 nach bekannten Verfahren periodisch geändert.

Zur Erregung des Magnetrons wird der Ofen an ein Wechselstromnetz von etwa ein II5 Volt und 60 Hz über einen Stecker 22 und eine Verriegelungs- und Steuerschaltung 24 angeschlossen, die einen oder mehrere, durch einen mechanischen Türverschluß 26 betätigte Steuerschalter enthält. Der Typ der Verriegelungs- und Steuerschaltung 24 ist beliebiger Art und ist vorzugsweise mit Start- und Stop-Druckknopfschaltern und einem einstellbaren Kochzeitschalter versehen,, Durch Schließen der Tür 12, Einstellen der Zeit und Drücken des Start-Knopfes wird Strom vom Netzanschluß zur Niederspannungs-Stromquelle 28 geliefert, die sich zusammensetzt beispielsweise aus einem Brückengleichrichter 30 und einem Ausgangsfilterkondensator 32 genügender Größe, um eine nichtstabilisierte Ausgangsspannung von I50 Volt zu liefern.

Wie aus der Abbildung hervorgeht, ist der Mittelstift des Stekkers 22 in gleicher Weise wie die Anode des Magnetrons 16 physisch geerdet_e Die negative Seite des Kondensators 32 jedoch

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ist zur Einschränkung der Berührungsspannung an eine Masse-Sammelschiene 34 und die positive Seite dieses Kondensators 32 an eine positive Schiene 36 angeschlossen.

Die Schiene 36 ist an eines der Enden einer ersten Primärwicklung 38 des Transformators 40 angeschlossen, der einen vorzugsweise aus Keramikmaterial bestehenden Kern 42 sowie einen oder mehrere effektive Luftspalte 44 zur Verhinderung einer Kraftflußsättigung des Kerns 42 besitzt. Das andere Wicklungsende 38 ist am Kollektor 46 eines Leistungstransistors 48 angeschlossen, dessen Emitter 50 mit der Schiene 34 über einen Stromfühlerwiderstand 52 verbunden ist.

Die Basis 54 des Transistors 48 wird in Bezug auf den Emitter 54 periodisch positiv ausgesteuert durch einen Impulsgenerator 56, der positiv verlaufende Rechteckimpulse von beispielsweise zwanzig Mikrosekunden Dauer bei einer Polgefrequenz von beispielsweise zwanzig Kilohertz erzeugt. Die Erregung und Steuerung des Impulsgenerators wird nachfolgend beschrieben.

Bei der Sekundärwicklung 60 des Transformators 40 handelt es sich um eine Hochspannungs—Ausgangswicklung, deren eines Ende geerdet und somit an der Anode des Magnetrons 16 angeschlossen ist. Das andere Ende der Wicklung 60 ist über einen Ausgangsspeicherkondensator 62 und einen Hochspannungs-Gleichrichter 64 : an Erde gelegt, wobei der Gleichrichter 64 so gepolt ist, daß Strom von positiv nach negativ über den Gleichrichter 64 zur Erde fließt. Die Verbindung zwischen Kondensator 62 und Gleichrichter 64 ist über einen zweiten Hochspannungsgleichrichter 66 am Kathodenheizdraht 68 des Magnetrons l6 angeschlossen, wobei der Gleichrichter 66 so gepolt wird, daß ein Strom vom Kathodenheizdraht 68 zum Kondensator 62 fließt. Falls gewünscht, kann der Gleichrichter 66 weggelassen und der Kondensator 62 direkt am Kathodenheizdraht 68, wie nachstehend beschrieben, angeschlossen werden.

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Der Heizstrom zum Kathodenheizdraht 68 wird durch die Sekundärwicklung eines Kathodenheiztransformators 70 geliefert, dessen Primärwicklung vom Ausgang des Schaltkreises 24 versorgt wird. Von jeder Seite des Kathodenheizdrahtes 68 sind Filterkondensatoren 72 an Erde gelegt, um so Mikrowellenenergie oder andere, über die Leitungen des Kathodenheizers 68 austretende Strahlung zu unterdrücken.

Eine dritte Wicklung 74 des Transformators 40 ist mit einem Ende an der Schiene 34t. und mit dem anderen über einen Gleichrichter 76 an der Schiene 36 angeschlossen, wobei der Gleichrichter so gepolt ist, daß Strom von der Wicklung 74 über den Gleichrichter 76 zur Schiene 36 fließen kann. Die Polarität und das Übersetzungsverhältnis zwischen den Wicklungen 74 und 38 sind vorzugsweise so gewählt, daß der Strom zur Stromquelle 28 zurückgespeist wird, wenn der Schalter 48 abgeschaltet und keine Energie zum Verbraucher geliefert wird. Ein solches Übersetzungsverhältnis liegt beispielsweise zwischen 1 : 2 und 2 : 1.

Der Typ des Impulsgenerators 56 kann beliebig sein, etwa ein Multivibrator oder ein digital gesteuerter Kreis, der die gewünschte Ausgangsleistung erzeugt. Vorzugsweise wird Strom von der Schiene 36 an den Impulsgenerator 56 über eine Schaltverzögerung 80 geführt, die das Anigen von Spannung für drei bis vier Sekunden von der Zeit an verzögert, zu der der Strom an den Kathodenheiztransformator 70 angelegt wird, um dem Magnetron-Kathodenheizer 68 die Aufheizung auf Betriebstemperatur zu ermöglichen; während dieser Zeit bleibt der Transistor 48 abgeschaltet. Nach dem Ende der Schaltverzögerung erfühlt ein Impulsbreitenmodulator 82 den Spannungswert zwischen den Schienen 34 und 36 und liefert ein Spannungsregelsignal an den Impulsgenerator 56,'um diesen zu betätigen und um die Breite seiner Impulse als Funktion der Spannung zwischen den Schienen 34 und 36 zu ändern, so daß die dem Transformator 40 zugeführte Lei-

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stung relativ konstant bleibt, unabhängig von Netζspannungsschwankungen einschließlich einem etwaigen Netzbrumm am Kondensator 32. Ein solcher Impulsbreitenmodulator kann gemäß der be-' kannten Technik analog oder digital sein und kann ein Steuersignal zur Impulsbreitenänderung zum Generator 56 liefern, das sich in jeglicher gewünschten Funktion von Spannungsänderungen zwischen den Schienen 34 und 36 ändert. Er kann hierzu die Impulsbreite zur Änderung der durchschnittlichen, in den Ofen gespeisten ^Mikrowellenenergie steuern. Außerdem besteht, falls gewünscht, die Möglichkeit der Handeinstellung der Impulsbreite, um damit die Ausgangsleistung des Magnetrons 16 zu regulieren.

Eine Überstroin-Fühlerschaltung 84 vergleicht die Amplitude der Spannungsimpulse am Widerstand 52 mit einer Bezugsspannung; falls diese Impulse einen vorbestimmten Wert überschreiten, was für den Transistor 48 einen Überlastzustand darstellt, wird ein Steuersignal an den Impulsgenerator 56 gesandt, um diesen entweder bis zur Wiedereinstellung von nand oder, vorzugsweise, für eine vorbestimmte Zeitdauer, etwa für eine Periode, abzuschalten, um Zeit für die Beendigung des Überlastzustandes, also beispielsweise eines Spannungszusammenbruches in einem Hochspannungsteil des Magnetrons, zu gewinnen, wonach der Impulsgenerator 5^ automatisch die Impulserzeugung wieder aufnimmt. Statt als unabhängiger Abschaltkreis, wie aus dem Schaltbild ersichtlich, zu arbeiten, kann die Überstrom-Fühlerschaltung 84, falls gewünscht, zur Steuerung der Schaltverzögerung 80 verwendet werden, um damit die Schaltverzögerung zurückzustellen oder um den Impulsbreitenmodulator 82 abzuschalten.

Vorzugsweise wird der Wert der durch die gestrichelte Linie 58 gekennzeichneten Streureaktanz so gewählt, daß der Spitzenladestrom am Kondensator 62 begrenzt wird, wenn der Transistorschalter 48 aufgesohaltet ist, wobei der Spitzenstromwert auf einen

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Wert beschränkt wird, über dem der Impulsgenerator 56 durch die Überstrom-Fühlerschaltung 84 abgeschaltet wird. Der Speicherkondensator 62 kann dann genügend groß sein, so daß sich die Spannung am Kondensator nur um einen relativ kleinen Wert, etwa zehn bis zwanzig Prozent, seiner während der Leitung des Magnetrons bestehenden Spannung entlädt. Der Kondensator 62 kann beispielsweise einen Wert von 0,05 bis 0,2 Mikrofarad haben und mit der Streureaktanz 58 bei einer relativ niedrigen Frequenz, z.B. unter 1000 Hertz, schwingen. Wird jedoch die Spannung an der Wicklung 60 umgekehrt, so wird die Diode 64 nichtleitend, während die Diode 66 leitend wird, so daß die Streureaktanz 58 jetzt einen neuen Serienresonanzkreis bildet, in dem die Kondensatoren 72 in Reihe mit dem Kondensator 62 und der Streureaktanz 58 geschal tefc' sind. Ist die Diode 76 leitend, so wird der aus den Kondensatoren 72, dem Kondensator 62 und der Streureaktanz 58 bestehende Resonanzkreis durch den Schaltkreis aus Wicklung 64, Diode 76 und Netzteil-Kondensator 32 nebengeschlossen, bis der durch die Streureaktanz 58 laufende Strom einen Wert erreicht, bei dem die Spannung an der Wicklung 74 unter die Netzspannung reduziert wird. Die Kondensatoren 72 und die zugehörige Kapazität des Kathodenheiztransformators 70 haben vorzugsweise einen Wert im Bereich von etwa 500 bis 2000 Mikrofarad, weshalb sie mit der Streureaktanz 58 auf einer ganz wesentlich höheren Frequenz als der Ladungs-Resonanzfrequenz schwingen. Die Streureaktanz 58 mit den zugehörigen Schaltkreisen schwingt mit dem vom Kondensator 62 gebildeten Ladungsspeichersystem bei einer Frequenz von weniger als 1000 Hertz während der Aufladung des Kondensators 62 und sie schwingt mit der kapazitiven Reaktanz der Ausgangsbelastung des Magnetrons 16, der Kondensatoren 72 sowie der sonstigen, mit dem Kondensator 62 in Reihe geschalteten Streukapazität bei einer Frequenz, die um eine oder mehrere Größenordnungen höher als die Ladungs-Resonanzfrequenz ist und/ oder die in der gleichen oder in einer höheren Größenordnung wie bzw. als die Schaltfrequenz von 20 Kilohertz liegt. Je nach der

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gewünschten, zum Magnetron 16 gelieferten Impulsform können verschiedene Streureaktanzwerte 58 verwendet werden; ebenso können, falls gewünscht, zusätzliche Reaktanzkomponenten in den Schaltkreis eingeführt Airerden, um die Wellenform noch weiter zu ändern oder um transiente Vorgänge nach bekannten Techniken zu unterdrücken.

Die Diode 66 kann nötigenfalls weggelassen werden und die nach beendeter Stromführung des Magnetrons in den Filterkondensatoren 72 verbleibende Ladung wird durch den Kondensator 62 und die Streureaktanz 58 entladen, was zum schnellen Aufbau des Anfangsstromes über den Schalter 48 und so zur Verbesserung der Wellenform beiträgt.

Nachfolgend wird das bevorzugte Betriebsverfahren des in Figur 1 erläuterten Systems unter Bezugnahme auf die ^iguren 2 bis 4 beschrieben. Der über den Eingangsstecker 22 zugeführte Strom wird mittels des Schaltsystems 24 durch Schließen der Tür 12 gesteuert, wobei das Verriegelungssystem mechanisch geschlossen wird. Die Kochzeit für das Lebensmittelstück 14 wird durch Einstellen der betreffenden Zeit von Hand gewählt. Durch Drücken des Startknopfes erfolgt Stromzuführung zur Kathodenheizung 68 des Magnetrons 16 durch den Transformator 70 sowie zum Brüokengleichrichter 30, wodurch der Kondensator 32 auf etwa 150 Volt aufgeladen wird. Der Impulsgenerator 56 und der Impulsbreitenmodulator 82 werden über die herkömmliche Zeitverzögerungsschaltung 80 erregt, durch die, wie bereits gesagt, eine Verzögerung von einigen Sekunden eintritt, damit der Kathodenheizer 68 aufgeheizt werden kann, bevor der Impulsgenerator 56 zu arbeiten beginnt. Der Generator 56 liefert Ausgangsimpulse von beispielsweise etwa fünfzig bis zwanzig Mikrosekunden Dauer, um die Basis 54 des Transistors 48 durch eine Spannung in der Größenordnung von einem halben Volt Tola zu einem Volt mit Bezug auf seinen Emitter 50 '

ι positiv zu steuern, wodurch ein Stromfluß von der Basis 54 zum ;

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Emitter 50 iⁿ einer Größenordnung von mehreren Ampere und ein Stromfluß von der Schiene 36 über die Wicklung 38 und den Kollektor 46 in Höhe von fünfzehn bis zwanzig Ampere erzeugt wird (siehe Fig. 2A). Der Basisstrom und der Kollektorstrom fließen über den Stromfühlerwiderstand 52, der einen Wert von einem Bruchteils eines Ohm hat, zur Schiene 34.

Der In Figur 2A aufgetragene Kollektorstrom 46 ist eine Funktion des Kraftflusses, der im Kern 42 durch den Stromfluß über die Wicklung 38 erzeugt wird. Dieser Kollektorstrom erreicht nach der ersten wenigen Impulsen einen relativ konstanten periodischen Betriebsbereich, in dem der Einschaltstrom beispielsweise etwa fünfzehn Ampore (Punkt 100 in Fig. 2A) zu Beginn der Einschaltperiode des Transistorschalters 48 beträgt und sich nach fünfzehn bis zwanzig Mikroseirunden einem Wert von achtzehn Ampere nähert (Punkt 102 in Fig. 2A); zu dieser Zeit geht die Transistorbasis auf ein Potential in der Größe des Potentials des Emitters 50 oder etwas darunter zurück und der Stromfluß durch die Wicklung 38 hört auf und beendet diese Einschaltperiode. Im Verlauf der Einschaltperiode steigt die magnetische Induktion im Kern 42 von beispielsweise 3OOO Gauß (Punkt 104 in Fig. 2C) auf einen Wert von 4000 Gauß (Punkt IO6). Die in Figur 2B aufgetragene Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 48 sinkt während der Einschaltperiode auf einen Wert von beispielsweise ein Volt oder darunter (Bereich 108 in Fig. 2B). Figur 2D zeigt die periodischen Spannungsänderungen am Hochspannungskondensator 62 und am Magnetron 16. Die am Kondensator anstehende Spannung kann bei Beginn der Einschaltperiode beispielsweise 1500 Volt betragen (Punkt HO) und auf 1800 Volt (Punkt 112) am Ende dieser Periode ansteigen, wobei dem Kondensator 62 Energie zugeführt wird. Die an der Wicklung 60 erzeugte Spannung richtet sich nach dem Übersetzungsverhältnis der Wicklungen 38 und 60, das beispielsweise zwischen 1 : 10 und 1 : liegen kann. Der Stromfluß zu dem Kondensator 62 während der

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Einschaltperiode geht durch den Gleichrichter 64 und macht die Spannung am Kondensator 62 im Verlauf dieses Teils der Periode gleich der Spannung an der Wicklung 60. Ein Stromfluß in den und aus dem Kondensator 62, durch die Überlastspitzenströme durch den Transistor 48 entstehen könnten, werden auf zulässige Werte reduziert, indem man die Streurealetanz zwischen den Wicklungen 60 und 38 so einstellt, daß die als Drossel 58 zwischen Kondensator 62 und Wicklung 60 gestrichelt eingezeichnete Streureaktanz entsteht.

Am Ende der Einschaltperiode kehrt sich die an den beiden Wicklungen 38 und 60 vorhandene Spannung um, während die magnetische Induktion (Fig. 2C) für eine Zeit von dreißig bis fünfunddreißig MikroSekunden mit einer Geschwindigkeit abnimmt, die bestimmt ist durch den durch die Wicklung 60 fließenden Strom, während der Halbleiterschalter 48 bis zu dem mit 114 bezeichneten Zeitpunkt abgeschaltet ist, der dann wieder eingeschaltet wird; während dieser Ausschaltperiode wird durch die an der Wicklung anstehende Spannung ein negatives Potential an den Kondensator 62 angelegt, der die Diode 64 abschaltet und das Magnetron 16 über die Diode 66 negativ auf ein Potential von beispielsweise 4000 Volt steuert (Punkt 116 der die Magnetronspannung
wiedergebenden Kurve von Pig. 2D), wobei ein durch das Magnetron l6 gehender Stromfluß von mehr als einem halben Ampere erzeugt wird (Punkt 118 in Fig. 2E). Die Anstiegszeit auf Punkt 116 ist hauptsächlich bestimmt durch die Resonanz der Elemente 58 und 72 sowie durch die an der Wicklung 60 bestehende
Spannung, die ihrerseits durch die Spannung gegeben ist, bei
der die Diode 76 leitend ist.

Wird der Schaltor 48 am Ende der Ausschaltperiode wieder eingeschaltet, so kehrt sich die Spannung der Wicklung 60 wieder um und der Magnetronstrom fällt auf Null ab (Punkt 120 in Figur 2E), während die Spannung am Magnetron 16 wegen dessen mag-

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netischen Transversalfeldes (Punkt 122 in Pig. 2D) auf einen Wert reduziert wird, der unter der Aussehaltspannung des Magnetrons liegt. Durch die Restladung in den Kondensatoren 72 und den entsprechenden Kapazitäten zwischen den Elektroden einschließlich den Kapazitäten zwischen den Kathodenheizungs-Transformatorwicklungen 70 wird die Spannung am Magnetron bzw. der Kathodenheizung 68 aufrechterhalten, da die Diode 66 eine Entladung zurück zum Kondensator 62 verhindert.

Die Spannungs-Betriebscharakteristik des Magnetrons kann sich verändern, und zwar beispielsweise wegen unterschiedlicher Belastung im Ofen, erminderung der Elektronenemission der Kathode wegen Alterung, Veränderungen im magnetischen Transversalfeld, Verwendung eines anderen Magnetrons mit leicht unterschiedlichen Betriebscharakteristiken, oder Veränderungen der Netzspannung. Dementsprechend kann während des Periodenabschnittes, in dem das Magnetron leitend ist, gegebenenfalls eine geringere Strommenge aufgenommen werden, so daß die magnetische Induktion im Transformator 40 in geringerem Umfang abnimmt, etwa so, wie durch die bei Punkt 124 (Fig, 2C) endende gestrichelte Linie kenntlich gemacht ist. Der während der nächsten Einschaltperiode über den Transistor 48 gelieferte Strom hebt dann die magnetische Induktion auf einen höheren Wert als Punkt 106, beispielsweise auf Punkt 126 an und der im Verlauf der Ausschaltzeit zum Magnetron 16 geführte Strom nimmt zu, wobei die Magnetronspannung ansteigt (Bereich 128 in Pig. 2D), um so im wesentlichen den ursprünglichen, durch das Magnetron gehenden Strom zu erzeugen. Wenn in ähnlicher Weise ein erhöhter Stromfluß durch das Magnetron 16 (gestrichelte Linie 130, Fig. 2E) erfolgt, so wird die magnetische Induktion während dieser Periode in störkerem Maße absinken und auf den Wert von Punkt (gestrichelte Linie 132) zurückkehren oder noch unter Punkt fallen. Daraus ist zu ersehen, daß die Leistungszufuhr zum Magnetron einen konstanten Ausgangsleistungspegel erzeugt und so

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im wesentlichen Veränderungen in der Netzspannung oder in der Verbraucherimpedanz ausgleicht.

Figur 3 zeigt eine typische Strom-/Spannungskurve des Magnetrons 16 für den stabilen Zustand. Bei einer zugeiührten Spannung von etwa 4000 Volt wird das Magnetron mit einem Strom von ungefähr 0,5 Ampere (Punkt 150) während der Ausschaltperiode des Transistors betrieben. Im Verlauf der Einschaltperiode des Transistors entladen sich die Kondensatoren 72 rasch auf etwa 36OO Volt entsprechend Punkt 152, wo der Magnetronstrom durch das magnetische Transversalfeld unterbrochen wird. Da die Stromspannung skurve des Magnetrons ziemlich flach ist, verursachen die Veränderungen der durchschnittlichen magnetischen Induktion des Transformators starke Änderungen im Magnetronstrom, so daß eine Steuerung der Magnetronleistung durch Steuerung des Durchschnittswertes der magnetischen Induktion im Transformator ermöglicht wird.

Figur 4 ist eine graphische Darstellung der magnetischen Induktion B in Abhängigkeit von der magnetomotorischen Kraft H, Die Kurven 154 und 156 stellen die zunehmende bzw. abnehmende magnetische Induktion eines Kerns ohne Luftspalt dar. Eine Sättigung des Kerns wird durch Einfügung von Luftspalten 44 im Kern 42 verhindert, so daß man die Kurven 158 und I60 für zunehmende bzw, abnehmende Induktion erhält. Das System kann beispielsweise bei einem durchschnittlichen Induktionswert von 3300 Gauß, wie durch Punkt l62 markiert, arbeiten. Durch Änderung des Verhältnisses der Einschalt- und Ausschaltperioden des Transistors 48 kann der Punkt der durchschnittlxcheiInduktion beispielsweise auf Punkt 164 angehoben oder auf Punkt I66 gesenkt werden, wodurch der dem Magnetron 16 zugeführte Strom zu- oder abnimmt. Die Kurven von Figur 4 gelten für positive Abschnitte, da die magnetische Induktion im Kern 42 während des Normalbetriebs des

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Systems nie umgekehrt wird. Der Anstand zwischen den Kurven 158 und l6O ist abhängig vom Kernmaterial und wird vorzugsweise auf ein Minimum beschränkt, um die Eisenverluste ebenfalls auf ein Minimum zu senken.

Die für eine gegebene Stromimpulsfolgefrequenz über den Transistor 48 zum Magnetron 16 gelieferte Gesamtenergie kann durch Verändern der Breite der Impulse, beispielsweise durch Handeinstellung des Regelwiderstandes einer herkömmlichen RC-Zeitschal-r tung im Impulsbreitenmodulator 82 reguliert werden. Im allgemeinen wird eine solche Impulsbreite vorzugsweise hinsichtlich des maximalen Wirkungsgrades des Gesamtsystems, der von der Größe der einzelnen Bestandteile und vom Umfang der darin entstehenden Verluste abhängt, eingestellt. Gute Ergebnisse können bei einer relativen Einschaltdauer des Stromes am Transistor 48 von fünfundzwanzig bis fünfundsiebzig Prozent erzielt werden, was von den Eigenschaften des verwendeten Magnetrons abhängig ist.

Falls gewünscht, kann die Impulsbreite in Abhängigkeit von einem äußeren, am Modulator 82 angelegten Signal moduliert werden. Genauer gesagt, kann die Impulsbreite als Punktion der zwischen den Schienen 3^ und 36 bestehenden Versorgungsspannung verändert werden, wodurch der Netzbrumm oder die Netζspannungsänderung en ausgeglichen werden.

Erscheint ein Kurzschluß im Transformator 40 oder in den von den Wicklungen 60 oder 74 gespeisten Verbrauchern derart, daß über den Transistor 48 ein Spitzenstrom für mehr als eine vorbestimmte Zeit fließt, so wird die am Widerstand 52 entwickelte Spannung durch den Überstrom-Fühler 84 festgestellt und bewirkt eine Abschaltung des Impulsgenerators 56. Eine solche Abschaltung kann nach einer bestimmten Zeit in bekannter Weise von Hand oder automatisch zurückgestellt werden.

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Falls das Magnetron 16 während der Ausschaltperiode des Transistors nicht leitet oder falls in anderer Weise ein Leerlaufzustand in der an der Wicklung 60 angeschlossenen Belastung auftritt, wird die am Transistor 48 im Verlauf der Ausscaaltperiode auftretende Spannung wesentlich über die beispielsweise in Figur 2B durch den Bereich 134 dargestellten 300 Volt ansteigen. Die Wicklung 74 hat dementsprechend ein Übersetzungsverhältnis, das so gewählt ist, daß es die am Transistor 48 an-zulegende maximale Spannung bei einer gegebenen Spannungsversorgung 28 bestimmt. Wenn z. B. das WindungsZahlenverhältnis der Wicklungen 38 und 74 gleich ist und die Stromquelle 28 eine Spannung von 150 Volt aufweist, so erseheint, wenn an der Wicklung 38 die Spannung 150 Volt erreicht, am Transistor 48 eine Spannung von 300 Volt und jede Spannungszunähme an der Wicklung "Jk verursacht einen Stromfluß über die Diode 76 zum Kondensator 32, wodurch das weitere Ansteigen der Spannung an der Wicklung 38 verändert wird. Die transiente Schaltspannungsspitze 170 in Figur 2B, die bei Beginn der Ausschaltperiode 300 Volt übersteigen kann, wird gleichfalls durch die Diode 76 begrenzt. Der Kochvorgang hält an, bis die Stromversorgung 28 durch die Zeit- und Schalteinheit 24 abgeschaltet wird, worauf die Tür 12 geöffnet und das erwärmte Lebensmittelstück 14 herausgenommen werden kann.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Transistorschalter ±72 des Wicklungspaar eines Transformators 40 parallel von einer Spannungswelle von beispielsweise 40 Volt speist, sobald er durch Impulse von der Impulssteuer- und -treiberschaltung 176 betätigt wird. Eine dritte Wicklung 178 liegt parallel zu den Wicklungen 152 und 154 sowie dem Transistor 48 und ist über einen Widerstand 180 und eine Diode an Erde gelegt. Die Wicklung I56 und die Diode 182 sind so gepolt, daß sie leitend sind, wenn der Schalter 172 ausgeschaltet ist, wodurch die Spitzenspannung an den Wicklungen 174 und

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und einer Hochspannungswicklung 184 während der Ausschaltperiode begrenzt wird. Die Wicklung 184 ist über eine Diode 188 an einem Magnetronabnehmer 190, der Filterkondensatoren und Magnetronstrom-Fühlerschaltungen enthalten kann, angeschlossen. Der Magnetronabnehmer 190 liefert Mikrowellenenergie an einen Mikrowellenofen 192.

Die Wicklung 186 und die Diode 188 sind so gepolt, daß sie während der Ausschaltperiode des Transistors leitend sind, wenn die magnetische Induktion im Transformator 40 abnimmt und ein vom Strom und/oder von der Spannung des Magnetrons abgeleitetes Signal der Impulsbreitensteuerung 194 zugeführt wird, um die Breite der zum Schalter 172 mit einer Frequenz von zwanzig Kilohertz gelieferten Impulse zu steuern, damit sich die Zeitperioden ändern, in denen Strom zu den Wicklungen 174 geliefert und so die durchschnittliche magnetische Induktion im Kern des Transformators 40 geändert wird, wodurch sich der dem Magnetronabnehmer zugeführte Strom ändert. Größe und Richtung des zur Impulsbreitensteuerung 194 gelieferten Signals werden am besten so gewählt, daß Änderungen in der Mikrowellenausgangsenergie ausgeglichen werden, die ihre Ursache beispielsweise in der allmählichen Entladung einer Batterie, von der die vierzig Volt an die Wicklungen 174 geliefert werden, oder in einer Alterung des Magnetrons hagen können, so daß also die durchschnittliche, dem Ofen 192 zugeführte Mikrowellenenergie relativ konstant bleibt. Ein solches System kann auch Merkmale gemäß Figur 1 aufweisen, beispielsweise Zeitschaltung und Verriegelungsschaltung, Energierückführung der °chaltspitzen zur Stromquelle sowie Speichersysteme für Ilochspannungsenergie; das System kann außerdem geeignete Mittel zum Abtasten der Magnetron-Ausgangsenergie zur Steuerung des Impulsgenerators I76 haben.

Dem Fachmann ergibt sich im Rahmen der vorstehend beschriebenen, grundsätzlichen Gedanken eine Reihe von AbwandlungsmigLichkeiten.

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So könnten beispielsweise für das Magnetron 16 andere Mikrowellengeneratoren, wie etwa Amplitrone oder Carcinotrone, für den Ofen 10 andere Konstruktionen und für die Impulsgeneratorsteuerung eine große Zahl unterschiedlieber digitaler Programmierung ssysteme verwendet werden. Außerdem kann parallel zum Magnetron 16 genügend Kapazität angeschaltet Airerden, um es in die Lage zu versetzen, kontinuierlich zu arbeiten mit geringerer Spannung und/oder niedrigerem Strompegel für eine gegebene mittlere Ausgangsleistung. Ebenso kann man bei Transforniatorkernen und -wicklungen eine Vielzahl von Formen und Größen verwenden. Auch können beispielsweise Impulsfrequenzen bis zu hundert Kilohertz angewendet werden, sofern man Teile benutzt, die bei diesen Frequenzen relativ geringe Verluste aufweisen.

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Claims

^sP^eisesciial'^fcimS iür den Mikrowellengenerator des Mikrowellen-Erhitzung sgerätes, insbesondere für das Magnetron eines Mikrο-wellenoiens, gekennzeichnet durch eine an den Mikrowellengenerator bzw. das Magnetron (16) angekoppelte und an diesem bzw. dieses Stromimpulse liefernde Impulserzeugungseinrichtung (40, 48, 56), welche einen Transformator (40) enthält, wobei sich die Intensität der Stromimpulse abhängig von der mittleren Kraftflußdichte im Transformator ändert,,
2. Speiseschaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (40) einen Kern (42) aus keramischem Werkstoff aufweist.
3. Speiseschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeugungseinriehtung (40, 48, 56) über eine Koppelschaltung (62, 64, 66) mit dem Mikrowellengenerator (l6) verbunden ist, welche einen Speicherkondensator (62) und einen Gleichrichter (64) enthält, die an eine Ausgangswicklung (6θ) des Transformators (40) angeschlossen sind.
4. Speiseschaltung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschaltung (62, 64, 66) einen weiteren Gleichrichter (66) enthält, der in Serienschaltung mit dem Mikrowellengenerator bzw. dem Magnetron (16) und dem genannten Speicherkondensator (62) an die Ausgangswicklung (60) des Transformators (40) gelegt ist,,
5. Speiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (40) eine Eingangswicklung

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(38) aufweist, die über einen Halbleiterschalter (48) mit über tonfrequenter WiecJerholungsfrequenz an eine Gleichspaiinungsquelle (28, 34, 36} anschlienbar ist.
6. Speiseschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (48) derart steuerbar ist und die Anordnung derart getroffen ist, daß beim Schließen des Halbleiterschalters der Kraftfluß im Kern des Transformators (40) auf einen bestimmten Wert erhöht wird und daß beim Öffnen des Halbleiterschalter über die Ausgangswicklung (6o) des Transformators dem Mikro\\^relleiigeiierator bzw. dem Magnetron (±6) Leistung zugeführt wird, wobei die zu dem Mikrowellengenerator bzw« zu dem Magnetron gelangende Leistung durch Verändern des mittleren Wertes des Kraftflusses im Transformator veränderbar ist.
7. Speiseschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Wert des Kraftflusses im Kern (42) des Transformators (40) durch Verändern der Zeitdauer der Strombeaufschlagung der Eingangswieklung (38) des Transformators veränderbar ist.
8. Speiseschaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme des Kraftflusses im Kern (42) jeweils zyklisch durch zyklisches Schließen des Halbleitersehalters (48) beendet wird.
9. Speiseschaltung nacii einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelschaltung v62, 64₅ 66) Einrichtungen zur Rückkopplung der im Transformator gespeicherten Leistung zur Leistungsquelle beim Ansteigen der am Halbleiterschalter (48) rnliegendea Spannung über einen bestimmten Wert zugeordnet sind„

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10. Speiseschaltung nach einem der Ansprüche 6 Ms 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgangswicklung (l6) des Transformators (40) während sie eine Ausgangsspannung der einen Polarität aulweist, über einen Gleichrichter (66) und einen Kondensator
(62) mit dem Eingang des Mikrowellengenerators bzw. Magnetrons
(l6) gekoppelt ist, während diese Ausgangswieklung, wenn ihre
Spannung die jeweils andere Polarität aulweist, von dem Eingang des Mikrowellengenerators lozw. des Magnetrons abgetrennt und an den genannten Kondensator und einen weiteren Gleichrichter (64) gelegt ist.
11. Verlahren zum Betrieb des Mikrowellengenerators, insbesondere des Magnetrons eines Mikrowellen-Erhitzungsgerätes, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator bzw. das Magnetron von Stromimpulsen mit über tonlrequenter Wiederholungsfrequenz
aus einem Translormator gespeist wird, wobei die Intensität der Impulse unter Veränderung der mittleren Kraftflußdichte im Translormator gesteuert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transformator mit einem keramischen Kern verwendet wird.
13. Verlahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zyklisch Energie in einem Speicherkondensator und im Magnetleid des Transformators gespeichert und danach Teile der gespeicherten Energie zum Mikrowellengenerator bzw. zum Magnetron ausgekoppelt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppeln der Teile der eingespeicherten Energie zum Mikrowellengenerator bzw. zum Magnetron in der Weise geschieht, daß
durch Abtrennen einer Eingangswicklung des Transformators von
einer Spannungsquelle vermittels eines Halbleiterschalters die
Spannung umgekehrt wird, welche an einem Gleichrichter anliegt,

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der in Seriensclialtung mit dem Magnetron und dem Speicherkondensator an eine Ausgangswicklung des Transformators angeschlossen ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter zyklisch mit der über tonfrequenten Wiederholungsfrequenz zur Erhöhung des magnetischen Kraftflusses im Kern des Transformators geschlossen und zur Verringerung des magnetischen Kraftflusses im Kern des Transformators und zur Abgabe der Leistung an den Mikrowellengenerator bzw. das Magnetron geöffnet wird, wobei der Mittelwert des Kraftflusses und damit die mittlere Mikrowellenleistung, welche dem Erhitzungsgerät zugeführt wird, im wesentlichen konstant gehalten wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert des Kraftflusses durch Andern der Schließzeit des Schalters verändert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme des Kraftflusses zyklisch durch zyklisches Schließen des Ilalbleiterschalters beendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Transformator gespeicherte Leistung zur Stromquelle zurückgekoppelt wird, wenn die an dem Halbleiterschalter anliegende Spannung über einen bestimmten Wert ansteigt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator an einen Speicherkondensator angekoppelt wird, wenn sich der Halbleiterschalter im Einschaltzustand befindet, während der Transformator und der Speicherkondensator an den Mikrowellengenerator bzw, das Magnetron angekoppelt werden, wenn sich der Halbleiterschalter im Ausschaltzustand befindet.

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