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Die Erfindung betrifft ein System zur UV-Bestrahlung von Objekten, insbesondere zur Härtung von Beschichtungen, mit einer auf ein zu bestrahlendes Objekt ausrichtbaren UV-Strahlungsquelle und einem elektronischen Vorschaltgerät zur Energieversorgung der UV-Strahlungsquelle mit Wechselspannung bei geregeltem Versorgungsstrom.
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Solche UV-Bestrahlungssysteme sind vor allem in der Druckindustrie als Härtungsanlagen zur Härtung bzw. Trocknung von durch UV-Strahlung vernetzbaren Druckfarben und Lacken bekannt. In konventionellen Aggregaten wird eine Gasentladungsröhre als UV-Strahlungsquelle durch ein spezielles elektronisches Vorschaltgerät mit geeigneter Wechselspannung betrieben, wobei das Vorschaltgerät üblicherweise in einem Schaltschrank untergebracht ist und durch eine zweiadrige Hochspannungsleitung mit einer Länge von bis zu ca. 50 m mit dem in die Druckmaschine eingebauten Lampenaggregat verbunden ist. Die Gasentladungsröhren haben einen hohen Energiebedarf und benötigen eine relative komplexe Temperaturregelung und Verschluss-Steuerung.
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Alternativ werden in jüngerer Zeit auch UV-LED-Aggregate eingesetzt, die über ein DC-Netzteil mit einer Gleichspannung versorgt werden, wobei Treiberplatinen mit Stromregelung zur Ansteuerung einzelner LED-Arrays eingesetzt werden. Die Energieübertragung erfolgt hier typischerweise über vieladrige Niederspannungsleitungen, die aufgrund hoher Ströme entsprechend große Leiterquerschnitte erfordern.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Systeme weiter zu entwickeln und eine flexiblere Betriebsweise bei einfachem Aufbau zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, eine standardisierte Energieversorgung für einen Einzel- oder kombinierten Betrieb von LED- bzw. Gasentladungs-UV-Strahlern bereitzustellen. Dementsprechend ist ein über ein Anschlusskabel an das Vorschaltgerät anschließbares Anpassgerät vorgesehen, das mehrere primärseitig in Serie geschaltete und mit dem Versorgungsstrom beaufschlagte Transformatoren enthält, wobei jeweils mindestens ein sekundärseitig an den Transformatoren angeschlossener Emitterstrang aus UV-Strahlung emittierenden und seriell verbundenen Halbleiterbausteinen gebildet ist. Damit ist es möglich, mit einem für den Betrieb von Gasentladungsröhren ausgebildeten Vorschaltgerät auch eine aus Halbleitern bestehende Strahlerkonfiguration ohne aufwändige Umrüstmaßnahmen zu betreiben. Im Besonderen ist ein Druckbetrieb mit einer flexiblen und kurzfristig umstellbaren Auswahl von verschiedenen Strahlungsquellen (Gasentladungsröhre, LED) beispielsweise auch auftragsabhängig möglich. Durch die Energieübertragung über eine geeignet hohe Wechselspannung bleiben die Stromstärken im Anschlusskabel hinreichend gering, so dass keine übermäßigen Leiterquerschnitte erforderlich sind. Dabei ermöglicht der vom Vorschaltgerät an die Transformatorenkette des Anpassgeräts gelieferte Konstantstrom eine einfache Verteilung und Anpassung der sekundärseitigen Stromstärken, ohne dass an dieser Stelle eine aufwändige Regelung erforderlich wäre. Im jeweiligen Emitterstrang stellt sich der Spannungsabfall an den Bausteinen einfach nach deren Bauteilcharakteristik ein, während der Sekundärstrom entsprechend der Stromtransformation durch die Transformatoren konstant bleibt.
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Vorteilhafterweise ist das Vorschaltgerät dazu ausgebildet, eine Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 20–300 kHz bereitzustellen, so dass die Energieübertragung optimiert wird und auch ein direkter Betrieb einer Gasentladungsröhre möglich wird.
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Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht lässt sich dadurch erreichen, dass die Wechselspannung im Bereich von 100 bis 3000 Volt liegt. Je höher die Spannung gewählt wird, umso geringer kann der Strom und damit der Querschnitt der Zuleitung gehalten werden.
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Für einen wahlweisen dualen Betrieb ist es vorteilhaft, wenn das Vorschaltgerät einen Controller für eine Betriebswahl zwischen dem Anschluss einer Gasentladungsröhre oder eines Anpassgeräts aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Gasentladungsröhre als (weitere) Strahlungsquelle zur Bestrahlung eines Objekts vorgesehen, wobei die Gasentladungsröhre über das Anschlusskabel direkt an das Vorschaltgerät anschließbar und damit betreibbar ist. In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn das Vorschaltgerät dazu ausgebildet ist, in einem ersten Zeitintervall eine Zündspannung und danach eine Betriebsspannung für eine Gasentladungsröhre bereitzustellen, wobei die Zündspannung höher als die Betriebsspannung ist.
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In jedem Fall ist es für die Stromverteilung günstig, wenn das Vorschaltgerät einen Stromregler zur Ausgabe eines konstanten Versorgungsstroms unabhängig von der Wechselspannung aufweist.
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Eine weitere Vereinfachung auch in der Handhabung bzw. Umrüstung des Systems ergibt sich dadurch, dass das Anschlusskabel einen einheitlichen Steckverbinder zur wahlweisen elektrischen Verbindung des Vorschaltgeräts mit dem Anpassgerät oder mit einer Gasentladungsröhre aufweist.
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Vorteilhafterweise ist der Ausgang der Transformatoren über einen Gleichrichter, insbesondere einen Brückengleichrichter mit mindestens einem nachgeschalteten Emitterstrang verbunden, so dass dort ein konstanter Gleichstrom über die seriell geschalteten Bauteile fließt.
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Eine weitere Betriebsverbesserung lässt sich dadurch erreichen, dass das Vorschaltgerät einen Resonanzwandler aufweist, und dass am Eingang des Anpassgeräts serielle und/oder parallele Blindelemente, insbesondere Kondensatoren zur frequenzabhängigen Anpassung des Impedanzverlaufs vorgesehen sind.
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Günstig ist es auch, wenn eine Gleichstrominduktivität zur Glättung des Transformator-Ausgangsstroms in Serie mit einem Emitterstrang geschaltet ist. Dabei kann in an sich bekannter Weise die Gleichstrominduktivität durch einen geeigneten Wicklungsaufbau des Transformators als Streuinduktivität gebildet sein.
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Um die Strahlungsintensität geeignet anzupassen, kann jeder Emitterstrang zwischen 5 und 100 in Reihe geschaltete Halbleiterbausteine als UV-Strahlungsquelle aufweisen.
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Für eine gleichbleibende Bestrahlungscharakteristik ist es vorteilhaft, wenn jeder Emitterstrang mit einem durch den jeweils vorgeschalteten Transformator definierten konstanten Strom betrieben wird. Dabei können die Strangströme identisch oder auch strangweise unterschiedlich sein.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind die Halbleiterbausteine als UV-Strahlung emittierende UV-LEDs ausgebildet, Denkbar ist auch der Einsatz von UV-VCSEL oder UV-Laserdioden.
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Um den Systembetrieb weiter abzusichern, ist es vorteilhat, wenn das Anpassgerät einen Detektor zur Erfassung einer Überspannung und einen durch den Detektor angesteuerten, zu dem Emitterstrang parallelen Schalter für einen gesteuerten Kurzschlussbetrieb aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines UV-Bestrahlungssystems zum Einbau in eine Druckmaschine;
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2 einen Schaltplan von Komponenten des Systems nach 1;
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3 einen Schaltplan einer weiter detaillierten Systemkonfiguration.
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Das in der Zeichnung dargestellte Bestrahlungssystem 10 ermöglicht die UV-Bestrahlung von Objekten, die insbesondere in Form von mit Druckfarben, Lacken oder Klebstoffen beschichteten Substraten beispielsweise in einer Druckmaschine zur chemischen Vernetzung bzw. Härtung der Beschichtung durch den Bestrahlungsbereich hindurchtransportiert werden. Zu diesem Zweck umfasst das Bestrahlungssystem 10 mindestens eine auf das zu bestrahlende Objekt ausrichtbare UV-Strahlungsquelle 12 und ein elektronisches Vorschaltgerät 14 zur Energieversorgung der jeweiligen UV-Strahlungsquelle 12, wobei für den Einsatz von UV-Strahlung emittierenden Halbleiterarrays 16 ein dem Vorschaltgerät 14 nachgeordnetes Anpassgerät 18 vorgesehen ist.
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Wie in 1 gezeigt, können auch mehrere Vorschaltgeräte 14 über eine programmierbare digitale Steuerungseinrichtung 20 angesteuert werden. Hierfür ist in dem jeweiligen Vorschaltgerät 14 eine Controllerplatine 22 eingebaut. Um einen Maschineneingriff zu ermöglichen, ist die Steuerungseinrichtung 20 über einen Datenbus 24 mit einer Zentralsteuerung 26 der Druckmaschine verbunden.
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Jedes Vorschaltgerät 14 enthält eine Versorgungseinheit 28, die aus elektronischen Bauteilen gebildet ist und über ein Verbindungs- bzw. Anschlusskabel 30 die Energieversorgung der UV-Strahlungsquelle 12 ermöglicht. Üblicherweise ist das Vorschaltgerät 14 in einem Schaltschrank entfernt von der Strahlungsquelle 12 angeordnet. Dabei wird über einen zweiphasigen Anschluss eine Wechselspannung im Bereich von 100 bis 3000 Volt mit einer Frequenz im Bereich von 20–300 kHz bereitgestellt.
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Anstelle eines Halbleiterarrays kann auch eine Gasentladungsröhre 32 zur Erzeugung der UV-Strahlung in der Strahlungsquelle 12 vorgesehen sein. In diesem Fall kann die Gasentladungsröhre 32 über das Anschlusskabel 30 direkt an das Vorschaltgerät 14 angeschossen und damit betrieben werden. Zur unkomplizierten Handhabung besitzt das Anschlusskabel 30 einen einheitlichen Steckverbinder 34 zur wahlweisen elektrischen Verbindung des Vorschaltgeräts 14 mit einem Anpassgerät 18 oder mit einer Gasentladungsröhre 32.
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Für den Betrieb einer Gasentladungsröhre 32 ist die Versorgungseinheit 28 in dem Vorschaltgerät 14 dazu ausgebildet, in einem anfänglichen Zündintervall eine erhöhte Zündspannung und danach eine abgesenkte Betriebsspannung bereitzustellen.
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Als weiteren Funktionsbaustein enthält die Versorgungseinheit 28 einen Stromregler 36, der einen konstanten Versorgungsstrom weitgehend unabhängig von der ausgegebenen Wechselspannung sicherstellt. Beim Anschluss einer Gasentladungsröhre 32 wird damit verhindert, dass die Ladungsträgerdichte übermäßig ansteigt und die Lampe zerstört.
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Die geeignete Betriebswahl kann über die Controllerplatine 22 in dem Vorschaltgerät 14 erfolgen. Dabei können auch I/O- und Mess-Signale über einen Datenbus 38 zwischen dem Vorschaltgerät 14 und entsprechenden Einheiten 39 der Strahlungsquelle 12 übertragen werden. Alternativ kann die Betriebswahl durch die programmierbare digitale Steuerungseinrichtung 20 erfolgen.
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2 zeigt das Schaltprinzip des Anpassgeräts 18, das die über das Anschlusskabel 30 gelieferte Wechselspannung in eine für jeden Halbleiterarray 16 angepasste (pulsierende) Gleichspannung umsetzt. Zu diesem Zweck ist eine Kette von Transformatoren 40 mit der jeweiligen primärseitigen Wicklung 42 in Serie geschaltet. Die sekundärseitige Wicklung 44 eines jeden Transformators 40 ist über einen Brückengleichrichter 46 mit jeweils einem Halbleiterarray 16 verbunden. Dabei umfasst jeder Halbleiterarray 16 mindestens einen Emitterstrang 48, der aus UV-Strahlung emittierenden und seriell geschalteten Halbleiterbausteinen 50 gebildet ist. Ein Emitterstrang 48 kann zwischen 5 und 100 Halbleiterbausteine 50 aufweisen, wobei ggf. mehrere Emitterstränge 48 zu einem Halbleiterarray 16 parallel geschaltet sein können. Die Halbleiterbausteine 50 sind durch UV-Strahlung emittierende UV-LEDs gebildet. Denkbar ist auch der Einsatz von so genannten UV-VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder von UV-Laserdioden.
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Zur Reduzierung möglicher Bauvarianten ist auch eine modulare Bauweise aus Einzeltransformatoren denkbar, wobei zwei oder mehr Einzeltransformatoren unter Bildung eines zusammengesetzten Transformators 40 zur Versorgung mindestens eines Emitterstrangs 48 primär- und sekundärseitig in Reihe geschaltet sind.
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Im Betrieb liefert das Vorschaltgerät 14 über das Anschlusskabel 30 einen definierten, geregelten Versorgungsstrom Ip, der einheitlich über die Primärwicklung 42 der Transformatoren 40 fließt und zu einem jeweiligen Spannungsabfall Up1...Upn führt. Entsprechend dem Übersetzungsverhältnis n1/n2 der Primär- und Sekundärwicklungen 42, 44 wird dann über die Gleichrichter 46 ein konstanter sekundärseitiger Gleichstrom Is1...Isn in die Halbleiterarrays 16 eingespeist. Dabei sind gleiche oder voneinander unterschiedliche Sekundärströme möglich. An dem jeweiligen Emitterstrang 48 fällt dann abhängig von der Anzahl von Halbleiterbausteinen 50 und deren Eigenschaften die Spannung Us1...Usn ab.
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Wie in 3 am Beispiel eines Transformators 40 mit nachgeordnetem Halbleiterarray 16 veranschaulicht, kann bei einem mit einem Resonanzwandler ausgestatteten Vorschaltgerät 14 der Impedanzverlauf dadurch angepasst werden, dass Kondensatoren 52 am Eingang des Anpassgeräts 18 als Blindelemente seriell bzw. parallel zu der Primärwicklung 42 geschaltet sind. Zweckmäßig ist es auch, wenn eine Gleichstrominduktivität 54 zur Glättung des sekundärseitigen Stroms Is in Serie mit dem Emitterstrang 48 geschaltet ist. Die Gleichstrominduktivität 54 kann durch einen geeigneten Wicklungsaufbau des Transformators 40 auch als Streuinduktivität ausgebildet sein. Um beispielsweise bei Unterbrechung eines Emitterstrangs 48 ein übermäßiges Ansteigen der Spannung Us1 zu erfassen, ist ein Detektor 56 in dem Anpassgerät 18 vorgesehen. Dieser kann einen Spannungswächter 58 und einen damit betätigbaren, zu dem Emitterstrang 48 parallelen Schalter 60 für einen gesteuerten Kurzschlussbetrieb aufweisen.
