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Die Erfindung bezieht sich auf ein-Induktions-Heizgerät
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nach dem Oberbegriff des Anspruchs i.
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Es sind bereits Induktions-Heizgeräte bekannt, die einen Wechselrichter
mit einem Reihen-Schwingkreis verwenden.
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Bei Wechselrichtern mit Reihen-Schwingkreis treten stark verzerrte
Spannungs- und Stromverläufe auf (DE-OS 26 03 630), die Leistungsstellung erfolgt
überwiegend durch Änderung der Betriebsfrequenz des Reihen-Schwingkreises (DE-PS
25 21 941) oder es erfolgt eine Tastung der Schwingungen, wobei das Tastverhältnis
geändert wird (DE-OS 26 33 741).
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Die stark verzerrten Spannungs- und Stromverläufe verursachen Funkstörungeii.
Bei einer Leistungsstellung mittels Frequenzverstimmung ist der Leistungsstellbereich
begrenzt; die obere Frequenzgrenze ergibt sich durch vergrößerte Beanspruchung der
verwendeten elektronischen Schaltelemente und die untere Frequenzgrenze ist durch
die Vermeidung von Gehörschäden bei Mensch und Tier gegeben; außerdem werden im
Verstimmungsbereich störende Oberwellen erzeugt. Bei einer Leistungsstellung mittels
zyklisch ausset.2nder Schwingungen ergeben sich Funkstörungen und Spannungsschwankungen
im speisenden Versorgungsnetz, was zu Flickererscheinungen der von diesem Netz gespeisten
elektrischen Beleuchtung führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Induktions-Heizgerät
mit einem Wechselrichter zu schaffen, das funlcstörungsfrei arbeitet, einen hohen
l«.Tirkungsgrad hat, einen relativ geringen technischen Aufwand benötigt und bei
dem eine Leistungstellung in einem großen Stellbereich ohne störende Rückwirkungen
auf das öffentliche Versorgungsnetz möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen
Maßnahmen gelöst.
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ZweckmäBige Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß an der Induktionsspule des Schwingkreises eine sinusförmige Spannung liegt und
daher sprunghafte Spannungsänderungen sowie die damit verbundenen Oberwellenschwingungen
im Induktionsstrom und die dadurch verursachten Funkstörungen vermieden sind.
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Auch die an den elektro--ischen Schalselementen und den Verbindungsleitungen
des Wechselrichters auftretenden Spannungen und Ströme weisen keine sprungha£ten
Änderungen auf, sondern nur die durch die Bemessung der Kondensatoren C3 bis C3t"'
und der steuerbaren Drossel TR begrenzte Anstiegsgeschwindigkeiten;
die
Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeiten bewirkt ferner, daß die Leistungsschalter
zu ihren Schaltzeitpunkten strom- und spannungsmäßig nur gering beansprucht werden
und daher praktisch keine Ein- und Ausschaltverluste auftreten; die Leistungsstellung
erfolgt frequenzunabhängig.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die elektrische
Schaltung des Induktions-Heizgerätes mit zugeordneter Regel- und Steuereinrichtung,
Fig. 2 ein Diagramm mit dem zeitlichen Ablauf von an bestimmten Stellen von Wechselrichter
sowie Regel- und Steuereinrichtung auftretenden Spannungen und Strömen, Fig. 3 weitere
Ausführungsbeispiele des Induktions-Heizgerätes.
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In der Fig. 1 ist ein Wechselrichter WR mit einer Regel-und Steuereinrichtung
RE dargestellt.
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Wechselrichter WR Für den Wechselrichter WR ist ein an sich bekannter
Netzgleichrichter NG vorgesehen, der über Klemmen Pt, P2, P3
ein-
oder dreiphasig an 220 V bzw. 380 V Wechselspannung anschließbar ist.
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In dem Ausgang auf der Gleichspannungsseite des Gleichrichters NG
sind Sperrdrosseln L1, Lt' angeordnet, die vermeiden, daß durch den Wechselrichter
erzeugte Mittelfrequenzströme in das Speisenetz dringen.
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Die beschriebene Ausbildung ist bekannt.
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Parallel zum Gleichspannungsausgang it eine Reihenschaltung zweier
Pufferkondensatoren C1, C1' geschaltet, die die Gleichspannung in zwei gleiche Teilspannungen
Ucl und Uct, teilen.
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Dem Gleichspannungsausgang des Gleichrichters NG ist ferner eine Reihenschaltung
zweier Leistungsschalter T1, T2 in Form von Schalt-Transistoren parallel geschaltet,
denen je eine Diode Di, D2 mit entgegengesetzter Stromdurchlaßrichtung parallel
geschaltet ist, wobei die zum Verbindungspunkt B der Transistoren Tl, T2 geführten
Leitungen LD19 LD2 der Dioden die r-imärt'icklungen eine Ringkern-Stromwandlers
W bilden, der eine Sekundärwicklung SW hat.
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Die Basiselektroden der Transistoren T1, T2 sind an eine Steuerlogik
STL der weiter unten beschriebenen Regel- und Steuereinrichtung RE geführt.
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Zwischen die Verbindungspunkte A, B der Kondensatoren Ci, C1' und
der Transistoren Ti, T2 ist eine Reihenschaltung eines Parallel-Schwingkreises PS
mit einer steuerbaren, strombegrenzenden Drossel TR und einem Meßwiderstand RM zur
Erfassung des Schwingkreis-Speisestromes iA geschaltet; dieser Reihenschaltung ist
ein Kondensator C3 parallel geschaltet.
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Die Spule L2 des Parallel-Schwingkreises PS ist als Induktions-Heizspule
ausgebildet, der das Koch-, Brat- oder Backgeschirr K zugeordnet ist.
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Die in Gegentakt arbeitenden Transistoren Ti, T2 naben die Aufgabe,
dem Parallel-Schwingkreis PS wechselweise Energie aus dem positiven und negativen
Zweig der Gleichspannungsquelle zuzuführen; zu diesem Zweck wird die Reihenschaltung
von Parallel-Schwingkreis PS und steuerbarer Drossel TR über die Transistoren Ti,
T2 abwechselnd an positive (Punkt C) und negative (Punkt D) ,>annung gescH a
tet.
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Die steuerbare Drossel TR hat die Aufgabe, den Speisestrom iA für
den Schwingkreis PS sowie die Ströme iT1, iT2 der Transistoren T1, T2 und die Ströme
iD1, iD2 der Dioden D1, D2
auf Werte zu bagrenzen, die einer gewünschten
Ausgang leistung des Induktions-Ileizgerätes entsprechen. Der Scheitelwert des Speisestromes
iA wird entsprechend dem Windungsverhältnis ü von Steuerwicklung ST zu Lastwicklung
LT der Drossel TR durch den Steuerstrom i ST der Regel- und Steuereinrichtung RE
bestimmt; eine Änderung desselben ergibt im gesamten Leistungsbereich eine entsprechend
stufenlose Einstellung der Ausgangsleistung des Induktions-Heizgerätes.
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Die Reihenschaltung des Parallel-Schwingkreises L2, C2 mit der strombegrenzenden
Drossel TR und die Überbrückung dieser Reihenschaltung durch den Kondensator C3
ergibt derart zeitliche Strom- und Spannungsverläufe an den Transistoren T1, T2,
daß diese praktisch spannungslos ein- und ausschalten, so daß Funkstörungen sowie
Ein- und Ausschaltverluste der Transistoren Ti, T2 vermieden sind.
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Regel und Steuereinrichtung RE Es besteht die Forderung, daß der Parallel-Schwingkreis
PS bei allen Betriebszuständen des Induktions-Heizge.ätes auf seiner Resonanzfrequenz
schwingen soll, so daß Wirklast vorliegt und die kleinstmöglichsten Speiseströme
erzielbar sind.
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Durch die unterschiedlichen Dämpfungen und magnetischen Eigenschaften
des verwendeten Kochgeschirrs K tritt eine Verstimmung des Parallel-Schwingkreises
PS auf; um diesen stets bei Resonanzfrequenz zu betreiben, ist ein Phasenwinkel-Regelkreis
PR vorgesehen, der aus einer Phasenwinkelerfassungseinrichtung PHE, einer Frequenz-Vorgabeeinrichtung
FV, einem Addierglied AD5 und einem Spannungs-Frequenz-Wandler UF besteht.
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Die Einrichtung PHE erfaßt die Phasenverschiebung zwischen der Schwingkreisspannung
uA und dem Schwingkreisspeisestrom iAs welcher der Einrichtung PHE als Spannungsabfall
UiA am Meßwiderstand RM zugeführt wird. Am Ausgang der Einrichtung PHE tritt eine
dem Phasenwinkel proportionale Spannung u auf, die am Addierglied AD5 zur Spannung
uSTO der Frequenz-Vorgabeeinrichtung FV mit negativem Vorzeichen addiert wird; die
Spannung uSTO ist die Solivorgabe für den Spannungs-Frequenz-Wandler UF und dieser
gibt eine Steuerfrequenz f aus, wie sie dem Teil i des Diagrammes nach 5 der Fig.
2 zu entnehmen ist. Tritt als Folge einer Phasenverschiebung von Schwingkreisstrom
iA und Schwingkreisspannung uA eine Spannung u auf, so wird die F quenz f # 5 des
Spannungs-Frequenz-W&ndlers UF derart korrigiert, daß der Parallel-Schwingkreis
PS bei praktisch allen Betriebszuständen nahe der Resonanzfrequenz arbeitet.
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Aus dem Signal der Steuerfrequenz f sowie dem über den 5 Stromwandler
W von den Diodenströmen in1 2 abgeleiteten Signal iw (Fig. 2) erzeugt die Steuerlogik
STL mittels Speicherelementen und Verknüpfungsgliedern die in den Teilen g, h, k,
1, m, n der Fig. 2 dargestellten Signalfolgen St, S2, SZ1, SZ2, SM1 und SM2.
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Die Regel- und Steuereinrichtung RE weist ferner einen Leistungs-Regelkreis
LR auf, in dem zur Erfassung der Wechselrichterausgangsleistung, d. h. der Schwingkreisleistung,
eine Multiplikationsstufe M vorgesehen ist, der die dem Speisestrom iA proportionale
Spannung uiA und die Schwingkreisspannung uA zugeführt wird; ferner ist vorgesehen
eine Leistungsvorgabeeinrichtung LV, ein Addierglied AD1, an das die Ausgänge der
Multiplikationsstufe M und der Leistungsvorgabeeinrichtung LV geführt sind, ein
dem Addierglied AD1 nachgeschaltetes Verzögerungsglied VG2, dessen Ausgang an ein
Addierglied AD2 geführt ist, dem eine Begrenzerstufe BG nachgeschaltet ist, deren
Ausgang an ein Addierglied AD3 geführt ist, dem ein Stromsteller STST für die steuerbare
Drossel TR nachgeschaltet ist.
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Das am Ausgang der Multiplikationsstufe M auftretende Produkt stellt
den Istwert PIST der Leistung dar, welcher mit dem Sollwert PSOLL der Leistungsvorgabeeinrichtung
LV
verglichen wird; die am Addierglied AD1 auftretende Abweichung
wird über das Verzögerungsg3ied VG2 und das Addierglied AD2 der Begrenzerstufe BG
zugeführt, welche eie Steuergröße erzeugt, die über ein Addierglied AD3 zu einem
Minimalstromwert i STmin einer Minimalwertvorgabeeinrichtung GV2 addiert wird und
den Stromsteller STST steuert. Der }Enimalstrom i iST in ist der kleinste Stellstrom
für die Drossel TR und entspricht der untersten Leistungsstufe des Induktions-Heizgerätes;
er stellt ferner die Funktion des Gerätes beim Einschalten sicher.
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Die obere Grenze der Begrenzerstufe BG und der Hinimalstrom STmin
ergeben den maximalen Steuerstrom i ST für die Drossel TR, die entsprechend den
maximalen Speisestrom des Schwingkreises PS vorgibt.
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Die vom Verzögerungsglied VG2 geglättete Rcgelabweichung des Leistungs-Regelkreises
LR steuert einen Grenzwertschalter GWS an, durch dessen Ausgangssignal die Steuerlogik
STL veranlaßt wird, dann ein Stopsignal an die Leistungsvorgabeeinrichtung LV und
den Spannungs-Frequenz-Wandler UF auszugeben, wenn die Regelabweichung PSOLT - P
IT einen bestimmten Grenzwert überschreitet, was ein Zeichen dafür ist, daß die
angestrebte Leistung nicht erreichbar ist, beispielsweise weil der Parallel-Schwingkreis
PS nicht bedämpft ist, in dem das Kochgeschirr K fehlt.
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Der Grenzwertschalter GWS steuert außerdem ein Zeiglied ZG an, das
nach Ablauf einer bestimmten Zeit (etwa 2 s) an die Steuerlogik STL ein Signal gibt,
welches das von der Steuerlogik STL ausgegebene Stopsignal wieder aufhebt und den
Wechselrichter erneut startet. Auf diese Weise wird, solange der Wechselrichter
durch das Signal EIN/AUS eingeschaltet ist, in vom Zeitglied ZG vorgegebenen Zeitabständen
der Wechselrichter kurzzeitig eingeschaltet und dabei geprüft, ob ein geeignetes
Kochgefäß K auf der Heizspule L2 vorhanden ist. Ist dies der Fall, so bleibt der
Wechselrichter eingeschaltet.
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Es ist ferner ein Schwingkreisspannungs-Begrenzungs-Regelkreis SR
in der Regel- und Steuervorrichtung RE vorgesehen, der die Schwingkreisspannung
uA erfaßt, die einem Zweiweg-Gleichrichter ZWG zugeführt ist; dessen gleichgerichtete
Ausgangsspannung wird mittels eines Addiergliedes AD4 mit einer von einer Grenzwertvorgabeeinrichtung
GVi gelieferten maximal zulässigen Spannung UAzul verglichen. Überschreitet die
Schwingkreisspannung uA die Grenzspannung uAzul, so tritt am Ausgang eines dem Addierglied
AD4 nachgeschalteten Einweg-Gleichrichters EWG ein Signal auf, das über ein Verzögerungsglied
VGt dem Addierglied AD2 zugeführt wird und hier die Eingangsgröße der Begrenzerstufe
BG und damit den Steuerstrom isT der Drossel TR reduziert, so daß die vorne gebene
maximale Schwingkreisspannung uA nicht überschritten
wird; da gleichzeitig
eine Abweichung PsOLL- P PIST im Leistungsregelkreis LR auftritt, spricht dessen
Grenzwertschalter GWS an und der Wechselrichter wird abgeschaltet.
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Nachstehend wird die Wirkungsweise des Induktions-Heizgerätes anhand
des Signaldiagramms nach der Fig. 2 näher erläutert.
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Im Teil a ist der zeitliche Verlauf der Spannung uA am Parallelschwingkreis
PS und der Verlauf der Spannung uC3 am Kondensator C3 dargestellt. Die Differenz
UC3 - uA der Kondensatort und Schwingkreisspannung wird von der steuerbaren Drossel
TR aufgenommen, wie durch die gestrichelten Spannungszeitflächen + und - angedeutet
ist.
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Im Teil b ist der zeitliche Verlauf des die Drossel TR durchfließenden
Speisestroms iA dargestellt, dessen Amplitude mittels des der Drossel TR zugeführten
Steuerstromes iST stufenlos einstellbar ist.
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Der Teil c zeigt den zeitlichen Verlauf des Stromes i des C3 Kondensators
C3.
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Im Teil d ist der zeitliche Verlauf des Durchflutungsstroms des Ringkernwandlers
W dargestellt; der Durchflutungsstrom io e ist die Summe der beiden Diodenströme
iDl, iD2, die
in der Sckundärwidklung SW des Wandlers W einen impulsförmigen
Strom iW erzeugt, wie dieser im Teil f dargestellt ist; dieser Strom steuert die
Transistoren T1, T2 synchron zum Schwingvorgang.
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Im Teil e ist der zeitliche Verlauf der Ströme iT1 bzw. iT2 und der
Kollektor-Emitterspannungen uT 1 bzw. uT2 der Transistoren T1, T2 dargestellt.
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Im Teil f ist der zeitliche Verlauf der axts den Stromimpulsen iD1,D2
abgeleiteten Steuerimpulse i des Ringkern-Wandlers W w dargestellt, die der Steuerlogik
STL der Regel- und Steuereinrichtung RE zugeführt werden.
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In den Teilen g, h ist der zeitliche Verlauf von aus den Steuerimpulsen
iw abgeleiteten Rechteckspannungen St, S2 dargestellt, die mittels der Steuerlogik
STL gebildet sind, die über die Steuerlogik STL entsprechend umgeformt die Basiselektroden
der Transistoren T1, T2 beeinflussen.
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Im Teil i ist die bereits erwähnte Signalfolge f des Phasen-5 winkel-Regelkreises
PR der Regel- und Steuereinrichtung RE dargestellt.
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In den Teilen k, 1 ist der zeitliche Verlauf von aus der Signalfolge
fs abgeleiteten untersetzten und gegeneinander
versetzten Rechteckspannungen
SZ1, SZ2 dargestellt, die von der Steuerlogik STL erzeugt sind.
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In den Teilen m, n ist der zeitliche Verlauf von ebenfalls aus der
Signalfolge f abgeleiteten, gegenüber den Rechteck-5 spannungen SZt, SZ2 versetzt
auftretenden und auch gegeneinander versetzten Reckteskspanrungen SM1, SM2 dargestellt,
die gleichfalls von der Steuerlogik STL erzeugt sind.
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Die Rechteckspannungen SZ1, SZ2 stellen die maximal zulässigen Ansteuerbereiche
TAZi, TAZA der Transistoren T1, T2 dar; zwischen diesen Ansteuerbereichen liegt
eine Zeitlücke TL (Zeitbereich t4 bis t6), durch welche die endliche Schaltzeit
der Transistoren T1, T2 berücksicht:;.gt ist; die Zeitdauer der Lücke TL ist größer
als die Transistor-Schaltzeit, wodurch eine gleichzeitige Stromführung der Transistoren
vermieden ist.
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Die Rechteckspannungen SM1, SM2 bilden die minimalen Ansteuerbereiche
der Transistoren Tt, T2. In diesen Zeitbereichen werden die Transistoren über die
Steuerlogik STL angesteuert., wenn das vom Ringkorn-Stromwandler W auf die Steuerlogik
STL übertragene Signal iw (Teil f der Fig. 2) noch nicht vorhanden ist, wie dies
beispielsweise beim Einschalten des Wechselrichters WR der Fall ist.
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Die Abschaltung des einen Transistors (T1) im Zeitbereich t4 bis t5
leitet stets die Umladung des Kondensators C3 ein, während die Einschaltung des
anderen Transistors (T2) nach Beendigung des Umladevorgangs des Kondensators C3
im Zeitbereich t7 bis t8 erfolgt.
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Die Einschaltung der Transistoren Ti, T2 wird bei eingeachwungenem
Wechselrichter eingeleitet durch das Auftreten der Steuersignale iw zu den Zeitpunkten
t 1 und t7, zu denen - oder kurz verzögert - von der Steuerlogik STL die Rechtecksignale
St und S2 erzeugt und entsprechend umgeformt an die Basiselektroden der Transistoren
T1, T2 gegeben werden.
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Zu diesen Zeitpunkten führen die Dioden Dt, D2 die Ströme iD§ iD2,
die Kollektor-Emitterspannungen uT1, uT2 der Transistoren sind nahezu Null, so daß
unmittelbar vor dem Nulldurchgang des Drossel- und Speisestromes iA (Zeitpunkte
t2, t8) die Transistoren praktisch strom- und spannungslos eingeschaltet werden,
und die sonst durch sprunghafte Kollektor-Emitter-Spannungsänderungen verursachten
en Funkstörungen und Einschaltverluste vermieden sind.
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Wie aus Teil b der Fi.g. 2 ersichtlich. ändert sich aufgrund der Restinduktivität
der Drossel TR im Strombereich /iA/< iST . u der Strom iA nicht sprunghaft, sondern
es ergibt sich ein stetiger cosinusähnlicher Übergang zwischen
den
positiven und negativen Strom-Maximalwerten , wodurch Funkst örungen verursachende
Stromoberwellen ebenfalls erheblich reduziert sind. Wie weiter ersichtlich, ist
der Drosselstrom phasengleich mit dem Schwingkreisspeisestrom, da der Schwingkreis
PS in Resonanz arbeitet; dadurch wird Blindleistung vermieden und der angestrebte
Leistungsumsatz bei den kleinstmöglichen Strom- und Spannungsamplituden und damit
bei der gerinsten Beanspruchung der Transistoren erreicht.
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Die Abschaltung des Transistors Ti beginnt zum Zeitpunkt t4, der durch
die Signalfolge f vorgegeben ist. Zu diesem 5 Zeitpunkt hat der Kondensator C3 immer
noch die Spannung Uci und die in der Drossel TR gespeicherte magnetische Energie
hält den Strom A weiter aufrecht und dieser gerade durch den Transistor T1 fließende
Strom konunutiert sofort auf den Kondensator C3, so daß praktisch einekapazitive
Last abgeschaltet wird. Die Spannung am Punkt B des Wechselrichters bzw. am Transistor
T1 ändert sich daher auch beim Abschalten nicht sprunghaft, sondern im Zeitbereich
t4 bis -t7 mit einer durch den Strom iA und die Kapazität des Kondensators C3 bestimmten
Geschwindigke:t; in diesen' Zeitbereic.h wird der Kondensator C3 umgeladen und hat
zum Zeitpunkt t7 die Spannung -ucl erreicht. Entsprechend dem Umladevorgang des
Kondensators C3 erfolgt ein Anstieg der Kollektor-Emitterspannung uT1 des Transistors
T1 mit gleicher Geschwindigkeit,
wie dem Teil e der Fig. 2 entnehmbar
ist. Der Strom iTi des Transistors Ti wird zum Zeitpunkt t5 Null, zu dem die Eollektor-Emitterspannung
uT1 des Transistors Ti noch so klein ist, daß die Abschaltverluste vernachlässigbar
sind.
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Ist der Kondensator C3 zum Zeitpunkt t7 umgeladen, so wird die Diode
D2 leitend und durch den zu diesem Zeitpunkt auftretenden Stromimpuls iD2 wird ein
Steuerimpuls i erzeugt, wodurch die Einschaltung des Transistors T2 unmittelbar
nach dem Nulldurchgang des Stromes iA eingeleitet wird; der weitere Ablauf wiederholt
sich, wie vorstehend beschrieben.
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Anstelle der Transistoren Ti, T2 können auch abschaltbare Thyristoren
(GTO; gate-turn-off) verwendet werden.
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In der Fig. 3a ist der bisherige Kondensator C3 in zwei gleich große
Kondensatoren C3', C3" aufgeteilt, die an den Verbindungspunkt B und die Punkte
C, D geschaltet sind.
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In der Fig. 3b ist die Ausbildung nach der Fig. 3a verwendet und der
bisherige, aus den Pufferkondensatoren ci, Ci' bestehende kap..zitive Spannungsteiler
ist durch die Kombination der Transistoren Ti', T2' und Kondensatoren C3', C3""
ersetzt. Durch diese Ausbildung erhöht sich die Spannung zwischen den Verbindungspunkten
B, B' gegenüber der zwischen den Verbindungspunkten A, B nach Fig. 1 auftretenden
Spannung um das Doppelte.
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Bei vorgegebener maximaler Leistung wird durch diese Ausbildung eine
Reduzierung der Ströme erreicht, so daß die .Belastung der elektronischen Bauelemente
geringer wird.
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Zur Erfassung des Speisestromes iA für die Regel- und Steuereinrichtung
RE ist ein Stromwandler AW und zur Erfassung der Schwingkreisspannung uA ein Spannungswandler
VW vorgesehen.
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Die Kondensatoren C3"', C3"" entsprechen in ihrer Wirkungsweise den
Kondensatoren C3', C3".