DE4238199A1 - Anordnung zur Bereitstellung einer stabilisierten Heizspannung für Schaltnetzteil-gespeiste Magnetrone - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Stabili­ sierung der Heizspannung für die Kathodenheizung von Magne­ trons, die aus einem Schaltnetzteil gespeist sind.

Ein oder mehrere Magnetrons sind beispielsweise in Mikro­ wellenherden zur Erzeugung der Mikrowellenenergie einge­ setzt. Solche Magnetrons erfordern für ihren Betrieb eine Anodengleichspannung von einigen kV, z. B. 4 kV, und einer Heizspannung für die Kathodenheizung von einigen Volt, z. B. 3 V Wechselspannung. Die Heizspannung soll in einem be­ stimmten Toleranzbereich, z. B. ± 10% der Nenn-Heizspannung liegen.

Die Heizspannung kann auf einfache Weise mit Hilfe einer Zusatzwicklung auf dem Transformator erzeugt werden, der zur Transformation der Netzspannung auf die Anodenspannung verwendet wird. Wenn die Sendeleistung des Magnetrons ver­ stellbar sein soll, werden Schaltnetzteile verwendet, wobei dann der Transformator Teil des Schaltnetzteils ist.

In einem solchen Schaltnetzteil wird der durch die Primär­ wicklung des Transformators fließende Strom durch Halblei­ terschalter gesteuert. Die Schaltfrequenz liegt typisch im Kilohertz-Bereich, bis etwa 100 kHz. Durch den Schaltbe­ trieb, z. B. einen Gegentaktbetrieb, werden in der Primär­ wicklung des Transformators Stromimpulse erzeugt, die in Sekundärwicklungen des Transformators eine Spannung indu­ zieren. In bekannten Schaltnetzteilen wird die Schaltfre­ quenz konstant gehalten; zur Leistungsveränderung wird die Dauer der Stromimpulse verändert, wodurch sich auch die durch sekundärseitige Gleichrichtung gebildete Anodenspan­ nung verändert. Nun muß zwar die Anodenspannung eines Ma­ gnetrons aufgrund seiner Kennlinie nur in einem relativ kleinen Spannungsbereich, d. h. einigen 100 V geändert wer­ den, um eine Sendeleistung zwischen Null- und Vollast ein­ zustellen. Die Spannung der Zusatzwicklung für die Heizung sollte sich daher ebenfalls nur in einem kleinen Bereich ändern. Da im Transformator aber je nach eingestellter Sen­ deleistung der Magnetrons sehr unterschiedlich hohe Ströme fließen, kann sich durch die gegebenen Innenwiderstände und Nichtlinearitäten der Anordnung, insbesondere des Transfor­ mators eine unzulässig hohe Änderung der an der Zusatzwick­ lung anstehenden und zur Kathodenheizung benutzten Spannung ergeben.

Es stellt sich somit die Aufgabe, für Schaltnetzteil-ge­ speiste Magnetrons eine Anordnung zur Stabilisierung der Spannung für die Kathodenheizung anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Bereit­ stellung einer stabilisierten Heizspannung für die Katho­ denheizung eines oder mehrerer Magnetrons, die aus einem Schaltnetzteil gespeist werden, das einen Transformator enthält, dessen Primärstrom über gesteuerte Halbleiter­ schalter geschaltet wird und der wenigstens eine Zusatz­ wicklung zur Erzeugung der Heizspannung aufweist, wobei

• a) im Heizstromkreis, der jeweils durch den Transforma­ tor und die als ohmscher Widerstand wirkende Katho­ denheizung gebildet ist, wenigstens eine in Reihe zur Kathodenheizung liegende Induktivität angeordnet ist, und
• b) Mittel vorhanden sind zur Steuerung oder Regelung der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter in Abhängigkeit von einer der Magnetron-Sendeleistung proportionalen Größe in solcher Weise, daß der frequenzabhängige Spannungsabfall an der Induktivität eine von der Ma­ gnetronleistung abhängige Änderung der Heizspannung kompensiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltnetzteil zur Speisung zweier Magne­ trons,

Fig. 2 eine Anordnung zur Kathodenheizung von Magne­ trons,

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführung eines Heiztransfor­ mators.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für ein Schaltnetz­ teil, das einen Netzgleichrichter 1, eine Energiespeicher­ spulenanordnung 2, eine primärseitige Schalteranordnung 3 für einen Gegentaktbetrieb eines Transformators 4 und eine sekundärseitige Gleichrichter- und Steuerungsanordnung für die Anodenströme zweier Magnetrone 6.1, 6.2 enthält.

In der Schalteranordnung 3 werden bevorzugt MOSFET′s oder IGBT′s als Halbleiterschalter 7 eingesetzt. Der Transforma­ tor 4 ist als Hochspannungstransformator mit relativ hoher Wicklungskapazität ausgeführt. Deshalb sind in der Schal­ teranordnung 3 Entkopplungsdioden 8 angeordnet, die ein Kurzschließen der geladenen Wicklungskapazität über die Halbleiterschalter 7 und damit Schaltverluste vermeiden.

Die Ansteuerung der Halbleiterschalter 7 erfolgt über eine Ansteuerschaltung 30, die in bekannter Weise einen überlap­ penden Schaltbetrieb so steuert, daß eine sinusförmige Stromaufnahme aus dem Netz erfolgt. Als Referenzsignal kann die Netzspannung herangezogen werden und die Steuerung der Schalter 7 kann z. B. in Abhängigkeit von der Ausgangsspan­ nung und dem Schalterstrom erfolgen.

Die Energiespeicherspulenanordnung 2 bildet zusammen mit der Schalteranordnung 3 und dem Transformator 4 einen auf­ wärts schaltenden Konverter, der auch als Doppelboostkon­ verter bezeichnet werden kann. Die Energiespeicherspulenan­ ordnung 2 besteht aus zwei Drosselspulen 9, die eingangs­ seitig zusammengeschaltet und mit dem Ausgang des Netz­ gleichrichters 1 verbunden sind. Die Ausgänge der Dros­ selspule 9 sind mit je einem Anschluß der Primärwicklung 10 des Transformators 4 verbunden. Parallel zur Primärwicklung 10 ist die Schalteranordnung 3 geschaltet. Die Halbleiter­ schalter 7 der Schalteranordnung 3 verbinden die Anschlüsse der Primärwicklung 10 des Transformators 4 symmetrisch zu­ einander mit 180° Phasenverschiebung und einer Überlappung des Einschaltzustandes mit Masse.

Ein gleichzeitiges Sperren der Halbleiterschalter 7 wird durch geeignete Ansteuerung verhindert, weil Spannungsüber­ höhungen an den Halbleiterschaltern 7, die bei gleichzeiti­ gem Sperren auftreten können, zu vermeiden sind. Der zuläs­ sige Überlappungsbereich der Einschaltphase der Halbleiter­ schalter 7 liegt etwas über 50% bis 100%. Mit der Ein­ schaltdauer der Halbleiterschalter 7 wird zugleich der Drosselstrom so gesteuert, daß ein sinusförmiger Strom über Eingangsklemmen 11 aus dem Netz bezogen wird.

In eine der Verbindungsleitungen zwischen der Schalteran­ ordnung 3 und dem Transformator 4 kann ein Kondensator 12 eingefügt werden, der im Falle nicht exakt symmetrisch schaltender Halbleiterschalter 7 oder bei ungleichen Schwellenspannungen der Magnetrone 6.1, 6.2 verhindert, daß der Transformator durch einen Gleichstromanteil magneti­ siert wird.

An eine Sekundär-Hauptwicklung 13 sind die Magnetrons 6.1, 6.2 über die Gleichrichter- und Steuerungsanordnung 5 ange­ schlossen.

Mit der Gleichrichter- und Steuerungsanordnung 5 wird außer einer Gleichrichtung der Ausgangsspannung der Sekundärwick­ lung 13 erreicht, daß der Anodenstrom immer nur in einem der Magnetrone fließt, um Interferenzen zu vermeiden.

Der Transformator 4 enthält außerdem zwei Zusatzwicklungen 14 zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für die Ka­ thodenheizungen 15 der Magnetrons 6.1, 6.2. Die Kathoden­ heizung 15 ist jeweils über eine Induktivität 16 an eine der Zusatzwicklungen 14 angeschlossen.

Die Anordnung der Induktivität 16 in Reihe zu dem ohmschen Widerstand der Kathodenheizung 15 schafft die Möglichkeit, durch Änderung der Frequenz der an der Zusatzwicklung 14 anstehenden Spannung einen unterschiedlichen Spannungsab­ fall an der Induktivität herbeizuführen. Um diese Möglich­ keit zu nutzen, wird im Ausführungsbeispiel der Heizstrom über eine Meßeinrichtung 31 erfaßt und der Ansteuerung 30 zugeführt. Anstelle des Heizstromes könnte auch die Heiz­ spannung erfaßt werden. Wenn der Zusammenhang zwischen An­ odenstrom und Heizspannungsänderung bekannt ist, kann auch eine andere Größe, z. B. der Anodenstrom oder ein vorgegebe­ ner Sollwert für die Magnetron-Leistung herangezogen wer­ den.

Jedenfalls wird in der Ansteuerung 30 in Abhängigkeit von der z. B. als Heizstrom-Signal zugeführten Größe die Schalt­ frequenz der Halbleiterschalter 7 gesteuert oder geregelt geändert. Bei zunehmendem Heizstrom, der einer erhöhten Heizspannung proportional ist, wird die Schaltfrequenz er­ höht, damit ein höherer Spannungsabfall an der Induktivität 16 eintritt, also ein kompensierender Effekt erreicht wird.

Die Induktivität 16 muß nicht als konkretes Bauelement an­ geordnet werden. Sie kann z. B. durch die Streuinduktivität der Zusatzwicklung 14 des Transformators 4 gebildet werden.

Je nach Spanungs- und Windungszahlverhältnissen kann der Fall eintreten, daß selbst bei einer Windungszahl 1 der Zu­ satzwicklung 14 eine zu hohe Spannung für die Kathodenhei­ zung bereitgestellt wird. In diesem Fall kann ein Heiz­ transformator 17 an eine einzige Zusatzwicklung 14 des Transformators 4 angeschlossen werden, wie in Fig. 2 dar­ gestellt ist. Ein solcher Heiztransformator 17 transfor­ miert in der gewünschten Weise die Heizspannung im Verhält­ nis der Windungszahl seiner Primärwicklung 18 zur Windungs­ zahl der Sekundärwicklungen 19. Es ist zweckmäßig für die Sekundärwicklungen 19, die mit einer Hochvolt-Litze ausge­ führt sind, jeweils die Windungszahl 1 zu wählen. Die An­ ordnung eines Heiztransformators hat außerdem den Vorteil, daß der Strom in der Zusatzwicklung 14 durch entsprechende Spannungswahl klein gehalten werden kann.

Auch bei Verwendung eines Heiztransformators 17 besteht die zuvor beschriebene Notwendigkeit, einer lastabhängigen Änderung der Heizspannung entgegenzuwirken. Dieses Problem kann auf vorteilhafte Weise durch Gestaltung des Transfor­ mators 17 in der in Fig. 3 dargestellten Bauweise gelöst werden. Der in Fig. 3 gezeigte Heiztransformator hat einen dreischenkligen Magnetkern 20 mit einem Luftspalt 21 in seinem mittleren Schenkel. Einer der äußeren Schenkel trägt die Primärwicklung 18, der andere die Sekundärwicklungen 19. Der Luftspalt 21 bewirkt eine Streuinduktivität zur Realisierung der Induktivität 16 der beiden Heizkreise. Durch die Wahl der Luftspaltbreite kann die Größe der In­ duktivität beeinflußt werden. Somit kann nach der bereits beschriebenen Methode durch Änderung der Schaltfrequenz eine Stabilisierung der Heizspannung durchgeführt werden.

Bezugszeichenliste

 1 Gleichrichter
 2 Energiespeicherspulenanordnung
 3 primärseitige Schalteranordnung
 4 Transformator
 5 Gleichrichter- und Steuerungsanordnung
 6.1, 6.2 Magnetron
 7 Halbleiterschalter
 8 Entkopplungsdioden
 9 Drosselspule
10 Primärwicklung des Transformators 4
11 Eingangsklemmen
12 Kondensator
13 Sekundär-Hauptwicklung
14 Zusatzwicklung
15 Kathodenheizung
16 Induktivität
17 Heiztransformator
18 Primärwicklung des Heiztransformators
19 Sekundärwicklung des Heiztransformators
20 Magnetkern
21 Luftspalt
30 Ansteuerung
31 Meßeinrichtung

Claims (4)

1. Anordnung zur Bereitstellung einer stabilisierten Heizspannung für die Kathodenheizung (15) eines oder mehre­ rer Magnetrons (6.1,6.2), die aus einem Schaltnetzteil ge­ speist werden, das einen Transformator (4) enthält, dessen Primärstrom über gesteuerte Halbleiterschalter (7) geschal­ tet wird und der wenigstens eine Zusatzwicklung (14) zur Erzeugung der Heizspannung aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß

• a) im Heizstromkreis, der jeweils durch den Transforma­ tor (4) und die als ohmscher Widerstand wirkende Ka­ thodenheizung (15) gebildet ist, wenigstens eine in Reihe zur Kathodenheizung liegende Induktivität (16) angeordnet ist, und
• b) Mittel (30, 31) vorhanden sind zur Steuerung oder Re­ gelung der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter (7) in Abhängigkeit von einer der Magnetron-Sendeleistung proportionalen Größe in solcher Weise, daß der fre­ quenzabhängige Spannungsabfall an der Induktivität (16) eine von der Magnetronleistung abhängige Ände­ rung der Heizspannung kompensiert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als der Magnetronleistung proportionale Größe ge­ wählt ist aus Meßgrößen, wie Anodenstrom oder Anodenspan­ nung, oder aus vorgegebenen Steuergrößen, wie Magnetronlei­ stungs-Sollwert oder Anodenstrom-Sollwert.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die Zusatzwicklung (14) des Transformators (4) die Primärwicklung (18) eines Heiztransformators (17) angeschlossen ist, dessen Magnetkern (20) einen Luftspalt (21) aufweist und dessen Sekundärwicklungen (19) jeweils mit einer Kathodenheizung (15) eines Magnetrons (6.1, 6.2) verbunden sind, wobei die Streuinduktivität dieses lose ge­ koppelten Heiztransformators (17) als Induktivität (16) wirkt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heiztransformator (17) dreischenklig ausgeführt ist, wobei der mittlere Schenkel den Luftspalt (21) auf­ weist und ein äußerer Schenkel die Primärwicklung (18) trägt und der andere äußere Schenkel die Sekundärwicklungen (19).