DE4309202A1 - Schaltung für einen Mikrowellenherd - Google Patents

Description

1. Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenherd, der ausschließlich zur Speisung aus Gleich­ stromquellen gedacht ist, die leistungsfähig genug sind, den benötigten Gleichstrom zu liefern, wobei diese Leistungsfähigkeit vorzugsweise mit Hilfe einer Pufferbatterie erreicht wird, die auch aus Gleichstromquellen kleinerer Leistung wie z. B. Solargeneratoren nach­ geladen werden kann.

2. Zweck

Zweck der Erfindung ist es, den Mikrowellenherd aus Gleichspannungsquellen, vorzugs­ weise im Kleinspannungsbereich, betreiben zu können ohne die rigorosen Anschlußbe­ dingungen (Kurvenform, Frequenzkonstanz und Spannungskonstanz) erfüllen zu müssen, die zu stellen sind, wenn kommerziell verfügbare Mikrowellenherde aus Batterien über Wechselrichter mit Niederspannungsausgang versorgt werden sollen, und ohne die Kosten für den erwähnten zusätzlichen Wechselrichter aufbringen zu müssen und das Gerät wesentlich leichter und effizienter zu machen.

Damit soll das Ziel eines netzunabhängigen, weltweiten Einsatzes erreicht werden, vor allem ein mobiler Betrieb und auch die Einsatzmöglichkeit dort, wo keine stabilen Netze verfügbar sind, wie es in Entwicklungsländern vorwiegend der Fall ist.

3. Stand der Technik

Kommerziell verfügbare Mikrowellenherde aus der Massenproduktion werden heute aus­ schließlich für den Anschluß an stabile Wechselspannungsversorgungsnetze gefertigt. Die für die Mikrowellenröhre (Magnetron) erforderlichen Versorgungsspannungen werden über einen mit Netzfrequenz (50 oder 60 Hz) arbeitenden Hochspannungs-Transformator erzeugt, wobei die pulsierende Anodenspannung von 4,1 kV Scheitelwert über eine Spannungsver­ dopplerschaltung, verbunden mit einem Gleichrichter erreicht wird, und wobei die Heizspan­ nung von etwa 3,5 V üblicherweise ebenfalls auf Hochspannungspotential liegt. Der Einsatz des Netzfrequenz-Transformators erfordert die Einhaltung der oben erwähnten Anforderungen an Kurvenform, Frequenz- und Spannungskonstanz, da dessen Ausgangs­ spannung mit diesen verknüpft ist, und da das Magnetron nur unter stabilen Spannungsbe­ dingungen einwandfrei arbeiten kann.

Es ist natürlich naheliegend, Mikrowellenherde auch auf Schiffen oder Fahrzeugen mit Gleichspannungsnetzen im Kleinspannungsbereich einsetzen zu wollen. In solchen Fällen werden wie in Fig. 1 dargestellt, Wechselrichter 2 (Inverter) eingesetzt, die zunächst aus der Gleichspannung 3 eine der Netzspannung entsprechende Wechselspannung erzeugen, die dann dem kommerziellen Gerät 1 zugeführt wird. Diese Gleichspannung muß aus den oben erwähnten Gründen sinusförmig und frequenzkonstant sein.

Beide Bedingungen können von handelsüblichen Wechselrichtern erfüllt werden, jedoch zu einem Preis, der bei mehr als dem Fünffachen des Herdes selbst liegt. Etwas preiswerter sind Rechteckwechselrichter, doch stimmt bei deren Einsatz wegen des vom magnetischen Fluß abhängigen Übertragungsverhältnisses des Hochspannungs-Transformators des Mikrowellenherdes dann die Anodenspannung für das Magnetron nicht mehr.

Um den zusätzlichen Wechselrichter einzusparen, schlägt das US-Patent 4,667,075 vom 19.5.87 vor, die 3-phasige Spannung des Bordgenerators nicht gleichzurichten, sondern vielmehr direkt einem Drehstromtransformator zuzuführen, der dann unmittelbar die benö­ tigte Hochspannung erzeugt, die nur noch gleichgerichtet werden muß. Das Magnetron soll dabei direkt von der Batterie aus geheizt werden.

Eine andere Offenlegungsschrift, (DE 41 16 871 A1 vom 28.11.91) schlägt vor, zwar einen Rechteckwechselrichter anzuwenden, aber dessen Nachteil dadurch auszugleichen, daß man für diesen den Hochspannungs-Transformator im Mikrowellenherd mit einer zusätzlichen Primärwicklung versieht. Um dabei das Hauptproblem der unterschiedlichen magnetischen Flüsse bei Rechteck- und Sinusstrom-Einspeisung zu lösen, werden ver­ schiedene Schaltungen angegeben. Zweck dieser Erfindung ist es, das Gerät wahlweise mit Gleich- oder Wechselstrom (Allstromgerät) betreiben zu können.

Eine weitere Offenlegungsschrift, international publiziert unter der Nummer WO 90/04909 am 13.10.89, verfolgt ebenfalls den beschriebenen Gedanken der zwei getrennten Primärwicklungen auf dem Hochspannungstransformator, um ein Allstromgerät realisieren zu können. Hauptanliegen dieser OS ist es, die elektronischen Steuerungs- und Sicherheits- Schaltungen unabhängig von der Art der Spannungsquelle zu versorgen, was über einen eigenen Wechselrichter kleiner Leistung geschehen soll, damit an den betreffenden Stromkreisen keine Änderungen erforderlich sind.

4. Kritik am Stand der Technik

Alle beschriebenen Vorschläge zur Lösung der Versorgungsfrage des Mikrowellenherdes bei der Einspeisung aus Gleichspannungsquellen setzen voraus, daß die Hochspannung mit Hilfe von Netzfrequenz-Transformatoren erzeugt wird, die entweder so übernommen wer­ den, wie sie im Gerät vorhanden sind (Vorschaltung eines Sinus-Wechselrichters), oder die den vorhandenen Transformator z. B. durch einen Drehstrom-Transformator für die Lichtma­ schine statt des vorhandenen Einphasen-Transformators ersetzen, oder in besonderer Weise ausgeführt sind, z. B. Transformator mit je einer Primärwicklung für die Einspeisung aus dem Netz und aus einer Gleichspannungsquelle, z. B. der Autobatterie.

Jede dieser Maßnahmen verursacht zusätzliche Kosten und setzt die Effizienz des Gesamt­ systems herab, insbesondere durch den Einsatz zusätzlicher Inverter oder von Netzfre­ quenz-Transformatoren mit zwei Primärwicklungen.

5. Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für Gleichstromversorgung geeigneten Mi­ krowellenherd zu schaffen, der mit einem Minimum an zusätzlichen Komponenten aus­ kommt und trotzdem sicher und effizienter arbeitet, als dies mit den bekannten Lösungen möglich ist.

Es soll dabei auf einen besonderen Wechselspannungs-Eingang verzichtet werden, da da­ von ausgegangen werden kann, daß der Einsatz dieses besonderen Herdes ohnehin im Inselbetrieb erfolgt.

6. Kurze Beschreibung der Erfindung

Die oben gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Schaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Schaltung sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Diese Schaltung hat insbesondere den Vorteil, daß kein Netzfrequenz-Transformator mit Spannungsverdopplerschaltung eingesetzt werden muß.

Nach dem Stand der Technik (Fig. 1) ist es bekannt, aus einer Batterie 3 über einen DC/AC- Wandler 2 eine Wechselspannung zu erzeugen und einen herkömmlichen mit Wechsel­ spannung betriebenem Mikrowellenherd 1 zu versorgen. Weiterhin ist aus dem Stand der Technik gem. Fig. 2 bekannt, mittels eines Solargenerators 4 mit Photovoltaik-Zellen über einen Laderegler 5 eine Batterie 3 zu laden, die dann einen Mikrowellenherd 1 mit Spannung versorgt. Die Schaltungen, die aus dem Stand der Technik hierzu bekannt sind, sind jedoch so aufwendig und wenig effizient, daß ein Solargenerator von 1 kW und zusätzlicher Auto­ batterie einen Mikrowellenherd, der ca. 1,2 kW Leistung benötigt, nicht versorgen kann.

Dadurch, daß der DC/DC-Wandler bei einer wesentlich höheren Frequenz als der üblichen 50 Hz-Netzfrequenz arbeitet, wird der Transformator wesentlich leichter. Auch ist der Umwandlungswirkungsgrad wesentlich besser, so daß eine Autobatterie ausreicht, einen Mikrowellenherd mit der nötigen Leistung zu versorgen, damit z. B. für eine vierköpfige Fami­ lie eine Mahlzeit mit dem Mikrowellenherd zubereitet werden kann. Da vor allem in den ariden Zonen oftmals kein Holz mehr zur Verfügung steht, ist es mit der Erfindung möglich, mit wenig Aufwand und der reichlich vorhandenen Sonnenenergie die nötige Energie zum Betreiben eines Mikrowellenherdes und damit zum Kochen bereitzustellen.

Mittels der Erfindung wird auf Grund der nur außen am Gerät anliegenden Kleinspannung ein Schutz gegen direktes Berühren spannungsführender Teile überflüssig.

Mittels der erfindungsgemäßen Schaltung ist es weiterhin möglich, daß am Ausgang des DC/DC-Wandlers eine Spannung anliegt, deren Scheitelwert in der Höhe der benötigen An­ odenspannung des Magnetrons liegt, und die auch die Heizung des Magnetrons auf Hoch­ spannungs-Potentials versorgt.

Die Schaltung nach Anspruch 2 ist besonders vorteilhaft, da bei einer Frequenz oberhalb von 14 kHz Nebengeräusche der Schaltung vermieden werden.

Gemäß Anspruch 6 kann es von Vorteil sein, die handelsüblichen Hilfsaggregate, wie Be­ leuchtung, Ventilatoren etc., die im üblichen Mikrowellenherd enthalten sind, beizubehalten und sie über einen DC/AC-Wandler zu versorgen, z. B. im Falle eines Umbaus.

Gemäß den Ansprüchen 8 und 9 ist es jedoch bzgl. der Schaltung selbst effizienter, diese Hilfsaggregate entweder mit der Spannung des Solargenerators oder der Batterie zu betrei­ ben, oder, falls billigere Hilfsaggregate für z. B. 110 V Gleichstrom vorhanden sind, einen zusätzlichen DC/DC-Wandler vorzusehen, der aus der vorhandenen Gleichstromquelle gespeist wird.

7. Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung für das elektrische System des Mikrowellenherdes beschrieben.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild des Gleichstromherdes 6 mit DC/DC-Wandler 8 und mit Ver­ sorgung der Regel-, Steuer- und Sicherheitsschaltungen über einen speziellen Inverter 12. Die Komponenten 13 bis 16 sind in etwa Standard im kommerziellen Mikrowellenherd und werden dementsprechend von dem Inverter 12 mit einer dem Netz entsprechenden Span­ nung versorgt. Die Unterspannungsüberwachung 10 unterbricht die Stromzufuhr zu dem Inverter 12, wenn die Batterie 3 nicht mehr zur Stromlieferung herangezogen werden kann und nachgeladen werden muß. Ist diese Nachladung in ausreichendem Maße erfolgt, so wird die Versorgungsspannung für den Inverter 12 freigegeben. Als Unterspannungsüber­ wachung kann beispielsweise eine in der Literatur [1], Seite 271, angegebene Schaltung dienen. Der Inverter 12 bringt nach dem Schließen des Schalters 11 den Ventilator 16 zum Anlaufen und liefert den Sicherheitsgliedern 13 die Versorgungsspannung, die freigegeben wird, wenn der Ventilator 16 läuft. Die Sicherheitsglieder geben die Versorgungsspannung weiter an die Steuerglieder 14 und an den Regler 9, der den DC/DC-Wandler 8 zum Anlaufen bringt, sobald die Steuerglieder 14, mit denen u. a. Kochdauer und Taktzeiten ein­ gestellt werden, ein entsprechendes Signal abgeben. Von den Steuergliedern 14 aus werden auch die Lampen und Anzeigen 15 betätigt. Über die Meldeleitung 17 wird der Istwert der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 8 erfaßt, der den Regler 9 zum Nachregeln veranlaßt, wenn Abweichungen vom Sollwert auftreten. Der DC/DC-Wandler 8 wird dadurch stillgesetzt, daß dem Regler 9 die Versorgungsspannung entzogen wird, was durch die Unterspannungsüberwachung 10, den Ausschalter 11, die Sicherheitsglieder 13 oder die Steuerglieder 14 geschehen kann.

Bei einer zweiten, bevorzugten Variante, die in Fig. 4 dargestellt ist, werden die Komponen­ ten 13 bis 16 als Gleichspannungsgeräte ausgeführt, die mit der von der Batterie 3 geliefer­ ten, stabilisierten Spannung arbeiten können. Dies ist mit Hilfe der kommerziell verfügbaren Bauteile unschwer möglich. Auch sehr sparsame Lüfter 16 mit elektronisch kommutierten, also bürstenlosen, Gleichstrom-Motoren sind im Handel erhältlich. Das für die erste Variante beschriebene Grundprinzip des Gerätes wird bei der zweiten Variante beibehalten. Der Unterschied liegt lediglich darin, daß der Inverter 12 entfällt, und daß die Unterspan­ nungsüberwachung mit einem zusätzlichen Vorregler 18 zur Erzeugung einer stabilen DC- Versorgungsspannung ausgestattet wird, die auch an die übrigen Komponenten weiterge­ geben kann. Der Vorregler kann auch als DC/DC-Wandler ausgeführt sein, wenn die Ver­ sorgungs-Gleichspannung höher liegt als die Batteriespannung. Die Kontroll- und Steuer­ logikschaltungen werden vorzugsweise in hochintegrierter Halbleitertechnik und in CMOS- Logik ausgeführt, um den Stromverbrauch zu minimieren.

Fig. 5 zeigt das Grundprinzip des DC/DC-Wandlers zur Hochspannungserzeugung.

Literatur

[1] Köthe, H.K.: Stromversorgung mit Solarzellen. 3. Auflage. München, Franzis-Verlag, 1993.

Claims (10)

1. Schaltung für einen Mikrowellenherd, wobei für die Versorgung derselben eine Gleichspannungsversorgung vorgesehen ist sowie eine Gleichspannungs-Batterie und Hilfsaggregate, wie Sicherungseinrichtungen, Lampen, Anzeigeeinrichtungen, Zeitgeber und Spannungsregler für das Magnetron sowie das Magnetron selbst, dadurch gekennzeichnet, daß ein DC/DC-Wandler (8) zur Versorgung der Hochspannung für das Magnetron (7) vorgesehen ist, der im wesentlichen aus einer Transistorschaltung mit Regeleinrichtung und einem Hochfrequenztransformator mit nachgeschaltetem Diodengleichrichter besteht und bei einer Frequenz von über 1 kHz arbeitet.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den DC/DC-Wandler (8) eine Schaltfrequenz von oberhalb 10, vorzugsweise oberhalb 14 kHz vorgesehen ist, bei einer erzeugten Hochspannung von etwa 4 kV.

3. Schaltung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ansprechen der Sicherungseinrichtung (13) oder Steuerglieder des Koch­ programms (14) über Regler (9) die Stromversorgung des Magnetrons (7) unter­ brechbar ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung mittels Regler (9) durch Unterbrechung seiner Stromversor­ gung erfolgt.

5. Schaltung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Unterspannungsüberwachung (10) der Kochvorgang unterbrechbar und wieder freigebbar ist.

6. Schaltung nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß ein DC/AC-Wandler (12) zur Versorgung handelsüblicher 110 oder 120 V wech­ selspannunggespeister Hilfsaggregate (13 bis 16) vorgesehen ist, der aus der Batte­ rie (3) über den Unterspannungsschutz (10) mit Spannung versorgt wird.

7. Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsaggregate (13 bis 16) als mit Gleichspannung betreibbare Geräte ausge­ bildet sind.

8. Schaltung nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsversorgung der Hilfsaggregate ein Vorregler (18) vorgesehen ist, der gegebenenfalls zur Versorgung für eine höhere Gleichspannung als der verwen­ deten Batteriespannung (3) als DC/DC-Wandler ausgebildet ist.

9. Schaltung nach den Ansprüchen 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten der Schaltung, insbesondere die der Unterspannungsüberwa­ chung (10), Regler (9), Sicherheitseinrichtungen (13) und der Steuerglieder (14), in integrierter und/oder CMOS-Technik ausgebildet sind.

10. Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Solargenerator zur Versorgung der Batterie (3) und zur zusätzlichen Versor­ gung der Schaltung vorgesehen ist.