DE3741381A1 - Schaltungsanordnung zur mikrowellen-leistungssteuerung bei magnetrons - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungs­ steuerung bei Magnetrons, vorzugsweise für Mikrowellenherde, wobei ein Magnetron- Anodenstromkreis üblicher Magnetrons für Haushaltgeräte aus der Serienschaltung einer Hochspannungstransformator-Sekundärspule und eines Hochspannungskondens­ ators und in Serie dazu aus der Parallelschaltung einer Gleichrichterdiode und der Katoden-Anodenstrecke des Magnetrons besteht und die Mikrowellen-Leistungsüber­ tragung vom Magnetron zum Mikrowellenherd durch einen Rechteckhohlleiter erfolgt.

Es sind Leistungssteuerungen für Magnetrons bekannt, die eine Reduzierung der ma­ ximal zur Verfügung stehenden Mikrowellenenergie zum Ziele haben. Es wird aus energetischen und kochspezifischen Gründen auf Leistungsabstufungen orientiert, die bis zu 1/10 der Maximallast betragen können. Die DE-AS 20 62 646 behandelt diese Problematik. Dabei wird durch Verkleinerung der Kapazität des Ladekondensators ei­ ne Leistungsminderung des Magnetrons bezüglich seiner Mikrowellenleistung erreicht.

Ein für Mikrowellengeräte typisches Magnetron wird bei 2455 MHz betrieben, arbei­ tet mit einem Anodenstrom von 300 mA, was für Leistungsanpassung einer maxima­ len Mikrowellenleistung von 900 W entspricht. Bedingt durch Fehlanpassung im Gar­ gut sowie durch Garraumeinbauten, Hohlleiterverluste und hauptsächlich durch Gar­ raumgrundverluste, sinkt die im Gargut verbleibende Mikrowellenleistung auf ca. 600 W ab.

Diese effektive Mikrowellenleistung von 600 W ist für verschiedene Koch-, Gar- und Auftauvorgänge offenbar nicht optimal und es wäre wünschenswert, daß im Garraum ca. 700 W effektive Mikrowellenleistung im Maximalfall vorhanden sind.

Da diese maximale Mikrowellenleistung eine Kurzzeiteinwirkungsdauer haben soll, ist die Verwendung eines Magnetrons mit höherer Grundleistung zu aufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Schaltungsanordnung zur Mi­ krowellen-Leistungssteuerung bei Magnetrons anzugeben, die es erlaubt, die Mikro­ wellenleistung durch kurzzeitige Überlastung des Magnetrons und der anderen im Anodenstromkreis befindlichen Bauelemente so zu erhöhen, daß im Garraum eine Mi­ krowellenleistung von 700 W zur Verfügung steht. Kritische Übertemperaturen der Bauelemente sind dabei auszuschließen.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeich­ net, daß eine ggf. aktivierbare Ansteuer-Schalteinheit die Mikrowellen-Leistungs­ steuerung für einen über dem Dauerbetrieb liegenden Leistungsbereich, Magne­ tron-Anodenstrom erhöhend für einen für die Mikrowellenleistungs-Einheit unschädli­ chen, begrenzten Zeitbereich, realisiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnu­ ngen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1a eine prinzipielle Schaltungsanordnung für Magnetron-Versorgungskreise mit einer sekundärseitigen Hochspannungstransformator-Anzapfung

Fig. 1b eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1a mit einem sekundärseitigen Se­ rienwiderstand,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1a mit primärseitiger Hochspan­ nungstransformator-Anzapfung,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1a mit gesteuertem Diodenserien­ widerstand,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1a mit gesteuerter Kapazität,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1a mit steuerbarem Zusatzmagnet­ feld,

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1a mit Temperatur-Überwachungs­ einrichtung,

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1a, mikroprocessorgesteuert,

Fig. 8 und Fig. 9 Kennlinienschar und Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik.

Gemäß der Schaltungsanordnung nach Fig. 1a ist ein Hochspannungstransformator 1 mit seiner Primärwicklung 2, einer Heizwicklung 3 und einer Sekundärwicklung 4 zur Erzeugung der Heizspannung für eine Magnetronkatode 5 eines Magnetrons 6 und zur Erzeugung der Betriebspannung des Magnetrons 6 zwischen Magnetronkatode 5 und Magnetronanode 7, wobei die erzeugten Mikrowellen über eine Auskopplung 8 auf ei­ nen Hohlleiter geführt werden, angeordnet. Der Anodenstromkreis wird gebildet von der Sekundärwicklung 4, einem Kondensator 9 und der Parallelschaltung einer Dode 10 mit dem Magnetron 6. Die Sekundärwicklung 4 besitzt eine Sekundäranzapfung, die durch einen Schalter 11 über eine Ansteuerelektronik 12 zu- oder abgeschaltet wird. Die Ansteuerelektronik 12 entscheidet durch die von der Hausfrau vorgewählte Kochstufe, ob eine höhere Anodenspitzenspannung erforderlich ist und schaltet für den Fall, daß 700 Watt Mikrowellenleistung erforderlich sind, den Schalter 11 in die entsprechende Anzapfstellung. Fig. 1a zeigt den für 600 W vorgesehenen Schaltzu­ stand. Die Maximalleistung von 700 W erfordert einen besonderen zusätzlichen Elek­ tronikaufwand, wie er in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Die Ansteuerelektronik verhindert zudem, daß nach der vollen 700 W-Leistungsdauer diese Stufe sofort wie­ der angewählt werden kann. Erst nach einer Mindest-Erholzeit, die eine Übertempe­ raturbeanspruchung von Magnetron 6 und Hochspannungstransformator 1 ausschließt, kann die 700 W-Stufe erneut zugeschaltet werden.

Gemäß Fig. 1b wird durch einen in Serie zur Sekundärwicklung 4 geschalteten ohm′schen Widerstand 13, der von der Ansteuerelektronik 12 über einen Schalter zu- oder kurzgeschlossen wird, die Anoden-Spitzenspannung beeinfluß. Wählt die Hausfrau die 700 Watt-Kochstufe aus, dann wird über die Ansteuerelektronik 12 ein Schalter 14 geschlossen und der Widerstand 13 überbrückt , die erhöhte Anoden-Spitzenspan­ nung liegt an, wodurch der Anodenstrom entsprechend ansteigt und die Mikrowellen­ leistung auf 700 W erhöht wird.

Gemäß Fig. 2 wird die Primärwicklung 2 mit einer Anzapfung ausgestattet und ein Schalter 15 wird, der jeweiligen Betriebsart entsprechend, von der Ansteuerelektro­ nik 12 geschaltet. Wegen

erhöht sich die Magnetron-Anodenspannung U _A, wenn die Primärwindungszahl WP, bei W _s = konstant, herabgesetzt wird, so daß für den 700 Watt Mikrowellenleistungs-Anwendungsfall die Ansteuerelektronik 12 den Schalter 15 auf die kleinere Windungszahl schaltet, wie Fig. 2 zeigt.

Gemäß Fig. 3 liegt zur Gleichrichterdiode 10 ein ohm′scher Widerstand 16 in Rei­ he, der den Anodenstrom beeinflußt. Die Ansteuerelektronik 12 steuert den Schalter 17, der den Widerstand 16 zuschaltet oder kurzschließt. Die Schaltung ist so ausge­ legt, daß die Überbrückung des Widerstandes 16 durch den Schalter 17 die 700 Watt Mikrowellenleistung erbringt. Schaltet die Ansteuerelektronik 12 den Widerstand 16 zu, gibt das Magnetron 6 nur maximal 600 Watt Mikrowellenleistung ab.

Gemäß Fig. 4 schaltet die Ansteuerelektronik 12 über einen Schalter 18 einen Kondensator 19 parallel zum Kondensator 9 und verringert durch diese Kapazitätser­ höhung die wirksame Impedanz, so daß ein Anodenstromanstieg erfolgen kann und die Mikrowellenleistung des Magentrons 6 größer wird. Die Schaltung ist so ausge­ legt, daß mit der Parallelkapazität 19 die Mikrowellenleistung im Garraum 700 Watt beträgt. Schaltet die Ansteuerelektronik 12 die Kapazität 19 ab, so können maximal 600 Watt Mikrowellenleistung im Garraum entnommen werden.

Gemäß Fig. 5 schaltet die Ansteuerelektronik 12 ein zusätzliches Elektromagnetfeld 20 dem Magnetron 6 zu, wenn die Mikrowellenleistung im Garraum 700 Watt betra­ gen soll.

Der Mikrowellen-Erzeugungsprozeß im Magnetron 6 ist direkt von der Magnetfeld­ stärke in den Resonatorkammern abhängig. Die in Mikrowellenherden eingesetzten Magnetrons erzeugen diese Magnetfeldstärke durch zwei Permanentmagnete. Wird dem Permanentmagnetfeld ein zusätzliches Magenetfeld 20 überlagert, dann erzielt man durch die erhöhten Magnetflußdichten eine Mikrowellen-Leistungssteigerung, die zudem gut regelbar ist.

Gemäß Fig. 6 werden Temperatursensoren 21 und 22 an den für Übertemperaturen kritischen Punkten von Hochspannungstransformator 1 und Magnetronanode 7 ange­ ordnet und mit Erreichen einer Grenztemperatur wird eine niedrigere Leistungsstufe eingeschaltet. Dazu kann ein zusätzliches Hochspannungsrelais 23 benutzt werden, aber auch die Ansteuerelektronik 12 kann die Temperaturüberwachung mit überneh­ men. In Fig. 6 wurde das Schaltbeispiel von Fig. 2 zugrundegelegt. Auch jedes andere der unter Fig. 1a, 1b bis Fig. 5 ausgeführten Schaltbeispiele unterliegt gleichermaßen dieser Temperaturüberwachung mit sinngemäßer Rücknahme der Ma­ ximalleistung im Grenztemperaturfall. Auch sind alle sinnvollen Kombinationen der Schaltbeispiele von Fig. 1a bis Fig. 5 in diese Temperaturüberwachung einbezogen. Mögliche Kombinationen der sechs angeführten Schaltbeispiele, die eine besonders effektive Erhöhung der Mikrowellenleistung zur Folge haben, wobei die einzelnen Schaltmaßnahmen für sich jeweils keinen vollen Leistungsaufschlag bewirken müssen, sondern erst ihre Kombination die angestrebte effektive Mikrowellenleistung von 700 Watt im Garraum erbringt, erlauben auch eine stufenweise Zu- und Rückschaltung der Maximalleistung. Dadurch könenn mögliche Instabilitäten im Magnetron ausge­ schlossen werden und schädigende Schaltvorgänge vermieden werden.

Gemäß Fig. 7 wird die Schaltungsanordnung nach Fig. 6 so modifiziert, daß ein Mikroprozessor 24 die Leistungssteuerung übernimmt. Dadurch können alle angewähl­ ten Leistungsstufen zugeschaltet werden, Schaltkombinationen der Schaltungsanordnungen 1 bis 6 vorgenommen werden und für die maximale Leistungsstufe die Temperatur­ überwachung durchgeführt werden. Außerdem wird eine Zeitsteuerung für jede Lei­ stungsstufe mit übernommen und notwendige Sonderfunktionen, z.B. Abschalten bei Leerlauf, verlaufen mikroprocessorgesteuert.

Gemäß Fig. 8 und Fig. 9 wird der Stand der Techik im Schaltbild mit zugehöriger Kennlinienschar dargestellt. Die Bezugszeichen 1 bis 10 sind bedeutungsgleich mit Fig. 1a, die Auskopplung 8 der Mikrowellen führt in den Garraum 25.

Aus der Kennlinienschar N=(J) mit Verläufen für die Anoden-Spitzenspannung (ebm), die Ausgangsleistung (Po) und den Wirkungsgrad (η) lassen sich einige cha­ rakteristische Wertepaare ablesen. Die für Mikrowellenherde benutzten Magnetron- Grundwerte ergeben bei einer Arbeitsfrequenz von 2455 MHz und einem mittleren Anodenstrom von 200 mA, eine angepaßte Mikrowellenleistung von 900 Watt bei ei­ ner Anoden-Spitzenspannung von 4100 Volt und einem Wirkungsgrad von 73%. Die Mikrowellenleistung von 900 Watt reduziert sich im Garraum auf 600 Watt. Da ein Magnetron eine robuste Metall-Keramik-Röhre ist und eine kurzzeitige Überlastung nicht schädlich ist, wird für den Fall der Maximalleistung von 700 Watt Mikrowel­ lenleistung im Garraum der Überlastungsfall herbeigeführt. Durch die beschriebenen Schaltmaßnahmen wird ein Anodenstrom von 340 mA erreicht, bei einer Anoden- Spitzenspannung von 4140 Volt, was einer angepaßten Mikrowellenleistung von 1020 Watt bei 73% Wirkungsgrad entspricht. Damit stehen dem Garraum 700 Watt Mi­ krowellenleistung zur Verfügung. Diese Werte liegen noch unter den maximal zuge­ lassenen Daten für diese Magnetrone. Der maximal zugelassene Anodenstrom beträgt diesbezüglich 350 mA. Es ist also bei geeigneter Schaltungstechnik ohne Rückgriff auf leistungsfähigere Magnetrons die gewünschte Garraumleistung von 700 Watt er­ zielbar.

Claims (14)

1. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung bei Magnetrons, vor­ zugsweise für Mikrowellenherde, wobei ein Magnetron-Anodenstromkreis übli­ cher Magnetrons für Haushaltgeräte aus der Serienschaltung einer Hochspan­ nungstransformator-Sekundärspule und eines Hochspannungskondensators und in Serie dazu aus der Parallelschaltung einer Gleichrichterdiode und der Kato­ den-Anodenstrecke des Magnetrons besteht und die Mikrowellen-Leistungsüber­ tragung vom Magnetron zum Mikrowellenherd durch einen Rechteckhohlleiter er­ folgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegebenenfalls aktivier­ bare Ansteuer-Schalteinheit die Mikrowellen-Leistungssteuerung für einen über dem Dauerbetrieb liegenden Leistungsbereich, Magnetron-Anodenstrom erhö­ hend für einen für die Mikrowellenleistungs-Einheit unschädlichen, begrenzten Zeitbereich, realisiert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Über­ last-Überwachungseinrichtung angeordnet ist, die die Magnetronanode (7) und den Hochspannungstransformator (1) vor Überlastungsschäden schützt.

3. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hochspannungstransformator (1) sekundärseitig mindestens eine Anzapfung besitzt und daß die Ansteuerelektronik (12) durch einen Schalter (11), entsprechend einer vorgewählten Leistungsstufe, die zugehö­ rige Anodenspannung für das Magnetron (6) bereitstellt.

4. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß im Anodenstromkreis eine ohm′sche Last (13) in Reihe zur Hochspannungstransformator-Sekundärwicklung (4) geschaltet ist, und daß die Ansteuerelektronik (12) bei vorgewählter maximaler Mikrowellenleistung die ohm′sche Last (13) kurzschließt.

5. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hochspannungstransformator (1) primärseitig min­ destens eine Anzapfung besitzt und daß die Ansteuerelektronik (12) durch einen Schalter (15) entsprechend einer vorgewählten Leistungsstufe, die zugehörige Anodenspannung für das Magnetron (6) bereitstellt.

6. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß im Anodenstromkreis eine ohm′sche Last (16) in Reihe zu einer Diode (10) geschaltet ist, und daß die Ansteuerelektronik (12) bei vorgewählter maximaler Mikrowellen-Leistung die ohm′sche Last (16) kurz­ schließt.

7. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß im Anodenstromkreis zur Kapazität (9) durch die An­ steuerelektronik (12) bei vorgewählter maximaler Mikrowellenleistung eine Kapazität (19) parallel geschaltet wird.

8. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik (12) bei vorgewählter maxi­ maler Mikrowellenleistung einen Elektromagneten (20) zuschaltet, der die mag­ netische Flußdichte in den Resonatorkammern des Magnetrons (6) verstärkt.

9. Schaltungsanorndung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik (12) die Mikro­ wellenleistung zurückschaltet, wenn die Magnetron-Anodenkerntemperatur eine obere Grenztemperatur erreicht hat.

10. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach den Ansprü­ chen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik (12) die Mi­ krowellenleistung zurückschaltet, wenn die Hochspannungs-Transformator­ temperatur eine obere Grenztemperatur erreicht hat.

11. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik (12) die maxima­ le Mikrowellenleistung nach einer programmierten Zeitdauer zurücknimmt und eine niedrigere Mikrowellen-Leistungsstufe zuschaltet.

12. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik (12) nach der Zu­ rücknahme der maximalen Leistungsstufe eine sofortige erneute Zuschaltung der maximalen Leistungsstufe blockiert und diese Zuschaltung erst nach einer sen­ sorgesteuerten Erholzeit wiederholbar ist.

13. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor (24) alle Funktionen der Ansteuerelektronik (12) übernimmt, vorteilhafte Schaltvorgänge kombiniert und zusätzliche Steuerfunktionen ausführt.

14. Schaltungsanordnung zur Mikrowellen-Leistungssteuerung nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (24) nach einer speziellen Koch­ buchsoftware das entsprechende Auftau-, Koch- oder Garprogramm einschaltet.