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Die
Erfindung betrifft eine Plasmaanlage, insbesondere eine Plasma-Beschichtungsvorrichtung,
bei der ein Lichtbogen und/oder ein Durchschlag zwischen mindestens
einem Elektroden-Paar auftreten kann, wobei die Plasmaanlage eine
elektrische Versorgungseinheit mit einer elektrischen Energiequelle,
deren Ausgangsanschlüsse
mit den Elektroden der Plasmaanlage verbunden sind, und eine Steuerschaltung
zum Erkennen des Auftretens des Lichtbogens bzw. des Durchschlags
umfasst.
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Bei
Auftreten des Lichtbogens bzw. des Durchschlags unterbricht die
Steuerschaltung die Energiezufuhr zu den Ausgangsanschlüssen und
die elektrische Energiequelle wechselt von einem Last-Zustand in
einen Leerlauf-Zustand.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer
elektrischen Versorgungseinheit für eine Plasmaanlage, insbesondere
eine Plasma-Beschichtungsvorrichtung, bei der ein Lichtbogen und/oder
ein Durchschlag zwischen mindestens einem Elektrodenpaar auftreten
kann, mit einer elektrischen Energiequelle, deren Ausgangsanschlüsse mit
den Elektroden der Plasmaanlage verbunden sind, und mit einer Steuerschaltung
zum Erkennen des Auftretens des Lichtbogens bzw. des Durchschlags,
welche bei Auftreten des Lichtbogens bzw. des Durchschlags die Energiezufuhr
zu den Ausgangsanschlüssen
unterbricht und die elektrische Energiequelle von einem Last-Zustand in einen Leerlauf-Zustand
versetzt.
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Plasmaanlagen,
für die
die elektrische Versorgungseinheit bestimmt ist, werden beispielsweise zum „Besputtern" oder Beschichten
von beispielsweise CDs, DVDs, Computer-Festplatten, Fensterscheiben,
Brillengläsern,
Folien, elektronischen Bauteilen und Textilien eingesetzt. Derartige
Anlagen oder Einheiten haben eine elektrische Leistung in der Größenordnung
von ca. einigen kW bis zu mehr als 100 kW. Die an die Elekt roden
angelegte Betriebsspannung liegt dabei typischerweise in der Größenordnung
von 300 V bis 1000 V, insbesondere von 500 V. Selbstverständlich sind
dabei Abweichungen nach oben und/oder unten möglich. In der Offenlegungsschrift
DE 102 08 173 A1 ist
beispielsweise eine solche elektrische Versorgungseinheit beschrieben.
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Bei
der Entwicklung von elektrischen Versorgungseinheiten oder „DC Plasma
Power Supplies" stehen
die Entwickler neben beispielsweise folgenden verschiedenen konkurrierenden
Zielen:
- a) Reduzierung einer Ripple-Spannung
am Ausgang der elektrischen Versorgungseinheit oder eines Schaltnetzteils,
damit die für
einen Beschichtungsprozess notwendige Spannung einen möglichst
geringen Oberwellengehalt aufweist, welcher für eine exakte Messung der in
den Prozess, insbesondere in den Plasmaprozess, eingebrachten Energie
vorteilhaft ist,
- b) Reduzierung der Lichtbogen- und/oder Durchschlags-Energie, welche dem
Fachmann auch als ARC-Energie bekannt ist, um beispielsweise Beschädigungen
an den zu beschichtenden Oberflächen
und/oder an den Elektroden zu vermeiden,
- c) Bereitstellung großer
Zündspannungen,
damit beispielsweise auch oxidierte oder verschmutzte Elektroden
sicher zünden,
auch
dem Ziel
- d) Reduzierung einer effektiven Beschichtungszeit gegenüber.
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DE 199 37 859 A1 beschreibt
eine elektrische Versorgungseinheit mit einer Spannungs-Unterbrechungsschaltung,
welche aber aufgrund von Spannungsinversionen zu unerwünschten
Effekten, beispielsweise „Mousebites", führen kann.
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In
US 5,535,906 und
EP 1 195 793 A2 sind
je eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, welche in einer
aufwändigen
Art und Weise die Häufigkeit
von Lichtbögen
unterdrücken.
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DE 196 23 654 A1 beschreibt
einen Lichtbogen-Steuer- und Umschaltelementschutz, welcher eine
Umkehr-Vorspannung an die Elektroden anlegt.
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In
EP 0 692 138 B1 sind
eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, welche mit einer
Umkehrspannung Lichtbögen
vermeidet und unterdrückt ohne
den Plasmaprozess auszulöschen.
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Bei
den bekannten Verfahren oder Vorrichtungen ist es von Nachteil,
dass entweder der Aufwand zur Unterdrückung und/oder Vermeidung von Lichtbögen immens
hoch ist, oder dass die Totzeit nach Auftreten eines Lichtbogens
und somit die effektive Beschichtungszeit unerwünscht lang ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einfacher Weise
Störungen
und/oder Schäden
durch eine zu hohe Lichtbogen- und/oder Durchschlagsenergie zu unterdrücken und
gleichzeitig die Beschichtungszeit zu verkürzen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Plasmaanlage, insbesondere bei einer Plasma-Beschichtungsvorrichtung,
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Leerlauf-Zustand
bis zu einem Zeitpunkt dauert, der nach jeder Unterbrechung jeweils
dadurch gegeben ist, dass ein – vorgegebener,
voreingestellter oder voreinstellbarer – Stromgrenzwertes eines Stromes,
welcher über
die Elektroden fließt,
erreicht ist.
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Durch
eine gleichzeitige Betrachtung des Stromes und einer Ausschalt-Zeit,
welche bislang fest parametriert war, wurde bei bekannten Vorrichtungen
in einer „blinden
Art und Weise" die
Energiezufuhr periodisch unterbrochen. Mit einer Sensorik zur Feststellung
des frühesten
Zeitpunktes für
ein Wiedereinschalten lässt
sich mit der Erfindung solch eine Anlage wirtschaftlicher betreiben,
da Maßnahmen
zur Verkürzung
der Beschichtungszeit quasi abhängig
von der Energie des Lichtbogens, also dynamisch oder ereignisabhängig, ergriffen
werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist, dass ein Zustandswechsel von dem Leerlauf-Zustand
in den Lastzustand abhängig
vom aktuellen Betrag des Stromes und/oder vom aktuellen Betrag der
an den Elektroden anliegenden Spannung ist. Mit Vorteil ist so gewährleistet,
dass vorzugsweise durch eine Betrachtung und Auswertung des Stromes
eine Verzögerung
zwischen dem Zustandswechsel besonders minimiert ist.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
ist die Steuerschaltung zur Messung des Stromes und/oder einer an
den Elektroden anliegenden Spannung hergerichtet. Vorteilhaft kann
beispielsweise der Strom über
einen Stromwandler mit einem nachgeschalteten Stromnullwert-Komparator
bewertet werden. Alternativ kann der Zustandswechsel auch durch
eine Spannungsmessung oder eine kombinierte Spannungs- und Strommessung
ausgelöst
sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerschaltung über einen
Steuerausgang, welcher mit der elektrischen Energiequelle verbunden
ist, für
den Zustandswechsel hergerichtet. Vorzugsweise ist der Steuerausgang
mit einem wie in
DE
102 08 173 A1 beschriebenen Wechselrichter verbunden und
kann den Wechselrichter, welcher Bestandteil der elektrischen Energiequelle
ist, aktivieren oder deaktivieren.
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Die
verfahrensgemäße Aufgabe
wird bezogen auf das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass
nach
Erkennen des Auftretens des Lichtbogens bzw. des Durchschlags
- a) ein Strom, welcher über die Elektroden fließt, mit
einem vorgegebenen Stromgrenzwert verglichen wird, und/oder
- b) eine Spannung, welche an den Elektroden anliegt, mit einem
vorgegebenen Spannungsgrenzwert verglichen wird, und
- c) bei Erreichen des Stromgrenzwertes bzw. des Spannungsgrenzwertes
die Unterbrechung aufgehoben wird.
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Ähnlich einer
Regelungseinrichtung kann somit ohne eine nennenswerte Verzögerung die
Energiezufuhr für
den in einem Op timalfall kontinuierlich ablaufenden Plasmaprozess
oder Beschichtungsprozess nach einem Lichtbogen wieder zugeschaltet werden.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung wird ein Zustandswechsel, von
dem Leerlauf-Zustand in den Lastzustand, in Abhängigkeit vom aktuellen Betrag
des Stromes ausgelöst.
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Mit
Vorteil ist so gewährleistet,
dass eine Verzögerung
zwischen dem Zustandswechsel besonders minimiert wird.
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Alternativ
kann der Zustandswechsel, von dem Leerlauf-Zustand in den Lastzustand,
in Abhängigkeit
vom aktuellen Betrag der Spannung ausgelöst werden.
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Mit
besonderem Vorteil wird die Versorgungseinheit derart betrieben,
dass der Lichtbogen bzw. der Durchschlag mit Erreichen eines der
Grenzwerte verloschen ist und es wird ein unkontrolliertes Zünden eines
Plasmas durch den Zustandswechsel von dem Leerlauf-Zustand in den
Last-Zustand vermieden. Das kontrollierte Führen eines Sputter-Prozesses
ist für
Qualität
und Güte
der zu veredelnden Oberflächen
von besonderem Vorteil.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist, dass keine fest eingestellte Totzeit nach Auftreten
des Lichtbogens bzw. des Durchschlags verwendet wird. Unter Totzeit
ist die Summe der Zeiten, welche sich aus einem Lichtbogen-Bereich
und aus einem Pausen-Bereich ergibt, zu verstehen. Durch den ereignisabhängigen Zustandswechsel
wird eine Beschichtungszeit eines Materials, insbesondere eines
Bauteils, verkürzt.
Bezogen auf eine Massen und/oder Serienfertigung ist hier durch
die Erfinder ein Einsparpotential im Hinblick auf die Gesamtfertigungszeit
einer bestimmten Losgröße erkannt
worden.
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Zweckmäßig ist,
dass eine Pausenzeit nach Erreichen des Stromgrenzwertes bzw. des
Spannungsgrenzwertes mit einem Wert aus dem Bereich ins bis 10 μs angewendet
wird. Um beispiels weise einem zeitlichen Jitter oder einer zeitlichen
Unschärfe aufgrund
von Bauteilerwärmung,
Exemplarstreuungen von Bauteilen oder EMV-Effekten vorzubeugen wird
die Pausenzeit nicht gänzlich
zu Null gewählt, sondern
auf eine Pausenzeit eingestellt, die dem Zeit- und/oder dem Frequenzverhalten
der elektrischen Versorgungseinheit und der Plasmaanlage entspricht.
Wobei dabei auch durchaus eine Pausenzeit mit annähernd Null
vorkommen kann.
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Vorzugsweise
wird die elektrische Versorgungseinheit mit einem Tastverhältnis im
Bereich zwischen 92 % und 98 %, insbesondere im Bereich von 95 %,
betrieben. Ein hohes Tastverhältnis
erlaubt eine optimale Dimensionierung von Filterelementen und einen
vorteilhaften Einsatz von beispielsweise einem Ausgangskondensator
und einer Ausgangsinduktivität.
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Ein
bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist
die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und
gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Im Einzelnen
zeigt die
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1 eine
Plasmaanlage mit einer elektrischen Versorgungseinheit,
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2 Spannungs-
und Stromverläufe
an Elektroden einer Plasmaanlage nach dem Stand der Technik, und
die
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3 einen
Stromverlauf an den Elektroden der Plasmaanlage der 1.
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1 zeigt
eine elektrische Versorgungseinheit
1 mit einer Energiequelle
100.
Die Energiequelle
100 mit ihren Ausgangsanschlüssen A
+, A
– ist ein Schaltnetzteil,
wie es beispielsweise in
DE
102 08 173 A1 beschrieben ist. Der positive Ausgangsanschluss
A
+ des Schaltnetzteils
100 ist
mit einer Elektrode, der Anodenelektrode
4, einer Plasmaanlage
2 verbunden.
Der negative Ausgangsanschluss A
– ist über eine
Induktivität
L mit einer weiteren Elektrode, der Kathodenelektrode
5,
der Plasmaanlage
2 verbunden. Über die Elektroden
4 und
5 fließt ein Strom I,
welcher einen Spannungsabfall U zur Folge hat.
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Die
Versorgungseinheit 1 weist weiterhin eine Steuerschaltung 8 auf,
die für
drei Aufgaben hergerichtet ist:
- 1. Erfassen
des Stromes I und der Spannung U mittels einer Strommesseinrichtung 15 und
einer Spannungsmesseinrichtung 16.
- 2. Bewerten der Messgrößen nach
mindestens einer der Kriterien: Spannungseinbruch, Überschreiten
einer maximalen Spannungsgrenze, Unterschreiten einer minimalen
Spannungsgrenze, Erfassen eines schnellen Stromanstiegs, Überschreiten
einer maximalen Stromgrenze und Unterschreiten einer minimalen Stromgrenze.
- 3. Steuern des Schaltnetzteils 100.
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Mittels
zweier Messeingänge
nimmt die Steuerschaltung 8 die Strom- und Spannungswerte
I, U der Messeinrichtungen 15 und 16 entgegen
und überwacht
diese auf ein Eintreten eines Lichtbogens 3 – auch als
ARC bezeichnet. Ist ein solcher detektiert, wird über einen
Steuerausgang 10 der Steuerschaltung 8 das Schaltnetzteil 100 in
einen Leerlauf-Betrieb versetzt, d.h. ein Ausgangsgleichrichter 14 des
Schaltnetzteiles 100 wird nun im Freilauf betrieben und
ein Wechselrichter des Schaltnetzteils 100 wird deaktiviert.
Es gelangt nun keine weitere Energie mehr über die Ausgangsklemmen A+ und A– zur Plasmaanlage 2.
Der Wechselrichter kann also über
den Steuerausgang 10 aktiviert oder deaktiviert werden.
Eine Aktivierung bedeutet, dass ein Energiefluss zu den Ausgangsanschlüssen A+ und A– gewährleistet ist. Eine Deaktivierung
bedeutet, dass der Energiefluss zu den Ausgangsanschlüssen A+ und A– unterbrochen ist. Ein
Kondensator C ist als Filterelement zwischen die Ausgangsanschlüsse A– und
A+ geschaltet.
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Bei
Auftreten eines Lichtbogens 3 bricht die Spannung U von
einer Plasma-Spannung von ca. 500 V auf einen Bereich einer Lichtbogenspannung um
ca. 80 V ein. Dies ist die Spannung, bei der der Lichtbogen brennt.
Ist der Lichtbogen 3 also über eine Grenzwertdefinition
mittels der Steuerschaltung 8 erkannt worden und der Energiefluss
zu den Ausgangsklemmen A+ und A– unterbrochen,
dann kann sich eine in der Induktivität L gespeicherte Energie als
Stromfluss über
den Ausgangsgleichrichter 14 mit dem parallel geschalteten
Kondensator C über
die Elektroden 4 und 5 entladen. Der durch die
Induktivität
L getriebene Strom I nähert
sich dem Stromgrenzwert IAUS = 0. Mit Erreichen
des Stromgrenzwertes IAUS = 0 kann sicher
gesagt werden, dass der Lichtbogen 3 verloschen ist. Gleichzeitig
sinkt die Lichtbogenspannung, welche zuvor einen Wert von ca. 80
V hatte auch annähernd
auf Null. Der Strom I und die Spannung U haben den Zeitpunkt des
Verlöschens 42 (s. 2)
erreicht. Von nun an wird die Energiezufuhr des Schaltnetzteils 100 zu
den Ausgangsklemmen A+ und A– wieder
frei geschaltet. Nach dem Zeitpunkt des Verlöschens 42 kann ein
neuer Plasma-Brennprozess gestartet werden.
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Eine
nach dem Stand der Technik fest vorgegebene Wartezeit bis zum nächsten Wiedereinzünden des
Plasmas ist mit der Erfindung hinfällig geworden. Da die Wartezeit
von dem zu beschichtenden Material, dem Plasma-Gas-Gemisch, dem
Plasma-Druck und
der Reinheit des Sputter-Materials abhängt, musste früher eine
großzügige Reserve
auf die Wartezeit nach einem Lichtbogen aufgerechnet werden, um
jeder Materialeigenschaft gerecht zu werden. Eine fest vorgegebene
Wartezeit ist erfindungsgemäß nicht
mehr notwendig.
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2 zeigt
den Stromverlauf 34 des Stromes I, welcher über die
Elektroden 4 und 5 aus 1 fließt und den
Spannungsverlauf 30 der Spannung U, welche zwischen den
Elektroden 4 und 5 aus 1 messbar
ist. Die Kurven 30 und 34 repräsentieren einen Spannungsverlauf
U bzw. einen Stromverlauf I, die sich ohne die erfindungsgemäße Grenzwertüberwachung
und das dadurch bedingte Zuschalten des Wechselrichters, also nach
dem Stand der Technik, an der Vorrichtung gemäß 1 ergeben
würden.
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Die
Kurvenverläufe
lassen sich grundsätzlich in
vier Bereiche aufteilen: einen Plasma-Bereich 20, einen
Lichtbogen-Bereich 21, einen Pausen-Bereich 22 und
einen Zünd-Bereich 23.
Der dargestellte Spannungsverlauf 30 startet im Plasma-Bereich 20 mit
der Plasma-Spannung von 500 V. Beim Auftreten eines Lichtbogens 3 zum
Zeitpunkt 40 bricht die Spannung U von der Plasma-Spannung
auf die Lichtbogenspannung von ca. 80 V ein. Der Spannungsverlauf 30 wechselt
von dem Plasma-Bereich 20 in den Lichtbogen-Bereich 21.
Für den
Stromverlauf 34 gilt im Plasma-Bereich 20 eine
Stromstärke
von ca. 10 A, welche man auch als Plasma-Strom bezeichnen kann.
Mit Auftreten des Lichtbogens 3 zum Zeitpunkt 40 erfährt der
Strom I eine etwa 10%ige Erhöhung,
fällt aber
sodann kontinuierlich bis zu einem Zeitpunkt des Verlöschens 42 des
Lichtbogens 3 ab. Mit Ende des Lichtbogen-Bereichs 21 ist
die Spannung U annähernd
zu Null geworden auch der Stromverlauf 34 des Stromes I
hat seinen Nullpunkt erreicht und damit ist der Lichtbogen verloschen.
Es folgt ein fest eingestellter Pausenbereich 22, in dem
die Spannung U und der Strom I Null bleiben, bis zu einem Zündbereich 23.
Im Zündbereich 23 steigen
Strom und Spannung auf ihre Plasma-Werte an und der Plasma-Betrieb
kann im Plasma-Bereich 20 weiterlaufen. Der Pausenbereich 22 ist – zusammen
mit dem Lichtbogen-Bereich 21 – derart eingestellt, dass auch
stärkere
Lichtbögen
(3), deren Stromverläufe 34', 34'' beispielhaft gestrichelt eingezeichnet
sind, noch sicher innerhalb des Pausenbereichs 22 erlöschen.
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Die
nach dem Stand der Technik fest vorgegebene Tot- oder Wartezeit
bis zum nächsten
Wiedereinzünden
des Plasmas, welche den Lichtbogenbereich 21 und den Pausenbereich 22 abdeckt,
kann nun erfindungsgemäß erheblich
verkürzt
werden.
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3 zeigt
diese Verkürzung.
Der Stromverlauf 34 aus 2 ist dem
Stromverlauf 35 bis zum Erreichen des Zeitpunktes des Verlöschens 42 ähnlich.
Nach Erreichen des Zeitpunktes des Verlöschens 42 bleibt der
Strom I des Stromverlaufs 35 für eine Zeit, die einem Sicherheitsbereich 22a entspricht,
Null. Die Zeit des Sicherheitsbereichs 22a beträgt 1 μs, wird aber
vorzugsweise zu Null gewählt. Auch
die Ströme
bei denen kleinere Lichtbögen
auftreten, deren Stromverläufe 35a, 35b beispielhaft
gestrichelt in 3 eingezeichnet sind, können mit
der Erfindung nach Erkennen eines Lichtbogens 3 und seinem
Verlöschen
unverzüglich
auf ihren angestrebten prozessbedingten Plasma-Strom gebracht werden.
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Durch
die Messung von Strom I und Spannung U gemäß 1 und die
Auswertung der Strom- und Spannungswerte hinsichtlich eines tatsächlichen Verlöschens des
Lichtbogens kann der Pausenbereich 22 (siehe 2)
in seiner Zeitausdehnung auf einen Bruchteil 22a der bisherigen
Zeitausdehnung verkleinert oder ganz auf Null gesetzt werden. Mit
Erreichen des Zeitpunktes des Verlöschens 42 kann der
Zündbereich 23 unmittelbar
an den Lichtbogenbereich 21 anschließen. Der bei bekannten Verfahren
aus Unkenntnis über
den richtigen Zeitpunkt für ein
Wiedereinzünden
des Plasmas großzügig gewählte Pausenbereich 22 (siehe 2)
ist nicht mehr notwendig.
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Weiterhin
sind die Zeiten stark materialabhängig und ohne das erfindungsgemäße Bestimmen des
Wiedereinschaltzeitpunktes konnte es auch dazu kommen, dass der
fest vorgegebene Pausenbereich 22 nicht ausreichte und
somit zu früh
die Energiezufuhr eingeschaltet wurde. Durch den fortlaufend zu früh gestarteten
Plasmaprozess, welcher dadurch unmittelbar wieder in den ungewollten
Zündbereich wechselte,
wurde eine Gesamtfertigungszeit unnötig verzögert.