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Verfahren und Schaltungsanordnung zum Regeln von Hochfrequenzheizungen
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Es ist daher ein crster Zweck der Erfindung, eine ein Hochfrequenzfeld erzeugende Vorrichtung zu schaffen, welche einen Strom von im wesentlichen konstanter Amplitude und Frequenz an ein Dielektrikum abgibt. Ein weiterer Erfindungszweck besteht in der Schaffung eines Steuersystems für einen Hochfrequenzgenerator, der dann so einreguliert werden kann, dass er einen bestimmten und im wesentlichen konstanten Strom an eine Last veränderlicher Grösse abgibt.
Ferner bezweckt die Erfindung Mittel zu schaffen, welche Grösse und Richtung der Abweichung von Hochfrequenzströmen von einem Sollwert feststellen und den Strom augenblicklich wieder auf den Sollwert zurückbringen.
Wie nachstehend beschrieben, wird dies durch die Verwendung eines kleinen Steuer-Oszillators zur Hervorbringung einer Schwingung stabiler Frequenz, eines Vorverstärkers und eines lastverbundenen Ausgangsverstärkers erreicht. Dis Gitter der Röhre des Vorverstärkers ist ver- änderbar vorgespannt, u. zw. in Abhängigkeit vom Laststrom und entweder von der Ausgangsspannung des Endverstärkers oder einer stabilen Normalspannung, wobei diese Vorspannungen die Gitter der Röhre (n) des Ausgangsverstärkers und damit dessen Ausgangsleistung steuern.
In den beiliegenden Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 ist das Schaltschema der erfindunggemässen Vorrichtung, Fig. 2 die graphische Darstellung der für die Erzielung einer guten Verbindung notwendigen Beziehung von Belastungsstrom zur Dickenänderung des zu verbindenden Materials, bei einer Vorrichtung ohne Regulierung und Fig. 3 eine graphische Darstellung der zwischen den gleichgerichteten Spannungen und der Dickenänderung im Detektorteil der Schaltung nach Fig. 1 bestehenden Beziehung. Fig. 4 zeigt das-Schaltschema einer Variante des Detektors nach Fig. 1 und schliesslich Fig. 5 die graphische Darstellung der Beziehung der Spannung zur Dickenänderung für den Detektor nach Fig. 4.
In Fig. 2 bezeichnet A eine Kurve, welche die Stromveränderung in bezug zur Dicke des zu verbindenden Materials für die idealen Voraussetzungen einer guten Materialverbindung dar-
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stellt. Man sieht, dass der Strom im wesentlichen konstant ist, mit Ausnahme für ganz dünne Materialien, wo etwas grössere Ströme notwendig sind. Dies rührt von der stärkeren Abkühlung der Elektroden am dünneren Material her.
Die Kurve B zeigt, wie die Stromstärke normalerweise abfällt, wenn die Materialstärke lastseitig zunimmt, u. zw. für einen üblichen selbsterregten Oszillator ohne irgendwelche automatische Regulierung. Man sieht, dass der nicht geregelte und für eine bestimmte Materialdicke eingestellte Strom, sehr rasch abfällt, so dass selbst ein nur wenig dickeres Material nicht mehr gut verbunden wird.
Um über einen grossen Dickenbereich eine gute Verbindung zu erhalten, muss ein Steuersystem vorgesehen werden, das automatisch den Unterschied zwischen den Kurven A und B behebt. Fig. l zeigt ein solches System. Dieses System beruht auf der Anwendung der bekannten Verstärker-Belastungseffekte, nämlich erstens der Abnahme des Belastungsstromes, wenn die Materialdicke und damit die Belastung oder der Widerstand zunimmt und zweitens der Abnahme der Verstärkerausgangsspannung, wenn diese Dicke und damit die Belastung oder der Widerstand zunimmt.
Gemäss Fig. 1 ist die koaxiale Übertragungs- leitup' ;, mit einer Nebenschlussspule 2, einer in Serie liegenden Spule 3, einem Abstimmkondensator 4 und mit den Elektroden 5 und 6 verbunden, zwischen denen die durch Erwärmung zu verbindenden Materialschichten 7 liegen.
Die Elemente 2, 3 und 4 bilden die Abstimmittel des lastseitigen Endes der Vorrichtung. Die Elektroden 5 und 6 können entweder heboder senkbar oder auch rollenförmig ausgeführt sein.
Mit der Spule 2 ist eine Spule 8 induktiv gekoppelt, die gleichzeitig mit einem DiodenGleichrichter 9 und einem Potentiometer 10 in Serie geschaltet ist. Auf die gleiche Weise ist die Spule 11 mit der Spule 3 gekoppelt und in
Serie mit einem Dioden-Gleichrichter 12 und einem Potentiometer 13 geschaltet. Die Potentiometer 10 und 13 sind mittels der Kondensatoren 10e und 13'überbrückt, um Wege niedriger Impedanz für die Hochfrequenzkomponenten der gleich- gerichteten Ströme zu schaffen. Die Schleifer 14 und 15 sind über den Draht 16 miteinander ver- bunden und die Leitungen 17 und 18 führen zu den Enden der entsprechenden Potentiometer 10 und 13.
Es ist ersichtlich, dass die Polarität der
Dioden derart ist, dass die Spannung zwischen den Drähten 17 und 18 gleich der Differenz zwischen den Schleifern und dem unteren Ende des entsprechenden Potentiometers ist. Die eben beschriebenen Elemente bilden den
Detektor 19, und die einzige zwischen den
Drähten 17 und 18 auftretende Ausgangs-
Steuerspannung läuft von einem negativen Wert durch Null zu einem positiven Wert, wenn die
Dicke des Materials 7 zunimmt, wie dies im
Folgenden erklärt wird.
In Fig. 3 stellt die Kurve 10a die Spannungs- änderung am Potentiometer 10 dar, wenn sich die Materialdicke ändert. Sie nimmt zu, wenn die Dicke zunimmt und ist ein Massstab für die Hochfrequenzspannung, wenn der Belastungwiderstand zunimmt. Die Kurve 13a zeigt die Spannungsänderung am Potentiometer 13, wenn sich die Materialdicke oder der Widerstand ändert.
Sie nimmt deshalb mit zunehmender Dicke ab, weil sie ein Mass ist für den Belastungsstrom, welcher infolge zunehmender Dicke abfällt. Die Spannung zwischen den Leitern 17 und 18 wird durch die Differenz zwischen den Ordinaten der beiden Kurven 10a und 13a dargestellt.
Am Punkt 20 ist daher eine Dicke vorhanden, bei welcher die Ausgangsspannung gleich Null ist. In der Zone N ist die Ausgangsspannung negativ und nimmt mit zunehmender Dicke ab, wie es durch die vertikalen Linien dargestellt ist.
In der Zone P ist die Ausgangsspannung positiv
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zu. Man sieht, dass der Dickewert, bei welchem die Ausgangsspannung Null ist, durch Verschieben des einen oder anderen oder beider Schleifer 14 und 15 verändert werden kann. Es ist auch möglich, die Schleifer zu einer gemeinsamen Regulierungsvorrichtung zu kombinieren.
Sie werden gewöhnlich derart eingestellt, dass sie für eine mittlere zu behandelnde Dicke eine Nullspannung ergeben, um die erforderliche Regulierarbeit zu verringern.
Nachdem derart eine Reguliergleichspannung erhalten worden ist, die eine Funktion der Belastungsänderungen ist, soll untersucht werden, wie diese Spannung zur Einstellung eines im wesentlichen konstanten Stromes im Material verwendet werden kann.
Aus Fig. 1 ist zu entnehmen, dass eine Triode 21 als übliche Oszillatorröhre mit abgestimmtem Gitter-und abgestimmtem Anodenkreis geschaltet ist und als Erreger für das ganze System wirkt. Der Oszillator 21 kann durch Erden der Kathode mittels des Relais 21 a ein- und ausgeschaltet werden. Eine im Anodenkreis des Oszillators liegende Spule 22 ist induktiv mit der Gitterspule 23 gekoppelt um einen Gegentakteingang zu den Gittern 24 und 25 der Doppelpentode 26 zu schaffende als GegentaktVorverstärker geschaltet ist. Die im Anodenkreis des Verstärkers liegende Spule 27 ist induktiv mit der Gitterspule 28 gekoppelt, welche mit den
Gittern 29 und 30 der beiden Trioden 31 und 32 verbunden ist, die als Gegentakt-Kraftverstärker geschaltet sind.
Die im Anodenkreis dieses
Kraftverstärkers liegende Spule 33 ist induktiv mit der Spule 34 gekoppelt, die mit dem sender- seitigen Ende der früher erwähnten koaxialen
Leitung 1 verbunden ist.
Der Grundoszillator 21 stellt die Frequenz ein und die von ihm erzeugten schwachen Spannungen werden zuerst durch den Vorverstärker 26 und hierauf durch den Kraftverstärker 31, 32 verstärkt, bis eine beträchtliche Leistung zur Übertragung über die Leitung 1 zur Verfügung steht. Die
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Anschlusspunkte 35, 36 und 37 dienen zum Anlegen der positiven Anodenspannungen an den Erreger-, Vor-und Kraftverstärker, wobei als Erde der gemeinsame negative Anschluss 66 verwendet wird. Die Klemme 38 dient zum Anlegen der negativen Gittervorspannung für den Kraftverstärker. Diese Spannungen werden durch auf übliche Weise geregelte, nicht dargestellte Energiequellen im wesentlichen konstant gehalten. Der Heizstrom wird den Heizelementen jeweils an den mit Pfeilen bezeichneten Stellen zugeführt.
Eine regulierbare Schirmgitterspannung für den Vorverstärker 26 wird vom Potentiometer 61 erhalten, das einerseits mit der Anodenleitung (Anschluss 36) verbunden und andererseits geerdet ist. Vom Heiztransformator 62 gehen die Leitungen 63 und 64 zu den Heizungsanschlüssen der Kraftverstärkerröhren29 und 30. Der mittlere Anschluss 65 der Sekundärwicklung ist geerdet und dient dazu, den Rück- lauf des Anodenstromes dieser Röhren zu ge-
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Vorspannung auf spezielle, im nachfolgenden zu beschreibende Art.
Wie oben beschrieben, führen die Drähte 17 und 18 eine Gleichspannung, welche in positiver Richtung zunimmt, wenn die Materialdicke zunimmt. Diese Spannung wird dem System zwischen dem Gitter 39 der Triode 40 und dem Schleifer 41 des Potentiometers 42 aufgedrückt.
Ein Brücken-Gleichrichter 43 erhält Wechselstrom von der Heizleitung 44 und liefert Gleichstrom zum Potentiometer 42, wobei ein Teil der Spannung als Gittervorspannung zwischen dem Schleifer 41 und der Kathode 45 eingespeist wird.
Die Kathode 45 ist geerdet und ein Kathodenwiderstand 46 ist mit der Anschlussklemme 47 verbunden, welche zur Verbindung mit der negativen Seite einer üblichec Anodenspannungs- quelle dient, die reguliert wiro. Der Anschluss 48 steht mit der Anode 49 in Verbindung und bildet auch die Verbindung zur positiven Seite einer üblichen, regelbaren, nicht gezeichneten Anodenspannungsquelle. Ein Potentiometer 50 ist an die Klemmen 47 und 48 angeschlossen und dessen
Schleifer 51 ist mit dem Gitter 52 der Pentode 53 verbunden, die als Trioden-Kathoden-Folge- schaltung wirkt. Die Kathode der Röhre 53 ist geerdet und ein Widerstand 54 zwischen diese
Kathode und den Anschluss 55 gelegt, der die
Verbindung mit der negativen Seite einer üblichen regulierten Anodenspannungsquelle (nicht ge- zeigt) herstellt.
Der Anschluss 56 ist mit der
Anode. 57, sowie mit der positiven Seite der erwähnten Anodenspannungsquelle verbunden.
Eine Leitung 58 führt vom Anschluss 55 zum
Mittelpunkt 59 der Gitterspule 23 des Vor- verstärkers 26. Die Doppelkathode 60 ist geerdet und man sieht daher, dass die Ausgangsspannung der Kathodenfolgeröhre 53, die am Wider- stand 54 erscheint, dem Gitterkreis des Vor- verstärkers 26 direkt als Gittervorspannung aüf- gedrückt wird.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist folgende :
Aus der obigen Beschreibung der Schaltung geht hervor, dass bei einer gewissen Dicke des Materials 7 die Gleichspannung des Detektors gleich Null ist. Dieser Wert der Materialdicke kann von Hand durch Betätigen eines oder beider Schleifer 14 und 15 verändert werden.
Angenommen der Zustand sei so, dass zwischen den Leitern 17 und 18 keine Spannung vorhanden sei. In diesem Fall bestimmt die Einstellung des Schleifers 41 des Potentiometers 42 die Spannung am Gitter 39, die den Anodenstrom der Röhre 40 und damit den Spannungsabfall im Widerstand 46 reguliert. Die dem Gitter 52 des Kathodenfolgegerätes 53 aufgedrückt
Spannung besteht aus einer, vom Schleifer 51 des Potentiometers 50 abgenommenen positiven Komponente, sowie einer negativen Komponente, die gleich dem Spannungsabfall im Widerstand 46 ist. Diese Spannung bestimmt den Wert des Anodenstromes der Kathodenfolgeröhre 53, der seinerseits die Grösse des Spannungsabfalles im Widerstand 54 festlegt.
Diese Spannung ist die Vorspannung am Gitter des V ürverstärkers 26 und bestimmt dessen Ausgangsspannung. Die Potentiometerschieber 41 und 51 können daher so eingestellt werden, dass für eine gegebene Dicke und ein gegebenes Material der richtige Strom fliesst um eine gute Materialbindung zu ergeben.
Wenn jetzt dickeres Material nachfolgt, erscheint am Detektor 19 eine positivere Spannung und dies ergibt an der Röhre 40 eine weniger negative Gitterspannung. Der Anodenstrom der Röhre 40 nimmt zu und dies verstärkt die Zunahme der dem Gitter 52 der Kathodenfolgeröhre zugeführten negativen Gitterspannung. Dies senkt die negative Gittervorspannung an den Gittern des Vorverstärkers durch das Kathodenfolgegerät und ergibt am genannten Verstärker eine grössere
Ausgangsspannung. Diese höhere Spannung erhöht die Spannung am Kraftverstärker und dessen
Ausgangsspannung wird ebenfalls erhöht, so dass der Strom wieder auf seinen Anfangswert ansteigt.
Wenn das Material dünner wird, findet der um- gekehrte Vorgang statt, da der Detektor auf beide
Richtungen der möglichen Dickenänderung reagiert. Die Wirkung : menin derart, dass einer Änderung des.-. tungsstromes durch eine Spannungsänderung, die an der Gitter- vorspannungssteuerung erzeugt wird, wie be- schrieben entgegengewirkt wird. D. h. es besteht das Bestreben eines konstanten Spannungs- gradienten, der infolge der automatischen von der Dickenänderung abhängigen Spannungs- regulierung im Material aufrechterhalten wird.
Es ist auch möglich, nur unter Verwendung einer Detektorspule 11 zu arbeiten und die er- haltene Spannung mit einer konstanten Spannung zu vergleichen, wie beispielsweise mit der
Spannung einer Batterie oder einer anderen
Stromquelle mit konstanter Spannung. Dem- gemäss zeigt Fig. 4 einen Detektor 19" mit gegenüber der Fig. 1 abgeänderter Ausführungs-
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form, indem die Spule 8 und die Gleichrichterröhre 9 durch eine Batterie 67 ersetzt ist.
Man sieht, dass die Arbeitsweise dieselbe ist, wie sie bereits in bezug auf den Detektor 19 erklärt wurde, mit der Ausnahme, dass anstatt der steigenden Spannungscharakteristik (10a von Fig. 3) der von der Spule 8 gelieferten, gleichgerichteten Spannung jetzt eine konstante, von der Batterie 67 gelieferte Spannung verwendet wird. Dies ist in Fig. 5 als Kurve 67 a dargestellt.
Die Zonen der negativen und positiven Steuerspannungen sind bei N'und P'gezeigt, während am Punkt 20 a die Materialdicke einer Steuerspannung mit dem Wert Null entspricht. Man erhält eine mit der Materialdicke zunehmende Steuerspannung, wie dies die vertikalen Linien in Fig. 5 andeuten und die Arbeitsweise der Schaltung ist dieselbe wie es oben erläutert wurde.
Man bemerkt, dass Motoren oder Relais nicht verwendet werden, weshalb die Zeit bis zum Ansprechen nur durch die Laufzeit der Ströme durch die Stromkreise bestimmt ist, welcher Zeitunterschied bezogen auf die Geschwindigkeit des Materialvorschubes praktisch gleich Null ist.
Dank der Verwendung eines Erregers welcher
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braucht und zufolge der Verwendung von Verstärkern zwischen dem Erreger und der Last ist es mi'6lich, eine sehr stabile und von Belastungsschwankungen praktisch unabhängige Frequenz zu erzeugen. Dies gewährleistet, dass die Frequenz innerhalb des für die Vorrichtung festgelegten Frequenzbandes verbleibt und dass die Wärmeentwicklung im Material sich nicht zufolge Frequenzschwankungen verändert.
Da die Detektoreinheit 19 in einem Gitterkreis mit grosser Impedanz arbeitet, liefert sie nicht viel Strom und kann bei Verwendung kleinster Bestandteile sehr klein ausgeführt sein. Sie kann deshalb sehr nahe bei den Elektroden 5 und 6, also in nächster Nähe jener Stelle angeordnet sein, an der die Last entsteht.
PATENTANSPRÜCHE : l. Verfahren zum Regeln von Hochfrequenzheizungen, welche zum Verbinden von Materiallagen ungleichmässiger Dicke durch Wärmeeinwirkung dienen, welche Heizungen einen Oszillator nebst Verstärker zur Erzeugung eines
Hochfrequenzfeldes aufweisen, das zur Erhitzung der Materiallagen verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator derart geregelt wird, dass der Strom, welcher durch die den Verbraucher vorstellende Erhitzungsstelle fliesst, einen bestimmten, praktisch konstanten Wert beibehält, indem ein vom Oszillator gespeister Vorverstärker, an welchem der die Erhitzungsstelle speisende Kraftverstärker angeschlossen ist, sowie eine Regeleinrichtung vorhanden sind, welche die Gitterspannung des Vorverstärkers in Abhängigkeit von der Stärke der zur Erhitzungsstelle fliessenden Ströme verändert.