EP0401697A2 - Schaltnetzteil zum Betreiben eines Magnetrons - Google Patents

Abstract

Es wird ein Schaltnetzteil für ein Magnetron beschrieben, das eine stetige Leistungsregelung bei erhöhtem Wirkungsgrad ohne Rückwirkungen auf das Netz erlaubt.

Description

• Magnetrons werden vorzugsweise in Mikrowellenöfen für die Garung oder Erwärmung von Speisen bzw. Getränken, sowie zum Auftauen tiefgekühlter Kost eingesetzt. Der Vorteil dieser modernen Art der Zubereitung ist der geringe Zeitaufwand und eine gewisse Wirtschaftlichkeit. Die Wirtschaftlichkeit besteht aber nur des­halb, weil ausschließlich das Gargut, nicht aber Töpfe, Pfannen, Herdplatte usw., aufgeheizt werden. Das Magnetron selbst hat ei­nen schlechten Wirkungsgrad (ca. 50 %). Der Wirkungsgrad steigt jedoch mit dem Anodenstrom. Bei dem maximal zulässigen Wert (z. Zt. 1,2A) können theoretisch etwa 70% erreicht werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, diesem theoretischen Wert unter der Berücksichtigung der gesetzlichen Vorschriften bezüglich Oberwel­lenbildung auf der Netzversorgungsleitung (VDE 0838, Teil 2) sehr nahe zu kommen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
• Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die durch das Schaltnetz­teil erzeugten Anodenstrompulse immer und unabhängig von der Netzaugenbilcksspannung maximale Amplitude aufweisen. Der Einfluß der Netzaugenblicksspannung beschränkt sich nur auf das Tastver­hältnis.
Prinzipielle Funktionsbeschreibung:
• Bild 1 zeigt das Gesamtschaltbild eines Schaltnetzteiles für ei­ne Ausgangsleistung von ca. 300W. Die Bilder 2a bis 2k geben ei­ne Übersicht über die Strom- und Spannungsverhäntisse in der Ausgangsstufe.
• In Abhängigkeit der Netzspannung (190V∼, 220V∼ und 264V∼) ist je­weils für eine halbe Netzperiode die Netzspannung (Bild 2a) und die Stromaufnahme (Bild 2b) dargestellt. Als Pakete sind Kollek­torstrom und Strom durch die Diode DF, sowie die Kollektorspan­nung in den Abbildungen 2c, d und e wiedergegeben. Die Paketbrei­te (prozentualer Anteil der Gesamtstromflußzeit) wird im Betrieb mit maximaler Leistung nur durch die Netzaugenblicksspannung be­stimmt. Im Vorheizbetrieb wird sie zusätzlich durch die Rampen­spannung an CR begrenzt. Im Normalbetrieb erreicht die Rampen­spannung (Bild 2f) nicht die Abschaltschwelle von D8 (5,6V). In den weiteren Bildern unter 2 sind Zeitlupendarstellungen für die Fälle der Netzaugenblickspannungen 70V und 370V (264V x √2) dargestellt.
• Die Endstufe arbeitet im Sperrwandler-, Durchflußwandler- und Paketbetrieb. Die Freilaufzeit ist abgestimmt (Resonanzkreis: CF|| Speicherinduktivität). Die Freilauffrequenz ist etwa 2kHz, d. h. die Freilaufzeit ist ca. 12 µs (Halbsinus). Die Kollektor spannung ist auf 800 V konstant gehalten.
• Die Leitzeit des Transistors T1 ist in Abhängigkeit der Netzau­genblicksspannung unterschiedlich (etwa 45 µs bei 70V und 6 µs bei 370 V).
• Ziel ist es, daß der Kondensator CF in der Freilaufphase unabhän­gig von der Netzaugenblickspannung immer gleichgroße Energiezu­fuhr erhält. Der Kondensator bekommt Energie nach dem Abschalten des Transistors T1 aus der Speicherspule und der Netzspannung. Um den Einfluß der Netzeffectiv- und der Netzaugenblickspannung zu beseitigen, wird der dem Kollektorstrom proportionalen Spannung an Rref eine der Netzspannung proportionale Spannung addiert und an den Komparator 4 gelegt. (Für die Netzeffektivspannung: R11, C10 und R5, für die Netzaugenblicksspannung: D10 und R4). Es wird erreicht, daß der Kollektorstrom umgekehrtproportional der Netz- und Netzaugenblicksspannung moduliert wird (Bild 2c) und daß die Spannung an CF konstant ist (Bilder 2e und 2g). Damit ist wunschgemäß auch der Anodenspitzenstrom konstant. Die Bilder 2g bis 2k verdeutlichen, daß das Pulspausenverhältnis in Abhän­gigkeit der Netzspannung stark moduliert ist, so daß die Netz­stromaufnahme nach VDE 0838, Teil 2, nahezu sinusförmig ist (Bild 2b).
• Zur Lösung dieser Aufgabe kann natürlich auch die Abschaltrefe­renzspannung (UL) netzspannungsmoduliert werden.
• Der Transistor T1 ist immer abgeschaltet (Treibereingang = high):
  - wenn die Spannung an Rref (∼ Kollektorstrom) zuzüglich der Spannung durch D10 und R4 (∼ der Netzaugenblicksspannung) zuzüglich der Spannung der R11, C10 und R5 (∼ der Netzef­fektivspannung) ≧ UL (mit Potentiometer P einstellbare Re­ferenzspannung) ist.
  (Funktion: Komparator 4)
  - wenn die augenblickliche Netzspannung an CL ≦ 70V beträgt.
  (Funktion: Komparator 1, D1)
  - wenn die Treiberspannung ≦ 10V ist.
  (Funktion: D7, R7, T2 und D6)
  - wenn die Rampenspannung an CR ≧ 5,6V (UD8) ist. Dieser Be­trieb ist nur während der Vorheizzeit (und im Fehlerfall) ge­geben.
  (Funktion: Komparator 2, D2)
  - während der Freilaufphase
  (Funktion: Dg, Rg, Komparator 3, D3)
  - während der Sperrphase des Transistors im Optokopper (ausge­schalteter Zustand)
  (Funktion: D5, R 15 und Optokoppler)
• Wie erwähnt, ist die Frequenz abhängig von der Netzaugenblicks­spannung. Eine Periode besteht aus den Zeiten:
  Einschaltzeit, Freilaufzeit und Stromzeit durch die Energierück­lieferdiode DF.
• Die Einschaltzeit variiert zwischen 6 µs und 45 µs. Die Freilauf­zeit ist konstant 12 µs lang. Die Stromflußzeit durch DF ist wäh­rend der Vorheizzeit fast genauso lang wie die Einschaltzeit. Während dieser Zeit wird abzüglich der Heizenergie die geasmte gespeicherte Energie - nachdem sie an CF wieder in die Speicher­indutkvität übergegangen ist - über DF in CL zurückgeliefert. Im Normalbetrieb ist nur ein kleiner Rest von Energie übrig (Bil­der 2g und 2h), da fast die gesamte Energie dem Magnetron abgege­ben wird. Die Stromflußzeit von DF ist nur ca. 3 µs. Die Gesamt­periodenzeit des Normalbetriebes (TE + TF + TDF) schwankt zwi­schen 20 µs und 59 µs. Das entspricht einer Frequenzvariation von 50kHz bis 17kHz im Normalbetrieb. Im Vorheizbetrieb liegt sie zwischen ca. 12kHz und 38kHz.
Die Stromspeisung des Magnetrons:
• Die Spannung an der lose gekoppelten Hochspannungswicklung be­trägt ohne Last konstant 8 kVss.
• In Abhängigkeit der Transistorleitzeit (T1) ist der positive An­teil dieser Spannung unterschiedlich. Die Klemmschaltung (CM1 und DK1) legt diesen Anteil an Masse, so daß negativ gerichtete Pulsspannungen konstanter Amplitude entstehen (-8kVss).
• Wegen seiner Kennlinie (sie entspricht einer 4kV-Zenerdiode) be­grenzt das Magnetron nach der Anheizzeit die Spannung auf -4kVss. Die konstante EMK erlaubt eine Dimensionierung der Streuindukti­vität, die den Anodenstrom auf seinen maximal zulässigen Wert begrenzt. Hierdurch wird ein Optimum an Wirkungsgrad erzielt.
• Leistungssteuerungen können durch Änderungen der Pausenzeiten er­reicht werden. Der gute Wirkungsgrad bleibt dadurch unbeeinflußt.

Claims (2)

1. Schaltnetzteil zum Betreiben eines Magnetrons, das im Current-mode-Durchfluß- sowie im Sperrwandlerbetrieb arbeitet, das durch einen Resonanzkreis eine feste Frei­laufzeit aufweist, wobei die während der Durchflußzeit nicht entnommene Energie wieder in den Ladekondensator zurückgespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzteil innerhalb des größten Teiles (≧ 80% auch bei Unterspannung) einer Netzperiode arbeitet und daß der Ladestrom der Speicherinduktivität nicht konstant gehal­ten wird, sondern umgekehrt proportional zur Netzaugen­blicksspannung moduliert wird, um den direktpropor­tionalen Ladestrom, hervorgerufen durch die Netzaugen­blicksspannung, während der Freilaufzeit zu kompensieren.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom der Speicherinduktivität umgekehrt proportional der effektiven Netzspannung innerhalb des Netzregelbereiches derart gesteuert wird, daß die unter­schiedliche Paketbreite bei unterschiedlichen Netzspan­nungen kompensiert wird.

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