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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anregung einer Gaslaseranordnung
mit mehreren HF-Signalen und eine Laseranregungsanordnung, umfassend
eine Gaslaseranordnung mit mehreren Elektroden bzw. Elektrodenpaaren
zur Leistungsversorgung der Gaslaseranordnung, sowie zumindest zwei
zumindest ein HF-Signal erzeugenden HF-Generatoren, an die jeweils
eine oder mehrere Elektroden bzw. Elektrodenpaare angeschlossen
sind.
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Es
ist bekannt, zur Laseranregung HF-Leistungsgeneratoren zu verwenden
und bei einer Frequenz von 13,56 MHz zu betreiben. Zur Leistungsregelung
wird Pulsbetrieb genutzt, das heißt, die Laserleistung mit der
Grundfrequenz von 13,56MHz wird mit einer Pulsfrequenz von z.B.
10Hz bis 100kHz pulsierend ein- und ausgeschaltet. Die maximale
Pulsfrequenz ist von der Grundfrequenz abhängig und kann nicht beliebig
erhöht
werden, vor allem da der Generator eine gewisse Zeit zum Ein- und
Ausschwingen beim Pulsen braucht.
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Ein
derartiger HF-Leistungsgenerator ist beispielsweise aus der
US 2005/0088855 A1 bekannt. Hierbei
wird ein einziger Leistungsgenerator verwendet, um die gesamte Anregungsleistung
zu erzeugen. Sie wird auf die einzelnen Elektroden an den Gaslaserröhren mit
Splittern verteilt. Nachteilig an derartigen HF-Leistungsgeneratoren
ist, dass sie aufgrund der hohen Grundfrequenz mit teuren Komponenten
aufgebaut werden müssen.
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Beispielsweise
aus der
US 4,823,350 ist
es bekannt, mehrere Elektroden an einer Gaslaserröhre vorzusehen,
wobei jeder Elektrode ein eigener HF-Generator zugeordnet ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Betrieb einer Laseranordnung bereitzustellen, mit denen eine
geringe Welligkeit der Laserleistung erreicht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei zumindest zwei gepulste
HF-Signale erzeugt werden und zumindest zwei Elektroden oder Elektrodenpaare
der Gaslaseranordnung mit jeweils einem gepulsten HF-Signal versorgt
werden, wobei zumindest zwei Elektroden oder Elektrodenpaare mit
zueinander phasenversetzt gepulsten HF-Signalen versorgt werden.
Dies ist so zu verstehen, dass zumindest zwei gepulste HF-Signale
erzeugt werden, die zeitlich versetzt an zumindest zwei Elektroden
oder Elektrodenpaare geliefert werden. Durch den zeitlichen Versatz
der gepulsten HF-Signale ist es möglich, relativ niedrige Pulsfrequenzen
zum Pulsen der HF-Signale zu verwenden. Dies wiederum ermöglicht es, HF-Generatoren
mit einer relativ niedrigen Grundfrequenz, insbesondere < 10 MHz zu verwenden.
Derartige HF-Generatoren können
mit kostengünstigeren
Treiberbausteinen und Ausgangsverstärkern aufgebaut werden. Somit
ist es möglich,
Laserleistung mit einer geringen Welligkeit zu erzielen. Dies bedeutet,
dass die (niedrige) Pulsfrequenz in einer Laserschweißnaht nicht
mehr sichtbar ist.
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Die
Welligkeit wird nicht nur am Ausgang (=Laser) erniedrigt, sondern
auch am Eingang. Das hat Vorteile bei der pulsartigen Belastung
des Stromversorgungsnetzes. Wird ein Stromversorgungsnetz pulsförmig mit
großen
Leistungen belastet, so hat das Auswirkungen auf die Spannung im Netz.
Dadurch können
andere Geräte,
die ebenfalls am Netz hängen,
gestört
werden.
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Bei
einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante kann vorgesehen sein,
dass die phasenversetzten gepulsten HF-Signale erzeugt werden, indem
HF-Signale erzeugende
HF-Generatoren phasenversetzt mit einer Pulsfrequenz angesteuert werden.
Die einzelnen Leistungsgeneratoren werden bei einer relativ niedrigen
Grundfrequenz, beispielsweise 3,39 MHz, betrieben und mit einer
relativ geringen Pulsfrequenz von beispielsweise 25 kHz gepulst. Dies
erfolgt jedoch nicht gleichzeitig, sondern phasenversetzt. Dies
bedeutet, dass die HF-Generatoren mit einer phasenversetzten Pulsfrequenz
angesteuert werden. Durch diese Maßnahme wird die Welligkeit
der Ausgangsleistung, also der Laserleistung, reduziert.
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Gemäß einer
Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass ein HF-Generator eine oder
mehrere Elektroden bzw. Elektrodenpaare mit einem gepulsten HF-Signal
versorgt. Wenn mehrere Elektroden beziehungsweise Elektrodenpaare
durch einen HF-Generator gespeist werden, kann die Anzahl zu verwendender
HF-Generatoren reduziert werden. Allerdings sind in diesem Fall
die gepulsten HF Signale einiger Elektroden nicht phasenversetzt.
Dies bedeutet, dass die Pulsfrequenz und damit die Grundfrequenz
nicht soweit reduziert werden können,
wie bei HF-Generatoren,
die nur eine Elektrode beziehungsweise einen Elektrodenpaar speisen.
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Eine
Verfahrensvariante zeichnet sich dadurch aus, dass alle Elektroden
bzw. Elektrodenpaare mit zueinander phasenversetzt gepulsten HF-Signalen
versorgt werden. Dies ist insbesondere dadurch realisierbar, dass
jeweils ein HF-Generator einer Elektrode beziehungsweise einem Elektrodenpaar zugeordnet
ist, so dass die gepulsten HF-Signale aller Elektroden beziehungsweise
Elektrodenpaare zeitlich versetzt sind.
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Bei
einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die phasenversetzt
gepulsten HF-Signale erzeugt werden, indem ein HF-Signal zeitlich versetzt
auf unterschiedliche Elektroden bzw. Elektrodenpaare geschaltet
wird. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass am
Ausgang des HF-Generators
ein HF-Schalter vorgesehen ist, der mit der Pulsfrequenz geschaltet
wird.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn das Tastverhältnis zumindest eines gepulsten
HF-Signals eingestellt wird. Durch diese Maßnahme kann die von dem HF-Generator
abgegebene Leistung und somit auch die Laserleistung eingestellt
werden. Insbesondere kann eine genauere Anpassung einer Ist-Leistung an eine
Soll-Leistung erfolgen. Vorzugsweise kann das Tastverhältnis von
jedem gepulsten HF-Signal eingestellt werden. Insbesondere ist es
möglich, für die von
unterschiedlichen HF-Generatoren erzeugten gepulsten HF-Signale
unterschiedliche Tastverhältnisse
vorzusehen, um auf diese Weise eine geringere Welligkeit der Laserleistung
zu erzielen.
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Eine
weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit,
die von einem HF-Generator
abgegebene Leistung und somit auch die Laserleistung einzustellen
besteht darin, die Pulsfrequenz zumindest eines gepulsten HF-Signals einzustellen.
Vorzugsweise wird eine Plusfrequenz im Bereich 0,05Hz-30kHz, besonders
bevorzugt im Bereich 0,1Hz-25kHz eingestellt.
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Zusätzlich zu
den oben genannten Möglichkeiten,
die Leistungen einzustellen, bietet das erfindungsgemäße Verfahren
die Möglichkeit,
die Laserleistung dadurch einzustellen, dass der Phasenversatz zwischen
den gepulsten HF-Signalen eingestellt wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Einstellung des Tastverhältnisses,
der Pulsfrequenz und/oder des Phasenversatzes unter Berücksichtigung
einer in die Gaslaseranordnung gelieferten Ist-Leistung und einer
zu liefernden Soll-Leistung
erfolgt. Dies bedeutet, dass die Ist-Leistung vorzugsweise ermittelt
bzw. erfasst wird. Bevorzugt erfolgt die Leistungseinstellung mittels
einer Steuereinrichtung, der die Ist-Leistung zugeführt ist.
Durch die Leistungseinstellung kann die Welligkeit der Ausgangsleistung
beziehungsweise der Laserleistung reduziert werden. Somit kann durch
eine geeignete Einstellung dafür
gesorgt werden, dass auch die Welligkeit im Stromversorgungsnetz
möglichst
gering ist. Auch für
die Einstellung der Welligkeit kann die Steuereinrichtung für die gewünschte Leistung
die bestmögliche
Ansteuerung ermitteln beziehungsweise berechnen.
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Vorzugsweise
werden die HF-Signale mit einer Frequenz im Bereich 1-10 MHz erzeugt.
Dadurch können
die HF-Generatoren, die die HF-Signale erzeugen, kostengünstig aufgebaut
werden.
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In
den Rahmen der Erfindung fällt
außerdem eine
Laseranregungsanordnung, umfassend eine Gaslaseranordnung mit mehreren
Elektroden bzw. Elektrodenpaaren zur Leistungsversorgung der Gaslaseranordnung,
sowie zumindest zwei zumindest ein HF-Signal erzeugenden HF-Generatoren,
an die jeweils eine oder mehrere Elektroden bzw. Elektrodenpaare
angeschlossen sind, wobei zumindest eine Pulseinrichtung zum Pulsen
von HF-Signalen vorgesehen ist und zumindest zwei Elektroden oder
Elektrodenpaare mit zueinander phasenversetzt gepulsten HF-Signalen
versorgt sind. Die HF-Generatoren einer solchen Laseranregungsanordnung
können
bei einer geringen Grundfrequenz und mit einer relativ geringen
Pulsfrequenz betrieben werden, so dass die HF-Generatoren kostengünstig aufgebaut werden können.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass jedem HF-Generator eine Elektrode oder
ein Elektrodenpaar zugeordnet ist. Dadurch können alle Elektroden beziehungsweise
Elektrodenpaare mit zeitlich versetzt gepulsten HF-Signalen versorgt
werden. Dies bedeutet, dass die Welligkeit der Laserleistung erheblich
reduziert werden kann.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, wenn eine Steuereinrichtung vorgesehen ist,
die die zumindest eine Pulseinrichtung ansteuert. Durch diese Maßnahme ist
es möglich,
die Pulsfrequenz für
die gepulsten HF-Signale einzustellen. Dadurch kann gezielt die
Laserleistung, aber auch die Welligkeit der Laserleistung eingestellt
werden. Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung nicht nur die
Pulseinrichtung(en) sondern auch alle HF-Generatoren an. Hierbei ist anzumerken,
dass die Pulseinrichtungen in den HF-Generatoren angeordnet sein
können.
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Eine
Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, dass die zumindest eine Pulseinrichtung
ein Signal mit einer Pulsfrequenz generiert und damit zumindest
einen HF-Generator ansteuert. Auf diese Art und Weise kann ein gepulstes
HF-Signal besonders einfach generiert werden. Die Plusfrequenz liegt
vorteilhafterweise im Bereich 0,05Hz-30kHz, besonders bevorzugt
im Bereich 0,1Hz-25kHz.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine
Leistungsmesseinrichtung zur Messung der Laserleistung vorgesehen
ist, die mit der Steuereinrichtung in Verbindung steht. Aufgrund
dieser Rückkopplung
ist es möglich,
mittels der Steuereinrichtung die HF- Generatoren so anzusteuern, dass eine
möglichst
gute Anpassung der Ist-Leistung
an die Soll-Leistung erfolgt.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
kann ein gemeinsames DC-Netzteil für mehrere HF-Generatoren vorgesehen
sein. Dadurch können
weitere Kosten eingespart werden. Da sich die Laserleistung u.a.
mittels der Pulsfrequenz einstellen lässt, wird eine Einstellbarkeit
der DC-Spannung für
die Leistungseinstellung nicht benötigt. Insbesondere können alle
HF-Generatoren mit
derselben DC-Spannung versorgt werden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
kann ein Power Factor Correction Glied (PFC-Glied) zur Erzeugung
einer gemeinsamen DC-Spannung vorgesehen sein. Dadurch ist es möglich, die
Laseranregungsanordnung an unterschiedliche Stromversorgungsnetze
anzuschließen.
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Vorzugsweise
ist diesem HF-Generator ein an die gemeinsame DC-Spannung angeschlossenes Leistungseinstellglied
zugeordnet. Das Leistungseinstellglied kann als DC/DC-Wandler ausgebildet
sein, insbesondere als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller.
Wenn durch das PFC-Glied eine hohe DC-Spannung, beispielsweise 750
V, erzeugt wird, wird vorzugsweise als Leistungseinstellglied ein
Tiefsetzsteller verwendet. Durch die Veränderung der Ausgangsspannung
des Leistungseinstellglieds kann die in dem zugeordneten HF-Generator
erzeugte Leistung eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, die
Leistung für
jeden HF-Generator separat einzustellen. Dadurch können in
unterschiedliche Entladungsstrecken, beziehungsweise Abschnitte
der Entladungsstrecke, unterschiedliche Leistungen eingekoppelt
werden. Dies ist beispielsweise bei unterschiedlich dicken Abschnitten
der Entladungsstrecke vorteilhaft.
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Die
Vorteile der Erfindung kommen besonders zum Tragen, wenn die HF-Generatoren ein HF-Signal
im Bereich 1-10MHz erzeugen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche
Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale
können
je einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante
der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und
werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Laseranregungsanordnung;
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2a-2f eine
Darstellung der von vier HF-Generatoren erzeugten gepulsten HF-Signale und
die daraus resultierende Ausgangsleistung.
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3 eine
weitere schematische Darstellung einer Laseranordnung
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1 zeigt
eine Laseranordnung 10 mit einer Gaslaseranordnung 11,
die im Ausführungsbeispiel
vier Elektrodenpaare 12-15 zur Leistungseinspeisung,
beziehungsweise zum Betrieb der Gaslaseranordnung 11, umfasst.
Die Elektrodenpaare 12-15 sind jeweils einem HF-Generator 16-19 zugeordnet
und werden von diesem mit einem gepulsten HF-Signal gespeist. Die
gepulsten HF-Signale werden erzeugt, indem in den HF- Generatoren 16-19 mit einer
Grundfrequenz erzeugte HF-Signale mit einer Pulsfrequenz gepulst
werden. Die Pulsfrequenz stammt von Pulseinrichtungen 20-23,
die die HF-Generatoren im Wesentlichen mit der Pulsfrequenz an- und
ausschalten. Dies bedeutet, dass nur bei eingeschaltetem HF-Generator
ein HF-Signal an das zugeordnete Elektrodenpaar 12-15 übermittelt
wird. Die Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass das An- und
Ausschalten der HF-Generatoren 16-19 zeitlich versetzt
erfolgt. Dies bedeutet, dass zeitlich versetzte beziehungsweise
phasenversetzte gepulste HF-Signale erzeugt werden und an die Elektrodenpaare 12-15 geliefert
werden. Durch diese Maßnahme
kann die Welligkeit der Laserleistung reduziert werden.
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Die
Pulsfrequenz und auch der zeitliche Versatz (Phasenversatz) werden
durch eine gemeinsame Steuereinrichtung 24 eingestellt,
die alle HF-Generatoren 16-19 bzw.
Pulseinrichtungen 20-23 ansteuert. Durch die Steuereinrichtung 24 kann
zudem das Tastverhältnis
der Pulssignale eingestellt werden, also das Verhältnis der
Anschaltdauer zu der Ausschaltdauer eines HF-Generators während einer Periode
des Pulssignals. Die Pulsfrequenz, das Tastverhältnis und der zeitliche Versatz
werden dabei durch die Steuereinrichtung 24 so eingestellt,
dass eine vorgegebene Soll-Leistung
und eine geringe Welligkeit der Laserleistung erzielt werden. Hierbei ist
zu beachten, dass die HF-Generatoren 16-19 mit unterschiedlichen
Pulsfrequenzen und Tastverhältnissen
angesteuert werden können,
so dass sie unterschiedliche Leistungen abgeben. Um die Ist-Leistung möglichst
gut an die Soll-Leistung anpassen zu können, ist eine Leistungsmesseinrichtung 25 vorgesehen.
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Die
Stromversorgung der HF-Generatoren 16-19 erfolgt
durch eine als DC-Netzteil
ausgebildete gemeinsame DC-Stromversorgung 26. Zu beachten ist
weiterhin, dass die Laseranregungsanordnung 10 modular
aufgebaut ist.
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Dies
bedeutet, dass je nach Leistungsklasse des Lasers unterschiedlich
viele HF-Generatoren 16-19 eingesetzt werden können. Zur
Leistungsregelung können
auch nicht dargestellte Leistungseinstellglieder verwendet werden,
wobei jeweils ein Leistungseinstellglied einem HF-Generator 16-19 vorgeschaltet
und an die DC-Stromversorgung 26 angeschlossen ist.
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In
den 2a-2f wird die Erfindung an Hand
von schematisch dargestellten Ausgangssignalen M1-M4 (gepulste HF-Signale)
der HF-Generatoren 16-19 sowie
einer Summenausgangsleistung S dargestellt.
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Um
die Darstellung zu vereinfachen, wird angenommen, dass alle HF-Generatoren 16-19 mit
derselben Pulsfrequenz angesteuert werden. In der 2a wurde
ein Tastverhältnis
von 12,5% gewählt. Dies
bedeutet, dass die HF-Generatoren 16-19 nur während 12,5%
der Dauer einer Periode des Pulssignals eingeschaltet wurden. Die
Einschaltpulse sind mit der Bezugsziffer 30 gekennzeichnet.
Der 2a kann man entnehmen, dass die HF-Generatoren 16-19 zu
unterschiedlichen Zeitpunkten für
jeweils dieselbe Dauer eingeschaltet wurden. Aufgrund des geringen
Tastverhältnisses,
d.h. der kurzen Einschaltzeit der HF-Generatoren 16-19 ergibt
sich eine pulsierende Summenausgangsleistung S. Dabei wurden die
Zeitpunkte so gewählt,
dass die Leistungspulse 31 denselben Abstand aufweisen.
Der Abstand der steigenden Flanken stellt dabei den Phasenversatz 32 bzw.
den zeitlich Versatz zwischen zwei gepulsten HF-Signalen dar.
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In
der 2b ist ein Tastverhältnis von 25% gewählt. Der
Phasenversatz der Signale M1-M4 ist dabei so gewählt, dass eine kontinuierliche
Summenausgangsleistung S entsteht. In den 2a, 2b sind
niemals zwei HF-Generatoren 16-19 gleichzeitig eingeschaltet.
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In
der 2c weisen die Pulssignale ein Tastverhältnis von
50% auf, so dass die HF-Generatoren 16-19 immer
für die
Hälfte
einer Periode des Pulssignals angeschaltet sind und die andere Hälfte der
Periode ausgeschaltet sind. Da in diesem Fall immer zwei HF-Generatoren 16-19 gleichzeitig
eingeschaltet sind, verdoppelt sich die Summeausgangsleistung S
gegenüber
der Darstellung in der 2b. Eine Verdreifachung der
Summenausgangsleistung S ergibt sich in der 2d bei
einem Tastverhältnis von
75%.
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In
der Darstellung der 2e ist ein Tastverhältnis von
87,5% gewählt.
In diesem Fall weist das Summenausgangssignal eine Welligkeit auf.
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Bei
einem Tastverhältnis
von 100% (2f) sind die HF-Generatoren 16-19 ständig eingeschaltet,
so dass dauernd ein HF-Signal an die Elektrodenpaare geliefert wird.
Es versteht sich, dass hier die größte Summenausgangsleistung
S erzielt wird.
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Bei
der Laseranregungsanordnung 40 in der 3 ist
ein zentrales PFC-Glied 41 vorgesehen, welches
an ein Spannungsversorgungsnetz anschließbar ist und die Versorgungsspannung
in eine gemeinsame DC-Spannung
wandelt. An das PFC-Glied 41 und damit an die gemeinsame DC-Spannung sind als
Tiefsetzsteller ausgebildete Leistungseinstellglieder 42-45 angeschlossen.
Die Leistungseinstellglieder werden ebenfalls durch eine nicht dargestellte
Steuereinrichtung angesteuert, so dass die Ausgangsspannung der
Leistungseinstellglieder 42-45 einstellbar ist.
Auf diese Weise kann die in den HF-Generatoren 46-49 erzeugte
Leistung eingestellt beziehungsweise geregelt werden.
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Die
HF-Generatoren 46-49 weisen jeweils eine HF-Schaltstufe 50-53 und
einen Ausgangstransformator 54-57 auf, durch den
die Ausgangsspannung auf geeignete Werte für die als Ersatzschaltbild dargestellten
Entladungsstreckenabschnitte 58-61 transformiert
wird.