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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines Lichterzeugers.
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Für die schnelle Aushärtung von Lacken und Farben werden oft UV-Generatoren benutzt. Meist handelt es sich bei den UV-Generatoren um Entladungslampen, die hauptsächlich Licht im UV-Bereich emittieren. Die UV-Generatoren werden im Blitzbetrieb oder kontinuierlich betrieben.
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Die Kontrolle und Überwachung solcher UV-Generatoren ist sehr aufwändig und problematisch. Um einen durchgehenden und störungsfreien Betrieb einer Härtungsanlage gewährleisten zu können, muss herausgefunden werden, ob der UV-Generator gezündet hat, ob er eventuell erloschen ist und welche Leistung der UV-Generator aktuell erbringt. Zu diesem Zweck muss die Wirkleistung ermittelt werden. Je nach verwendeter Lampe, Schaltung des Vorschaltgerätes und verwendeter Frequenz kann die Wirkleistung jedoch nur einen Bruchteil der Blindleistung betragen. Daher ist dieses Unterfangen sehr problematisch.
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Die
DE 10 2004 039 223 A1 offenbart eine Entladungslampen-Beleuchtungsschaltung mit einer Einrichtung zum Bestimmen des Ein/Aus-Zustands der Lampe. Der Ein-Zustand oder der Aus-Zustand der Lampe wird in Abhängigkeit davon bestimmt, ob der absolute Wert der Differenz zwischen dem Spannungserfassungswert und dem Stromerfassungswert im Aus-Zustand größer als im Ein-Zustand der Lampe ist.
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In der
US 4 952 848 A ist eine Leistungskontrollvorrichtung für eine Entladungslampe gezeigt. Ein erster Schaltkreis wird gebildet mit der ersten Wicklung eines Wechselspannungstransformators, der ersten Wicklung eines Strombegrenzungstransformators, einem Lampenstrom-Messwiderstand und der Lampe. Ein Strommess-Transformator weist eine erste Wicklung auf, die parallel zu dem Lampenstrom-Messwiderstand ist. Ein zweiter Schaltkreis wird gebildet durch die jeweils zweiten Wicklungen des Wechselspannungstransformators, des Strombegrenzungs-Transformators und des Strommess-Transformators. Die an der zweiten Wicklung des Strombegrenzungstransformators anliegende Spannung wird zur Bestimmung des Zustands der Lampe verwendet.
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Aus der
GB 2 388 722 A ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer Fluoreszenzlampe bekannt geworden. Der Betriebszustand der Lampe wird hier anhand der Verschiebung der Phase der Spannung über den beiden Anschlüssen eines vom Lampenstrom durchflossenen Kondensators ermittelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Lichterzeugers zu schaffen, womit eine einfache, zuverlässige und preisgünstige Ermittlung der Wirkleistung ermöglicht wird.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. von Anspruch 9. Erfindungsgemäß wird hierzu eine Einrichtung zur Erzeugung einer Messspannung, die proportional zu der Spannung ist, die an dem Lichterzeuger anliegt, eine Einrichtung zur Erzeugung einer ersten und einer zweiten Vergleichsspannung, die jeweils proportional zu dem durch den Lichterzeuger fließenden Strom sind, eine Einrichtung, um aus der Messspannung und der einen Vergleichsspannung eine Differenzspannung und aus der Messspannung und der anderen Vergleichsspannung eine Summenspannung zu bilden, zwei Gleichrichter zum Gleichrichten der Differenzspannung und der Summenspannung, sowie eine Steuerung, mit der die gleichgerichtete Differenzspannung und die gleichgerichtete Summenspannung auswertbar sind, vorgesehen.
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Die Differenz- bzw. die Summenspannung und damit auch das Verhältnis der beiden Spannungen zueinander hängt von der Phasenlage von Strom und Spannung in der Vorrichtung ab. So ergibt sich beispielsweise der größte Unterschied zwischen Summen- und Differenzspannung, wenn Spannung und Strom gleich- oder gegenphasig sind (mit unterschiedlichem Vorzeichen). Der geringste Unterschied ergibt sich dagegen bei einer Phasenverschiebung von ca. 250° bzw. von ca. 70°. Es lässt sich folglich aus dem Unterschied zwischen Summen- und Differenzspannung sowie aus dessen Vorzeichen auf die Phasenverschiebung zwischen Lampenspannung und Lampenstrom und damit auf den Zustand der Lampe schließen.
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Die Gleichrichter, mit denen die beiden Vergleichsspannungen gleichgerichtet werden, sind vorteilhaft als wechselstromgekoppelte Gleichrichter ausgeführt.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination und den dadurch möglichen Vergleich der gleichgerichteten Differenzspannung mit der gleichgerichteten Summenspannung wird es möglich einen Referenzwert zu bilden, der ein Maß für die Wirkleistung des Lichterzeugers darstellt. Dazu muss vor dem Betrieb eine Kalibrierung durchgeführt werden, so dass die ermittelten Referenzwerte jeweils einer Wirkleistung zugeordnet werden können.
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Diese Kalibrierung kann in der Produktion erfolgen, so dass die teure und aufwendige Messtechnik nicht für jede Vorrichtung sondern nur einmal im Produktionsbetrieb erforderlich wird, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung gefertigt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich mit einfachen und preisgünstigen Bauteilen realisieren und arbeitet genau und zuverlässig.
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Vorteilhaft haben die erste und die zweite Vergleichsspannung den gleichen Wert. Auf diese Weise lassen sich nicht nur die Referenzwerte in besonders einfacher Weise bilden, sondern es lassen sich auch Rückschlüsse über den Zustand der in den Gleichrichtern verwendeten Kondensatoren und Dioden ziehen. Die Gleichrichter sind vorteilhaft als Spitzenwert-Gleichrichter ausgebildet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorteilhaft ist die Spannungsquelle galvanisch von dem Lichterzeuger getrennt. Auf diese Weise können Laständerungen, die beispielsweise aus der Alterung des Lichterzeugers resultieren, die Spannungsquelle nicht beeinflussen. Dies führt zu einer einfacheren Regelmöglichkeit des Systems.
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Vorzugsweise arbeitet die Vorrichtung mit einer galvanisch getrennten Spannungsquelle. Auf diese Weise lässt sich sehr einfach eine Messspannung erzeugen, die proportional zu der an dem Lichterzeuger anliegenden Spannung ist. Die Einrichtung zur Erzeugung einer Messspannung weist hierzu eine Messwicklung oder einen Spannungswandlertransformator an einer galvanisch getrennten Spannungsquelle auf. Es ist aber ebenso möglich, einen Spannungsteiler zum direkten Abgriff vorzusehen. Der Spannungsteiler kann aus rein ohmschen oder komplexen Widerständen bestehen. Wird ein eigener Spannungswandlertransformator (Messtransformator) eingesetzt so wird dieser parallel zur Lampe geschaltet um die hohe Spannung in eine kleine Messspannung zu transformieren. Die Funktionen von Messwicklung und Spannungswandlertransformator sind praktisch identisch.
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Besonders vorteilhaft ist die Einrichtung zur Erzeugung einer ersten und einer zweiten Vergleichsspannung als Strommesswandler mit zwei Sekundärspulen aufgebaut. Dadurch lassen sich in besonders einfacher Weise Vergleichsspannungen erzeugen, die proportional zu dem durch den Lichterzeuger fließenden Strom sind.
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Die an dem Lichterzeuger anliegende Spannung ist gut zu kontrollieren, wenn Spannungspulse erzeugt werden. Um die geforderte Spannung aufrecht zu erhalten, lässt sich so beispielsweise die Pulsdichte oder die Amplitude der Pulse entsprechend beeinflussen. Die Spannungsquelle ist deshalb so aufgebaut, dass sie unipolare oder bipolare Pulse liefert.
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Als Pulsform kann ein Dreieck, ein Trapez oder ein Sinus verwendet werden. Besonders vorteilhaft sind die Pulse der Spannungsquelle aber als Rechteck-Pulse aufgebaut. Auf diese Weise lässt sich ein kostengünstiges einfaches Vorschaltgerät realisieren.
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Wie bereits weiter oben erwähnt, werden als Lichterzeuger für die Härtung von Lacken und Farben oftmals herkömmliche Gasentladungslampen eingesetzt. Diese Lampen können jedoch nur einen gewissen Teil des emittierten Lichts im UV-Bereich erzeugen, so dass ihre Effizienz nicht optimal ist. Der Lichterzeuger ist deshalb vorteilhaft so aufgebaut, dass der er das Licht über eine dielektrisch behinderte Entladung (DBE) erzeugt. Über eine gepulste Anregung lässt sich hier besonders effektiv eine homogene Entladung erzeugen. Ein weiterer Vorteil eines Lichterzeugers mit DBE ist, dass keine metallischen Elektroden im Entladungsraum verwendet werden müssen und somit keine metallischen Verunreinigungen entstehen. Auch tritt kein Elektrodenverschleiß auf. Die DBE-Lichterzeuger können mit hoher Effizienz betrieben werden, da an den Elektroden keine Ladungsträger aus- oder eintreten müssen.
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Insbesondere bei einem DBE-Lichterzeuger ist der Unterschied zwischen Blindleistung und Wirkleistung sehr groß (je nach Aufbau kann die Blindleistung etwa den neunfachen Betrag der Wirkleistung erreichen). Um so wichtiger ist es hier, die Wirkleistung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einfacher Weise bestimmen zu können.
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Besonders vorteilhaft ist der Lichterzeuger als Excimer-Lampe aufgebaut. Excimer-Lampen können über die Zusammensetzung des verwendeten Gases genau auf die benötigte Wellenlänge ausgerichtet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen einer Messspannung, die proportional zu der Spannung ist, die an dem Lichterzeuger anliegt, Erzeugen einer ersten und einer zweiten Vergleichsspannung, die jeweils proportional zu dem durch den Lichterzeuger fließenden Strom sind, Erzeugen sowohl einer Differenzspannung aus der Messspannung und der einen der Vergleichsspannungen, als auch einer Summenspannung aus der Messspannung und der anderen Vergleichsspannung, Gleichrichten der Differenzspannung und der Summenspannung, sowie Vergleichen der gleichgerichteten Differenz- und Summenspannung mit kalibrierten in einem Speicher abgelegten oder errechneten Werten.
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Bereits aus den Absolutwerten der gleichgerichteten Differenz- bzw. Summenspannung lassen sich einige Rückschlüsse über den Zustand des Systems, beispielsweise über den Zustand der Gleichrichter ziehen. Vorteilhaft werden aber die gleichgerichtete Differenz- und die gleichgerichteten Summenspannung zusammen betrachtet. Die Phasenverschiebung zwischen Lampenstrom und Lampenspannung ergibt sich dabei aus einem Faktor der aus der gleichgerichteten Summenspannung und der gleichgerichteten Differenzspannung gebildet wird. Um die Wirkleistung beispielsweise für Steuerungszwecke zu ermitteln, wird dagegen zusätzlich zu dem Faktor noch der Absolutwert der Summenspannung oder der Differenzspannung benötig.
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Hierzu wird beispielsweise eine dreidimensionale Look-Up-Table (LUT) aufgestellt. Dabei wird der aus den jeweils gemessenen Summen- und Differenzspannungen gebildete Faktor verwendet. Jedem Faktor, der für eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen Lampenstrom und Lampenspannung steht, wird nun eine ganze Anzahl von möglichen Summenspannungen zugeordnet. Jeder Summenspannung wird dann die Wirkleistung zugewiesen, die mit dem jeweiligen Faktor und der jeweiligen Summenspannung gemessen wird.
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Statt der Summenspannung kann auch die Differenzspannung verwendet werden. Dabei ist lediglich zu beachten, dass das Ergebnis unter umgekehrtem Vorzeichen erscheint.
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Die Kalibrierung kann beispielsweise in dem Betrieb, in dem eine Härtanlage produziert wird, durchgeführt werden. Die ermittelten Werte für die Wirkleistung und die jeweils dazu ermittelten Werte für den Faktor und die Summenspannung werden – wie oben beschrieben – entweder in einem Speicher als dreidimensionale Look-UP-Table (LUT) abgelegt oder es wird ein arithmetischer Ansatz ermittelt und abgelegt.
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Auf diese Weise kann während des Betriebs der Härtanlage jeweils zu einem ermittelten Faktor und einer ermittelten Summenspannung eine Wirkleistung entweder über die LUT zugeordnet oder entsprechend errechnet werden. Die Wirkleistung des Lichterzeugers wird folglich vorteilhaft aus der ermittelten Summenspannung und der ermittelten Differenzspannung ermittelt.
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Die so ermittelte Wirkleistung oder auch bereits die über den Faktor ermittelte Phasenverschiebung zwischen Lampenstrom und Lampenspannung lässt verschiedene Aussagen zu. So kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass keine Zündung stattgefunden hat, wenn die Wirkleistung unter einem vorher bestimmten Wert bleibt oder der Faktor in einem vorher bestimmten Bereich liegt. Besonders vorteilhaft werden deshalb die folgenden Schritte durchgeführt: Durchführen eines Zündvorgangs für den Lichterzeuger, Ermitteln der Werte für die gleichgerichtete Differenz- und Summenspannung und/oder des Faktors, Wiederholen des Zündvorgangs bei ermittelten Werten und/oder Faktoren, die einem nicht gezündeten Lichterzeuger entsprechen, erneutes Ermitteln der Werte für die gleichgerichtete Differenz- und Summenspannung und/oder des Faktors und Generieren eines Alarms oder einer Fehlermeldung bei ermittelten Werten und/oder Faktoren, die wiederum einem nicht gezündeten Lichterzeuger entsprechen. Das Hochfahren der Anlage kann auf diese Weise weitgehend automatisiert werden. Ebenso lässt sich eine Fehlproduktion bei nicht gezündetem Lichterzeuger verhindern.
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Es kann aber auch nach der Zündung während des Betriebs des Lichtgenerators eine Störung (meist am Lichtgenerator) auftreten, die zu einem Erlöschen des Lichtgenerators führt. In diesem Fall ist über den ermittelten Faktor ein plötzlicher Abfall des Wirkstroms festzustellen. Erfindungsgemäß wird deshalb ein Alarm oder eine Fehlermeldung generiert, wenn während des Betriebs des gezündeten Lichterzeugers Werte oder Faktoren ermittelt werden, die einem Erlöschen des gezündeten Lichterzeugers entsprechen. Auf diese Weise lassen sich Störungen schnell feststellen und beheben. Ein längerer Betrieb der defekten Anlage und eine große Fehlproduktion kann so sicher vermieden werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnung eingehend erläutert wird.
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Es zeigt:
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1 einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind auf der Stromversorgung 1 hauptsächlich eine Spannungsquelle 4, ein Spannungsteiler 5, ein Strommesswandler 6 und zwei Gleichrichter 7 angeordnet. Über elektrische Anschlüsse ist die Stromversorgung 1 mit der Lampe 2 und der Steuerung 3 verbunden.
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Die Spannungsquelle 4 ist als Rechteckgenerator ausgebildet und liefert eine bipolare Rechteck-Spannung. Es wäre auch möglich, eine unipolare Rechteckspannung, oder aber eine Sinus-Spannung oder Sägezahn-Spannung (jeweils unipolar oder bipolar) zu verwenden, jedoch weist ein bipolarer Rechteckgenerator das beste Preis-Leistungs Verhältnis auf. Die Spannung der Spannungsquelle 4 liegt direkt an der Lampe 2 an.
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Der Spannungsteiler 5 dient der Erzeugung einer Messspannung, die proportional zu der an der Lampe 2 anliegenden Spannung ist. Durch die Spannungsteilerschaltung ist sichergestellt, dass sich die Messspannung entsprechend der an der Lampe 2 anliegenden Spannung verändert. Die Messspannung liefert folglich ein Signal, aus dem sich die an der Lampe 2 anliegende Spannung ermitteln ließe.
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Zwischen der Spannungsquelle 4 und der Lampe 2 ist ein Strommesswandler 6 in den Stromkreis eingeschaltet. Die Primärspule 15 des Strommesswandlers 6 ist auf der Stromversorgung 1 der Lampe 2 in Reihe mit der Lampe 2 geschaltet. Galvanisch getrennt von der Primärspule 15 weist der Strommesswandler 6 zwei in Reihe geschaltete Sekundärspulen 9 auf. Die beiden Sekundärspulen besitzen idealer Weise die gleiche Induktivität. Zwischen den beiden Sekundärspulen 9 wird das Signal der Messpannung zugeführt.
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An dem Messwiderstand 8 liegt nun beidseitig eine Spannung an, die sich zusammensetzt aus der Messspannung und einer Spannung, die proportional zu dem durch die Lampe 2 fließenden Strom ist. Diese Spannung wird auf der einen Seite zu der Messspannung addiert und auf der anderen Seite von der Messspannung subtrahiert, wobei das jeweilige Additions- bzw. Subtraktionsergebnis von der Phasenverschiebung zwischen Lampenstrom und -spannung abhängt.
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Die Summen- und die Differenzspannung liegen jeweils an den gleich aufgebauten Spitzenwert-Gleichrichtern 7 an, die jeder einen Kondensator und zwei Dioden aufweisen. Die so gleichgerichteten Signale werden dann zur weiteren Behandlung an die Steuerung 3 zugeführt.
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Die Steuerung 3 kann bereits aus den Absolutwerten der beiden gleichgerichteten Signale bestimmte Rückschlüsse (z. B. über den Alterungszustand der Lampe 2) ableiten. So ist z. B. bei Phasengleichheit und einer Verschiebung von 180° der Differenzbetrag zwischen der Summen- und der Differenzspannung am größten, während bei einer Phasenverschiebung von 250° bzw. von 70° der Differenzbetrag am kleinsten ist. An dem Verhältnis zwischen Summen- und Differenzspannung lässt sich somit zumindest ermitteln, in welchem von vier Quadranten (0–90°; 90–180°; 180–270°; 270–360°) die Phasenverschiebung zwischen Lampenstrom und Lampenspannung liegt. Aus der ermittelten Phasenverschiebung lässt sich bereits auf den Zustand der Lampe schließen.
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Insbesondere wird aber aus den eingehenden Signalen ein Faktor gebildet, der einen Referenzwert für die aktuelle Wirkleistung der Lampe 2 darstellt. Um jedem Referenzwert eine Wirkleistung zuordnen zu können, muss vorher eine Kalibrierung durchgeführt werden. Ist bei der betreffenden Anlage keine große Genauigkeit gefordert, ist eine bauartspezifische Kalibrierung ausreichend. Bei einer höheren Genauigkeitsanforderung sollte eine anlagenspezifische Kalibrierung durchgeführt werden. Da die Kalibrierung in beiden Fällen nur im Produktionsbetrieb durchgeführt wird, muss die dafür notwendige, teure und aufwändige Messtechnik nicht in jede Anlage eingebaut werden.
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Das Ergebnis der Kalibrierung kann eine LUT oder aber eine arithmetische Funktion sein und wird in der Steuerung 3 hinterlegt. Auf Basis der so ermittelten Wirkleistung der Lampe 2 lassen sich Rückschlüsse auf den Zustand der Lampe 2 ziehen.
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So erkennt die Steuerung beispielsweise, ob die Lampe 2 bereits gezündet hat. Sollte bei entsprechender anliegender Zündspannung noch keine Zündung erfolgt sein, kann von der Steuerung 3 eine neuerliche Zündung der Lampe 2 initiiert werden. Sollte auch nach einem wiederholten Zündvorgang noch keine Zündung eingetreten sein, kann ein Alarm generiert werden, der – sichtbar oder hörbar – das Bedienpersonal über den Fehler informiert. Auf diese Weise lässt sich eine längere Fehlproduktion und damit ein hoher Ausschuss vermeiden.
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Über die ermittelte Wirkleistung lässt sich aber auch feststellen wenn die Lampe 2 nach erfolgreicher Zündung während des Betriebs plötzlich erlischt. Auch wenn dieser Fehler unbemerkt bliebe, würde eine große Menge an Ausschuss produziert werden. Da auch in diesem Fall sofort ein Alarm ausgelöst wird, kann die Produktion sofort gestoppt und der Schaden behoben werden.
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Es ist aber auch möglich, über die ermittelte Wirkleistung die Lampe zu regeln. Hierzu muss die Steuerung 3 entweder auf die Spannungsquelle oder auf eine nachgeschaltete Spannungssteuerung einwirken können. In der Zeichnung ist dies durch den Pfeil 16 zwischen Steuerung 3 und Spannungsquelle 4 angedeutet.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach 1 hauptsächlich durch die Spannungsversorgung und die Erzeugung der Messspannung. Für gleiche Bauteile wurden in 2 die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet.
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Die Spannungsquelle 4 ist hier über den Transformator 10 galvanisch von der eigentlichen Stromversorgung und der Lampe 2 getrennt. Die Spannungsquelle 4 ist dabei mit der Primärwicklung 11 des Transformators 10 verbunden. Der Strommesswandler 6 und die damit in Reihe geschaltete Lampe 2 werden dagegen über die Sekundärwicklung 12 des Transformators 10 versorgt. Weiterhin ist in dem Transformator 10 auf der Sekundärseite als zweite Wicklung noch eine Messwicklung 13 vorgesehen. Über diese Messwicklung 13 wird die Messspannung erzeugt, die dem Strommesswandler 6 zwischen den beiden Sekundärspulen 9 zugeführt wird. Auch diese Messspannung ist proportional zu der Spannung, die an der Lampe 2 anliegt.
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Durch die Verwendung des Transformators 10 ist die Stromversorgung 14 des zweiten Ausführungsbeispiels etwas aufwändiger und teurer zu fertigen als die Stromversorgung 1 des ersten Ausführungsbeispiels. Der Transformator bringt aber den Vorteil mit sich, dass sich wesentlich höhere Spannungen zum Betrieb der Lampe 2 erzeugen lassen und damit Leistungen von mehreren Kilowatt möglich sind. Dadurch wird natürlich eine höhere Produktionsgeschwindigkeit und somit eine Einsparung an Herstellkosten für die zu trocknenden Produkte erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromversorgung des ersten Ausführungsbeispiels
- 2
- Lampe
- 3
- Steuerung
- 4
- Spannungsquelle
- 5
- Spannungsteiler
- 6
- Strommesswandler zur potentialfreien Messung
- 7
- Gleichrichter
- 8
- Messwiderstand
- 9
- Sekundärspulen
- 10
- Transformator mit galvanischer Trennung
- 11
- Primärwicklung
- 12
- Sekundärwicklung
- 13
- Messwicklung
- 14
- Stromversorgung des zweiten Ausführungsbeispiels
- 15
- Primärspule
- 16
- Verbindung Steuerung-Spannungsquelle
