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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator, der zur
Versorgung wenigstens einer Nutzlast vom unidirektionalen Typ wie beispielsweise
eines Magnetrons oder einer Elektronenröhre bestimmt ist, und der einen
Aufwärtstransformator mit einer mit einem Primärkreis verbundenen Primärstufe und
einer Sekundärstufe aufweist, die eine Wicklung umfaßt, die mit einem
Sekundärkreis verbunden ist, der die Nutzlast aufweist, wobei der Primärkreis mit einer
elektrischen Energiequelle verbunden ist und Mittel zur elektronischen
Umschaltung umfaßt, so daß der Transformator mit einem hochfrequenten Strom
versorgt wird. Die Primärstufe des Transformators weist eine erste und eine zweite
Wicklung auf, die in Reihe geschaltet sind und einen Zwischenabgriff und zwei
Endabgriffe aufweisen, wobei der Primärkreis direkt mit dem Zwischenabgriff
verbunden ist. Ein solcher Hochspannungsgenerator ist aus der Patentschrift
EP 389 047 bekannt.
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Es sind Generatoren bekannt, bei denen ein Resonanzkreis um eine Schaltung
realisiert ist, die eine Selbstinduktionsspule bzw. eine Drossel und eine Kapazität
aufweist und mit der Primärwicklung des Transformators verbunden ist. Eine
solche Ausführung ist besonders nachteilig, insbesondere unter dem
Gesichtspunkt der Kosten und aufgrund der Vielzahl der Magnetkreise.
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Es sind auch Generatoren bekannt, wo an dem Ferriten eine zweite
Sekundärwicklung hergestellt ist, die über ihre Anschlüsse derart mit einer Kapazität
verbunden ist, daß ein Serienresonanz-Abstimmkreis realisiert wird.
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Die Realisierung solcher Transformatoren trifft auf eine gewisse Anzahl von
Schwierigkeiten, die insbesondere an den Anforderungen an eine gute Isolierung
der Hochspannungsstufe und an der Realisierung von Spulen liegen, die eine
enge Kopplung zwischen der Primärstufe und der Wicklung des Resonanzkreises
ermöglichen.
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Um die Sättigung des Ferriten des Transformators aufgrund einer zu starken
Induktion zu vermeiden, ist man geneigt, die Ferriten zu vergrößeren und die
Anzahl von Windungen der Primärwicklung zu erhöhen. Im übrigen versucht man,
für den Transformator selbst eine Drossel mit kleinem Streuverlust gegenüber
der sogenannten Magnetisierungsdrossel vorzusehen.
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All diese Zwänge tragen in Verbindung mit der Notwendigkeit einer guten
Kopplung des Transformators zur Erhöhung der Größe und des Preises dieses
Bauteils bei.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Transformator mit
niedrigem Preis herzustellen, der bestens zur Verwendung in einem
Hochspannungsgenerator für einen Mikrowellenofen geeignet ist und für eine
Großserienfertigung verwendet werden kann.
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Erfindungsgemäß ist der Primärkreis über die Umschaltmittel mit einem der
beiden Endabgriffe verbunden, wobei eine Kapazität die beiden Endabgriffe derart
verbindet, daß mit der ersten und der zweiten Wicklung ein Schwingkreis
gebildet wird.
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Dank der Erfindung erhält man eine hervorragende Kopplung, insbesondere
zwischen der ersten Primärwicklung und dem resultierenden Resonanzkreis sowie
eine Drossel mit niedrigem Streuverlust gegenüber der Magnetisierungsdrossel.
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Die Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich im übrigen
aus der folgenden beispielhaften Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen, in denen:
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- Fig. 1 eine Ansicht des Schaltbildes des Transformators und des
Resonanzkreises nach der Erfindung ist,
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- Fig. 2 und 3 Schnittansichten verschiedener Ausführungsgeometrien eines
Transformators nach der Erfindung sind,
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- Fig. 4 ein gleichwertiges Schema eines Resonanztransformators eines
bekannten Typs ist,
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- Fig. 5 und 6 schematische Ansichten von zwei Ausführungsvarianten des
Sekundärkreises in einem Generator nach der Erfindung sind.
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Der Generator greift auf einen Serienresonanztransformator zurück, dessen
Betriebsweise besonders für einen Primärkreis geeignet ist, der Umschaltmittel
aufweist, die aus Umschaltern vom Typ IGBT (angelsächsische Abkürzung für
"Insulated Gate Bipolar Transistor") oder MCT (angelsächsische Abkürzung für
"Multiple Collector Transistor") gebildet sind.
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Der Hochspannungsgenerator ist zur Versorgung einer oder gegebenenfalls
mehrer Lasten vom unidirektionalen Typ wie beispielsweise eines Magnetrons für
einen Mikroweilenherd oder einer Elektronenröhre bestimmt und umfaßt nach
Fig. 1 einen Aufwärtstransformator mit einer mit einem Primärkreis CP
verbundenen Primärstufe E&sub1; und einer Sekundärstufe E&sub2;, die eine Wicklung L&sub3; umfaßt,
die mit einem Sekundärkreis S&sub0;, S&sub1; verbunden ist, der die Nutzlast aufweist,
wobei der Primärkreis CP die Primärstufe E&sub1; des Transformators T mit einer
elektrischen Energiequelle B&sub0;, B&sub1; verbindet und Mittel K zur elektronischen
Umschaltung aufweist, so daß der Transformator T mit einem hochfrequenten Strom
versorgt wird.
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Man kennt Generatoren mit Parallelresonanztransformatoren, bei denen die
parallel zu einer Diode geschalteten und in dem Primärkreis angebrachten
Umschalter eine sogenannte Nullspannungsumschaltung durchführen. Allerdings bleibt
aufgrund von Minoritätsträgern eine "Stromfahne", die eine nicht zu
vernachlässigende Wärmeabgabe in diesen Bauteilen nach sich zieht. Bei einem Generator
mit Serienresonanztransformator wird eine sogenannte Nullstromumschaltung
durchgeführt und dieser Nachteil vermieden.
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Ein Serienresonanztransformator, d.h. ein Selbstinduktionstransformator mit
Streudrossel an einer Kapazität stellt sich allgemein als Element vom induktiven
Typ für niedrige Frequenzen und vom Resonanztyp dar, wenn die Frequenz
steigt.
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Ein solches Element, das schematisch in Fig. 4 dargestellt ist, ergibt sich aus der
Zuordnung eines perfekten Transformators TP, einer Selbstinduktivität L und
einer Kapazität C.
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Erfindungsgemäß weist die Primärstufe E&sub1; des Transformators T eine erste und
eine zweite Wicklung L&sub1;, L&sub2; auf, wobei der Primärkreis einerseits mit der ersten
Wicklung L&sub1; und andererseits über eine Kapazität C mit der zweiten Wicklung L&sub2;
verbunden ist, die in Reihe mit der ersten Wicklung L&sub1; an den Anschlüssen der
Kapazität C geschaltet ist, so daß ein Schwingkreis realisiert ist.
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Vorteilhaft kann man auf einen Transformator zurückgreifen, der eine
Primärwicklung umfaßt, die mit einem Zwischenabgriff PI und einem Abgriff an jedem
Ende versehen ist. Der Primärkreis verbindet einen Endabgriff und den
Zwischenabgriff PI mit der Energiequelle B&sub0;, B&sub1;, und die beiden Endabgriffe sind
miteinander durch die Kapazität C verbunden. So liegen die induktivitäten der
beiden Wicklungen L&sub1; und L&sub2;, die jeweils aus der Wicklung beiderseits des
Zwischenabgriffs bestehen, in dem Schwingkreis in Reihe, der die Kapazität C
umfaßt.
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Der Hochfrequenztransformator mit Serienresonanz nach der Erfindung integriert
die Selbstinduktionsspule L und den Transformator TP an dem gleichen
Magnetkreis, und dank einer speziellen geometrischen Anordnung der Wicklungen an
dem Magnetkreis werden zwischen den Wicklungen Kopplungen realisiert, die
an den Betrieb der Nutzlast angepaßt sind, die versorgt werden soll.
Bei der Herstellung eines Schwingkreises ausgehend von einer Drossel L und
einem Kondensator C für einen Transformator T eines
Hochspannungsgenerators für einen Mikrowellenherd müssen bestimmte, insbesondere folgende
Bedingungen erfüllt sein:
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- die Wicklung der Sekundärstufe des Transformators muß sich wie ein
Seibstinduktionskreis verhalten, insbesondere wenn sie mit Gleichrichtungsmitteln
verbunden ist, die beispielsweise Dioden aufweisen, so daß die Belastungen
auf die Dioden begrenzt werden;
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- die Drossel L, die zur Realisierung des Schwingkreises dient, muß ziemlich
stark mit der Drossel der Primärwicklung des Transformators T gekoppelt
sein;
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- der Wert der Drossel der Primärstufe muß niedrig genug sein, die
Primärwicklung muß allerdings eine genügend hohe Anzahl von Windungen aufweisen,
insbesondere aufgrund der zulässigen maximal zulässigen Induktion vor der
Sättigung des Magnetkreises;
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- die Sekundärwicklung muß schließlich geometrisch getrennt sein, insbesondere
um eine gute Isolierung der Hochspannung der Sekundärstufe zu
gewährleisten.
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Um eine gute Kopplung zwischen den verschiedenen Wicklungen zu erhalten,
insbesondere zwischen der Primärwickklung und der Wicklung der Drossel L des
Abstimmkreises zu erhalten, würde eine Lösung darin bestehen, die Wicklungen
an koaxialen zylindrischen Spulen herzustellen.
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Ein solcher Transformator besteht aus drei zusammengefügten Spulengestellen
und ist vor allem bei einer Großserienanwendung besonders kostspielig.
Erfindungsgemäß können ferner die beiden Wicklungen der Primärstufe und der
Sekundärstufe an einem einzigen Gestell hergestellt sein, wie dies in Fig. 2 und
Fig. 3 veranschaulicht ist.
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Die schematischen Darstellungen von Fig. 2 und 3, die Ausführungen von
Transformatoren nach der Erfindung sind, zeigen einen Transformator T, der aus
einem Ferriten 1, einem Gestell 2 mit Spulen 3, 4 und 5 besteht, die die
sogenannten Primärwicklungen L&sub1; und L&sub2; sowie eine Sekundärwicklung L&sub3; halten.
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Eine Anordnung der Wicklungen L&sub1; und L&sub2; bei einer Ausführung, wie sie in Fig. 2
schematisch dargestellt ist, bringt eine relativ schwache Kopplung zwischen den
Wicklungen L&sub1; und L&sub2; mit sich. Ein Kopplungskoeffizient in der Größenordnung
von 0,7 kann in der Praxis nur schwer überschritten werden.
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Allerdings ergibt sich aus der Tatsache, daß erfindungsgemäß ein gemeinsamer
Teil zwischen dem Primärkreis und dem Schwingkreis vorliegt, der aus der
Kapazität C und den Wicklungen L&sub1; und L&sub2; besteht, eine hohe effektive Kopplung
zwischen dem "Primären" aus der Sicht zwischen den Anschlüssen B&sub0; und B&sub1;
und der Seibstinduktivität L&sub1; + L&sub2; des Schwingkreises.
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Die beiden Wicklungen der Primärstufe besitzen einen Koeffizienten der
gegenseitigen Kopplung oder einen Kopplungsgrad zwischen 0,5 und 0,7 und weisen
im wesentlichen gleiche Selbstinduktionswerte auf. Mit solchen Werten für den
Kopplungskoeffizienten erreicht man einen wirksamen Kopplungskoeffizienten in
der Größenordnung von 0,9.
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Der Sekundärkreis mit einer Nutzlast kann nach mehreren Varianten hergestellt
werden. Zwei besonders interessante Versionen für die Versorgung eines
Magnetrons sind in Fig. 5 und 6 veranschaulicht.
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Nach einer ersten Version (Fig. 5) weist der Sekundärkreis Gleichrichtungsmittel
auf. Die Nutzlast U weist zwei Versorgungsanschlüsse M&sub1;, M&sub2; auf, die einerseits
über zwei Dioden D&sub1; bzw. D&sub2;, die einander entgegengesetzt polarisiert sind, mit
einem ersten Anschluß N&sub1; der Sekundärwicklung L&sub3; und andererseits über zwei
Kapazitäten C&sub1; bzw. C&sub2; mit einem zweiten Anschluß N&sub2; der Sekundärwicklung L&sub3;
verbunden sind.
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Bei einer noch einfacheren zweiten Version weist die Schaltung ein Magnetron
M auf, das direkt an die Anschlüsse der Sekundärwicklung L&sub3; angeschlossen ist,
sowie eine Filterkapazität, die parallel zu den Anschlüssen des Magnetrons liegt.
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Die in Fig. 6 dargestellte Kapazität Cf, die parallel zu dem Magnetron M
angeschlossen ist, stellt nämlich die Zusammenschaltung mehrerer Kapazitäten,
insbesondere von Filterkapazitäten und internen Kapazitäten des Magnetrons dar.
Demnach läßt sich dank der Erfindung eine gute Kopplung zwischen der Primär
wicklung des Transformators und dem Resonanzkreis erhalten, wobei
gleichzeitig eine besonders einfache Ausführungsgeometrie der Spulen erhalten werden
kann.
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Darüber hinaus wird durch eine mäßige Induktion in dem Magnetkreis seine zu
schnelle Sättigung vermieden, und ferner kann man auf relativ kleine Ferrite
zurückgreifen.