Kochfeld mit zumindest einem Induktor, wenigstens einem Wechselrichter und einer Schaltvorrichtung
Die Erfindung geht aus von einem Kochfeld mit mindestens einem Induktor, wenigstens einem Wechselrichter und einer Schaltvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 42 08 254 A1 ist ein Induktionskochfeld mit mehreren Induktoren, jeweils einem Wechselrichter pro Induktor, einer elektronischen Schaltvorrichtung und einem De- tektionsschaltkreis zum Detektieren von Kochgeschirr bekannt. Die Schaltvorrichtung öffnet und schließt einen Stromkreis zwischen dem Induktor und dem Wechselrichter, so dass die Schaltvorrichtung in einer ersten Schaltstellung eine Verbindung zwischen dem Wechselrichter und dem Induktor herstellt und die Verbindung zwischen dem Wechselrichter und dem Induktor in einer zweiten Schaltstellung unterbricht.
Um das Kochgeschirr zu detektieren, initiiert ein Mikrocomputer das Schließen eines der Schalter der Schaltvorrichtung, um einen der Induktoren während einer Halbschwingung der Heizspannung mit demjenigen Wechselrichter zu verbinden, der diesem Induktor zugeordnet ist. Aus einer Spannungsamplitude an einem Abgreifpunkt bzw. aus einem Ab- klingen der Spannung wird eine Dämpfung des Schwingungssystems ermittelt. Aus einer ausreichenden Dämpfung wird auf die Anwesenheit bzw. auf das Vorhandensein eines Kochgeschirrelements geschlossen. Nach der Detektion eines Kochgeschirrelements wird der Induktor automatisch in Betrieb genommen.
Das dauernde Beaufschlagen des Induktors mit einem Strom mit voller Amplitude während des Stand-by-Betriebs verbraucht im Vergleich zu Topfdetektionsvorrichtungen, die separate, mit einer schwachen Messspannung betriebene Messsensoren verwenden, viel Energie. Das Vorsehen von separaten Messsensoren ist aber gegenüber der Verwendung der Induktoren sowohl als Heizelement als auch als Sensor teuer und aufwändig.
Der Erfindung liegt daher insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Kochfeld mit einer energiesparend arbeitenden Topfdetektionsvorrichtung auszustatten, ohne zusätzliche Sensoren vorsehen zu müssen.
Die Erfindung geht insbesondere aus von einem Kochfeld mit zumindest einem Induktor, wenigstens einem Wechselrichter, einer Schaltvorrichtung und einem Detektions- schaltkreis zum Detektieren von Kochgeschirr. Die Schaltvorrichtung ist in einem Strom- kreis zwischen dem Induktor und dem Wechselrichter angeordnet, und zwar derart, dass die Schaltvorrichtung in einer ersten Schaltstellung eine Verbindung zwischen dem Wechselrichter und dem Induktor herstellt und die Verbindung zwischen dem Wechselrichter und dem Induktor in wenigstens einer zweiten Schaltstellung unterbricht.
Es wird vorgeschlagen, dass die Schaltvorrichtung derart mit dem Detektionsschaltkreis verbunden ist, dass die Schaltvorrichtung in wenigstens einer zweiten Schaltstellung den Induktor mit dem Detektionsschaltkreis verbindet. Dadurch kann in einer konstruktiv einfachen Weise der Induktor mit dem Detektionsschaltkreis verknüpft werden, die den Induktor dann als induktiven Sensor nutzen kann. Der Detektionsschaltkreis kann insbesondere auch einen niedervoltigen Messstrom in den Induktor einspeisen, so dass eine energiesparende Messung im Stand-by-Betrieb möglich ist. Dadurch kann ein energiesparender Detektionsbetrieb ermöglicht werden, der im Hinblick auf die Betriebskosten mit Kochfeldern konkurrieren kann, die eine separate Sensorik haben.
Die beiden genannten Schaltstellungen können durch weitere Schaltstellungen der Schaltvorrichtung ergänzt werden, die jeweils weiteren Funktionen des Kochfelds entsprechen können. Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung über Schaltstellungen verfügen, in denen ein Induktor gleichzeitig mit mehreren Wechselrichtern verbunden wird oder ein Wechselrichter gleichzeitig mehrere Induktoren betreibt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schaltvorrichtung zumindest ein elektromechanisches Relais mit zwei Ausgängen umfasst, wobei der erste Ausgang mit dem Wechselrichter verbunden ist und der zweite Ausgang mit dem Detektionsschaltkreis verbunden ist. Dadurch kann eine besonders robuste Ausgestaltung der Erfindung erreicht werden. Im Vergleich zu einer Realisation der Schaltvorrichtung als Anordnung von Halbleiter-Relais, in der pro Schalteinheit zwei Halbleiterschalter verwendet werden müssten, können Kosten eingespart werden und ein sicheres Schalten auch bei sehr starken Heizströmen kann gewährleistet werden. Die Eigenschaften eines elekt- romechanischen Double-Pole-Double-Throw-Relais sind insbesondere dann vorteilhaft,
wenn sich die Stromstärken von Messstrom und Heizstrom um eine oder mehrere Größenordnungen unterscheiden.
Wenn das Kochfeld eine Mehrzahl von Induktoren umfasst, die insbesondere in einem Raster, einem Gitter oder einer Matrix angeordnet sein können, kommen die Vorteile der Erfindung besonders zum Tragen. Auch hier können die Verbindungen zwischen den einzelnen Induktoren mit dem jeweils den Induktoren zugeordneten Wechselrichtern über die Schaltvorrichtung geöffnet oder geschlossen werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Detektions- schaltkreis mit dem Induktor einen Schwingkreis bilden. Das Vorhandensein oder Nicht- vorhandensein des Kochgeschirrs kann abhängig von einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt werden. Eine gezielte Steuerung kann ermöglicht werden, wenn das Kochfeld eine Steuereinheit zum Auslesen des Detektionsschaltkreises und/oder zum Schalten der Schaltvorrichtung umfasst.
Eine besonders flexible modulare Bauweise kann erreicht werden, wenn ein dem Induktor zugeordneter Schalter der Schaltvorrichtung unmittelbar mit dem Induktor verbunden ist. Der Induktor kann insbesondere eine Induktorspule, einen Induktorträger und ein Ab- schirmelement umfassen. Diese Elemente können zu einem kompakten Induktormodul zusammengefasst sein, das erfindungsgemäß zudem den insbesondere als elektrome- chanischen Relais-Schalter ausgebildeten Schalter umfassen kann. Kabel zum Herstellen einer Verbindung mit dem Wechselrichter und mit dem Detektionsschaltkreis können unmittelbar in zwei verschiedene Ausgänge des Induktormoduls eingesteckt bzw. in einer anderen Weise, beispielsweise mittels eines geeigneten mehrpoligen Steckers, mit diesen verbunden werden. Die beiden Ausgänge sind mit den beiden Ausgängen des Schalters verbunden, dessen Eingang seinerseits mit dem Induktor verbunden ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeich- nung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Induktionskochfelds mit mehreren in einem Raster angeordneten Induktoren, einer Schaltvorrich- tung und einer Mehrzahl von Wechselrichtern,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Induktors mit einer Schaltvorrichtung, die in einer ersten Schaltstellung den Induktor mit einem Wechselrichter und in einer zweiten Schaltstellung den Induktor mit einem Detektionsschaltkreis verbindet und
Fig. 3 ein Induktormodul mit einem integrierten Schalter der Schaltvorrichtung.
Figur 1 zeigt ein Induktionskochfeld vom Matrix-Typ mit einer Vielzahl von in einem Raster angeordneten Induktoren 10. Die Induktoren 10 bilden ein rechteckiges Raster und kön- nen auf mehrere Module aufgeteilt sein, die jeweils von unterschiedlichen Stromversorgungseinheiten gespeist werden (nicht dargestellt). Die Induktoren 10 können selektiv und einzeln aktiviert und deaktiviert werden, wozu eine Schaltvorrichtung 14 eine Verbindung zwischen den Induktoren 10 und einem dem jeweiligen Induktor 10 zugeordneten Wechselrichter 12 herstellen oder unterbrechen kann.
In einer ersten Schaltstellung der Schaltvorrichtung 14 ist der Wechselrichter 12 mit dem Induktor 10 verbunden, so dass ein Wechselstrom mit einer Frequenz von einigen Kilohertz bis maximal ca. 75 oder 100 Kilohertz getrieben durch eine Spannungsamplitude von einigen hundert Volt durch die Induktoren 10 fließt. Die Induktoren 10 erzeugen ein starkes, hochfrequentes Magnetfeld, das teilweise in den Boden eines Kochgeschirrs 18 eindringt, wenn ein Kochgeschirr 18 mit einem ferromagnetischen Boden auf das Induktionskochfeld aufgestellt ist. Durch das wechselnde Magnetfeld werden in einem ferromagnetischen Boden des Kochgeschirrs 18 Wirbelströme erzeugt, die den Boden schließlich erhitzen.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die nicht die tatsächliche Anordnung der Induktoren 10 bezüglich der Schaltvorrichtung 14 und des Wechselrichters 12 wiedergibt. Die
Schaltvorrichtung 14 kann mit den Wechselrichtern 12 auf einer gemeinsamen Platine montiert sein oder eine baulich getrennte Einheit bilden.
Fig. 2 zeigt schematisch einen beliebigen Induktor 10 des Induktionskochfelds aus Fig. 1 mit dem diesem Induktor 10 zugeordneten Wechselrichter 12 und einem Detektions- schaltkreis 16. Der Detektionsschaltkreis 16 kann ebenfalls mit der Schaltvorrichtung 14 und/oder den Wechselrichtern 12 auf einer gemeinsamen Platine montiert sein oder alternativ als separate Baugruppe vorliegen.
Zwischen dem Induktor 10 und dem Wechselrichter 12 ist ein als elektromechanisches Relais 20 ausgebildetes Schaltelement der Schaltvorrichtung 14 angeordnet. Das elekt- romechanische Relais 20 umfasst zwei Ausgänge 24, 26. Der erste Ausgang 24 ist mit dem Wechselrichter 12 und der zweite Ausgang 26 mit dem Detektionsschaltkreis 16 verbunden. Das elektromechanische Relais 20 ist als „Double Pole Double Throw"-Relais (DPDT-Relais) mit zwei parallel geschalteten Arbeitskontakten ausgebildet. Eine Steuereinheit 22 liest den Detektionsschaltkreis 16 aus und ist über eine Steuerleitung 28 mit der Spule eines Elektromagneten 29 des Relais 20 verbunden. Die Steuereinheit 22 kann ein Microcontroller oder eine frei programmierbare Recheneinheit sein, die neben den Induktoren 10, der Schaltvorrichtung 14 und dem Detektionsschaltkreis 16 noch weitere elekt- ronische Baugruppen des Kochfelds betreibt, beispielsweise eine Benutzerschnittstelle mit einem Display oder dergleichen. Das Ergebnis der Kochgeschirrdetektion kann dann auf dem Display dargestellt werden.
In der zweiten Schaltstellung, in welcher die Schaltkontakte des Relais 20 den zweiten Ausgang 26 des Relais 20 mit dem Induktor 10 verbinden, bildet der Induktor 10 mit dem Detektionsschaltkreis 16 einen Colpitts-Oszillator, in welchem zwei Kapazitäten und der Induktor 10 die Oszillationsfrequenz bestimmen. Das für die Oszillation notwendige Feedback wird über einen Spannungsteiler zwischen den beiden Kapazitäten erzeugt (nicht dargestellt).
Der Detektionsschaltkreis 16 wird mit einer schwachen Wechselspannung beaufschlagt, die in dem entsprechenden Induktor 10 eine wechselnde Messspannung von ca. 10 oder 12 Volt erzeugt und zu Mesströmen von einigen Milliampere führt. Der Induktor 10 wird in diesem Betriebszustand als Messsonde verwendet. Der Induktor 10 bildet zusammen mit zwei Kondensatoren einen Schwingkreis. Durch das Aufstellen des Kochgeschirrs 18 wird
die Induktivität des aus dem Induktor 10 und dem Kochgeschirr 18 bestehenden Gesamtsystems gegenüber der Induktivität des freien Induktors 10 reduziert, wodurch sich die Resonanzfreqenz des Schwingkreises um etwa 10% erhöht. Der Detektionsschaltkreis 16 bzw. die Steuereinheit 22 misst die Resonanzfrequenz dieses Gesamtsystems und schließt aus der erhöhten Resonanzfrequenz auf das Vorhandensein des Kochgeschirrs 18.
Figur 3 zeigt ein Induktormodul mit dem Induktor 10 und dem als Relais 20 ausgebildeten Schaltelement der Schaltvorrichtung 14 in einer denkbaren Ausgestaltung der Erfindung. Das Relais 20 ist unmittelbar an eine Unterseite eines Induktorträgers 30 angebracht, so dass es mit dem Induktor 10 ein gut handhabbares Modul bildet. Entsprechende Verbindungsleitungen zu den Wechselrichtern 12 und/oder dem Detektionsschaltkreis 16 können beim Anschließen des Induktormoduls unmittelbar in die Ausgänge 24, 26 des Relais eingesteckt werden.
Bezugszeichen
10 Induktor
12 Wechselrichter
14 Schaltvorrichtung
16 Detektionsschaltkreis
18 Kochgeschirr
20 Relais
22 Steuereinheit
24 Ausgang
26 Ausgang
28 Steuerleitung
29 Elektromagnet
30 Induktorträger