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20 Elektronik 09 2020 Leistungselektronik sekundäre Spule verzichtet und stattdessen ein Metall nahe an die primäre Spule gebracht Wenn die primäre Spule mit Energie versorgt wird dann kommt es durch das Metall auf der Sekundärseite zu einem Kurzschluss der einen Wirbelstrom erzeugt Verfügt das Metall über einen definierten Widerstand dann können die I2 R-Verluste zur Erwärmung genutzt werden Ist das Metall zum Beispiel der Boden einer Pfanne oder der Belag eines Tischkochers dann wirkt das Prinzip eines Induktionskochers Bild 1 Eignung verschiedener Metalle Nicht jedes Metall verhält sich jedoch gleich Kupfer und Aluminium weisen nur einen geringen Widerstand auf und erwärmen sich daher nicht so stark selbst wenn die Wechselspannungsfrequenz hoch ist Außerdem kommt es bei diesen Metallen zu einem Skin-Effekt der dazu führt dass der Strom auf der Oberfläche und nicht im Metallkörper fließt Das begrenzt die elektrische Leitfähigkeit den Widerstand und damit den Heizeffekt Für induktive Erwärmung muss das Metall wie Eisen oder Stahl über eine magnetische Permeabilität verfügen bei der die ferromagnetische kristalline Struktur aus mikroskopisch kleinen magnetischen Bereichen besteht Diese Bereiche werden durch das angelegte magnetische Feld der Primärspule in alternierende Orientierungen gezwungen Bei der Rotation der magnetischen Bereiche entsteht eine Art Reibung die wiederum Wärme erzeugt Dieser Prozess wird als Joulesche Wärme bezeichnet und liefert in diesem Fall den Temperaturanstieg für induktives Kochen Grundlage ist also das Stromwärmegesetz das besagt dass ein elektrischer Strom in einem elektrischen Leiter Wärmeenergie erzeugt durch fortwährende Umformung von elektrischer Energie die dem Leiter entnommen wird Die beste Zutat ein Resonanzwandler Der Transformator könnte auf der Primärseite mit der Standard-Netzspannung von 50 oder 60 Hz versorgt werden Das würde aber zu sehr großen Produktmaßen und einem sehr kleinen Skin-Effekt führen Daher werden höhere Frequenzen im Bereich von 25 bis 75 kHz verwendet was sehr kompakte Abmessungen ermöglicht In diesem Fall verfügt die Primärseite des Transformators Induktionsspule über weniger Wicklungen bei höherer Frequenz Das bedeutet zwar geringere resistive Verluste aber auch immer noch einen Skin-Effekt Eine typische Spule nutzt Wicklungen mit Litzendraht also sehr dünne parallele und isolierte Drähte jeder mit einem geringeren Durchmesser als die Tiefe des Skin-Effektes um die entsprechenden Verluste zu reduzieren Zur Erzeugung der hochfrequenten Wechselspannung für die Induktionsspule stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung Dabei stellt ein SEPR Single-Ended Parallel Resonance -Umsetzer für kompakte Haushaltsgeräte bis etwa 2 1 kW das beste Verhältnis von Kosten zu hoher Energieeffizienz dar Bild 2 Der Baustein Q1 ist ein IGBT der von einem Controller mit variabler Frequenz geschaltet wird beispielweise mit nur 20 kHz bei voller Last Leq ist die Induktionsspule Im eingeschwungenen Zustand Steady-State schaltet der IGBT Q1 mit null Volt an seinem Kollektor und Strom fließt durch die gleichgerichteten Leitungen durch Leq Dabei steigt der Strom linear an Bei einem vorgegebenen Stromlevel schaltet Q1 ab und der Strom zirkuliert durch Cres wobei die Kollektorspannung zuerst ihren Spitzenwert erreicht und dann auf die Resonanzfrequenz von Leq und Cres fällt der benötigten Wechselspannung für die Induktionsspule Wenn die SpanBild 3 Geschützte IGBTs sind ideal für Anwendungen wie induktive Erwärmung und integrieren einen Treiber mit Schutzfunktionen Bild Infineon Bild 4 Ein Widerstandsteiler liefert eine skalierte Version der Kollektor-Emitter-Spannung am VDET-Pin Bild Infineon