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Die
Erfindung beschreibt ein Verfahren und dazu gehörende Vorrichtung einer dualen
Hochleistungs-Halbleiterschaltung zur elektrostatischen Perforation
für laufende
Bahnmaterialien, wobei die Perforation in Form von Zonen, Spuren,
Lochreihen, Feldern mit unterschiedlichen Größen und Positionen oder Perforationsbereiche,
die im wesentlichen parallel zur Transportrichtung der Bahn angeordnet
sind.
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Unter
bewegtem Bahnmaterial sind im Zusammenhang der Erfindung insbesondere
Papier- oder anderweitig
veredelte Bahnen zu verstehen, wie z.B. Zigaretten-, Mundstückbelag-
und Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte plug-wraps,
Sicherheitspapiere, holografisch bedruckte, foliengepresste, beschichtete
Papier- oder Verpackungsbahnen die zumindest im Bereich der unterschiedlichen
Perforationen ein gewisses Maß an
Gas- oder Wasserdurchlässigkeit
aufweisen. Diese Bahnen werden als Rollen im Breitbahnformat oder
als Schmalrollen; den so genannten Bobienen, aufgerollt und weiterverarbeitet.
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Die
elektrostatische Perforation generiert durch kurze Hochspannungsimpulse
und Funkenentladungen in die im engen Elektrodenspalt, von z.B. 1.5
mm, durchlaufende Materialbahn statistisch unregelmäßig oder
auch regelmäßig verteilte
Löcher
oder Lochreihen im Durchmesserbereich von 5–250 μm, wobei die Lochdurchmesser
durch Änderung
der Materialeigenschaften beeinflusst, bis zu 20 % schwanken können.
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Die
mit dem menschlichen Auge nicht sichtbare Mikroperforation, wird
zur Ventilation, Atmungsaktivierung, Luftauslass oder zur Flüssigkeitsfiltration der
Materialbahn benötigt,
dies z.B. für
den Luftbypaß im
Filter der Filterzigaretten, der Gasdurchlässigkeit für Hygienesowie Medizinprodukte
und dergleichen mehr. Die Perforationen könne hierbei flächen-, zonen-
wie auch linienförmig
und in frei wählbaren Abständen innerhalb
der Bahnen verteilt sein. Flächenperforationen
erlauben Lochdichten bis zu 4 Millionen Poren pro m2 und Zonenanordnungen
mit Breiten von 2–6
mm können
bis zu 300 Poren pro cm2 erzeugen, ohne dass Beeinträchtigungen
der Materialbahn auftreten.
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Mit
den Halbleiterschaltungen für
elektrostatische Perforationsprozesse müssen die Entladungsenergien
der Funkenstrecken im Bereich von 0.2–3.5 mJ bei Wiederholungsfrequenzen
von 500–10.000 Hz
exakt steuerbar sein, um ein optimales Lochbild zur gewünschten
Lochgröße, Lochdichte
und Porosität
durch die elektrische Energiezufuhr zu erhalten und im weiteren
einen möglichst
hohen elektrischen Wirkungsgrad zur Perforationsleistung, hier der
Porositätsgrad
zur Bahngeschwindigkeit, zu erzielen.
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Ohne
im weiteren auf grundlegende physikalisch-elektrische Details und
Erklärungen
zur elektrostatischen Perforation einzugehen, wird im Zusammenhang
mit dieser Erfindung auf die Patenschrift – Vorrichtung einer modularen
Schaltungs- und Übertragungseinheit
für die
elektrostatische Perforation
DE 197.08.311 C1 – verwiesen. In deren Einleitung sind
auch die für
die Erfindung zutreffenden elektrischen Verhältnisse umfassend erläutert.
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Durch
die ständig
steigenden Anforderungen der Perforationsleistungen und Perforationsqualitäten für MEGA-POWER
oder andere Breitbahn-Perforationsanlagen und Bobienen-Schmalbahnanlagen, mit
Porositäten
bis zu 4000 C.U. und bei Bahngeschwindigkeiten von beispielsweise
280 m/min für Porositäten von
600 C.U., sind mit den bestehenden Schaltungskonzepten, welche mit
jeweils einem IGBT oder MOSFET Halbleiter pro Perforationskanal arbeiten,
technologische Grenzen gesetzt, und in keiner Weise mehr erfüllbar.
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Die
Parallelschaltung von Halbleitern ist aufgrund der Schaltungstopologie
mit dem Leerlauf und Kurzschluss betriebenen Hochspannungs-Ferrittransformator
nicht einfach und nur mit MOSFET's
zu lösen.
Bei den derzeitigen Perforationsschaltungen als Aufwärtswandler
sind die Perforationsfrequenzen, welche die Funkenwiderholungsrate
bestimmen, bei ca. 6000 Hz limitiert.
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Exotische
Röhrenschaltungen
sind bis zu Arbeitsfrequenzen von 150 KHz und Wiederholungsraten
der Impulspakete bis 3500 Hz existent, die jedoch eine Reihe von
Nachteilen aufweisen, wie z.B. starke Kathodenemissionsverluste
mit erheblicher Reduktion der Lebensdauer durch exorbitante Spitzenströme, hohe
Anodenspannungen mit den Koaxialkabeln auf der Primär-Trafoseite
mit Spitzenspannungen bis 20 KVss und geringem Schaltungswirkungsgrad
von z.B. 40 %.
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Es
ist allgemein bekannt, dass mit erhöhter Funkenfrequenz von z.B.
4000 Hz, die Besatzbildung an den Elektrodenstiften exorbitant zu
nimmt, was zu einem völlig
inakzeptabeln Produktionszustand mit Bahntangierungen, Schleifspuren
oder Bahnabrissen führt.
Wenn es allerdings gelingt, die Besatzrückstände durch elektrische Umladungskräfte moderat
abzusprengen, ist es möglich,
Funkenfrequenzen bis zu 10.000 Hz praktisch zu realisieren.
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Dies
wiederum ist nur möglich
bei optimierter Kühlluftforcierung
und Führung
an den bis zu 16 Elektrodenstiften und spezieller Elektrodenkonstruktion,
um die extrem erhöhten
Wärmemengen
in die Umgebung abzuführen.
So dass unter diesem Aspekt der physikalischen Auswirkungen neuen
Lösung zu
suchen sind.
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Zur
Definition der Perforationsleistung wird für die eingangs genannten Materialbahnen
und Applikationen – meist
für eine
Zonenbreite von 4 mm oder durchgehende Perforationsfelder von 26
mm Breite – folgende
Formel benutzt: Perforationsleistung = Bahngeschwindigkeit
(in m/min)·Porosität (C.U.
in ml/min/2cm2 oder andere Einheiten)
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Danach
wird die Perforationsleistung in der physikalischen Größe in m/min·C.U. ausgewiesen.
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Hierzu
zwei praktische Beispiele nach dem Stand der Technik:
- A: Porosität
= 200 C.U., Bahngeschwindigkeit = 230 m/min Perforationsleistung
= 200 m/min·200 C.U.
= 46.000 m/min·C.U.
bei zwei kaskadierten Perforationseinheiten mit Doppel-Breit-Bahndurchlauf
- B: Porosität
= 400 C.U., Bahngeschwindigkeit = 155 m/min Perforationsleistung
= 155 m/min·400 C.U.
= 62.000 m/min·C.U.
bei drei kaskadierten Perforationseinheiten mit Einfach-Bobienen-Bahndurchlauf
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Es
ist danach leicht einzusehen, dass bei höheren Porositäten von
z.B. 600 C.U. oder 1500 C.U. und mehr, nach dem derzeitigen Stand
der Technik betriebene, elektrostatische Perforationsanlagen praktisch
nicht einsetzbar sind, da sich die Bahngeschwindigkeit, nach dem
vorhergehenden Beispiel, auf 76 m/min bei 600 C.U. oder gar 30 m/min
bei 1500 C.U. reduzieren würde.
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Auch
durch die Kaskadierung von nicht sehr leistungsfähigen Einzel-Perforationseinheiten und/oder
Doppelbahndurchläufen
lässt sich
die Gesamtperforationsleistung nicht deutlich und beliebig weiter
erhöhen,
da die vorhandenen Perforationslöcher
durch Mehrfachperforation aufgeweitet werden, und nicht im gleichem
Maße neue
Löcher
entstehen, die einen linearen Zuwachs in der Gesamtporosität erzeugen.
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Daher
ist daher nahe liegend und für
sich selbstredend, dass jede einzelne Perforationseinheit eine extrem
hohe Perforationsleistung aufweisen muss, um so diesen Prozessgegebenheiten
entgegen zu wirken und extrem hohe sowie betriebswirtschaftlich
attraktive Produktionsleistungen zu ermöglichen.
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Unter
diesem Hintergrund der Forderungen nach erheblich mehr Perforationsleistung
bei gleichen oder höheren
Produktqualitätsanforderungen mit
Produktionsmengen einer solchen Maschine im Bereich von 1000–5000 Tonnen
pro Jahr für
Mundstückbelag-
oder Filterumhüllungspapiere
bei Bahnbreiten bis zu 1500 mm ist die nachstehende Erfindung zu
betrachten und sind deren vorteilhaften Schaltungslösungen erarbeitet.
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Der
Stand der Technik für
die hier zutreffenden Perforations- und Schaltungstechniken ist
in den Patenten DE 197.08.311-C1 und deren Auflistung, wie schon
eingangs angegebenen, und im weiteren in den DE 44.03.758-C2, DE
42.43.721-C2, DE 196.16.019-C2, DE 43.00.635-C2, DE 40.18.209-A1 und EP 0.460.369-A1
manifestiert.
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Alle
dem Stand der Technik repräsentierenden
Verfahren und Vorrichtungen haben die Gemeinsamkeit, dass die Perforationsschaltungen
mit zugeführter
Gleichspannung, mit einem Halbleiter oder einer Röhre und
dem dazugehörenden
Hochspannungstransformator pro Perforationskanal als Aufwärtswandler
arbeiten. Oder gemeinsam getaktete MOSFET oder HVFET Halbleiter
in einer oder vielfachen Parallelschaltung zur Leistungserhöhung bei gleicher
Ausgangsschaltung zu finden sind.
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Andere
Schaltungsvarianten hingegen (
DE 10109100 C1 ) benutzen zwei periodisch
schaltende IGBT's
als Halbwellenbrücke
im reinen Wechselspannungs- und Resonanzbetrieb, um so über zwei Ladekondensatoren
und gemeinsamen Ausgangstransformator als Induktivität die beiden
Halbwellen zur vollen Sinusspannung zusammen zufügen, wie dies von Koronageneratoren
seit vielen Jahren bekannt ist.
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Auch
ist allen Schaltungsvarianten gemeinsam, dass sich die Entladungsenergien
innerhalb eines Funkenpaketes oder beider Halbwellen sowie die Taktfrequenz
eines jeden Schaltungszweiges im Wechselbetrieb nicht getrennt steuern
oder ändern lassen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur elektrostatischen Perforation zu beschreiben, mit
der eine weitgehende Konstanthaltung, wechselweise Änderung
der Ladungsenergie und Taktfrequenz zur Besatzvermeidung und Leistungsverteilung
der zugeführten
Primärenergie
sowie der Übertragungs- und
Kapazitätsverhältnisse
eine Reduktion der parasitären
Einflüsse
stattfindet, um die geforderten Qualitätsstandards hinsichtlich des
Porositätsgrades, Lochgröße und Dichte
genau einzuhalten und zwangsweise der Schaltungswirkungsgrad eine
erhebliche Erhöhung
erfährt.
In der nachstehenden Erfindungsbeschreibung sind hierzu einige Beispiele angeführt.
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Gelöst wird
die vorangestellte Aufgabe durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
mit den Merkmalen der Patenthauptansprüche 1 und 7.
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Danach
besteht die alternierende Puls-Schaltung aus zwei ansteuer- und
leistungsgleichen IGBT, MOSFET oder HVFET Zweigen, die auf einem
gemeinsamen Ladekondensator und ansteuerungstechnisch mit zwei unterschiedlichen
Pulsweiten arbeiten, die über
den Hochspannungstransformator entsprechende Stromprägungen im
Funkenkanal und damit verbundene Lochgrößen ausbilden. Dies ist für jeden
Schaltungszweig mit gleichen oder ungleichen Wiederholdungsfrequenzen
möglich,
womit sich die Lochsequenz der Perforation, bezogen auf ein bestimmtes
Zeitfenster, bestimmt.
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Erfindungsgemäß ist erkannt
und durch eine Vielzahl von Untersuchungen und praktischen Ergebnissen
bestätigt
worden, dass es mit diesen beiden kombinierbaren Steuerungsgrößen jetzt
produktionstechnisch möglich
ist, die eingangs genannte Besatzneigung an den Perforationsstiften
schon in der Bildungsphase, also weit vor den eigentlichen Bahntangierungen
oder ausgelösten
Bahnabrissen, abzutragen bzw. regelrecht in kleinen Partikeln abzuschießen, was
erst durch die unterschiedlichen Entladungsenergien und relativ
hohen elektrischen Ladungs- und Umladungskräfte möglich ist.
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Und
dies ohne Produktionsunterbrechungen oder direkte Eingriffe in den
Perforationsprozess, so dass sich Produktionsrollen bis zu 20.000
Metern non-stop und zusätzlich
durch online Porositätsmeßsysteme
OPSS-1 und deren PC gesteuerter Rückführung auf jeden Perforationsschaltungszweig/Perforationskanal
unterstützt,
in sehr engen Toleranzgrenzen mit dokumentierter Qualität produzieren
lassen.
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Ein
weiterer Vorteil der erfinderischen Schaltung ist darin begründet, dass
nunmehr auch IGBT's mit
geringeren Schaltungsfrequenzen einsetzbar sind, da sie zum Teil
nur mit der Hälfe
oder geringerer als die eigentliche Arbeitsfrequenz betrieben werden. Dies
hat für
IGBT's, MOSFET's oder HVFET's mit Arbeitsfrequenzen
bis zu 120 KHz eine große
Bedeutung.
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Im
weiteren ergeben sich eine Reihe von weiteren erfinderischen Vorteilen
hinsichtlich der immensen Leistungserhöhung, besseren Wärmeverteilung
auf zwei Leistungshalbleiter, enormen Leistungsreserve, der Schaltungsredundanz,
Einsatz von vorhandenen und/oder Schaltfrequenz langsamen Leistungshalbleitern,
der räumlich
nahen und elektrisch verringerten Impedanz des elektrischen Schaltungsaufbaues
und letztlich auch des erhöhten Schaltungswirkungsgrades.
Dies dadurch gefördert, dass
bekanntermaßen
die Schaltungsverluste beim Ein- und Ausschalten, dies insbesondere
bei den hier verwendeten Perforationsschaltungen als Aufwärtswandler,
mit der Arbeits- und Schaltfrequenz stetig ansteigen.
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So
sind beispielsweise mit dem erfinderischen Verfahren und Vorrichtung
bei Perforationsfrequenzen von 9000 Hz, 12 Stiften pro Perforationselektrode,
drei kaskadierten Perforationseinheiten und Doppelbahndurchlauf
Perforationsleistungen erzielbar, die sich zwischen 120.000–180.000
bewegen. Im Vergleich zum Stand der Technik und dem angeführten Rechenbeispiel
für zwei
Perforationseinheiten ist die Leistungserhöhung des erfinderischen Verfahrens
und deren Vorrichtung um mehr als den Faktor 2.5 höher.
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Damit
ist es erstmalig technisch möglich, auch
extrem hohe Porositäten
von beispielsweise 1500 C.U. bei Bahngeschwindigkeiten von 120 m/min
elektrostatisch und wirtschaftlich attraktiv zu perforieren.
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Unter
diesem Hintergrund gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der
vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten, weiterzubilden
und anzugeben. Dazu ist einerseits auf die in den Patentansprüchen 1–2 beschriebenen
Ausführungen,
und andererseits auf nachfolgende Erläuterungen der Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit den Zeichnungen zu verweisen. in Verbindung mit der
Erläuterung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung und mittels der Zeichnungen werden auch im allgemeinen
bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
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Die
Zeichnungen zeigen im einzelnen:
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1:
Blockschaltung und Details der Leistungsperforationsschaltung sowie
dem Hochspannungstransformator
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2:
Impulsdiagramm der beiden Ansteuersignale für die Gate-Vorstufen
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3:
Impulsdiagramm der Gate- und Kollektorspannung für einen Halbleiterzweig
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4:
Impulsdiagramm der Gate- und Kollektorspannung bei einem Ein- und
Ausschaltzyklus an einem Halbleiterzweig
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5:
Impulsdiagramm der Gatespannung und des Kollektorstroms bei einem
Ein- und Ausschaltzyklus
an einem Halbleiterzweig
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In 1 zeigt
die beiden IGBT, MOSFET oder HVFET Schaltungszweige 1, 2,
und deren Gate-Ansteuerung 3, 4, welche der Einfachheit
als gemeinsamer Block 5 dargestellt ist. Diese Art der Ansteuerschaltungen
mit Leistungshybriden, MOSFET-IC's
oder diskreten Kleinleistungstransistoren sind als Stand der Technik
bekannt und bedürfen
an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.
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Beide
Kollektorzweige 6, 7, sind direkt miteinander
und mit dem Ladekondensator 8, sowie im weiteren über den
räumlich
abgesetzten Hochspannungstransformator 9 und deren Primärwicklung 10, vorzugsweise
unter Verwendung von Koax-Kabel 11, verbunden. Die niederimpedante
oder ggfls. auch stabilisierte Zwischenkreisgleichspannung 12 von z.B.
300 V/DC ist über
den Wickelanfang der Primärwicklung 10 des
Hochspannungstransformators 9, der vorzugsweise als Doppel-U-Ferritkern
mit Luftspalt ausgeführt
ist, über
eine Hochleistungssicherung 13 zugeführt. Deren beiden symmetrischen Sekundärwickel 14 mit
der Mittelanzapfung 15 speist die angeschlossenen Funkenstrecken
der Perforationselektrode 16 mit bis zu 12 in
Serie verschalteten Elektrodenstiften. Zwischen allen Stiftpaaren
der Perforationselektroden 16 bewegt sich dann die Papierbahn,
hier nicht eingezeichnet, die hierbei durch die Hochspannungsüber- und
Durchschläge
eine gezielte Mikroperforation erfährt.
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Die
Mittelanzapfung 15 des Hochspannungstransformators 9 hat
den elektrischen Vorteil, dass sich die relativ hohe Sekundärspannung
von bis zu 50.000 Volt gegenüber
dem Erdpotential 13 hälftig,
mit einer positiven und negativen Vorzugspolarität, ausbildet, aber für die Perforationselektrode
die gesamte Sekundärspannung
voll wirksam ist. Für
die Anschlussleitungen der Elektroden 17, 18 und
deren Kabelkapazitäten,
welche quadratisch von der Funkenspannung bestimmt sind, ist dies
ein enormer Vorteil.
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Durch
das prinzipiell wechselweise Ein- und Ausschalten der beiden Halbleiter 1, 2 wird
der gemeinsame Ladekondensator 8 entladen und wieder aufgeladen,
wobei beim Entladen und der darauf folgenden Einschaltzeit des Halbleiters 1, 2 der
erste Wechselspannungsimpuls mit dem gesteuerten Stromanstieg in
der Primärwicklung
erzeugt wird. Das Ausschalten erzeugt wiederum einen Spannungsimpuls
mit umkehrter Polarität
im Hochspannungstransformator und gleichzeitig sorgt die interne
Inversdiode für
die Unterdrückung
der Rückwärtsleitung
für die Hableiter.
Alle weiteren Details in dieser Zeichnung sind für sich selbsterklärend und
benötigen
daher keine weiteren Beschreibungen.
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Die
Ansteuersignale 18, 19 vor der Pulsweitensteuerung
der Gates von den Leistungshalbleitern 1, 2, sind
in 2, hier in symmetrischer Wiederholung, dargestellt.
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3 zeigt
die im oberen Teil des Diagramms das Gate Ansteuersignal und deren
Pulsweite 20 sowie deren Pegel zur Nulllinie 21.
Dies mit positiver und negativer Vorspannung für die Gateansteuerung eines
Halbleiters. Im unteren Teil des Diagramms ist die Kollektorspannung 22 eines
aktiven Halbleiterzweiges 1 zur Nulllinie 23 dargestellt.
An einigen Punkten des Linienverlaufes sind Rückwirkungen der hohen Kollektorimpuls-
und die der Leitendströme
für die
Diode zu erkennen. Die X-Achse markiert hierbei den Zeitmaßstab in μs bei Wiederholungsfrequenzen
bis zu 10.000 Hz, in diesem Bespiel 8000 Hz.
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Deutlich
ist der Zusammenhang und die Schaltungsfolge eines jeden zweiten
Gate-Impulses 20, 24 eines Schaltungsteiles, hier
für Halbleiter 1, auf
die gemeinsame Kollektorspannung 22, 26, 27 und
den daran angekoppelten Ladekondensator 8 zu erkennen.
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Eine
zeitlich gespreizte Abbildung eines Schaltungsvorganges ist in 4 exemplarisch
ausgeführt,
wobei in diesem Beispiel die Gatespannung 28 unipolar zur
Nulllinie 21 ist. Der Einschaltbereich und die Einschaltzeit 29,
der Ausschaltzeitpunkt 30 und die sich danach wieder aufbauende
Kollektorspannung 22 über
den Ladekondensator 8 und gegenüber der Nulllinie 23 sind
hierbei wiedergegeben.
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Abschließend zeigt 5 im
oberen Diagramm das gegenüber
der Nulllinie 21 unipolare Gatesignal 31 und darunter
befindlich die Aufnahme des Kollektorstromes 32 gegenüber der
Nulllinie 23. Dies bei einer periodisch sich wiederholenden Schaltfrequenz
und für
beide Schaltungszweige gleich bleibender Pulsweite, was in der gleichen
Kollektorspannungshöhe
widerspiegelt. Sehr gut ist in dieser Ansicht das Übersprechen
und Stromüberschwingen
der Inversdiode 33 zu erkennen. Gleichermaßen das
für diese
Art der Perforationsleistungsschaltungen typische Stromverhalten
im Einschaltaugenblick 34, bedingt durch die Rückwirkung des
sekundären
Kurzschlusses der Funkenstrecke 16 und dem danach folgenden
linearen Stromanstieg durch die Einschaltdauer 35 des Halbleiters 1.
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Als
ein praktisches Beispiel für
diese Art der Leistungsperforationsschaltungen sind die nachfolgenden
Werte zu interpretieren
- • Schaltzeit beim Einschalten
der Halbleiter: zwischen 0.5–0.8 μs
- • Schaltzeit
beim Ausschalten der Halbleiter: zwischen 0.8–1.2 μs
- • Einschaltzeit
der Halbleiter = Pulssteuerung: zwischen 5–45 μs
- • Kollektorspannungshöhe 22:
von 600 Volt–1200 Volt
- • Kollektorspitzenströme: bis
zu 250 Ass
- • Wiederholungsfrequenzen:
zwischen 6000–120.000
Hz – je
nach Halbleitertyp
Nachstehend
ein Bespiel zur Frequenztaktung und Pulsweite eines jeden Schaltungszweiges:
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Summnenfrequenz über eine
bestimmtes Zeitfenster: 8500 Hz
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Nach
diesem Beispiel lassen sich eine Vielzahl von Frequenz- und Pulsweitenkombinationen beliebig
einsetzen und auf die die Schaltungen übertragen.
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An
dieser Stelle sei hervorgehoben, dass die erfinderische Lehre durch
die angeführten
Ausführungsbeispiele
lediglich erläutert,
jedoch keinesfalls eingeschränkt
ist. Vielmehr lässt
die erfindungsgemäße Lehre
auch weitere Verfahrensschritte und Vorrichtungsvarianten der dualen
Hochleistungsschaltung zur elektrostatischen Perforation zu, die andere
bzw. weitere konstruktive Merkmale aufweisen.
