DE3600170C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Induktionsheiz­ gerät und insbesondere auf einen in diesem vorgesehenen Treiberschaltkreis für einen Leistungstransistor eines Invert­ schaltkreises.

Aus der EP 01 02 796 A2 ist ein Induktionsheizgerät bekannt, bei dem ein Anschlußpunkt einer Energiequelle mit einem Anschlußpunkt einer Heizspule verbunden ist. Der andere Anschlußpunkt der Heizspule ist mit dem Kollektor eines Transistors verbunden. Ein anderer Anschlußpunkt der Energie­ quelle ist, ebenso wie der Emitter des Transistors, mit Masse verbunden. Eine Diode und ein Resonanzkondensator sind paral­ lel zu dem Transistor angeschlossen. Durch die Heizspule, den Transistor, die Diode und den Resonanzkondensator wird ein Inverterschaltkreis gebildet. Eine mit einer Mittelanzapfung versehene Koppelspule ist mit der Heizspule induktiv gekop­ pelt. Einer der beiden Anschlußpunkte der Koppelspule ist mit der Basis des Transistors über eine Diode und einen Widerstand verbunden. Der andere Anschlußpunkt der Koppelspule ist über eine Diode mit dem Emitter eines Leistungstransistors verbun­ den, dessen Kollektor mit der Basis des obenerwähnten Tran­ sistors verbunden ist. Die Basis des Leistungstransistors wird durch einen Steuerkreis angesteuert. Mit dem Steuerkreis ist ein Pegelumsetzer erforderlich, um die Signale vom einen Anschluß der Koppelspule in Signale zur Ansteuerung des Leistungstransistors umzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Induktionsheiz­ gerät anzugeben, das hinsichtlich seinen Abmessungen klein ist und geringes Gewicht sowie einen hohen Wirkungsgrad und geringe Kosten aufweist. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Induktionsheizgerät anzugeben, bei dem das Anschwingen verbessert wird und die Verwendung eines Pegelumsetzers vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Induktionsheizgerät der eingangs genannten Art durch im Patentanspruch 1 angegebe­ nen Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele des Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungs­ form eines Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zum Erklären der Funktionsweise der ersten Ausführungs­ form Induktionsheizgerätes,

Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausfüh­ rungsform eines Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein Schaltbild einer dritten Ausfüh­ rungsform eines Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung,

Fig. 5 ein Schaltbild einer vierten Ausfüh­ rungsform eines Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung,

Fig. 6 ein Schaltbild einer fünften Ausfüh­ rungsform eines Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung.

Ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Induktions­ heizgerätes gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Ein positiver Anschlußpunkt einer Gleichspannungsenergiequelle 21, die im folgenden als Energiequelle bezeichnet wird, ist mit einem Anschlußpunkt 65 einer Heizspule 22 verbunden. Der andere Anschlußpunkt 64 der Heizspule 22 ist mit dem Kollek­ tor 60 eines Transistors 23 verbunden. Ein negativer An­ schlußpunkt der Energiequelle 21 ist mit dem Emitter 61 des Transistors 23 verbunden. Eine Diode 32 und ein Resonanz­ kondensator 33 sind parallel zu dem Transistor 23 angeschlos­ sen. Durch die oben erwähnte Heizspule 22, den Transistor 23, die Diode 32 und den Resonanzkondensator 33 wird ein Inver­ terschaltkreis 66 gebildet. Eine erste Koppelspule 24 ist mit der Heizspule 22 induktiv gekoppelt. Einer der beiden Anschlußpunkte der ersten Koppelspule 24 ist mit der Basis des Transistors 23 verbunden und der andere Anschlußpunkt ist mit dem negativen Anschlußpunkt der Energiequelle 21 ver­ bunden. Eine zweite Koppelspule 26 ist ebenfalls mit der Heizspule 22 induktiv gekoppelt. Einer der Anschlußpunkte der zweiten Koppelspule 26 ist mit dem Kollektor eines Lei­ stungstransistors 31 verbunden, der als Schalteinrichtung arbeitet und der andere Anschlußpunkt ist mit der Basis des Transistors 23 über eine Gleichrichterdiode 27 verbunden. Ein Kondensator 28 ist zwischen der Basis des Transistors 23 und dem Kollektor der Schalteinrichtung 31 angeschlossen. Durch die zweite Koppelspule 26, die Gleichrichterdiode 27 und den Kondensator 28 für ein Filter wird ein eine Span­ nung erzeugender Schaltkreis 30 für eine inverse Vorspannung des Transistors 23 gebildet. Ein Steuerschaltkreis 34 steu­ ert durch den Leistungstransistors 31 den Inverterschalt­ kreis 66. Eine Energiequelle 35 gibt eine Gleichspannung an den Steuerschaltkreis 34 ab. Ein Gefäß 36 ist oberhalb der Heizspule 22 angeordnet.

Zeitdiagramme, die die Funktionsweise des Induktionsheizge­ räts der ersten Ausführungsform zeigen, sind in Fig. 2 dar­ gestellt. In Fig. 2 zeigt eine Wellenform (A) die Kollek­ torströme I _C des Transistors 23. Eine Wellenform (B) zeigt Ströme I _L der Heizspule 22. Eine Wellenform (C) zeigt an die Heizspule 22 angelegte Spannungen. Die Wellenformen (D) und (E) zeigen Ausgangsströme I ₁ der ersten Koppelspule 24 bzw. Ausgangsspannungen V ₂ des die inverse Spannung erzeugenden Schaltkreises 30. Die Wellenformen (F) und (G) zeigen Basis­ ströme I _B des Transistors 23 bzw. Spannungen V _BE zwischen dem Emitter 61 und der Basis 63. Eine Wellenform (H) zeigt die Funktionsweise der Schalteinrichtung 31 und dabei zei­ gen hohe Pegel einen eingeschalteten Zustand und niedrige Pegel einen geöffneten Zustand der Schalteinrichtung 31. Der Transitor 23 nimmt seinen ausgeschalteten Zustand während einer Zeitdauer (T ₁) an und nimmt seinen eingeschalteten Zu­ stand während einer Zeitdauer (T ₂) an.

Da die erste Koppelspule 24 als ein Transformator ver­ wendet wird, ist der durch die Wellenform (D) dargestellte Strom I ₁ proportional zu dem durch die Wellenform (B) ge­ zeigten Strom (I _L ). Weiterhin wird die zweite Koppel­ spule 26 als ein Transformator verwendet und eine Spannung V ₂, die der durch die Wellenform (C) gezeigten Spannung V _L zugeordnet ist, wird in der zweiten Kop­ pelspule 26 induziert und die Wellenform (C) V _L wird durch die Gleichrichterdiode 27 und den Kondensator 28 in die Wel­ lenform (E) geändert.

Wenn die Schalteinrichtung 31 durch den Steuerschaltkreis 34 betätigt wird, wie es in der Wellenform (H) gezeigt ist, weist die Basisspannung V _BE des Transistors 23 den in Fig. 2 (G) gezeigten Verlauf auf. Der Kollektorstrom I _C des Tran­ sistors 23 weist durch die Induktion durch die Heizspule 22 einen Verlauf auf, wie er in Fig. 2(A) gezeigt ist. Die Wellenform des Stroms I _L , die in Fig. 2(B) gezeigt ist, wird durch die Aufladungen und Entladungen des Kondensators 33 erzeugt. Die Punkte 67, 68 und 69 in Fig. 1 zeigen die Kopplungsrichtung der entsprechenden Spulen zueinander. Wenn die entsprechenden Spulen derart miteinander gekoppelt sind, wie es durch die Punkte 67, 68 und 69 in Fig. 1 gezeigt ist, nehmen die Ströme I ₁ der zweiten Koppelspule 24 entsprechend der Zunahme des Stromes I _C zu. Damit ergibt sich, daß der Verlust in dem Transistor 23 in dem eingeschalteten Zustand abnimmt, da genug Basisstrom zugeführt wird. Andererseits ist die Ausgangsspannung V ₂ des die inverse Spannung erzeu­ genden Schaltkreises 30 von der Spannung E der Energiequelle 21 abhängig und sie wird nicht beeinflußt durch die Art der Heizkapazität des Gefäßes 36 und den Ausgangsstrom des Inverterschaltkreises 66. Wenn die Ströme I ₁ und I _L infolge einer Störung während der eingeschalteten Dauer des Lei­ stungstransistors 31 fließen, da die Richtung des in der zweiten Koppelspule 26 erzeugten Stroms entgegengesetzt zum Strom I ₁ ist, fließt der Strom I ₁ in die zweite Koppelspule 26. Damit können die Basisströme I _B für den Transistor 23 beendet werden, wenn die Anzahl der Wicklungen der ersten Koppelspule 24 und der zweiten Koppelspule 26 entsprechend ausgewählt werden. Damit ergibt sich, daß die Funktion des Induktionsheizgerätes stabilisiert werden kann. Für den Fall, daß der Leistungstransistor 31 seinen eingeschalteten Zustand annimmt, um den Inverter 66 für eine verhältnismäßig lange Zeitdauer, beispielsweise eine Sekunde anzuhalten, wird die Ausgangsspannung V ₂ des die inverse Vorspannung er­ zeugenden Schaltkreises 30 sehr schnell zu Null. Somit fließt kein so großer Strom wie in dem Fall, daß eine Energiequel­ le mit einer konstanten Spannung als Schaltkreis 30 zum Er­ zeugen der inversen Vorspannung verwendet wird. Da ein An­ schluß des Leistungstransistors 31 mit dem Emitter des Tran­ sistors 23 und dem Masseanschluß des Steuerschaltkreises 23 verbunden ist, ist ein Pegeländerungsschaltkreis unnötig.

Eine zweite Ausführungsform des Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungs­ form ist eine Gleichrichterdiode 41 zwischen der ersten Kop­ pelspule 24 und der Basis 63 des Transistors 63 eingefügt. Die anderen Teile des Schaltkreises nach der zweiten Aus­ führungsform sind denen der ersten Ausführungsform ähnlich. Wenn der Transistor 23 infolge einer unerwarteten Störung während des ausgeschalteten Zustands der Schalteinrichtung 31 den ausgeschalteten Zustand annimmt, wird in der ersten Koppelspule 24 eine hohe inverse Spannung erzeugt, und es wird befürchtet, daß der Transistor 23 durch die Beaufschla­ gung mit dem hohen Spannungszuwachs zwischen dem Emitter 61 und der Basis 63 zerstört wird. Die oben erwähnte Gefahr wird in dieser Ausführungsform durch die Gleichrichterdiode 41 verhindert.

Eine dritte Ausführungsform des Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungs­ form ist ein Startschaltkreis 55 zwischen der Basis 63 des Tran­ sistors 23 und den Steuerschaltkreis 34 eingefügt. Die ande­ ren Teile des Schaltkreises nach der dritten Ausführungs­ form sind denen der ersten Ausführungsform ähnlich. Der Startschaltkreis 55 besteht aus einem Transistor 51 und drei Widerständen 52, 53 und 54. Der Emitter des Transistors 51 ist mit dem positiven Anschlußpunkt der Energiequelle 35 verbunden und der Kollektor ist mit der Basis 63 des Transi­ stors 23 über den Widerstand 52 verbunden. Der Startschalt­ kreis 55 gibt Startimpulse an die Basis des Transistors 23 ab, nachdem der Leistungstransistor 31 abgeschaltet hat und dadurch wird eine stabile und sichere Schwingung des Inverterschalt­ kreises 66 realisiert. Da die Basisströme für das Starten geringer sind als der Basisstrom für den Transistor 23, kön­ nen ein kleiner Transistor und kleine Widerstände für den Transistor 23 und den Widerstand 52 verwendet werden. In Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4 ist der Resonanzkondensator 33 parallel zu dem Transistor 23 angeschlossen. Alternativ hier­ zu kann er auch parallel zur Heizspule 22 angeschlossen wer­ den.

Die vierte Ausführungsform des Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Die übrigen Teile des Schaltkreises der vierten Ausführungsform sind ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform. In dieser Ausführungs­ form wird durch Transistoren 23 a und 23 b, einen Resonanz­ kondensator 61 und eine Heizspule 22 ein Halbbrückeninverter gebildet. Ein einen Vorwärtsbasisstrom für den Transistor 23 b liefernder Schaltkreis 25 b wird durch eine erste Koppelspule 24 b gebildet, die induktiv mit der Heizspule 22 gekoppelt ist. Ein eine inverse Vorspannung erzeugender Schaltkreis 30 b wird durch eine zweite Koppelspule 26 b, eine Gleichrich­ terdiode 27 b und einen Kondensator 28 b für ein Filter gebil­ det. Eine Schalteinrichtung 31 b wird durch einen Steuerschalt­ kreis 34 b gesteuert. Ein Leistungstransistor 100 als Schalt­ einrichtung steuert den Vorwärtsbasisstrom des Transistors 23 a. Ein Strombegrenzungswiderstand 101 begrenzt den Vor­ wärtsbasisstrom. Eine Energiequelle 104 versorgt den Tran­ sistor 23 a mit einer inversen Basisspannung. Ein Schaltein­ richtung 102 wird durch einen Pegeländerungsschaltkreis 103 angesteuert, der den Pegel eines Ausgangssignals von einem Steuerschaltkreis 34 a verschiebt. Der Steuerschaltkreis 34 a ist mit dem Steuerschaltkreis 34 b synchronisiert und durch die Steuerschaltkreise 34 a und 34 b werden die leitenden Zustände der Transistoren 23 a und 23 b wechselweise geschal­ tet. Wenn somit beispielsweise der Transistor 23 a in seinem eingeschalteten Zustand ist, ist der Transistor 23 b in sei­ nem ausgeschalteten Zustand. Somit überschreitet die Span­ nung, die an dem Transistor anliegt, der in seinem ausge­ schalteten Zustand ist, nicht die Spannung der Energiequelle 21 und es kann ein preiswerter Transistor mit einer kleinen Durchbruchspannung verwendet werden.

Eine fünfte Ausführungsform des Induktionsheizgerätes gemäß der Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. Der Schaltkreis dieser Ausführungsform enthält zwei Steuerschaltkreise 34 a und 34 b, zwei erste Koppelspulen 24 a, 24 b, zwei zweite Koppelspulen 26 a, 26 b und zwei Transistoren 23 a, 23 b. Andere Teile des Schaltkreises der fünften Ausführungsform sind ähnlich denje­ nigen der ersten Ausführungsform. Zwei Energiequellen 35 a und 35 b sind mit dem Steuerschaltkreis 34 a bzw. mit dem Steuer­ schaltkreis 34 b verbunden. Der Emitter des Transistors 23 b ist mit dem Kollektor des Transistors 23 a verbunden.

Der Kollektor des Transistors 23 b ist mit dem positiven An­ schluß der Energiequelle 21 verbunden und der Emitter des Transistors 23 a ist mit dem negativen Anschluß verbunden. Ei­ ner der Anschlußpunkte der Heizspule 22 ist mit dem Verbin­ dungspunkt und der andere Anschlußpunkt ist mit dem negati­ ven Anschluß der Energiequelle 21 über den Resonanzkondensa­ tor 61 verbunden.

Gemäß dieser Ausführungsform werden, da die beiden Transi­ storen 23 a und 23 b wechselweise betrieben werden, die Merk­ male der vierten Ausführungsform realisiert. Weiterhin sind die Schalteinrichtung 100, der Strombegrenzungswiderstand 101, der Pegeländerungsschaltkreis 103 und die Energiequelle 104, die in Fig. 7 gezeigt sind, nicht erforderlich und es kann eine Energiequelle mit kleinen Abmessungen verwendet werden. Damit ergibt sich, daß ein weiteres einfaches, leich­ tes, einen hohen Wirkungsgrad aufweisendes und kostengün­ stiges Induktionsheizgerät realisiert wird.

Wie oben erwähnt, werden gemäß der Erfindung zwei Gleich­ stromenergiequellen für die Treiberschaltkreise von zwei Koppelspulen versorgt und eine Schalteinrichtung zum Steu­ ern des Vorwärtsbasisstroms und ein Strombegrenzungswider­ stand sind nicht erforderlich.

Weiterhin ist kein Pegeländerungsschaltkreis zum Steuern der Schalteinrichtung, die eine inverse Vorspannung für den Tran­ sistor des Inverterschaltkreises steuert, nicht erforderlich. Damit ergibt sich, daß ein kleines, leichtes und preiswer­ tes Induktionsheizgerät realisiert wird.

Claims (4)

1. Induktionsheizgerät, das einen Inverter (66) mit einer Heizspule (22) und einem mit einer Gleichstromenergie­ quelle (21) seriell verbundenen Transistor (23) zum Um­ setzen des Gleichstroms von der Gleichstromenergiequelle (21) in einen Wechselstrom, einen einen Vorwärtsbasis­ strom liefernden Schaltkreis mit einem Steuerschaltkreis (34) für den Inverter (66) und mit einer mit der Heizspu­ le (22) induktiv gekoppelten ersten Koppelspule (24), einen eine inverse Vorspannung erzeugenden Schaltkreis (30) mit einer mit der Heizspule (22) induktiv gekoppel­ ten zweiten Kopplerspule (26), einem Gleichrichter (27) und einem Filter (28) und eine Schalteinrichtung (31) zum Steuern des Transistors (23) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der die inverse Vorspannung erzeugende Schaltkreis (30) zwischen der Basis (63) des Transistors (23) und einem ersten Anschlußpunkt der Schalteinrichtung (31) angeschlossen ist und daß ein zweiter Anschlußpunkt der Schalteinrichtung (31) mit dem Emitter (61) des Transi­ stors (23) verbunden ist, und daß der Steuerschaltkreis (34) einen Startschaltkreis (55) zum Starten der Schwin­ gungen des Inverters (66) aufweist, der Startströme wäh­ rend jeder Zeitdauer abgibt, während der der Transistor (23) in seinem nicht-leitenden Zustand ist.

2. Induktionsheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizspule (22) zwischen der Gleichstromener­ giequelle (21) und einem Verbindungspunkt des Transistors (23 b) und einem mit diesem seriell verbundenen weiteren Transistors (23 a) angeschlossen ist, und daß eine zweite Schalteinrichtung (102) zum Steuern des weiteren Transi­ stors (23 a) vorgesehen ist.

3. Induktionsheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizspule (22) zwischen der Gleichstromener­ giequelle (21) und einem Verbindungspunkt des Transistors (23 b) und einem, mit diesem seriell verbundenen weiteren Transistors (23 a) angeschlossen ist, daß ein einen weite­ ren Vorwärtsbasisstrom liefernder Schaltkreis mit einem Steuerschaltkreis (34 a) für den Inverter (66) und einer mit der Heizspule (22) induktiv gekoppelten dritten Kop­ pelspule (24 a) und ein eine weitere inverse Vorspannung erzeugender Schaltkreis (30 a) mit einer mit der Heizspule (22) induktiv gekoppelten vierten Koppelspule (26 a), einem Gleichrichter (27 a) und einem Filter (28 a) und eine weitere Schalteinrichtung (31 a) zum Steuern des zweiten Transistors (23 b) vorgesehen sind.

4. Induktionsheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Koppelspule (24) als ein Transformator verwendet wird und daß die zweite Koppelspule (26) als ein Transformator verwendet wird.