WO1998025286A1 - Verfahren und anordnung zum regeln der heizleistung der kathode eines magnetrons - Google Patents

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heating
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Wolfgang Arnold
Erich Pivit
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Advanced Ferrite Technology Gmbh
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    • H01J23/04—Cathodes

Definitions

  • the present invention relates to a method and an arrangement for regulating the heating power of the cathode of a tube generating high-frequency energy - preferably a magnetron.
  • magnetrons or comparable tubes that generate very high power microwaves are used to heat objects.
  • the high-frequency energy emitted by such a tube is fed into an oven in which the material to be heated is located (e.g. for a sintering, cooking or baking process or the like).
  • the material to be heated is located (e.g. for a sintering, cooking or baking process or the like).
  • objects can be heated up in a considerably shorter time than with hot air.
  • the cathode of a magnetron has to be heated with a certain power so that the required electron emission occurs.
  • the cathode is heated by means of a filament through which current flows. If the cathode were heated up solely by the heat given off by the filament, one would have a defined, well controllable heating of the cathode. A heating power that often exceeds or falls below its setpoint will on the one hand result in a deviation from the desired electron emission and on the other hand considerably shorten the life of the magnetron. In fact, there are parasitic effects in the tube that affect the heating of the cathode.
  • the microwave currents flowing on the cathode have an effect on the heating, and on the other hand, electrons that reverse from the anode to the cathode have a heating effect (back heating). That is, the heating power of the Cathode is also dependent on the high frequency power. The goal is to keep the heating power of the cathode as constant as possible despite the parasitic heating effects.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device of the type mentioned at the outset, by means of which the heating power of the cathode can be regulated to a constant value.
  • this object is achieved according to the features of claim 1 in that the heating power is regulated in such a way that the light intensity emitted by the heated cathode remains constant.
  • a portion of the light emitted by the cathode is converted into an electrical signal, which is used as a control variable for a heating current.
  • a device for controlling the heating power consists in that an opto-electrical converter converts a light component, which has been decoupled from the light emitted by the cathode, into an electrical control variable and that a control circuit controls the heating current in such a way that the electrical The controlled variable corresponds to a specifiable setpoint.
  • An optical waveguide advantageously couples a portion of the light out of the light emitted by the cathode and feeds it to the optoelectric converter. In the case of a magnetron, the optical waveguide is aligned with the microwave output in order to receive light emerging from the heated cathode.
  • the invention is essentially based on the knowledge that the strength of the light emitted by the heated cathode is a very precise measure of the heating power. In this way, reliable control of the heating power can be achieved with simple means.
  • the single figure shows a basic circuit diagram of a control circuit for the heating power of the cathode
  • a magnetron 1 is shown schematically in the drawing. Cooling is required because of the high operating power of a magnetron. A line 2 is therefore provided, via which a cooling liquid is fed to the magnetron 1. Furthermore, the magnetron 1 has two contacts 3 and 4, via which a filament for the cathode is fed with a heating current Ih. The cathode also receives its bias via contact 3.
  • the exact structure of the magnetron and its mode of operation are not described here because they are sufficiently known to the person skilled in the art and are also not relevant for understanding the invention. For the same reason, a description of the electromagnet via which the electron flow between the cathode and anode is controlled is omitted. For the sake of clarity, this electromagnet surrounding the magnetron is not shown in the drawing.
  • the magnetron 1 has a microwave output with a probe 5, via which the microwaves z. B. be coupled into a waveguide 6.
  • the waveguide 6 passes on the microwave energy, for example into an oven in which there is a material to be heated.
  • the microwave output is hermetically sealed with a dome 7 placed over the probe 5.
  • the dome 7 is permeable to microwaves.
  • the dome 7 consists of a translucent material, e.g. B. glass ceramic.
  • the heating power is made up of the heating power by the filament and the two parasitic heating power components due to the microwave currents flowing on the cathode and the electrons returning to the cathode.
  • the heating power of the cathode should be as constant as possible during the operation of the magnetron 1 for the reasons mentioned above.
  • the influences of the microwaves on the cathode and the returning electrons on the heating of the cathode cannot be controlled.
  • the heating power can therefore only be regulated via the heating current Ih by the filament.
  • the control circuit described below regulates the heating current Ih and thus the heating power for the cathode so that the intensity of the light 8 emitted by the cathode remains constant; because constant light intensity means constant heating output.
  • an optical waveguide 9 protruding into the waveguide 6 and directed towards the dome 7, part of the light 8 emitted by the cathode is coupled out and fed to an optoelectric converter (eg photodiode) 10.
  • the optical waveguide 9 preferably consists of several optical fibers.
  • An electrical signal X is available at the output of the optoelectric converter 10 and is used as a control variable for the heating current iH.
  • a controller 1 1 compares the controlled variable X with a target value S, which represents the desired heating power for the cathode.
  • the controller 1 1 can, for. B. be a P controller or a PI controller.
  • the control variable Y appearing at the output of the controller 11 is dependent on the deviation of the control variable X from the setpoint value S.
  • the control variable Y leads to an actuator 12 which generates the heating current Ih or a heating voltage.
  • the actuator 12 is a controllable current or voltage source.

Landscapes

  • Microwave Tubes (AREA)
  • Control Of High-Frequency Heating Circuits (AREA)

Abstract

Die Heizleistung für die Kathode einer Hochfrequenzenergie erzeugenden Röhre (1) kann dadurch sehr konstant gehalten werden, daß die Heizleistung (Ih) so geregelt (11, 12) wird, daß die von der aufgeheizten Kathode emittierte Lichtstärke (8) konstant bleibt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zum Regeln der Heizleistung der Kathode eines Magnetrons
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Regeln der Heizleistung der Kathode einer Hochfrequenzenergie erzeugenden Röhre - vorzugsweise eines Magnetrons -.
Magnetrons oder vergleichbare Röhren, die Mikrowellen sehr hoher Leistung erzeugen, werden beispielsweise dazu verwendet, um Gegenstände zu erhitzen. Dazu wird die von einer solchen Röhre abgegebene Hochfrequenzenergie in einen Ofen eingespeist, in dem sich das zu erhitzende Gut ( z. B. für einen Sinter-, Koch- oder Backprozeß oder dergleichen) befindet. Mit Hochfrequenzenergie lassen sich Gegenstände in erheblich kürzerer Zeit als mit Heißluft aufheizen.
Nachfolgend ist stellvertretend für alle gleichartig funktionierenden Hochfrequenzenergie erzeugenden Röhren nur noch vom Magnetron die Rede. Die Kathode eines Magnetrons muß mit einer bestimmten Leistung geheizt werden, damit es zu der erforderlichen Elektronenemission kommt. Die Heizung der Kathode erfolgt mittels eines stromdurchflossenen Heizfadens. Würde die Kathode allein durch die von dem Heizfaden abgegebene Wärme aufgeheizt, so hätte man eine definierte, gut kontrollierbare Heizung der Kathode. Eine Heizleistung, die ihren Sollwert oft über- oder unterschreitet wird einerseits eine Abweichung von der gewünschten Elektronenemission mit sich bringen und andererseits die Lebensdauer des Magnetrons erheblich verkürzen. Tatsächlich gibt es in der Röhre parasitäre Effekte, welche die Aufheizung der Kathode beeinflussen. Zum einen wirken sich die auf der Kathode fließenden Mikrowellenströme auf die Heizung aus, und zum anderen haben Elektronen, die von der Anode zur Kathode umkehren, einen Heizeffekt (Rückheizung). D. h., daß die Heizleistung der Kathode auch von der Hochfrequenzleistung abhängig ist. Das Ziel ist es, trotz der parasitären Heizeffekte die Heizleistung der Kathode möglichst konstant zu halten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, womit die Heizleistung der Kathode auf einen möglichst konstanten Wert regelbar ist.
Erfϊndungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Heizleistung so geregelt wird, daß die von der aufgeheizten Kathode emittierte Lichtstärke konstant bleibt. Nach einem Unteranspruch wird dabei ein Anteil des von der Kathode emittierten Lichts in ein elektrisches Signal gewandelt, das als Regelgröße für einen Heizstrom herangezogen wird.
Eine Vorrichtung zum Regeln der Heizleistung besteht gemäß Anspruch 3 darin, daß ein opto- elektrischer Wandler einen Lichtanteil, der aus dem von der Kathode emittierten Licht ausgekoppelt worden ist, in eine elektrische Regelgröße wandelt und daß ein Regelkreis den Heizstrom so regelt, daß die elektrische Regelgröße einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Vorteilhafterweise koppelt ein Lichtwellenleiter einen Lichtanteil aus dem von der Kathode emittierten Licht aus und führt ihn dem optoelektrischen Wandler zu. Bei einem Magnetron ist dazu der Lichtwellenleiter auf den Mikrowellenausgang ausgerichtet, um dort austretendes Licht von der aufgeheizten Kathode aufzunehmen.
Die Erfindung basiert im wesentlichen auf der Erkenntnis, daß die Stärke des von der aufgeheizten Kathode emittierten Lichts ein sehr genaues Maß für die Heizleistung ist. So läßt sich mit einfachen Mitteln eine zuverlässige Regelung der Heizleistung realisieren.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels wird nun die Erfindung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein Prinzipschaltbild eines Regelkreises für die Heizleistung der Kathode eines
Magnetrons. In der Zeichnung ist schematisch ein Magnetron 1 dargestellt. Wegen der hohen Betriebsleistung eines Magnetrons ist eine Kühlung erforderlich. Deshalb ist eine Leitung 2 vorgesehen, über die dem Magnetron 1 eine Kühlflüssigkeit zugeführt wird. Des weiteren besitzt das Magnetron 1 zwei Kontakte 3 und 4, über welche ein Heizfaden für die Kathode mit einem Heizstrom Ih gespeist wird. Über den Kontakt 3 erhält außerdem die Kathode ihre Vorspannung. Der genaue Aufbau des Magnetrons und seine Funktionsweise werden hier nicht beschrieben, weil sie dem Fachmann hinlänglich bekannt sind und auch für das Verständnis der Erfindung nicht relevant sind. Aus dem gleichen Grund wird auf eine Beschreibung des Elektromagneten verzichtet, über den der Elektronenfluß zwischen Kathode und Anode gesteuert wird. Der Übersichtlichkeit halber ist dieser das Magnetron umgebende Elektromagnet in der Zeichnung nicht dargestellt.
Das Magnetron 1 weist einen Mikrowellen-Ausgang mit einer Sonde 5 auf, über welche die Mikrowellen z. B. in einen Hohlleiter 6 eingekoppelt werden. Der Hohlleiter 6 leitet die Mikrowellenenergie weiter, beispielsweise in einen Ofen, in dem sich ein aufzuheizendes Gut befindet. Der Mikrowellenausgang ist mit einem über die Sonde 5 gestülpten Dome 7 hermetisch verschlossen. Allerdings ist der Dome 7 für Mikrowellen durchlässig. Üblicherweise besteht der Dome 7 aus einem lichtdurchlässigen Material, z. B. Glaskeramik.
Wenn sich das Magnetron 1 im Betriebszustand befindet, die Kathode also von dem stromdurchflosse- nen Heizfaden aufgeheizt wird, tritt aus dem Mikrowellenausgang durch den Dome 7 Licht 8 nach außen in den Hohlleiter 6 ein. Die Stärke dieses emittierten Lichts 8 hängt unmittelbar zusammen mit der Heizleistung, der die Kathode ausgesetzt ist. Dabei setzt sich die Heizleistung, wie einleitend bereits erwähnt, aus der Heizleistung durch den Heizfaden und den zwei parasitären Heizleistungsanteilen aufgrund der auf der Kathode fließenden Mikrowellenströme und der zur Kathode zurückkehrenden Elektronen. Insgesamt soll die Heizleistung der Kathode aus den oben genannten Gründen während des Betriebs des Magnetrons 1 möglichst konstant sein. Die Einflüsse der Mikrowellen auf der Kathode und der rückkehrenden Elektronen auf die Heizung der Kathode sind nicht kontrollierbar. Die Heizleistung kann also nur über den Heizstrom Ih durch den Heizfaden geregelt werden.
Der nachfolgend beschriebene Regelkreis regelt den Heizstrom Ih und damit die Heizleistung für die Kathode so, daß die Stärke des von der Kathode emittierten Lichts 8 konstant bleibt; denn konstante Lichtstärke bedeutet ja konstante Heizleistung. Mit einem in den Hohlleiter 6 hineinragenden, auf den Dome 7 gerichteten Lichtwellenleiter 9 wird ein Teil des von der Kathode emittierten Lichts 8 ausgekoppelt und einem optoelektrischen Wandler ( z. B. Photodiode) 10 zugeführt. Der Lichtwellenleiter 9 besteht vorzugsweise aus mehreren Lichtleitfasern. Am Ausgang des optoelektrischen Wandlers 10 steht ein elektrisches Signal X zur Verfügung, das als Regelgröße für den Heizstrom iH verwendet wird. Ein Regler 1 1 vergleicht die Regelgröße X mit einem Sollwert S, der die gewünschte Heizleistung für die Kathode repräsentiert. Der Regler 1 1 kann z. B. ein P-Regler oder ein PI-Regler sein. Die am Ausgang des Reglers 11 erscheinende Stellgröße Y ist abhängig von der Abweichung der Regelgröße X von dem Sollwert S. Die Stellgröße Y führt zu einem Stellglied 12, das den Heizstrom Ih bzw. eine Heizspannung erzeugt. Das Stellglied 12 ist eine regelbare Strom- oder Spannungsquelle.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Regeln der Heizleistung der Kathode einer Hochfrequenzenergie erzeugenden Röhre - vorzugsweise eines Magnetrons -, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung für die Kathode so geregelt wird, daß die von der aufgeheizten Kathode emittierte Lichtstärke konstant bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des von der Kathode emittierten Lichts (8) in ein elektrisches Signal (X) gewandelt wird, das als Regelgröße für einen Heizstrom (Ih) herangezogen wird.
3. Vorrichtung zum Regeln der Heizleistung der Kathode einer Hochfrequenzenergie erzeugenden Röhre - vorzugsweise eines Magnetrons -, dadurch gekennzeichnet, daß ein optoelektrischer Wandler (10) vorgesehen ist, um einen aus dem von der aufgeheizten Kathode emittierten Licht (8) ausgekoppelten Lichtanteil in eine elektrische Regelgröße (X) zu wandeln, und daß ein Regelkreis (11, 12) vorhanden ist, der den Heizstrom (Ih) für die Kathode so regelt, daß die elektrische Regelgröße (X) einem vorgebbaren Sollwert (S) entspricht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtwellenleiter (9) einen Lichtanteil aus dem von der aufgeheizten Kathode emittierten Licht (8) auskoppelt und dem optoelektrischen Wandler (10) zuführt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (9) auf den Mikrowellenausgang der Röhre ausgerichtet ist, um dort austretendes Licht von der aufgeheizten Kathode aufzunehmen.
PCT/DE1997/002641 1996-12-02 1997-11-08 Verfahren und anordnung zum regeln der heizleistung der kathode eines magnetrons WO1998025286A1 (de)

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