DE3601958C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betriff eine Induktionsheizeinrichtung für ein Kochgerät nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer derartigen Induktionsheizvorrichtung, die aus der US 43 90 769 bekannt ist, werden die Kochplatten des Koch­ gerätes mit einem hochfrequenten pulsierenden Strom versorgt und werden die Transistorpaare der Inverterbrücke über das Kippglied so durchgeschaltet, daß die Leistungssteuerung über eine Phasenverschiebung zwischen den Durchschaltzeitpunkten der Transistorpaare variiert wird. Die Transistorpaare werden somit zu bestimmten Zeitpunkten durchgeschaltet, die von der gewünschten Heizleistung abhängen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgegen­ über darin, mit vergleichsweise geringem Aufwand eine Induk­ tionsheizeinrichtung nach dem Gattungsgebriff des Patentan­ spruchs 1 zu schaffen, deren Induktionsspule bei fehlender Last die Energiezufuhr selbsttätig abschaltet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Induktionsheizeinrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 6.

Bei der erfindungsgemäßen Induktionsheizeinrichtung arbeitet die Rückkopplungsschaltung in der folgenden Weise:

Eine der beiden monostabilen Schaltungen schaltet einen Zweig der Transistorbrücke durch und nach Ablauf der Ein­ schaltzeit alle Transistoren der Brücke hochohmig. Das Magnet­ feld der Flachspule wird durch einen Stromfluß über die Schutzdioden und die Spannungsquelle abgebaut. Während dieser Abklingzeit wird der Kondensator durch die Schutzdioden und die Dioden kurzgeschlossen, wobei erst nach dem Abklingen des Magnetfeldes, d. h. dann, wenn kein Strom mehr durch die Flachspule fließt, der Kondensator über den Widerstand positiv aufgeladen werden kann. Nach Überschreiten der Schalt­ schwelle der einen Triggerimpuls liefernden Impulsformer­ schaltung wird die monostabile Schaltung erneut gestartet, sofern die Einschaltzeit der anderen monostabilen Schaltung noch andauert. Dadurch, daß die Einschaltzeit der anderen monostabilen Schaltung etwas kleiner als die Abklingzeit der unbelasteten Flachspule gewählt ist, wird erreicht, daß die Schwingung bei fehlender Belastung unterbrochen wird, da dann kein erneuter Start der einen monostabilen Schaltung möglich ist.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson­ ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Ausfüh­ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Induktions­ heizeinrichtung,

Fig. 2 das schematische Schaltbild der Transistorbrücke, bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung,

Fig. 3 das Schaltbild der Schaltungsblöcke des in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbildes und

Fig. 4 das Schaltbild eines weiteren bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung, bei dem die gesamte Steuerschaltung in Form einer einzigen integrier­ ten Schaltung ausgebildet sein kann.

Das in der Zeichnung und insbesondere im Blockschaltbild von Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Induktionsheizeinrichtung für die elektrischen Platten eines Kochgerätes umfaßt eine Gleichstromquelle 1, die ihre Spannung über eine Schaltstufe 2, 2′ an eine Flachspule L legt.

Die Flachspule L besteht vorzugsweise aus einem flach spiralförmig gewickelten einfachen Leitungsdraht mit einer Tetrafluoräthylen-Isolierung oder einer ähnlichen Isolierung. Obwohl bei dem in Fig. 1 dar­ gestellten Blockschaltbild die Flachspule L doppelt in den Blöcken 2 und 2′ dargestellt ist, ist in Wirklichkeit nur eine Flachspule vorgesehen, so daß die Blöcke 2 und 2′ eine einzige Schalteinheit bilden, wie es später ersichtlich wird.

Die Blöcke 2 und 2′ werden über eine Steuerschaltung und mittels zweier logischer UND-Glieder 3 und 3′ gesteuert. Die Funktion dieser UND-Glieder 3 und 3′ besteht darin, zu verhindern, daß die Blöcke 2 und 2′ gleichzeitig schalten, da einer der Eingänge jedes UND-Gliedes 3 und 3′ mit den Ausgän­ gen Q und jeweils einer bistabilen Schaltung 4 verbunden ist, die ein Sperrglied für das gleichzeitige Auslösen der Schaltblöcke 2 und 2′ bildet.

Die Durchschaltzeiten jedes Schaltblockes 2 und 2′ sind durch die Impulsbreite bestimmt, die durch den Block 5 proportio­ niert wird, der einen Hauptsignalformer bildet und aus einer monostabilen Schaltung besteht.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird der Block 5 über drei verschiedene Blöcke angesteuert.

Der Block 6 ist eine monostabile Schaltung, die die Funktion eines Halbzyklus-Zeitgebers hat, der die Inverterbrücke schützt und dynamisch das Vorhandensein einer ferromagneti­ schen Masse auf der Spule wahrnimmt. Der Block 7 ist weiter­ hin ein Generator zum Erzeugen von Impulsen variabler Breite, über den die verschiedenen Pegel der an der Last oder der Spule L liegenden Energie gewählt werden können.

Block 8 ist ein Detektor für die Stärke des Stromes, der in den Schaltblöcken 2 und 2′ fließt, um die gesamte Vorrich­ tung vor Überstromstärken zu schützen.

Die gesamte logische Schaltung dieser Steuervorrichtung wird elektrisch über die Energiequelle 9 versorgt, von der weiter­ hin ein Taktsignal entnommen wird, das durch den Block 7 als Bezugssignal benutzt wird.

Das in Fig. 2 dargestellte Schaltbild zeigt den Aufbau der Schaltblöcke 2 und 2′.

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, liegt die von der Energie­ quelle 1 (vervollständigt durch den Filterkondensator 10) gelieferte Spannung über eine Transistorbrücke aus vier MOS- Transistoren an der Flachspule L.

Die Transistoren T 1 und T 4 schalten gleichzeitig, indem sie die Anschlüsse + und - der Energiequelle 1 mit den jeweiligen Anschlüssen der Flachspule L verbinden. Diese beiden Tran­ sistoren T 1 und T 4 vervollständigen den Schaltblock 2, der in Fig. 1 dargestellt ist.

Die Transistoren T 2 und T 3 vervollständigen den Schaltblock 2′, der den anderen Zweig der Transistorbrücke bildet. Die Funktion dieses Zweiges der Brücke ist ähnlich der des Zweiges T 1 und T 4.

Die Transistoren T 2 und T 3 schalten abwechselnd mit den Tran­ sistoren T 1 und T 4 durch, ihre Durchschaltzeitintervalle können sich jedoch niemals überlappen.

Es ist somit ersichtlich, daß die Inverterbrücke als H- Schaltung geschaltet ist.

Um Schaltungswege für die Ableitung der induktiven Rest­ energie sicherzustellen, die in der Spule gespeichert ist, und damit zu vermeiden, daß typische Überspannungsspitzen auf­ treten, die die Transistoren der Inverterbrücke zerstören können, sind Schutzdioden 11 vorgesehen, die in unterbroche­ nen Linien in Fig. 2 dargestellt sind und in die Transisto­ ren T 1 bis T 4 integriert sind. Diese Dioden sind zusammen mit den Kondensatoren 12 bis 15 parallel zu den Transistoren geschaltet, um die Inverterbrücke zu schützen und gleichzei­ tig die Einführung einer Rückkopplungsschaltung zu ermöglichen, die die Schaltzeitpunkte der Transistorbrücke steuert.

Da die Flachspule L mit einem hochfrequenten Rechteckwellen­ signal im Bereich von 20 000 Hz arbeitet, müssen notwendiger­ weise die Abklingzeiten des Magnetfeldes der Spule in starkem Maße variiert werden.

Diese Variation wird hauptsächlich von der ferromagnetischen Last der Spule, d. h. dem zu erwärmen­ den Behälter oder Gefäß sowie von dessen Lage auf der Spule abhängen.

Dazu ist die Arbeit der Transistorinverterbrücke dadurch optimiert, daß ihr dynamisches Verhalten an die Variationen der Magnetfeld-Abklingzeiten der Spule angepaßt wird, so daß ein neuer Leistungsimpuls der Inverterbrücke genau zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, an dem das Magnetfeld abgeklungen ist, welches durch den vorhergehenden Impuls erzeugt wurde. Totzeiten der Inverterbrücke werden somit ver­ mieden.

Um diese Aufgabe zu lösen, ist eine Rückkopplungsschaltung vorgesehen, die die Transistorinverterbrücke mit der Steuer­ schaltung verbindet.

Fig. 2 zeigt die Rückkopplungsschaltung, die aus zwei Dioden D 1 und D 2 besteht, deren Kathoden mit den Anschlüssen der Flachspule L verbunden sind, während ihre Anoden mit dem mitt­ leren Verbindungspunkt eines RC-Gliedes verbunden sind.

Diese Rückkopplungsschaltung ist auch im Schaltbild von Fig. 3 dargestellt, das im folgenden beschrieben wird.

Unter der Annahme, daß die Inverterbrücke bereits ausgelöst ist, bewirkt die Steuerschaltung eine Selbstanpassung des Auslösezeitpunktes eines neuen Leitungsimpulses, wobei das Ende der Magnetfeldabklingzeit durch die Ultraschnell­ dioden D 1 und D 2 wahrgenommen wird, die zu leiten beginnen, wenn die entsprechende interne Diode 11 der Transistoren T 1 bis T 4 leitet.

Während jeder Magnetfeldabklingzeit hält eine dieser Dioden den Kondensator C bis zum Ende des Leitungszustands der Diode entladen. Von diesem Zeitpunkt an wird der Kondensator schnell über den Widerstand R aufgeladen, so daß ein Steuer­ impuls erzeugt wird, der durch eine Schmitt-Triggerschaltung 16 angemessen angepaßt wird.

Das dynamische Erfassen des Abklingens des Magnetfeldes erlaubt es auch, zu unterschieden, ob eine ferromagnetische Masse auf der Spule vorhanden ist oder nicht. Die Kochplatte wird daher nicht erwärmt, während sich auf ihr kein Behälter oder kein ferromagnetisches Material befindet, was außerordent­ lich praktisch für den Hausgebrauch ist.

Beim Fehlen der ferromagnetischen Last auf der Flachspule L wird die Abklingzeit beträchtlich länger sein als wenn eine ferromagnetische Last vorhanden ist, so daß eine Zeitgeberschaltung arbeiten kann, die bewirkt, daß ihre Inverterbrücke nicht arbeitet.

In der in Fig. 3 dargestellten Weise ist eine monostabile Schaltung M 2 vorgesehen, die einem Impuls erzeugt, dessen Dauer etwas kürzer als die Abklingzeit der lastfrei­ en Spule ist. Dieser Steuerimpuls liegt an einem logischen NAND-Glied 17, an dem auch das Signal von der Rückkopplungs­ schaltung liegt. Durch das Ausgangssignal dieses NAND-Glie­ des 17 wird die monostabile Schaltung M 1, die den Block 5 (Hauptsignalformer) bildet, erneut getriggert.

Die monostabile Schaltung M 1 oder der Block 5 proportioniert den Aktivierungsimpuls für die Transistorpaare T 1-T 4 und T 2-T 3 der Inverterbrücke. Der genannte Impuls wird abwechselnd auf eines dieser Transistorpaare durch die Aktivierung des T-Kippgliedes 4 übertragen.

Das Kippglied 4 ändert seinen Zustand mit jedem Impuls der mo­ nostabilen Schaltung M 1.

Um die Leistungseinrichtungen von Überstromstärken zu schützen, ist ein Widerstand in einer Schutzabschaltung 8 vorgesehen.

Einer der Gründe dafür, daß eine Überstromstärke auftreten könnte, kann die Annäherung eines Materials mit diamagneti­ schen Eigenschaften an die Spule sein, beispielsweise wenn ein Aluminiumbehälter auf die Kochplatte gesetzt wird.

In diesem Fall wird der effektive Wert der Selbstinduktion der Spule drastisch verringert, so daß Intensitäts- oder Strom­ stärkespitzen mit einem wesentlich höheren Wert als normal auftreten können.

Um das zu vermeiden, ist ein induktiver Detektor 18 in Form einer Toriodspule auf einem Ferritring vorgesehen. Dieser Detektor 18 ist auf der Spule angeordnet, und liefert ein Si­ gnal proportional zur Stromstärke L _L , die immer in der Spule L fließt. Dieses Signal, das durch die Diodenbrücke 19 gleich­ gerichtet wird, setzt einen Grenzwert, der mit dem Trigger­ schwellenwert einer Schwellenwertschaltung 20 zusammenfällt, so daß dann, wenn dieser Grenzwert einmal überschritten ist, ein monostabiler Multivibrator M 3 mit breitem Impuls ausge­ löst wird, der die Löscheingänge der monostabilen Schaltung M 1 und der bistabilen Schaltung 4 aktiviert, wodurch die Ar­ beit der Inverterbrücke unterbrochen wird und somit die Lei­ stungstransistoren vor einer Zerstörung durch eine Überstrom­ stärke geschützt werden.

Zum Abschluß der Beschreibung der in Fig. 3 dargestellten Schaltung wird auf den Block 7 Bezug genommen.

Der Zweck dieses Blockes besteht darin, daß der Benutzer eine äußere Steuerung der Leistung bewirken kann, die der Inverterbrücke der Kochplatte geliefert wird.

Die Steuerung erfolgt über eine Verteilung der Betriebsinter­ valle und betriebslosen Intervalle der Vorrichtung, die in zehn Pegeln wählbar ist. Ein Signal aus der Frequenz des elek­ trischen Stromes des Netzes selbst wird als Bezugssignal für diese Verteilung herangezogen.

Die Energiequelle 9 proportioniert tatsächlich eine durch­ gehende pulsierende Spannung mit einer Pulsierungsfrequenz, die gleich dem Doppelten der Netzfrequenz ist. Bei einem Wechselstromnetz mit 50 Hz können vorübergehende Intervalle von 10 Millisekunden gebildet werden.

Diese Impulse mit 100 Hz werden durch eine Schmitt-Trigger­ schaltung 21 angepaßt und an einen Impulsratenteiler 22 vom Typ eines Frequenzmultiplikators gelegt, der den Durchgang von N von jeweils 10 Impulsen steuert, die in erreichen. N kann von Null bis neun über einen einfachen Drehwähler­ schalter 23 gewählt werden.

Mittels dieser einfachen Schaltung ist es somit möglich, neun abgestufte Pegel der Wärmeleistung der Kochplatte zu steu­ ern.

Über die Diode 24 und den Kondensator 25 wird eine fortlau­ fende Spannung +V _cc zum Versorgen der gesamten oben beschrie­ benen logischen Steuerschaltung erhalten.

Die Induktionsheizeinrichtung besteht somit aus einer Inver­ terbrücke aus vier MOS Leistungstransistoren, die über eine einfache Steuerschaltung aus fünf Blöcken gesteuert wird, und ist sowohl bezüglich der von der Kochplatte abgegebenen Energie als auch bezüglich der Sicherheit der Funktion der Vorrichtung überlegen.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung, bei dem die Blöcke, die die Steuer­ schaltung bilden, in Form einer einzigen integrierten Schal­ tung C ausgebildet sind, die von einem Mikroprozessor MP ge­ steuert wird, dessen Kopplung mit der integrierten Steuer­ schaltung C über Fototransistoren 26 und 27 erfolgt, über die die entsprechenden Signale, die in den Mikroprozessor eintre­ ten und diesen verlassen, bezüglich der integrierten Steuer­ schaltung C angepaßt werden können. Der Fototransistor 26, der die Anpaßeinrichtung der Signale bildet, die den Mikro­ prozessor MP erreichen, ist mit einem Anregungstransistor T 6 verbunden, wohingegen der Fotortransistor 27 die Anpassungs­ signale vom Mikroprozessor MP über die integrierte Steuer­ schaltung C an die Spule legt.

Die Inverterbrücke ist mit der integrierten Steuerschaltung C über Transistorpaare T 7-T 8 und T 9-T 10 so verbunden, daß zwischen diesen und der Inverterbrücke Kopplungstransforma­ toren TR ₁ und TR ₂ vorgesehen sind. Bei diesem Ausführungs­ beispiel sind jedoch die in Fig. 3 dargestellten UND-Glieder durch NAND-Glieder 28 und 29 ersetzt, die paarweise so ge­ schaltet sind, wie es durch gestrichelte Linien im Inneren des Blockes dargestellt ist, der die integrierte Steuerschal­ tung C bildet.

Die Schutzschaltung für Überstromstärken ist durch einen Transistor T 5 vervollständigt, der die entsprechende erneute Triggerung bewirkt.

Als Folge der Tatsache, daß bei diesem Ausführungsbeispiel der Mikroprozessor vorgesehen ist, fehlt der Block 7 in Fig. 3, da die Wahl der verschiedenen Leistungspegel für die Last oder die Spule L durch den Mikroprozessor MP erfolgt.

Claims (6)

1. Induktionsheizeinrichtung für ein Kochgerät, mit einer an eine Gleichstromquelle (1, 10) ange­ schlossenen Inverterbrücke in H-Schaltung, deren Dia­ gonalzweig eine spiralförmig gewickelte Flachspule (L) und deren Brückenzweige paarweise steuerbare Transi­ storen (T 1, T 2, T 3, T 4) und den Transisoren (T 1, T 2, T 3, T 4) parallel geschaltete, in Sperrichtung gepolte Schutzdioden (11) enthalten, mit einer die Transistorenpaare (T 1, T 4 bzw. T 2, T 3) über ein Kippglied (4) wechselweise und überlappungs­ frei durchschaltenden Steuerschaltung (5, 6, 17), die über eine Rückkopplungsschaltung (D 1, D 2, R, C, 16) mit der Flachspule (L) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerschaltung (5, 6, 17) zwei monostabile Schal­ tungen (5, 6) aufweist, von denen die erste (5) die Durchschaltdauer der Transistorenpaare (T 1, T 4 bzw. T 2, T 3) festlegende Durchschaltimpulse erzeugt und von de­ nen die zweite (6) nach jedem Durchschaltimpuls der ersten monostabilen Schaltung (5) einen Steuerimpuls erzeugt, dessen Dauer etwas kürzer als die Magnetfeld- Abklingzeit der unbelasteten Flachspule (L) ist und
daß die Rückkopplungsschaltung (D 1, D 2, R, C, 16) das Ende jeder Magnetfeld-Abklingzeit der Flachspule (L) erfaßt und unmittelbar anschließend einen Triggerim­ puls erzeugt, der die erste monostabile Schaltung (5) triggert, wenn zugleich der Steuerimpuls der zweiten monostabilen Schaltung (6) vorliegt.

2. Induktionsheizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung (D 1, D 2, R, C, 16) zwei an die Flachspule (L) angeschlossene Dio­ den (D 1, D 2) aufweist, die mit ihren Anoden mitein­ ander und mit dem Verbindungspunkt eines Widerstands (R) und eines über den Widerstand (R) an eine Span­ nungsquelle (Vcc) angeschlossenen Kondensator (C) verbunden sind, daß der Kondensator (C) während der Magnetfeld-Abklingzeit über die Dioden (D 1, D 2) und die Schutzdioden (11) kurzgeschlossen wird, und daß an dem Verbindungspunkt eine den Triggerimpuls lie­ fernde Impulsformerschaltung (16) angeschlossen ist.

3. Induktionsheizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leistungswählerschaltung (7) vorgesehen ist, die eine wählbare Änderung des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Durchschaltimpulsen der Steuerschaltung (5, 6, 17) erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungswählerschaltung (7) einen Taktsignale zählen­ den, über einen Wählschalter (23) auf mehrere Teiler­ verhältnisse einstellbaren Impulsratenteiler (22) auf­ weist und daß zur Erzeugung der Taktsignale eine mit Netzwechselstrom gespeiste Doppelwellengleichrichter­ schaltung (9) vorgesehen ist.

4. Induktionsheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Inverterbrücke eine Einschaltzeitbegrenzerschaltung (8) vorgesehen ist, die einen auf das Magnetfeld der Flachspule (L) ansprechenden Detektor (18) in Form einer auf einen Ferritkern gewickelten Toroidwicklung, eine mit dem Detektor (18) verbundene Schwellwert­ schaltung (20) und eine an Sperr- oder Löscheingänge des Kippglieds (4) und der ersten monostabilen Schal­ tung (5) angeschlossene, durch die Schwellwertschal­ tung (20) triggerbare dritte monostabile Schaltung (M 3) aufweist.

5. Induktionsheizeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste (5), die zweite (6) und die dritte (M 3) monostabile Schaltung, das Kippglied (4) und die Rückkoppelschaltung (D 1, D 2, R, C, 16) zu einer einzigen, mit einem Steuermikroprozessor (MP) in beiden Signalrichtungen über opto-elektrische Koppler (26, 27) verbundenen integrierten Steuerschaltung (C) miteinander verbunden sind, deren die Transistoren (T 1, T 2, T 3, T 4) der Inverterbrücke steuernde Ausgänge an PNP-Bipolartransistorpaare (T 7-T 10) angeschlossen sind, die über Kopplungstransformatoren (TR 1, TR 2) die Transistorpaare (T 1, T 4 bzw. T 2, T 3) der Inverter­ brücke steuern.

6. Induktionsheizeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die PNP-Bipolartransistoren (T 7- T 10) über die in die integrierte Steuerschaltung (C) integrierte Paare von NAND-Gliedern (28, 29) gesteuert werden.