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Hochspannungsquelle, insbesondere für xerographische Geräte
Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Hochspannungsquellen, die insbesondere für die Speisung von mit einer Ansprechschwelle behafteten Verbrauchern, wie beispielsweise von Korona-Entladungseinrichtungen, mit Gleichspannung geeignet und vor allem für die Verwendung in xerographischen Geräten bestimmt sind. Beispielsweise können erfindungsgemässe Hochspannungsquellen für die Speisung von Korona-Entladungseinrichtungen nach der USA-Patentschrift Nr. 2, 836,725 verwendet werden.
In xerographischen Geräten, wie sie beispielsweise in den USA-Patentschriften Nr. 2, 297, 691 und Nr. 2, 357, 809 beschrieben sind, wird einer xerographischen Platte, die eine Schicht aus photoleitendem Isoliermaterial auf einer leitenden Unterlage. aufweist, über ihre gesamteFlächenerstreckung eine gleichmässige elektrische Ladung erteilt, worauf die Platte, gewöhnlich durch Projektion, einer Belichtung ausgesetzt wird, die dem zu reproduzierenden Bild entspricht. Durch diese Belichtung werden in Abhängigkeit von der örtlichen Belichtungsintensität bestimmte Flächenteile der Platte entladen, wodurch in der Platte bzw. in ihrem Überzug ein latentes elektrostatisches Bild entsteht.
Die Entwicklung des latenten Bildes wird durch ein Entwicklungsmaterial bewirkt, das im allgemeinen aus einem Gemisch eines geeignet pigmentierten oder gefärbten, nachfolgend "Toner" bezeichneten elektroskopischen Pulvers und eines körnigen Trägermaterials besteht, welches die Aufgabe hat, als Träger und Erzeuger triboelektrischer Ladungen am Toner zu wirken. Genauer gesagt besteht die Aufgabe des körnigen Trägermaterials darin, eine mechanische Kontrolle über das Pulver zu ermöglichen bzw. das Pulver zur Bildfläche zu bringen und zugleich eine praktisch vollkommene Homogenität der Ladungspolarität zu sichern. Zur Entwicklung des latenten Bildes wird das Tonerpulver in Berührung mit der xerographischen Platte gebracht und an dieser elektrostatisch nach einem Muster festgehalten, das dem latenten elektrostatischen Bild entspricht.
Hienach wird das entwickelte xerographische Bild gewöhnlich auf ein TrÅager- oder Übertragungsmatelial übertragen, auf dem es in geeigneter Weise fixiert werden kann. Nach dieser Übertragung wird das allenfalls noch an der xerographischen Platte verbleibende Pulver entfernt.
Seit der Entwicklung der Prinzipien der Xerographie sind bereits verschiedene xerographische Reproduktionsgeräte, beispielsweise zum Kopieren von Geschäftspapieren und sonstigen Schriftstücken in kommerziellen und technischen Büros und Ämtern in Gebrauch genommen worden. Diese Geräte müssen für den Anschluss an ein Wechselstromnetz geeignet sein.
Im allgemeinen erfolgen die elektrostatische Aufladung der xerographischen Platte in Vorbereitung des Belichtungsvorganges, die elektrostatische Aufladung der Unterlage für die Übertragung des latenten Bildes und die Aufladung der xerographischen Platte zwecks Beseitigung restlichen Tonerpulvers nach der Übertragung mit Hilfe von Korona-Entladungseinrichtungen, durch welche der jeweils aufzuladenden Oberfläche eine entsprechende elektrostatische Ladung erteilt wird. Beispielsweise wird der xerographischen Platte in Vorbereitung des Belichtungsvorganges eine elektrostatische Aufladung mit einem Potential in der Grössenordnung von 740 V erteilt.
Um diese Aufladung vor dem Belichtungsvorgang zu bewirken, wird dem Hochspannungsdraht der Korona-Entladungseinrichtungen je nach dem Schwellenpotential derselben ein Gleichpotential von 7000 bis 8000 V erteilt.
Die bisher üblichen Hochspannungsquellen mit Netzanschluss, die befähigt sind, Korona-Entladungsvorrichtungen aus einem Wechselstromnetz eine hinreichend hohe Gleichspannung zuzuführen, sind sowohl in der Herstellung als auch in der Instandhaltung kostspielig. Die Erfindung befasst sich deshalb mit
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der Aufgabe, eine als Netzanschlussgerät ausgebildete Hochspannungsquelle zu schaffen, die für den angegebenen Zweck wirtschaftlich herstellbar ist.
Eine gemäss der Erfindung ausgebildete Hochspannungsquelle zur Erzeugung einer einer Gleichspan-
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durch einen gegebenenfalls stabilisierten Transformator, dessen Primärwicklung an eine Wechselstromquelle (Netz) anschaltbar ist und dessen Sekundärwicklung mehrere Anzapfungen aufweist, durch einen zwischen einer ersten Anzapfung der Sekundärwicklung und der einen Ausgangsklemme liegenden Kondensator und durch ein in Serie mit diesem Kondensator geschaltetes und mit einer zweiten Anzapfung der Sekundärwicklung verbundenes gleichrichtendes Element, wobei die andere Ausgangsklemme mit einer dritten Anzapfung der Sekundärwicklung verbunden ist.
Wie später noch genauer erläutert wird, kann diese Hochspannungsquelle so weiter ausgestaltet werden, dass sie an zwei Ausgangsklemmenpaaren eine einer negativen Gleichspannungskomponente bzw. eine einer positiven Gleichspannungskomponente überlagerte Wechselspannung liefert.
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mässen Netzanschlussgerät gespeist werden. Fig. 2 ist ein bevorzugtes Schaltbild eines Neizanschlussgerätes gemäss der Erfindung. Fig. 3 ist ein zur Erläuterung der Erfindung dienendes Diagramm und Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Das dargestellte xerographische Gerät enthält eine xerographische Platte mit einer photoleitenden oder lichtaufnehmenden Schicht auf einer leitenden Unterlage in Gestalt einer Trommel 20, die in einem Rahmen so gelagert ist,. dass sie sich in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung drehen kann, wobei die Trommeloberfläche nacheinander verschiedene xerographische Behandlungsstationen durchläuft.
Nachfolgend werden die verschiedenen xerographischen Behandlungsstationen längs der Bewegungs- bahn der Trommeloberfläche beschrieben. Die erste Station ist eine Aufladestation, in der auf der photoleitenden Schicht der xerographischen Trommel eine gleichmässige elektrostatische Ladung aufgebracht wird. Hierauf folgt eine Belichtungsstation, in welcher das auf der Trommeloberfläche zu reproduzierende Bild auf die Trommel projiziert wird, um die elektrostatische Ladung an der Trommeloberfläche an den dem Licht exponierten Stellen abzuleiten und so ein latentes elektrostatisches Bild zu erzeugen.
Hieran schliesst sich eine Entwicklungsstation an, in der ein xerographisches Entwicklermaterial, das Tonerpartikel enthält, die entgegengesetzte elektrostatische Ladung haben wie das latente elektrostatische Bild an der Trommeloberfläche, auf die Trommeloberfläche aufgestreut wird so dass die Tonerpartikel an dem latenten elektrostatischen Bild haften bleiben und ein xerographisches Pulverbild entsprechend der zu reproduzierenden Vorlage bilden. Auf die Entwicklungsstation folgt eine Übertragungsstation, in welcher das xerographische Pulverbild elektrostatisch von der Trommeloberfläche auf ein Übertragungsmaterial bzw. eine geeignete Unterlage übertragen wird.
Zuletzt folgt noch eine Reinigungsstation, in welcher die Trommeloberfläche zuerst mit einer elektrostatischen Ladung versehen, sodann gebürstet oder abgestreift wird, um restliche Tonerpartikel, die nach der Übertragung des Pulverbildes noch haften geblieben sind, zu entfernen, und in der ferner die Trommeloberfläche einer relativ starken Lichtquelle ausgesetzt wird, um eine praktisch vollständige Ableitung allfälliger restlicher elektrostatischer Ladungen zu bewirken.
Die Aufladestation befindet sich vorzugsweise an der mit A bezeichneten Stelle des Gerätes nach Fig. l. Im allgemeinen wird zum Aufladen eine Korona-Sprüheinrichtung 21 mit einer Gruppe aus je einer oder mehreren Elektroden angewendet, die sich quer tiber die Trommel erstrecken und von einer Hochspannungsquelle gespeist werden. Die Elektroden sind dabei von einer Abschirmung umgeben.
Als nächstes folgt auf der Bewegungsbahn der xerographischen Trommel die Belichtungsstation B.
Diese Belichtungsseation kann verschiedenartig ausgebildet sein und beispielsweise ein optisches Abtast- system, ein Projektionssystem od. dgl. sein, das befähigt ist, von einer geeigneten Originalvorlage zeilenweise Bilder auf die photoleitende Schicht der Trommeloberfläche zu werfen.
Das optische Abtast-oder Projektionssystem besteht aus einem Vorlagenträger in Gestalt einer Trommel, die nachfolgend als Vorlagentrommel 30 bezeichnet wird und geeignet ist, die zu reproduzierende Vorlage festzuhalten. Die Trommel dreht sich während der Projektion gegenüber der lichtaufnehmen- den Oberfläche der xerographischen Platte. Durch eine geeignete Lampe, die sich in einem geschlitzten Lichtreilektor 32 nahe der Vorlagentrommel befindet, wird diese Trommel gleichmässig ausgeleuchtet.
Nahe der Oberfläche der xerographischen Trommel befindet sich ein geschlitzter Schirm 33. der
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die xerographische Trommel gegen Fremdlicht abschirmt. Die Schlitzöffnung im Schirm erstreckt sich quer zur Bewegungsbahn der lichtaufnehmenden Oberfläche der xerographischen Trommel 20, so dass von der Vorlagentrommel reflektierte Strahlen auf einen beschränkten querverlaufenden Flächenbereich der lichtaufnehmenden Trommeloberfläche gelangen können. Damit das optische System innerhalb eines relativ kleinen Gehäuses untergebracht werden kann, werden ein Spiegel 34, eine Projektionsoptik 35 und ein weiterer Spiegel 36 im Strahlenweg angewendet.
Eine in die Führungen 37 nahe der Vorlagentrommel eingeschobene Vorlage wird durch Greifer an der Trommel festgehalten und in geeigneter Zeitbeziehung zur Bewegung der xerographischen Trommel m Umlauf versetzt, wobei das bewegte Bild der Vorlage zeilenweise auf die xerographische Trommel projiziert wird. Die Vorlage wird so lange gegen die Oberfläche der Vorlagentrommel hin vorgeschoben, bis sie von einem Andrtickorgan 38 erfasst wird. Durch ein weiteres Andrückorgan 39 und Führungen 41 wird der Rand der Vorlage an der Trommel festgehalten und geführt. Nach Abtastung der Vorlage wird diese mittels einer Abnahmewalze 42 und einer Führung 43 von der Vorlagentrommel wieder abgenommen und aus dem Gerät entfernt.
Auf die Belichtungsstation folgt die Entwicklungsstation C, in welcher ein Entwicklergerät 50 mit einem Gehäuse angeordnet ist, das im Unterteil eine Senke bildet, in welcher sich das Entwicklermaterial 51 ansammeln kann. Im Entwicklergerät befindet sich ferner ein baggerartiger, angetriebener Förderer 52, der dazu dient, das Entwicklermaterial zum Oberteil des Entwicklergehäuses anzuheben, von wo es über einen Aufgabetrichter 53 auf die Oberfläche der xerographischen Trommel ausgestreut wird.
Wenn das Entwicklermaterial auf die Trommel gestreut wird, so bleiben die Tonerpartikel dieses Materials elektrostatisch an dem vorher erzeugten latenten elektrostatischen Bild haften und bilden dadurch ein sichtbares xerographisches Pulverbild. Das restliche Entwicklermaterial fällt von der Umfangsfläche der Trommel in den Unterteil des Entwicklergehäuses herunter. Die Tonerpartikel, die während des Entwicklungsvorganges verbraucht werden, werden durch einen Toner-Zubringer 54 ersetzt.
An die Entwicklungsstation schliesst sich die Bildübertragungsstation D an, in welcher sich ein Vorschubmechanismus befindet, durch den Papierblätter od. dgl. nacheinander entsprechend dem Anfall von entwickelten Bildern an der xerographischen Trommel zur Trommel vorgeschoben werden. Der Vorschubmechanismus umfasst eine Wanne 60 für einen Papierstapel, eine Abstreifwalze 61, die befähigt ist, das oberste Blatt vom Stapel abzunehmen, eine anschliessende Führung 67 und ein Förderband 62, das mit Greifern 63 ausgestattet ist, welche das Papierblatt in Berührung mit der rotierenden xerographischen Trommel entsprechend dem Erscheinen eines entwickelten Bildes in der Übertragungsstation vorschieben.
Die Übertragung des xerographischen Pulverbildes von der Trommeloberfläche auf das Unterlagsmaterial wird durch eine Korona-Sprüheinrichtung 64 bewirkt, die sich im Berührungsbereich des Unterlagsmaterials und der rotierenden xerographischen Trommel oder in der Nähe dieser Stelle befindet. Die Korona-Sprüheinrichtung 64 ist im wesentlichen ähnlich der Korona-SprUheinrichtung, die in der Aufladestation angewendet wird-und enthält ebenfalls eine Gruppe von je einer oder mehreren KoronaLadeelektroden. die von einer geeigneten Hochspannungsquelle gespeist werden, sich quer über die Trommeloberfläche erstrecken und nach aussen abgeschirmt sind.
Während des Betriebes bewirkt das von der Korona-Sprüheinrichtung erzeugte elektrostatische Feld, dass das Unterlagsmaterial elektrostatisch zur Trommeloberfläche hin gezogen wird und dass gleichzeitig damit durch das elektrostatische Feld die Tonerpartikel, welche das xerographische Pulverbild bilden, von der Trommeloberfläche zum Unterlagsmaterial gezogen werden, an dem sie sodann elektrostatisch haften bleiben.
Wenn der Greifermechanismus die Vorschubbewegung in einem geschlossenen Zyklus fortsetzt, streift er das Unterlagsmaterial von der xerographischen Trommel ab und führt es in'eine Fixiervorrichtung 70, wo das entwickelte und übertragene xerographische Pulverbild am Unterlagsmaterial dauernd fixiert wird.
Nach dem Schmelzfixieren wird die fertige Kopie vorzugsweise an einer geeigneten Stelle aus dem Gerät herausgeführt. Zu diesem Zwecke sind zwei Ausgabewalzen 65 und 66 vorgesehen, welche die Kopie nach Freigabe durch den Greifermechanismus erfassen und nach aussen schieben. Auf der Ein- und Auslaufseite des Förderbandes sind geeignete Nocken 68 und 69 vorgesehen, welche Papiergreifer an diesen Stellen betätigen, um das Unterlagsmaterial zu erfassen bzw. freizugeben.
Die nächste und letzte Station des gesamten Gerätes ist die Trommelreinigungsstation E, in welcher das gesamte nach dem Übertragungsvorgang gegebenenfalls noch an der xerographischen Trommel
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Um die Entfernung von restlichem Pulvermaterial von der Trommeloberfläche zu erleichtern, ist eine Korona-Vorreinigungseinrichtung 84 vorgesehen, die im wesentlichen ähnlich der Korona-Sprühein" richtung ist, welche in der Auflagestation A verwendet wird. Die Entfernung des Restpulvers von der xerographischen Trommel wird mit Hilfe einer Reinigungsvorrichtung 80 erzielt, die so gebaut ist, dass sie fortlaufend eine reineFaserbahn in streifende Berührung mit der xerographischen Trommel bringt. Wie dargestellt, wird das Bahnmaterial 55 von einer Vorratsspule 81 abgenommen und aber eine Andruckwalze 82, die vorzugsweise aus Gummi besteht, zu einer Aufwickelspule 83 geführt.
Die restliche elektrostatische Ladung, die noch auf der xerographischen Trommel verblieben ist, wird durch Belichtung mit einer Fluoreszenzlampe 85 beseitigt, die an einer geeigneten Konsole oberhalb der xerographischen Trommel angeordnet ist. Für diese Lampe sind natürlich ein Starter und ein Vorwiderstand im Speisekreis vorgesehen.
Mit geeigneten Antriebsmitteinwerdendiexerographische Trommel, die Vorlagentrommel, die Antriebswalzen für das Förderband, die Abstreifwalze für das Unterlagsmaterial und die Reinigungsvorrichtung angetrieben, u. zw. die letztere mit einer Geschwindigkeit, bei welcher sich eine Relativbewegung zwischen der Oberfläche der xerographischen Trommel und der reinigenden Faserbahn ergibt. Es sind ferner noch geeignete Einrichtungen zur Inbetriebnahme des Fördermechanismus und des Toner-Zubringers im Entwicklergerät vorgesehen.
Die vorstehende Beschreibung durfte zum Verständnis der Erfindung und zur Darstellung der Arbeitsweise eines xerographischen Reproduktionsgerätes ausreichen.
Gegenstand der Erfindung bildet nun ein in Fig. 2 in bevorzugter Ausführung dargestelltes Netzanschlussgerät, das geeignet ist, aus einem normalen Wechselstromnetz von z. B. 110 V die erforderliche
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enthält einen stabilisierten Transformator und eine modifizierte Spannungsverdopplerschaltung, die zumindest zwei getrennte Ausgangsspannungen liefert, nämlich eine mit positiven Spannungsbergen über dem effektivenSchwellenwert derKorona-Entladung undnegativenSpannungstälern unter diesem Schwellenwert und eine zweite mit negativen Spannungsbergen oberhalb des Schwellenwertes der Korona-Entladung und positiven Spannungstälern unterhalb dieses Schwellenwertes.
Der stabilisierte Transformator T ist ein an sich bekannter statischer magnetischer Spannungsstabilisator ; seine besonderen Eigenheiten brauchen daher im vorliegenden Zusammenhang nicht ausführ- lich erläutert zu werden. Transformatoren dieser Bauart sind beispielsweise in dem Buch"Radio Engineer's Handbook"1943, McGraw Hill Book Co. Inc. beschrieben. Es sei hier noch kurz erwähnt, dass bei Transformatoren dieser Art der Sekundärteil des magnetischen Kernes des Transformators gesättigt wird, um die Stabilisierungswirkung zu erzielen, wobei die Ausgangsspannung eine abgekappte Wellenform hat, die für die nachfolgend beschriebene besondere Schaltung einen speziellen Vorteil bietet.
Ein zusätzliches nützliche Merkmal von stabilisierten Transformatoren besteht darin, dass die lose magnetische Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eine starke Begrenzung des Ausgangsstromes bei Kurzschluss zur Folge hat, was sich als gUnstiger Sicherungsfaktor sowohl für die Bedienungspersonen als auch für das Gerät selbst erweist.
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Fig. 2 besteht das Netzanschlussgerätmagnetischen Nebenschlussweg MS zwischen der Primärwicklung TP und der Sekundärwicklung TS aufweist, um so eine lose magnetische Kopplung zwischen diesen beiden Wicklungen zu bewirken. Die Primärwicklung TP des Transformators ist an eine elektrische Wechselstromquelle, wie z. B. ein Netz von 110 V und 60 Hz angeschlossen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklung TS mit Anzapfungen TS-lbis TS-5 versehen. Die Anzapfung TS-5 ist mit Erde verbunden und bildet den Bezugspol ftir die Hoch- spannungs-Ausgangsklemmen C, T und pe. Zwischen eren Anzapfungen TS-3 und TS-5 ist ein Kon- densator C-3 geschaltet, der im Zusammenwirken mit der losen magnetischen Kopplung des Trans- formators bewirkt, dass der Sekundärteil des Transformators magnetisch gesättigt wird und somit eine stabilisierte Sekundärspannung liefert.
Die Anzapfung TS-1 des Transformators ist direkt mit einem Kondensator C-1 verbunden, dem ein Widerstand R-l parallelgeschaltet ist. Der Widerstand R-l dient zur Entladung des Kondensators C-l, wenn die Eingangsspannung vom Netzanschlussgerät abgeschaltet worden ist, damit nach dieser Abschaltung keine Klemmen spannungsführend bleiben. Die andere Klemme des Kondensators C-l ist mit den Ausgangsklemmen CundT sowie mit einer Klemme eines Gleichrichters SR-1 verbunden. Die andere Klemme dieses Gleichrichters SR-1 ist an die Anzapfung TS-3 der Sekun- därwicklung des Transformators angeschlossen.
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Wie dargestellt, ist die ausgangsseitige Klemme des Kondensators C-l mit den Klemmen C und T verbunden, die ihrerseits mit den Korona-Entladungseinrichtungen 21 bzw. 64 in Verbindung stehen und je eine Spannung führen, deren positiver Spitzenwert (Wellenberg) oberhalb des Schwellenwertes dieser Einrichtungen liegt. Bei dieser Schaltungsanordnung wird der Kondensator C-l bei jeder zweiten Halbperiode der Sekundärspannung des Transformators über den Gleichrichter SR-1 aufgeladen : dieser
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C oder T und Erde eine Wechselspannung mit einer vorspannenden Gleichspannungskomponente, die durch das Ladepotential des Kondensators C-l gebildet wird.
Wie Fig. 3 zeigt, hat die Ausgangsspannung UC bzw. UT an den Klemmen C bzw, T einen angenähert rechteckigen Verlauf, der auf die Wirkung des stabilisierenden Transformators zurückzuführen ist. Dieser angenähert rechteckige Spannungsverlauf ist, wie später noch beschrieben wird, günstiger als ein rein sinusförmiger Verlauf, wie er von einem normalen Hochspannungstransformator geliefert wird.
Ein ähnlicher Kreis umfasst die Anzapfungen TS-2 und TS-4 der Sekundärwicklung und einen Gleichrichter SR-2, der in Serie zu einem Widerstand R-2 liegt und einen Kondensator C-2 auflädt, der an die Anzapfung TS-2 der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist ; dieser Kreis liefert an der Ausgangsklemme PC ein negatives Ausgangspotential Upc. Der Widerstand R-2 hat den Zweck, den Strom über den Gleichrichter SR-2 zu begrenzen, wenn das Ausgangspotential an der Klemme PC bzw. die Korona-Vorreinigungseinrichtung 84, die mit dieser Klemme verbunden ist, einen Kurzschluss'gegen Erde aufweist. Unter normalen Arbeitsbedingungen ist der Spannungsabfall am Widerstand R-2 vernachlässigbar.
Der Grund dafür, dass in Serie mit dem Gleichrichter SR-2, nicht abel auch in Serie mit dem Gleichrichter SR-1 ein strombegrenzender Widerstand verwendet wird, liegt darin, dass bei Kurzschluss an der Klemme PC eine stärkere Gleichspannung am Kondensator C-2 erscheinen kann, wogegen bei Kurzschluss an der Klemme C oder T der Kondensator C-l eine erheblich geringere Wechselstromimpedanz darbietet und die Spannung an der Anzapfung TS-lbzw. TS-3 daher bei Kurzschluss an der Klemme C bzw. T infolge derlosen Kopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators absinkt.
Es besteht auch. wenn überhaupt, nur ein geringes Bedürfnis, einen Parallelwiderstand für den Kondensator C-2 vorzusehen, weil die im Kondensator C-2 gespeicherte Energie wesentlich geringer ist als die im Hinblick auf Sicherheitsüberlegungen zulässige maximale Speicherenergie. Wie Fig. 3 zeigt, hat die Ausgangswelle Upc an der Ausgangsklemme PC ebenfalls angenähert rechteckigen Verlauf.
Der Vorteil des rechteckigen Verlaufes der Ausgangsspannung für die Speisung von Corotrons, wie sie in xerographischen Reproduktionsgeräten verwendet werden, liegt darin, dass die effektive Ausgangsspannung, die einer Korona-Entladungseinrichtung zugeführt wird, eine Funktion der innerhalb jeder Periode über den Schwellenwert liegenden Spannungswerte ist. In einem xerographischen Reproduktionsgerät ist die zulässige Spitzenspannung durch den Spannungswert begrenzt, bei dem eine Bogenbildung einsetzt, so dass mit angenähert rechteckigem Spannungsverlauf gemäss Fig. 3 bei vorgegebener Spitzenspannung der Entladungseinrichtung mehr Leistung zugeführt werden kann, als dies bei einem sinusförmigen Wellenverlauf der Ausgangsspannung der Fall wäre.
Die Arbeitsweise der Schaltung kann am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 erklärt werden. Der stabilisierte Transformator T mit der losen magnetischen Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung liefert im Zusammenwirken mit dem Kondensator C-3 eine stabilisierte Ausgangsspannung, die sich bei einer Spannungsänderung von 15% im Eingang um weniger als 50/0 ändert. Diese Stabilisierung ist für die beabsichtigte Betriebsweise erforderlich, weil die Netzspannung während normaler Arbeitstage infolge veränderlicher Belastung des Netzes etwa um den erwähnten Betrag schwanken kann.
Die Arbeitsweise der modifizierten Spannungsverdopplerschaltung ist besser verständlich, wenn zunächst der positive Ausgangsabschnitt betrachtet wird, der aus der Sekundärwicklung TS, dem Gleichrichter SR-2, dem Kondensator C-l und dem Widerstand R-l besteht. Es ist erkennbar. dass bei Halbperioden der einen Polarität Strom über den Gleichrichter fliesst und den Kondensator auflädt. Der Widerstand R-l dient zur Ableitung der Ladung des Kondensators, damit an den Ausgangsklemmen nicht über längere Zeit nach Abschaltung der Eingangsspannung Spannung verbleiben kann ; dieser Widerstandswert ist aber so gross, dass sein Einfluss beim stationären Betrieb vernachlässigt werden kann.
Wenn die Sekundärspannung die Polarität umkehrt, so wird der Gleichrichter nichtleitend und die am Verbraucher liegende Spannung ist dann gleich der Summe derLadungsspannung des Kondensators plus der Sekun-
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därspannung des Transformators. Die resultierende Ausgangsspannung folgt in ihrem Verlauf der Sekundärspannung des Transformators, doch sind die positiven Halbwellen betragsmässig verstärkt und die negativen Halbwellen um die Spannung am Kondensator geschwächt.
Man erkennt so, dass die abgekappte Wellenform des Transformators nicht verzerrt, sondern durch Überlagerung einer Gleichspannungskomponente vorgespannt wird, um so höhere Spannungsberge der einen Polarität zu erzielen. Dadurch wird eine grössere Energiemenge für den Verbraucher erzielt, als dies bei einem Spannungsverlauf mit gleichem Sppnnungsmaximum, aber scharf ausgeprägtem Spitzenwert der Fall wäre. Der Vorteil der abgekappten Wellenform ist besonders verständlich, wenn man bedenkt, dass die effektive Leistung, die für die Korona-Entladungseinrichtungen zur Verfügung steht, ungefähr dem Quadrat der Über dem Schwellenwert vorhandenen Spannungswerte integriert über die Zeit ist und der zulässige Maximalwert der Spannung durch die Durchschlagspannung bzw. ZUndspannung begrenzt ist.
Im allgemeinen ist es erwünscht, den Transformator mit Strombegrenzung im Kurzschlussfall auszuführen. Das Ersatzschaltbild des kurzgeschlossenen NetzÅanschlussgerätes besteht nun im wesentlichen aus der Serienschaltung der Transformatorinduktivität und des Kondensators. Wenn die Werte der induktiven und kapazitiven Reaktanz nahezu gleich sind, dann ist die strombegrenzende Impedanz sehr niedrig. Da die Induktivität des Transformators schon im Hinblick auf die gewünschte Ausgangsspannung und die Erfordernisse der stabilisierenden Wirkung des Transformators festgelegt werden muss, kann der Kondensator so bemessen werden, dass er eine überwiegend kapazitive oder induktive Gesamtimpedanz ergibt, um den Kurzschlussstrom zu begrenzen. Die Wahl des Kondensators beeinflusst die Gestalt der Belastungskurve wie folgt :
A.
Wenn eine induktive Gesamtreaktanz gewählt wird, so ist die Ausgangsspannung für Belastungsströme bis zu einem bestimmten Wert, der von der Bemessung des Transformators abhängt, nahezu konstant und sie sinkt sodann bei einem Kurzschlussstrom, der nicht stärker als einige 100% des normale : 1 Nennlaststromes beträgt, scharf gegen Null ab. Dieser Effekt beruht darauf, dass die hohe Reaktanz des Transformators durch einen magnetischen Nebenschluss mit einem in Serie liegenden Luftspalt erzeugt wird.
Der magnetische Nebenschluss befindet sich zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung und hat die Tendenz, die Kopplung zwischen diesen Wicklungen herabzusetzen bzw. den Innenwiderstand der Ersatzschaltung zu erhöhen, ausgenommen bei Nennlast, wo der Luftspalt dem Fluss zwischen den beiden Wicklungen eine hohe Reluktanz (Impedanz des magnetischen Kreises) darbietet und eine enge Kopplung zwischen den beiden Wicklungen herbeiführt.
Wenn der Sekundärstrom (Beiastungsstrom) zunimmt, so wächst die Flussdichte im sekundären Teil des magnetischen Kernes an und bewirkt so, dass die primären Fluss- und Stromdichten anwachsen, wobei die primären und sekundären Fusse gegensinnig sind, so dass der in Serie liegende Luftspalt im magnetischen Nebenschluss nicht eine so hohe Reluktanz im Vergleich mit dem eigentlichen Kern, der die Primärwicklung mit der Sekundärwicklung koppelt, darstellt und daher der Fluss über den Nebenschluss abgeleitet wird, was zur Verminderung der Kopplung führt.
B. Wenn eine kapazitive Gesamtreaktanz gewählt wird, so sinkt die Ausgangsspannung längs einer geraden Linie vom Leerlaufwert auf Null bei Kurzschlussstrom ab. Da der Kondensator zur Strombegrenzung im Kurzschlussfall verwendet wird, sinkt die Sekundärspannung des Transformators bei Kurzschluss nicht auf Null ab, weil dann der Kondensator eine Belastung für den Transformator darstellt und ein zusätzlicher Kurzschlussweg über den Gleichrichter und einen Teil der Sekundärwicklung des Transformators besteht. Der Kurzschlussstrom über den Gleichrichter ist um das (reziproke) Verhältnis der sekundären Windungszahlen grösser als im vorstehend diskutierten Falle A.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Transformator den Sekundärfluss begrenzt, der eine Funktion des Produktes aus Strom und Windungszahl des Transformators ist. Um daher den Sekundärstrom zu begrenzen, ist es erforderlich, einen Widerstand in Serie mit dem Gleichrichter (vgl. Widerstand R-2 und Gleichrichter SR-1 im negativen Teil der Ausgangsschaltung) anzuwenden.
Für die Anwendung in dem in Fig. l gezeigten xerographischen Gerät muss das Netzanschlussgerät ausreichend Strom für zwei positive Korona-Entladungseinrichtungen liefern, weshalb die strombegrenzende Wirkung des Transformators, wie im Schaltbild nach Fig. 2 dargestellt, für zwei positive Ausgangsspannungen ausgelegt worden ist. Der negative Ausgang erfordert keinen starken Strom, und überdies ist es hier erwünscht, einen konstanten Strom bei den zu erwartenden Schwankungen des Luftdruckes, der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit usw., aufrechtzuerhalten.
Die steile Lastregelkurve (nahezu eine gerade Linie), die für den Belastungsstrom bei kapazitiver Reaktanz erzielt wird, ergibt eine nur geringe Änderung des Belastungsstromes bei Änderung der Betriebsbedingungen innerhalb eines weiten Bereiches, so dass der Kondensator C-2 zur Begrenzung des Kurzschlussstromes dient.
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Wie bekannt, sind das Schwellenpotential der Korona-Entladung und der Korona-Strom eines erregcen Drahtes vom Drahtdurchmesser abhängig. Beim dargestellten xerographischen Gerät sind die Drahtstärken der Korona-Entladungseinrichtungen so gewählt, dass das positive Schwellenpotential +Us der Korona-Entladungseinrichtung 21 und der Korona-Übertragungseinrichtung 64 ungefähr 4000 V und das negative Schwellenpotential-Us der Korona-Vorreinigungseinrichtung 84 ungefähr 3700 V beträgt. Diese Werte der Korona-Schwellenpotentiale ändern sich bei Schwankungen der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltung sind die Werte der verschiedenen Schaltelemente so gewählt, dass bei einer Spannung von 115 V an der Primärwicklung des stabilisierten Transformators T die Ausgangsspannungen die folgenden Werte haben :
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<tb>
<tb> Ausgangsklemme <SEP> :
<SEP> C <SEP> und/oder <SEP> T <SEP> PC
<tb> positiver <SEP> Scheitelwert <SEP> 7300 <SEP> V <SEP> 3300 <SEP> V <SEP> maximal
<tb> . <SEP> negativer <SEP> Scheitelwert <SEP> 3000 <SEP> V <SEP> maximal <SEP> 5800 <SEP> V
<tb>
Da das Korona-Schwellenpotential der Koroaa-Ladeeinrichtung 21 und der Korona-Übertragungs- einrichtung 64 ungefähr 4000 C beträgt, ist aus der vorstehenden Tabelle erkennbar, dass diese Einrichtungen nur eine postive Korona-Entladung ergeben, da'die maximale negative Scheitelspannung von 3000 V unterhalb des Schwellenpotentials dieser Einrichtungen liegt. Inanaloger Weise gibt die KoronaVorreinigungseinrichtung 84 nur eine negative Korona-Entladung ab, da die maximale positive Scheitelspannung von 3300 V kleiner als das Korona-Schwellenpotential dieser Einrichtung ist.
FUr andere Anwendungsfälle, beispielsweise wenn eine Bogenbildung an einem Korona-Draht erwünscht ist oder toleriert werden kann, ist es möglich, an Stelle des stabilisierten Transformators T gemäss Fig. 4 einen gewöhnlichen Transformator zu verwenden. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 dient das Netzanschlussgerät zur Erzeugung einer positiven Scheitelspannung oberhalb der-Schwellenspannung für nur einen mit Ansprechschwelle behafteten Verbraucher, wie beispielsweise fUr die Korona-Ladeeinrichtung 21.
Wie Fig. 4 zeigt, besteht das Netzanschlussgerät aus einem Hochspannungstransformator, der allgemein mit T bezeichnet ist. Die Primärwicklung dieses Transformators ist an eine geeignete Wechselstromquelle angeschlossen, wie beispielsweise an ein Netz mit 110 V und 60 Hz.
Die Sekundärwicklung ist mit drei Anzapfungen TS-lbisTS-3 versehen. Die Anzapfung TS-3 steht mit einer geerdeten Klemme in Verbindung und bildet den Bezugspol für den Hochspannungsstromkreis mit der Klemme C, die mit der Korona-Ladeeinrichtung 21 verbunden ist.
Die Anzapfung TS-1 des Transformators ist direkt mit einer Klemme eines Kondensators C-l verbunden. Die andere Klemme des Kondensators C-1 ist an die Ausgangsklemme C und an eine
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mit der Anzapfung TS-3 der Sekundärwicklung des Transformators verbunden.
Wie dargestellt, ist die ausgangsseitige Klemme des Kondensators C-l mit der Klemme C verbunden, die ihrerseits mit der Korona-Ladeeinrichtung 21 in Verbindung steht, um diese mit einer positiven Scheitelspannung zu beaufschlagen, die oberhalb ihrer Ansprechschwelle liegt. Bei dieser Schaltungsanordnung wird der Kondensator C-1 in jeder zweiten Halbperiode der Sekundärspannung des Transformators über den Gleichrichter SR-1 aufgeladen ; der Gleichrichter hält anderseits die gegensinnigen Halbperioden der Sekundärspannung vom Kondensator C-l ab.
Infolge der so bewirkten Aufladung des Kondensators C-l stellt die Ausgangsspannung, gesehen zwischen der Korona-Ladeeinrichtung 21 und Erde, eine Wechselspannung mit einer Gleichspannungskomponente dar, die dem Ladepotential des Kondensators C-1 entspricht.
Im Ausgang der Schaltung ist zwar eine Korona-Ladeeinrichtung gezeichnet, doch soll diese Einrichtung allgemein nur als Beispiel fUr eine mit Ansprechschwelle behaftete Belastung dienen und kann durch andere Verbraucher dieser Art ersetzt werden. Die Hochspannungsquelle eignet sich zur Erzeugung einer einer Gleichspannungskomponente überlagerten Wechselspannung an einer Ausgangsklemme, wobei die Polarität der Gleichspannungskomponente von der Polung des in der Schaltung enthaltenen Gleichrichters abhängt.
Beispielsweise liefert die in Fig. 4 dargestellte Gleichrichterpolung eine positive Gleichspannungskomponente, die von einer Wechselspannúng überlagert wird. Überdies sei noch erwähnt, dass analog der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ein normaler Transformator mit mehreren Anzapfungen verwendet werden kann, um an zwei Verbraucher mit Ansprechschwelle eine positive und eine negative Scheitelspannung abzugeben.
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Mit der erfindungsgemässen Schaltungsariordnung wird eine Korona-Entladung (oder ein ähnliches Phänomen) erhalten, die gleichwertig der ist, welche mit einer gefilterten Gleichspannung von einer üblichen Spannungsverdopplerschaltung (der bisher als am wirtschaftlichsten gewerteten Methode der Spannungserzeugung für den angegebenen Zweck) erzielbar ist, bei der aber (A) die Sperrspannung des gleichrichtcnden Elementes um den Faktor 4 vermindert ist, was zu einer erheblichen Kostenverminderung führt ; (B) die Anzahl der Bestandteile der Schaltung um ein gleichrichtendes Element sowie um einen Kondensator je positiven oder negativen Ausgang vermindert ist, was eine weitere Kostenverminderung ergibt und dazu führt, dass das Gerät betriebssicherer ist ;
(C) der Gesamtwirkungsgrad der Korona-Schaltung verbessert ist, weil die Anwendung wirksamerer Korona-Entladungseinrichtungen möglich ist ; um einen stabilen Korona-Strom zu erhalten, ist es erforderlich, Spannungen anzuwenden, die etwas über der Korona-Schwelle liegen. die beschriebene Schaltung erfordert für einen stabilen Korona-Spannungspegel niedrigere Stromwerte und lässt so die Auswertung eines höheren Prozentsatzes des gesamten Korona-Stromes für die Entladung usw. zu : (D) die gleichrichtenden Elemente liegen nicht direkt in Serie mit den Ausgängen, so dass ein allfälliger Kurzschlussstrom nicht über diese Elemente verläuft.
Es ist bekannt, dass das Schwellenpotential von Korona-Entladungen und der Korona-Strom eines erregten Drahtes von der Drahtstärke abhängen.
Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf spezielle Schaltungen beschrieben worden, die aber im Rahmen dur Erfindung noch verschiedene Abwandlungen zulassen. Beispielsweise kann die Schaltung nach Fig. 2 mit einem einzigen, entweder positiven oder negativen Ausgang ausgelegt werden, indem einfach der nicht erforderliche Schaltungsteil weggelassen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochspannungsquelle zur Erzeugung einer einer Gleicbspannungskomponente überlagerten Wechselspannung an einem Ausgangsklemmenpaar-insbesondere für xerographische Geräte, gekennzeich- net durch einen gegebenenfalls stabilisierten Transformator (T), dessen Primärwicklung (TP) an eine Wechselstromquelle (Netz) anschaltbar ist und d & ssenSekundärwicklung (TS) mehrere Anzapfungen (TS-l, TS-2 usw.) aufweist, durch einen zwischen einer ersten Anzapfung (TS-1) der Sekundärwicklung und der einen Ausgangsklemme (+c) liegenden Kondensator (C-l) und durch ein in Serie mit diesem Kondensator geschaltetes und mit einer zweiten Anzapfung (TS-2)
der Sekundärwicklung verbundenes gleichrichtendes Element (SR-1), wobei die andere Ausgangsklemme (GND) mit einer dritten Anzapfung (TS-3) der Sekundärwicklung verbunden ist (Fig. 4).