Funktionsprinzip eines Induktionsherdes.

Funktionsprinzip eines Induktionsherdes. (Bild: Zern Liew @ AdobeStock)

Induktion – eine sichere Technik

Das Induktionskochen ist eine Variante des elektrischen Kochens, bei dem das Kochgeschirr mithilfe von Magnetspulen erwärmt wird. Das Elegante an dieser Technik ist, dass die Kochfläche kühl bleibt, da die Wärme direkt im Kochgeschirr erzeugt wird. Verglichen mit anderen, konventionellen Methoden ist das Induktionskochen daher schnell und überaus energieeffizient – abgesehen davon, dass es ohne offenes Feuer auskommt und somit auch sicherer ist.

Beim Induktionskochen wird die Wärme unmittelbar im Kochgeschirr erzeugt, und zwar durch elektromagnetische Induktion und der daraus resultierenden Erzeugung von Wirbelströmen. Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion wurde bereits 1831 von Michael Faraday entdeckt. Es handelt sich dabei um das Phänomen, dass in einem Stromkreis ein elektrischer Strom erzeugt wird, wenn in einem benachbarten Stromkreis ein sich ändernder Strom fließt.

Beim Induktionskochen wird ferromagnetisches Kochgeschirr auf die aus Keramik oder Glas bestehende Kochfläche gestellt. Unter der Kochfläche befindet sich eine Resonanzspule (Bild 1). Die Induktionsherdplatte und das darauf befindliche Kochgeschirr sind im Prinzip nichts anderes als ein Transformator, bei dem das Kochgeschirr die Rolle einer kurzgeschlossenen Sekundärspule (Last) spielt. Ein Wechselstrom wird durch die Resonanzspule geschickt und erzeugt so ein oszillierendes Magnetfeld, das wiederum elektrische Ströme im Kochgeschirr erzeugt.

Induktionsherdplatten funktionieren ausschließlich mit Kochgeschirr aus Materialien, die ganz bestimmte Eigenschaften besitzen. Damit es zu einer Erwärmung durch das Magnetfeld kommt, muss der verwendete Topf aus einem ferromagnetischen Werkstoff wie etwa rostfreiem Stahl oder Eisen bestehen.

Bild 1: Das Funktionsprinzip der Induktionsherdplatte beruht auf der elektromagnetischen Induktion.
Bild 1: Das Funktionsprinzip der Induktionsherdplatte beruht auf der elektromagnetischen Induktion. (Bild: STMicroelectronics)

Induktionsherd kurz erklärt

Induktionsherdplatten nutzen elektromagnetische Induktion, um das Kochgeschirr direkt zu erwärmen. Sie sind energieeffizient, sicher und benötigen ferromagnetisches Kochgeschirr. Eine Induktionsherdplatte verbraucht nur Energie, wenn Kochgeschirr darauf steht, und geht in den Schlafmodus, wenn kein Kochgeschirr vorhanden ist. IGBTs werden als Schaltelemente eingesetzt, um Schaltverluste zu minimieren. ZVS und ZCS sind bevorzugte Schalttechniken. Es gibt zwei Resonanzwandler-Topologien: Quasiresonanz und Halbbrücke. Mikrocontroller überwachen und steuern die Leistungszufuhr.

Das Induktionskochen ist eine vielversprechende Technik für alle Anwender, die in privaten Küchen, Hotels und Restaurants auf Nachhaltigkeit Wert legen. Es ist eindeutig die bessere Alternative zu herkömmlichen Elektroherden oder den Kosten und dem CO2-Ausstoß von Gasherden. Der Text beschreibt, wie moderne Induktionsherde funktionieren.
Obwohl es die zugrundeliegende Technik bereits seit ungefähr 100 Jahren gibt, erregen Induktionsherde erst seit einigen Jahren vermehrte Aufmerksamkeit. Inzwischen sind Induktionsherdplatten im privaten wie im kommerziellen Bereich recht populär. Auf dem Gebiet des Kochens gelten sie als eine der maßgeblichen technologischen Innovationen.

Kein Energieverbrauch ohne Kochgeschirr

Eine Induktionsherdplatte verbraucht nur dann Energie, wenn sich Kochgeschirr auf ihr befindet. Anders als eine Gasflamme oder ein konventioneller Elektroherd kann eine Induktionsherdplatte für sich selbst keine Wärme erzeugen. Ist eine Induktionsherdplatte eingeschaltet, wenn sich kein Kochgeschirr auf ihr befindet, oder bleibt sie nach dem Entfernen des Kochtopfs eingeschaltet, ist es für die Resonanzspule so, als sei keine Last vorhanden, und dementsprechend kommt es zu keiner Energieübertragung. Ohne aufgesetztes Kochgeschirr wechselt eine Induktionsherdplatte in den Schlafmodus, in dem sie nur eine geringe Standby-Verlustleistung von weniger als einem Watt aufnimmt.

Bild 2: Hartes und weiches Schalten im Vergleich.
Bild 2: Hartes und weiches Schalten im Vergleich. (Bild: STMicroelectronics)

Was ist Induktion?

Induktion bezieht sich auf den physikalischen Prozess, bei dem ein elektrischer Strom in einem Leiter erzeugt wird, wenn sich das magnetische Feld durch den Leiter ändert. Dieses Phänomen wurde erstmals von Michael Faraday im Jahr 1831 entdeckt und ist als Faradaysches Induktionsgesetz bekannt. Dieses besagt, dass eine Änderung des magnetischen Flusses durch eine Leiterschleife eine induzierte elektrische Spannung und somit einen Stromfluss in der Schleife erzeugt. Diese Induktion tritt aufgrund der Wechselwirkung zwischen magnetischen Feldlinien und den Elektronen im Leiter auf. Induktion ist ein grundlegendes Konzept in der Elektrotechnik und hat zahlreiche Anwendungen. Es bildet die Grundlage für die Funktionsweise von Generatoren, Transformatoren, Elektromotoren und vielen anderen elektrischen und elektronischen Geräten. Induktion ist auch ein wichtiges Konzept in der Physik und wird in Bereichen wie der Elektromagnetismusforschung und der Magnetohydrodynamik untersucht.

Es gibt zwei grundlegende Arten von Induktion:

  • Elektromagnetische Induktion: Hier wird eine Änderung des magnetischen Feldes durch eine Spule oder einen Leiter erzeugt, wodurch eine elektrische Spannung induziert wird. Dies ist der Prozess, der in Induktionsherden verwendet wird, um das Kochgeschirr zu erwärmen.
  • Selbstinduktion: Hier erzeugt eine Änderung des Stroms in einer Spule ein magnetisches Feld, das wiederum eine induzierte Spannung in derselben Spule erzeugt. Dies wird beispielsweise in Transformatoren und Spulen verwendet.

Wie funktioniert ein Induktionsherd?

Ein Induktionsherd funktioniert auf Basis des Prinzips der elektromagnetischen Induktion. Die Herdplatte besteht aus einer Spule, die von einem Wechselstrom durchflossen wird. Wenn ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, entstehen in jedem ferromagnetischen Topf oder Pfanne, der auf die Herdplatte gestellt wird, elektrische Wirbelströme. Diese Wirbelströme erzeugen im Topf eigene magnetische Felder, die die Moleküle im Topfboden zum Schwingen bringen und dadurch Wärme erzeugen. Diese Wärme wird dann an den Inhalt des Topfes übertragen und erwärmt so das Kochgut. Da die Wärme direkt im Topf erzeugt wird, heizt sich die Herdplatte selbst nicht auf und bleibt relativ kühl. Die Leistung des Induktionsherdes kann präzise gesteuert werden, indem die Stärke des magnetischen Wechselfeldes variiert wird. Dies ermöglicht eine schnelle und effiziente Erwärmung des Kochguts. Zudem reagiert der Induktionsherd schnell auf Änderungen der Einstellungen, da die Wärme sofort erzeugt oder reduziert wird, sobald die Einstellungen geändert werden.

Der Induktionsherd erkennt automatisch das Vorhandensein von ferromagnetischem Kochgeschirr. Wenn kein geeignetes Kochgeschirr auf der Herdplatte steht, wird die Induktionsheizung nicht aktiviert. Dadurch ist der Induktionsherd sicherer als herkömmliche Herde, da keine offene Flamme oder heißes Heizelement vorhanden ist.

Im Video: So funktioniert ein Induktionsherd

Resonanzwandler-Technik für das Induktionskochen

Halbleiterbausteine kommen als Schaltelemente in unterschiedlichen Leistungswandlern zum Einsatz. In Induktionsherden sind dies IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Um die Schaltverluste zu minimieren, werden „weich“ schaltende Techniken gegenüber „hart“ schaltenden Lösungen bevorzugt (Bild 2). Beim weichen Schalten wird der Strom oder die Spannung so manipuliert, dass im Moment des Schaltens ein Nulldurchgang vorliegt. Dementsprechend werden diese Verfahren in zwei Methoden unterteilt, nämlich das Zero Voltage Switching (ZVS), also das Schalten im Spannungs-Nulldurchgang, und das Zero Current Switching (ZCS), das Schalten im Strom-Nulldurchgang.

ZVS und ZCS haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile und eignen sich für unterschiedliche Anwendungsfälle. Ein Nulldurchgang des Stroms oder der Spannung im geschalteten Stromkreis lässt sich mithilfe der Resonanz in einer LC-Schaltung herbeiführen. Wandler dieser Art werden als Resonanzwandler bezeichnet. Für Induktionsherdplatten kommen hauptsächlich zwei Resonanzwandler-Topologien zum Einsatz:

  • Quasiresonanz-Wandler
  • Halbbrücken-Resonanzwandler
Bild 3: Blockschaltbild der Induktionsherdplatte auf Basis der Quasiresonanz-Topologie.
Bild 3: Blockschaltbild der Induktionsherdplatte auf Basis der Quasiresonanz-Topologie. (Bild: STMicroelectronics)

Wichtige Fragen zum Induktionsherd

Kann ich normales Kochgeschirr auf einem Induktionsherd verwenden?

Nein, ein Induktionsherd erfordert spezielles Kochgeschirr, das aus ferromagnetischem Material wie rostfreiem Stahl oder Gusseisen besteht. Dieses Kochgeschirr ermöglicht die Erzeugung der Wirbelströme und somit die Wärmeübertragung.

Welche Technologien werden für das Schalten in Induktionsherdplatten eingesetzt?

Antwort: Induktionsherdplatten verwenden Schaltelemente wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Um Schaltverluste zu minimieren, werden bevorzugt "weich" schaltende Techniken wie Zero Voltage Switching (ZVS) und Zero Current Switching (ZCS) eingesetzt.

Ist ein Induktionsherd energieeffizient?

Ja, Induktionsherde gelten als energieeffiziente Optionen zum Kochen. Da die Wärme direkt im Kochgeschirr erzeugt wird und die Herdplatte selbst kühl bleibt, geht nur sehr wenig Wärme verloren. Zudem reagieren Induktionsherde schnell auf Temperaturänderungen, wodurch Energie gespart werden kann.

Ist ein Induktionsherd sicherer als andere Herdtypen?

Ja, Induktionsherde gelten als sicherer als Gas- oder konventionelle Elektroherde. Da kein offenes Feuer oder heißes Heizelement vorhanden ist und die Herdplatte relativ kühl bleibt, besteht ein geringeres Risiko von Verbrennungen oder Bränden. Zudem schaltet sich der Induktionsherd automatisch aus, wenn kein geeignetes Kochgeschirr erkannt wird.

Kann ich meine alten Töpfe und Pfannen auf einem Induktionsherd verwenden?

Wenn Ihre alten Töpfe und Pfannen nicht aus ferromagnetischem Material bestehen, werden sie auf einem Induktionsherd nicht funktionieren. Sie müssen spezielles Kochgeschirr verwenden, das für Induktionsherde geeignet ist. Sie können jedoch überprüfen, ob Ihre vorhandenen Töpfe und Pfannen magnetisch sind, indem Sie einen Magneten an ihre Böden halten. Haftet der Magnet, können Sie sie auf einem Induktionsherd verwenden.

Ansteuer-Algorithmen einer Induktionsherdplatte

Eine Induktionsherdplatte funktioniert also nach dem Prinzip eines LC-Resonanzwandlers. Die Resonanzfrequenz hängt dabei nicht allein vom Resonanzschwingkreis ab, sondern auch von Größe und Material des Kochgeschirrs, sodass die Resonanzfrequenz entsprechend wechselt. Um die an das Kochgeschirr übertragene Leistung zu kontrollieren, werden die eingangsseitige Netzspannung und der Stromfluss im IGBT durch einen Mikrocontroller überwacht und die Schaltfrequenz entsprechend angepasst.

Bild 4: Ansicht der serienreifen Quasiresonanz-Induktionsherdplatte mit 1800 W Leistung.
Bild 4: Ansicht der serienreifen Quasiresonanz-Induktionsherdplatte mit 1800 W Leistung. (Bild: STMicroelectronics)

Auf Basis der Quasiresonanz-Topologie

Ein Induktionsherdplatten-System auf Basis der Quasiresonanz-Topologie mit einer Leistung von 1,8 kW wurde mit einem Trench-Gate/Field-Stop-IGBT des Typs STGWT20IH125DF aus der IH-Serie für 1250 V und 20 A sowie einem 8-Bit-Mikrocontroller STM8S003F3 aus der Value Line von ST Microelectronics bis zur Serienreife entwickelt. Das System ist mit umfassenden Sicherheitsmechanismen ausgestattet, um mit Spannungsspitzen und ungeeignetem Kochgeschirr zurechtzukommen. Bild 3 zeigt ein Blockschaltbild des Systems, während in Bild 4 die Platinen und die Ansicht der Kochplatte von unten zu sehen sind.

Bild 5: Blockschaltbild der Induktionsherdplatte auf Basis der Halbbrücken-Topologie.
Bild 5: Blockschaltbild der Induktionsherdplatte auf Basis der Halbbrücken-Topologie. (Bild: STMicroelectronics)

Auf Basis der Halbbrücken-Topologie

Ein Evaluation-Board für ein Halbbrücken-Induktionsherdsystem mit einer Leistung von 3,5 kW wurde mit dem STGW40H65DFB, einem schnellen 650 V/40 A Trench-Gate/Field-Stop-IGBT der HB-Serie, dem L6491, einem für hohe Spannungen geeigneten 4 A High- und Low-Side-Gate-Treiber, und dem 32-Bit-Mikrocontroller STM32F072 von ST Microelectronics entwickelt. Auch dieses System verfügt über umfassende Sicherheitsmechanismen, um Spannungsspitzen und ungeeignetes Kochgeschirr zu verkraften. Bild 5 zeigt das Blockschaltbild dieses Systems, Bild 6 die Leiterplatte.

Bild 6: Evaluation-Board für ein Halbbrücken-Induktionskochfeld mit 3500 W Leistung.
Bild 6: Evaluation-Board für ein Halbbrücken-Induktionskochfeld mit 3500 W Leistung. (Bild: ST Microelectronics)

Akshat Jain

Technical Leader, AMG Central LAB STMicroelectronics, INDIA

Ranajay Mallik

Group Manager, AMG Central LAB STMicroelectronics, INDIA

(ah)

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