DE29905137U1 - Circuit arrangement for feeding a dielectric barrier discharge - Google Patents

Circuit arrangement for feeding a dielectric barrier discharge

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Description

Beschreibung Schaltungsanordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten EntladungDescription Circuit arrangement for feeding a dielectrically impeded discharge

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung. Üblicherweise versteht man unter dielektrisch behinderten Entladung insbesondere Barrieren-Entladungen mit Feststoffisolierungen. In der Folge und insbesondere in den Ansprüchen sollen jedoch unter dielektrisch behinderten Entladungen auch solche verstanden werden, bei denen infolge der Anwesenheit gasförmiger und ähnlicher Dielektrika Volumina mit mindestens zeitweise dielektrischen Eigenschaften auftreten. Ferner ist die elektrische Leitfähigkeit dieser angrenzenden Schicht bzw. dieses angrenzenden Volumens hinreichend gering, um eine Fokussierung der Entladung auf ein einzelnes geringes Volumenelement zu verhindern.The invention relates to a circuit arrangement for feeding a dielectrically impeded discharge. Dielectrically impeded discharge is usually understood to mean in particular barrier discharges with solid insulation. In the following and in particular in the claims, however, dielectrically impeded discharges are also to be understood to mean those in which, as a result of the presence of gaseous and similar dielectrics, volumes with at least temporarily dielectric properties occur. Furthermore, the electrical conductivity of this adjacent layer or this adjacent volume is sufficiently low to prevent the discharge from being focused on a single small volume element.

Bei einem Großteil derartiger Entladungen erfolgt wegen des notwendigen Spannungsniveaus für die elektrische Versorgung der Barrierenanordnung eine Energieanpassung meist mittels Transformator; die Stromdichte innerhalb der Plasmaentladung wird durch eine angrenzende Schicht oder ein angrenzendes Volumen mit mindestens zeitweise dielektrischen Eigenschaften begrenzt.In the majority of such discharges, energy adjustment is usually carried out by means of a transformer due to the necessary voltage level for the electrical supply of the barrier arrangement; the current density within the plasma discharge is limited by an adjacent layer or an adjacent volume with at least temporarily dielectric properties.

Die Erfindung ist anwendbar für Zwecke der Plasmaerwärmung, Plasmabeschichtung, plasmachemischen Stoffwandlung, Lichtquellentechnik, Plasma-Umwelttechnik, Entkeimung oder ähnlicher Anwendungen, Veränderung biologischer Eigenschaften von Zellstrukturen und der Plasmaphysik, bei denen durch die Wirkung eines flächenhaft oder volumenhaft ausgebildeten Plasmas Veränderungen erzielt werden.The invention is applicable for the purposes of plasma heating, plasma coating, plasma chemical material conversion, light source technology, plasma environmental technology, disinfection or similar applications, changing biological properties of cell structures and plasma physics, in which changes are achieved through the effect of a surface or volumetric plasma.

Es ist seit langem aus der Stromversorgungstechnik für Gleichstromgasentladungen bekannt, daß Entladungen, welche einen negativen differentiellen Widerstand in der Entladungscharakteristik aufweisen, das heißt, bei denen mit zunehmendem Strom die Entladungsspannung sinkt, besonders günstig stabilisierbar sind, wenn die Versorgungstechnik über eine Stromregelung verfugt. Dies wird in vorteilhafter Weise mit Hilfe von stromgeregelten leistungselektronischen Schaltungen mit induktiv geglättetem Ausgang realisiert. Ebenso ist aus dem gleichen Grunde bekannt, daß solche Entladungen instabilen Charakter aufweisen, wenn sie unmittelbar aus Spannungsquellen oder Kapazitäten gespeist werden.It has long been known from power supply technology for direct current gas discharges that discharges which have a negative differential resistance in the discharge characteristic i.e. where the discharge voltage drops as the current increases can be stabilized particularly easily if the supply technology has a current control. This is advantageously achieved with the help of current-controlled power electronic circuits with an inductively smoothed output. It is also known for the same reason that such discharges have an unstable character if they are fed directly from voltage sources or capacitors.

Daher wurden für Entladungen, die mit Wechselspannung zum Beispiel höherer Frequenz gespeist werden, vielfach strombegrenzende Bauelemente wie Induktivitäten oder Resonanzschaltungen in den Wechselstromkreis eingeschaltet [EP 0824300A1, EP 0808 086Al, EP 0828 407 Al]. Zum Teil wird auch eine zusätzliche Glättung des Gleichstromes in einem Zwischenkreis vorgenommen, der jedoch nicht geregelt werden muß, sofern Blindbauelemente mit strombegrenzender Wirkung im Wechselstromkreis der Entladung vorhanden sind [EP 0788 298 Al; DE 44 25679Al]. Diese Anordnungen weisen den Nachteil auf, daß sie in der Regel durch die integrierten Blindbauelemente auf einen festen Arbeitspunkt ausgelegt sind, daß diese Blindbauelemente im Wechstromkreis funktionsnotwendig und nicht variabel regelbar sind, daß sie darüber hinaus durch die induktiven oder die Resonanz bestimmenden Bauelemente einen nur sinusähnlichen Stromverlauf mit der durch die Resonanz dieser Bauelemente bestimmten Periodendauer verursachen sowie daß sie auf Bogen- oder Glimmentladungen ausgerichtet sind, die in der Regel geringere Anforderungen an die Stabilität infolge ihrer geringeren negativen differentiellen Widerstände aufweisen.Therefore, for discharges that are fed with alternating voltage, for example at a higher frequency, current-limiting components such as inductors or resonance circuits are often connected to the alternating current circuit [EP 0824300A1, EP 0808 086Al, EP 0828 407 Al]. In some cases, additional smoothing of the direct current is also carried out in an intermediate circuit, which, however, does not have to be regulated if reactive components with a current-limiting effect are present in the alternating current circuit of the discharge [EP 0788 298 Al; DE 44 25679Al]. These arrangements have the disadvantage that they are usually designed for a fixed operating point due to the integrated reactive components, that these reactive components are functionally necessary in the alternating current circuit and cannot be variably controlled, that in addition, due to the inductive or resonance-determining components, they only cause a sinusoidal current curve with the period determined by the resonance of these components, and that they are designed for arc or glow discharges, which usually have lower stability requirements due to their lower negative differential resistances.

Es ist ebenso bekannt, daß mittels zweier gegeneinander geschalteter Stromquellen, an deren Ausgängen sich jeweils eine Induktivität und ein Schaltelement als Kurzschließer befindet, eine Plasmaentladungsstrecke dann mit einem gepulsten Wechselstrom versorgt werden kann, wenn diese Entladung zwischen den gegeneinander geschalteten Stromquellen angeordnet ist und einer oder beide Kurzschließer wechselseitig oder gleichzeitig betätigt werden (Scholl, R. A.; Asymmetrie pulsed power: a new power Technology. Surface and Coatings Technology 98 (1998) 823-827.) Diese Technologie weist gegenüber den beschriebenen Verfahren und Anordnungen den Vorteil auf, daß in jeder Halbperiode der Strom der Entladung geregelt ist und dadurch eine höhere Stabilität der Entladung sowie eine über nahezu die Halbperiode andauernde Zeitspanne die Plasmaspeisung gewährleistet ist. Diese Anordnung ist jedoch für Plasmaanordnungen mit erforderlicher transformatorischer Anpassung nicht geeignet; da beim Umschalten von einer Polarität in die andere Überspannungen entstehen, die sich aus dem Ummagnetisierungsprozeß ableiten. Außerdem weist das Prinzip den Nachteil auf, daß es nicht möglich ist, den Strom innerhalb eines Entladungspulses zu unterbrechen, ohne auf die Vorteile zu verzichten, die sich aus der Glättungsfunktion der Drosselinduktivitäten ergeben.It is also known that a plasma discharge path can be supplied with a pulsed alternating current by means of two power sources connected in opposition to one another, at the outputs of which there is an inductance and a switching element as a short-circuiter, if this discharge is arranged between the power sources connected in opposition to one another and one or both short-circuiters are operated alternately or simultaneously (Scholl, R. A.; Asymmetry pulsed power: a new power technology. Surface and Coatings Technology 98 (1998) 823-827.) This technology has the advantage over the methods and arrangements described that the discharge current is regulated in each half-period, thus ensuring greater stability of the discharge and a period of plasma supply lasting almost the entire half-period. However, this arrangement is not suitable for plasma arrangements that require transformer adaptation; because when switching from one polarity to the other, overvoltages arise which are derived from the remagnetization process. In addition, the principle has the disadvantage that it is not possible to interrupt the current within a discharge pulse without foregoing the advantages resulting from the smoothing function of the choke inductances.

Dielektrisch behinderte Entladungsanordnungen weisen die besondere Eigenschaft auf, daß sie aufgrund einer isolierenden Barriere nur einen Wechselstrom zulassen, daß sie wegen des extremDielectrically impeded discharge arrangements have the special property that they only allow alternating current due to an insulating barrier, that they are extremely

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steil abfallenden negativen differentiellen Widerstandes erhöhte Anforderungen an die Stabilisierung aufweisen und daß sie wegen des hohen Spannungsniveaus der Entladungsspannung fast ausschließlich mittels einer Transformatoranordnung an die leistungselektronische Schaltungsanordnung angepaßt werden müssen. Da die naturgemäß vorhandene Barrierenkapazität den Energieeintrag je Halbwelle in das Plasma sowohl örtlich als auch in Bezug auf die Halbperiode begrenzt, hat sich die energetische Versorgung dielektrisch behinderter Entladungen aus Wechselspannungsquellen mit unterschiedlicher oder variabler Frequenz als üblich herausgebildet. Da diese Kapazität jedoch keinen Einfluß auf Momentanwertänderungen im Plasma ausübt, ist der Einfluß der versorgenden Schaltungsanordnung bedeutsam. So sind Anordnungen bekannt, bei denen zunächst eine Gleichspannung erzeugt wird, diese vielfach mittels einer Kapazität geglättet und danach mittels einer Wechselrichterschaltung in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Diese Konfiguration wird üblicherweise mit dem Begriff spannungsgefuhrter Wechselrichter umschrieben. Es entstehen dabei bipolare rechteckförmige Spannungsblöcke, welche durch eine Pulsbreitensteuerung zum Zwecke der Energiesteuerung beeinflußbar sind. Derartige Spannungsblöcke fuhren bei Entladungen mit den oben beschriebenen Eigenschaften eines negativen differentiellen Widerstandes zu instabilem Verhalten. Bei Pegelanpassung an die dielektrisch behinderte Entladung mit Hilfe von Transformatoren führt dies üblicherweise dazu, daß kurzzeitig eine Impulsentladung erzeugt wird und deren Stromamplitude zunächst nur durch die Transformatorstreureaktanz und parasitäre Bauelemente begrenzt wird. Die rechteckförmige Spannung in Verbindung mit den parasitären Reaktanzen haben zur Folge, daß die Entladungsdauer und die Amplitude bestimmt werden durch den Schwingungsvorgang aus Kapazität der Barrierenanordnung und der Transformatorstreureaktanz. Derartige Schaltungen neigen wegen der erheblichen Stoßbelastung zu Störausfällen an den Halbleiterbauelementen und fuhren zu schlechter Schaltungsauslastung, schlechtem Gesamtwirkungsgrad und geringer effektiver Leistung. Die in Einzelfällen von derart kurzen Impulsen erhofften technologischen Sondereffekte durch die Erzeugung eines Nichtgleichgewichtsplasma bleiben häufig zweifelhaft, da hierfür Anstiegszeiten im ns-Bereich erforderlich sind, die durch vorhandene parasitäre Reaktanzen meist nicht erzielbar sind [EP 0809275 Al].steeply falling negative differential resistance, they have increased requirements for stabilization and that, due to the high voltage level of the discharge voltage, they have to be adapted to the power electronic circuit arrangement almost exclusively by means of a transformer arrangement. Since the naturally existing barrier capacitance limits the energy input into the plasma per half-wave both locally and in relation to the half-period, the energy supply of dielectrically impeded discharges from alternating voltage sources with different or variable frequencies has become common. However, since this capacitance has no influence on instantaneous value changes in the plasma, the influence of the supplying circuit arrangement is significant. Arrangements are known in which a direct voltage is first generated, this is smoothed many times using a capacitance and then converted into an alternating voltage using an inverter circuit. This configuration is usually described with the term voltage-controlled inverter. This creates bipolar rectangular voltage blocks, which can be influenced by a pulse width control for the purpose of energy control. Such voltage blocks lead to unstable behavior in the case of discharges with the properties of a negative differential resistance described above. When the level is adjusted to the dielectrically impeded discharge using transformers, this usually leads to a pulse discharge being generated for a short time, the current amplitude of which is initially only limited by the transformer leakage reactance and parasitic components. The rectangular voltage in conjunction with the parasitic reactances mean that the discharge duration and amplitude are determined by the oscillation process from the capacitance of the barrier arrangement and the transformer leakage reactance. Such circuits tend to fail due to the considerable shock load on the semiconductor components and lead to poor circuit utilization, poor overall efficiency and low effective power. The special technological effects hoped for in individual cases from such short pulses through the generation of a non-equilibrium plasma often remain doubtful, since this requires rise times in the ns range, which are usually not achievable due to existing parasitic reactances [EP 0809275 Al].

Häufig werden zur Verbesserung der stromrichterseitigen Betriebsstabilität zusätzliche Blindbauelmente in Form zusätzlicher Induktivitäten, Transformatorstreureaktanzen oderTo improve the operational stability of the converter, additional reactive components in the form of additional inductances, transformer leakage reactances or

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Resonanzzweige in den die Entladungsstrecke enthaltenden Wechselstromkreis des Wechselrichters eingefügt, was zusätzlichen technischen Aufwand bedeutet und die möglichen Parametergrenzen reduziert [EP 0831 517 A2; ]. Damit reduziert sich der Einsatz der Wechselrichterschaltung auf die reine Bereitstellung einer Wechselspannung definierter Frequenz, ohne Anspruch auf Einflußnahme auf das dynamische Verhalten der Entladung. Diese spannungsgeführten Wechselrichterschaltungen weisen daher den Nachteil auf, daß eine Stabilisierung der Entladung auf einen definierten Arbeitspunkt nicht möglich ist und der Energieeintrag nur auf einen geringen Anteil der versorgenden Wechselspannungshalbperiode eingegrenzt ist. Außerdem erweist es sich als nachteilig, daß eine Leistungsregelung mittels einer Pulsbreitensteuerung der Leitdauer der leistungselektronischen Ventilbauelemente in diesem Fall wenig wirksam ist. Dieses Prinzip weist überdies den Nachteil auf, daß die Gesamtschaltung stark von der Resonanzfrequenz abhängig ist und dadurch nur in einem engen Parameterbereich betreibbar ist. Die energetische Speisung der Entladung wird somit durch Blindbauelemente stabilisiert, und die Speisedauerdauer wird begrenzt auf maximal 50% jeder Halbperiode (Schorpp, V. Dielektrische behinderte Edelgas-Halogen-Excimer-Entladung. Diss. Karlsruhe 1991).Resonance branches are inserted into the alternating current circuit of the inverter containing the discharge path, which means additional technical effort and reduces the possible parameter limits [EP 0831 517 A2; ]. This reduces the use of the inverter circuit to the pure provision of an alternating voltage of a defined frequency, without any claim to influence the dynamic behavior of the discharge. These voltage-controlled inverter circuits therefore have the disadvantage that it is not possible to stabilize the discharge at a defined operating point and the energy input is only limited to a small proportion of the supplying alternating voltage half-period. It also proves to be disadvantageous that power control by means of pulse width control of the conduction time of the power electronic valve components is not very effective in this case. This principle also has the disadvantage that the entire circuit is strongly dependent on the resonant frequency and can therefore only be operated within a narrow parameter range. The energetic supply of the discharge is thus stabilized by reactive components, and the supply duration is limited to a maximum of 50% of each half-period (Schorpp, V. Dielectrically hindered noble gas halogen excimer discharge. Diss. Karlsruhe 1991).

In den letzten Jahren versucht man in verstärktem Maße technologische Effekte zu erzielen, indem die Erzeugung multipler Impulsformen bei zum Teil variabler Frequenz für Plasmen angestrebt wird. Dazu sind die oben erläuterten Schaltungsprinzipien und Speisungsverfahren aus den erläuterten Gründen jedoch nicht oder nur sehr eingeschränkt geeignet. So werden zu Beginn der Entladung hohe Spannungs- und Stromanstiege gewünscht, um schnell die Durchbruchspannung bzw. das Entladespannungsniveau zu erreichen und innerhalb einer kurzen Anfangsphase die Vorteile eines Nichtgleichgewichtsplasma mit zu nutzen sowie gleichzeitig einen beschleunigten Wechsel in die andere Polarität zu erzielen. Ebenso soll die Wiederzündspannung bei Gasen mit hoher Entladungsdynamik durch Aufrechterhaltung der Entladung über einen längeren Zeitbereich innerhalb einer Halbwelle reduziert werden. Auch eine in weiteren Grenzen unabhängig vom Entladungsstrom und damit vom Leistungseintrag veränderbare Frequenz ist als wünschenswert anzusehen. Für einen solchen Fall ist es notwendig, parasitäre Induktivitäten im Wechselstromkreis zu vermeiden. Ebenso ist es wünschenswert, eine energetische Speisung über einen großen Teil der Halbperiode veränderbar einzustellen, dies inIn recent years, attempts have been made to achieve technological effects by generating multiple pulse shapes with partially variable frequencies for plasmas. However, the circuit principles and supply methods explained above are not suitable for this, or only to a very limited extent, for the reasons explained. For example, high voltage and current increases are desired at the start of the discharge in order to quickly reach the breakdown voltage or discharge voltage level and to use the advantages of a non-equilibrium plasma within a short initial phase and at the same time to achieve an accelerated change to the other polarity. The reignition voltage for gases with high discharge dynamics should also be reduced by maintaining the discharge over a longer period of time within a half-wave. A frequency that can be changed within wider limits independently of the discharge current and thus of the power input is also desirable. In such a case, it is necessary to avoid parasitic inductances in the alternating current circuit. It is also desirable to be able to adjust the energy supply over a large part of the half-period, in

einem relativ weiten Frequenzbereich zu ermöglichen und dabei die Momentanwertleistung zeitlich konstant zu halten sowie die Dauer dieser Phase zu beeinflussen.a relatively wide frequency range and to keep the instantaneous power constant over time and to influence the duration of this phase.

Die Mängel des erläuterten Standes der Technik sind dadurch begründet, daß ein für die Stabilisierung einer Entladung ungeeignetes Verfahren der Stromversorgung und des Schaltungsprinzipes in Form des spannungsgeführten Wechselrichters eingesetzt wird und behelfsmäßig auf das Prinzip der Entladungsstabilisening durch Blindbauelemente zurückgegriffen wird oder daß bei Anwendung einer an sich geeigneten stromgeregelten bipolaren Leistungspulsung die besonderen Bedingungen der energetischen Anpassung und des Energieflusses an die Barrierenentladung nicht technologisch berücksichtigt wurden. Dies führt zu Einschränkungen in den möglichen Parameterbereichen, in der Anwendbarkeit, in der energetischen Auslastung oder der Funktionssicherheit.The shortcomings of the state of the art described are due to the fact that a power supply method and circuit principle in the form of a voltage-controlled inverter is used that is unsuitable for stabilizing a discharge and that the principle of discharge stabilization using reactive components is used as a makeshift measure or that when using a current-controlled bipolar power pulsing that is suitable in itself, the special conditions of energy adaptation and energy flow to the barrier discharge were not technologically taken into account. This leads to restrictions in the possible parameter ranges, in the applicability, in the energy utilization or in the functional reliability.

Die bekannten Verfahren und Anordnungen sind daher in ihrem Anwendungsbereich begrenzt und fuhren außerhalb der begrenzt optimalen Parameter zu erhöhtem energetischen und technischen Aufwand.The known methods and arrangements are therefore limited in their area of application and lead to increased energy and technical expenditure outside of the limited optimal parameters.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung zu schaffen, welche die aufgeführten Nachteile vermeidet und bei einem erweiterten Anwendungsbereich erweiterte technologische Parameterbereiche erschließt und damit bei vergleichbarem oder vermindertem Realisierungsaufwand zur Wirkungsgradverbesserung und zur Senkung von Betriebskosten beiträgt.The invention is based on the object of creating a circuit arrangement for feeding a dielectrically impeded discharge, which avoids the disadvantages listed and opens up expanded technological parameter ranges with an expanded area of application and thus contributes to improving efficiency and reducing operating costs with comparable or reduced implementation effort.

Spezielle Aspekte dieser Aufgabe bestehen insbesondere darin, die Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung zu realisieren, welche bei hoher Frequenzvariabilität steile Impulse an der Plasmaentladungsstrecke ermöglicht, eine Phase definiert regelbaren Konstantstromes mit der Wirkung eines zeitweise quasikonstanten Leistungseintrages unabhängig von der in erweiterten Grenzen veränderbaren Frequenz gewährleistet und zusätzlich eine definierte Pulspause ermöglicht. Auf diese Weise sollen ein erweiterter Arbeitsbereich, eine bessere Prozeßstabilität und eine Erweiterung der Parametervielfalt an der Entladungsstrecke realisiert werden. Weiterhin soll durch Proportionalität des mittelfrequenten Entladungsstromes zum einfach regelbaren Gleichstrom eine höhere Stabilität des Regelsystems und eine bessere Prozeß steuerbarkeit erzielt werden.Special aspects of this task consist in particular in implementing the supply of a dielectrically impeded discharge, which enables steep pulses at the plasma discharge path with high frequency variability, ensures a phase of defined, controllable constant current with the effect of a temporarily quasi-constant power input independent of the frequency, which can be changed within extended limits, and also enables a defined pulse pause. In this way, an expanded working range, better process stability and an expansion of the variety of parameters at the discharge path are to be achieved. Furthermore, the proportionality of the medium-frequency discharge current to the easily controllable direct current is to achieve greater stability of the control system and better process controllability.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht somit darin, daß sich der energetische Speiseprozeß fur eine dielektrisch behinderte Entladung, welche die eingangs genannten Eigenschaften aufweist, über den Großteil einer jeden Entladungshalbperiode erstreckt, wobei unterschiedliche Phasen in der Folge Pulsstromphase, Stromkonstantphase und Stromabklingphase einstellbar sind. Hierbei wird die Energie der Pulsstromphase weitgehend durch einen Umschwingvorgang aus der Blindenergie des niederinduktiven Wechselstromkreises gewonnen, in dem sich die dielektrisch behinderte Entladung ausbildet.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1. The essence of the invention is therefore that the energy supply process for a dielectrically impeded discharge, which has the properties mentioned at the beginning, extends over the majority of each discharge half-period, whereby different phases can be set in the sequence of pulse current phase, current constant phase and current decay phase. Here, the energy of the pulse current phase is largely obtained by a reversal process from the reactive energy of the low-inductance alternating current circuit in which the dielectrically impeded discharge forms.

Die Stromkonstantphase wird durch einen transformatorisch proportional übertragenen, angepaßten, geregelten und induktiv geglätteten Gleichstrom bestimmt. Wird nun ausgangseitig einer induktiv geglätteten Gleichstromquelle ein geregelter Gleichstrom bereitgestellt und wird dieser durch Wechselrichten und transformatorisches Übertragen an das Entladungsspannungsniveau angepaßt, so bildet sich dieser Konstantstrom zeitweise auch in der dielektrisch behinderten Entladung aus. Durch die induktive Glättung des Gleichstromes wird erreicht, daß der Übergang von einer Halbperiode zur entgegengerichteten Halbperiode sehr steil erfolgen kann und nur von der Dynamik der Leistungsschaltelemente und parasitären Restimpedanzen des Wechselstromzweiges der Entladungsanordnung begrenzt wird. Darüber hinaus sind diese Restimpedanzen nicht fur die Stabilisierung der Entladung erforderlich und können daher minimiert werden. Dieses Prinzip ermöglicht es, die Induktivität des Wechselstromkreises der Entladungsanordnung beliebig klein werden zu lassen, ohne dabei Einschränkungen in der Stabilität zu bewirken. Es erfordert darüber hinaus geringe parasitäre Induktanzen, was sich in der Forderung nach kleinen Transformatonnduktanzen niederschlägt und die Ausbildung kurzer und steiler Pulsphasen begünstigt.The current constant phase is determined by a transformer-proportionately transmitted, adjusted, regulated and inductively smoothed direct current. If a regulated direct current is now provided on the output side of an inductively smoothed direct current source and is adjusted to the discharge voltage level by inversion and transformer transmission, this constant current is also formed temporarily in the dielectrically impeded discharge. The inductive smoothing of the direct current ensures that the transition from one half-period to the opposite half-period can be very steep and is only limited by the dynamics of the power switching elements and parasitic residual impedances of the alternating current branch of the discharge arrangement. In addition, these residual impedances are not required for stabilizing the discharge and can therefore be minimized. This principle makes it possible to make the inductance of the alternating current circuit of the discharge arrangement as small as desired without causing any restrictions in stability. It also requires low parasitic inductances, which is reflected in the requirement for small transformer inductances and promotes the formation of short and steep pulse phases.

Auf diese Weise kann über den geregelten Gleichstrom der stationäre Entladungsstrom quasi auch als Wechselstrom in der Entladung geregelt werden, was bedeutet, daß in dieser Phase der Leistungseintrag in die Entladung regelbar beeinflußt werden kann. Diese Regelbarkeit bleibt auch dann gegeben, wenn in erweiterten Grenzen die Steuerfrequenz der Wechselrichtung verändert wird, woraus sich der Vorzug der Veränderbarkeit der Arbeitsfrequenz unabhängig vom Leistungseintrag ergibt.In this way, the stationary discharge current can be regulated as an alternating current in the discharge via the regulated direct current, which means that the power input into the discharge can be influenced in a controllable manner in this phase. This controllability remains even when the control frequency of the alternating direction is changed within extended limits, which gives rise to the advantage of being able to change the operating frequency independently of the power input.

Damit der Strom in der dielektrisch behinderten Entladung innnerhalb einer Halbwelle konstant bleiben kann, muß die Spannung an der dielektrischen Barriere ansteigen. Abbild dieses Spannnungsanstieges an der Barriere stellt die dem geglätteten Gleichstrom zuzuordnendeIn order for the current in the dielectrically impeded discharge to remain constant within a half-wave, the voltage at the dielectric barrier must increase. The image of this voltage increase at the barrier represents the

unipolare Spannung dar, welche dem gleichgerichteten Verlauf dieser Spannung weitgehend proportional ist. Wird nun innerhalb einer Halbwelle der Wechselspannung diese unipolare schwankende Spannung begrenzt, so kann die Spannung an der dielektrischen Barriere nicht mehr steigen und der Strom wird zu 0. Auf diese Weise ist es möglich, eine dritte Phase, die Stromabklingphase regelmäßig zu erzeugen und deren Dauer durch die Höhe der Begrenzungsspannung der schwankenden unipolaren Gleichspannung zu beeinflussen. Da sich die Höhe der erforderlichen Spannungsbegrenzung zur Gewährleistung einer definierten Stromabklingphase mit jedem Stromsollwert ändert und dies abhängig von der Kapazität der Barriere ist, ist es vorteilhaft, den Wert der Spannungsbegrenzung vom Integral des Stromes einer Halbwelle abhängig zu machen.unipolar voltage, which is largely proportional to the rectified course of this voltage. If this unipolar fluctuating voltage is now limited within a half-wave of the alternating voltage, the voltage at the dielectric barrier can no longer increase and the current becomes 0. In this way, it is possible to regularly generate a third phase, the current decay phase, and to influence its duration by the level of the limiting voltage of the fluctuating unipolar direct voltage. Since the level of the voltage limitation required to ensure a defined current decay phase changes with each current setpoint and this depends on the capacity of the barrier, it is advantageous to make the value of the voltage limitation dependent on the integral of the current of a half-wave.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert werden.The invention will be explained below using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings.

Dabei zeigenShow

Fig 1: die Schaltungsanordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung, Fig 2: den Stromverlauf zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung, Fig 3: den Spannungsverlauf eingangs der Wechselrichterschaltung.Fig 1: the circuit arrangement for feeding a dielectrically impeded discharge, Fig 2: the current curve for feeding a dielectrically impeded discharge, Fig 3: the voltage curve at the input of the inverter circuit.

Gemäß Fig. 1-3 werden zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung 1 unter Verwendung einer Wechselrichterschaltung 2 und eines Transformators 3 zur Energieanpassung positive und negative Stromhalbwellen A variabel steuerbarer Frequenz an der Entladungsanordnung 4 wirksam, die aus einer Pulsstromphase B, einer Stromkonstantphase C und einer Stromabklingphase D bestehen.According to Fig. 1-3, to feed a dielectrically impeded discharge 1 using an inverter circuit 2 and a transformer 3 for energy adjustment positive and negative current half-waves A of variably controllable frequency are effective at the discharge arrangement 4, which consist of a pulse current phase B, a constant current phase C and a current decay phase D.

Hierbei ist die Pulsstromphase B durch einen steilen Stromanstieg aus der entgegengesetzten Polarität oder von Null kommend und nachfolgendem Abfall auf einen Betrag größer Null oder einen Anfangswert der Folgephase charakterisiert. Sie wird hauptsächlich aus der Blindenergie der die Entladung behindernden Barriere 5, des die Entladung 1 einschließenden Volumens sowie angrenzender parasitärer kapazitiver Blindelemente gewonnen und durch weitere parasitäre induktive Bauelemente in Amplitude und Frequenz beeinflußt.Here, the pulse current phase B is characterized by a steep current increase from the opposite polarity or from zero and a subsequent drop to an amount greater than zero or an initial value of the following phase. It is mainly obtained from the reactive energy of the barrier 5 hindering the discharge, the volume enclosing the discharge 1 and adjacent parasitic capacitive reactive elements and is influenced in amplitude and frequency by further parasitic inductive components.

Die Amplitude der Stromkonstantphase C mit einem Wert im Betrag größer Null ist durch einen vermittels Wechselrichten transformatorisch proportional übertragenen, angepaßten, geregelten und induktiv geglätteten Gleichstrom 6 bestimmt. Der Betrag dieser Stromkonstantphase C kann daher auch weitgehend unabhängig von der Frequenz geregelt werden, wodurch einThe amplitude of the current constant phase C with a value greater than zero is determined by a direct current 6 that is proportionally transmitted by means of an inverter, adjusted, regulated and inductively smoothed. The amount of this current constant phase C can therefore also be regulated largely independently of the frequency, which results in a

gleichmäßiger Energieeintrag in das Plasma über einen langen Zeitbereich innerhalb jeder Stromhalbwelle gewährleistet werden kann. Durch die Regelung dieser Stromkonstantphase C mittel eines Gleichstromes 6 vereinfacht sich die Regelung und es verbessert sich die Prozeßstabilität.uniform energy input into the plasma over a long period of time within each current half-wave can be ensured. By controlling this current constant phase C using a direct current 6, the control is simplified and the process stability is improved.

Die Stromabklingphase D mit auf die Maximalzeit der Stromkonstantphase steuerbarer Länge kann innerhalb der Dauer der Stromkonstantphase C durch verschiedene Maßnahmen einzeln oder kombiniert beeinflußt werden. Zunächst ist die Stromabklingphase D durch zeitweise Spannungsbegrenzung der dem geglätteten Gleichstrom 6 zuzuordnenden, an sich unipolar variablen Wechselrichtereingangsspannung F bestimmt. Diese Spannung ist gleich der Potentialdifferenz der Knotenpunkte 7 und 8 und identisch mit der unipolaren Ausgangsspannung der Gleichstromquelle. Durch Begrenzen dieser Spannung auf einen Wert E wird erreicht, daß kein Stromanstieg an der Entladungsanordnung 4 mehr wirksam wird, was zur Folge hat, daß der Strom 9 durch die Entladungsanordnung 4 abklingt und zu Null wird. Diese Wirkung kann auch bei veränderbarer Frequenz erreicht werden, wenn zum Beispiel die Spannungsbegrenzung 10 der unipolaren variablen Wechselrichtereingangsspannung F in ihrem Wert mit dem Integral des Stromes über die entsprechende Halbwelle des speisenden Wechselrichterstromes verglichen wird.The current decay phase D with a length that can be controlled to the maximum time of the current constant phase can be influenced by various measures, individually or in combination, within the duration of the current constant phase C. Firstly, the current decay phase D is determined by temporarily limiting the voltage of the inverter input voltage F, which is assigned to the smoothed direct current 6 and is essentially unipolar. This voltage is equal to the potential difference between the nodes 7 and 8 and identical to the unipolar output voltage of the direct current source. By limiting this voltage to a value E, it is achieved that no current increase is effective at the discharge arrangement 4, which means that the current 9 through the discharge arrangement 4 decays and becomes zero. This effect can also be achieved with variable frequency if, for example, the voltage limit 10 of the unipolar variable inverter input voltage F is compared in its value with the integral of the current over the corresponding half-wave of the supplying inverter current.

Zur Vermeidung von Überspannungen im Verlauf der Wechselrichtereingangsspannung F ist es notwendig, daß die Leitdauer der die positiven und der negativen Halbwelle steuernden leistungselektronischen Schaltelemente zusammen größer oder gleich der Periodendauer der steuerbar variablen Frequenz ist.To avoid overvoltages in the course of the inverter input voltage F, it is necessary that the conduction time of the power electronic switching elements controlling the positive and negative half-waves together is greater than or equal to the period of the controllably variable frequency.

Eine Verlängerung der Leitdauer der die positive und der negative Halbwelle steuernden leistungselektronischen Schaltelemente innerhalb einer Periode des Stromes 9 durch die Entladungsanordnung 4 führt begrenzt ebenfalls zur Verlängerung der Stromabklingphase D. Um diese Eigenschaften auch in einem begrenzt erweiterten Frequenzbereich des Stromes durch die Entladungsanordnung 4 zu gewährleisten und die Proportionalität zwischen dem Gleichstrom 6 und der Amplitude der Stromkonstantphase C zu gewährleisten, ist es notwendig eine streuungsarme transformatorische Energieübertagung zu gewährleisten. Auf diese Weise kann wesentlich erreicht werden, daß die Pulsstromphase B klein gegenüber der Halbwellendauer A ist.An extension of the conduction time of the power electronic switching elements controlling the positive and negative half-waves within a period of the current 9 through the discharge arrangement 4 also leads, to a limited extent, to an extension of the current decay phase D. In order to ensure these properties even in a limited, extended frequency range of the current through the discharge arrangement 4 and to ensure the proportionality between the direct current 6 and the amplitude of the current constant phase C, it is necessary to ensure a low-spread transformer energy transfer. In this way, it can be achieved that the pulse current phase B is small compared to the half-wave duration A.

Die beschriebenen Eigenschaften werden schaltungstechnisch dadurch erzielt, daß eine geregelte Gleichstromquelle 11, eine Wechselrichterschaltung 2 und eine geregelte Spannungsbegrenzungsschaltung 10 an gemeinsamen Knotenpunkten parallel verbunden sind, wobei die geregelte Gleichstromquelle mindestens mit einer Strommessung und einem Stromoder Leistungsregelkreis ausgestattet ist und ausgangsseitig im Leistungskreis eine Induktivität zur Stromglättung aufweist, deren Wert so bemessen ist, daß bei erfindungsgemäßer Nutzung ein Lücken des Stromes ausgeschlossen ist. Weitere erfindungsgemäße Merkmale bestehen darin, daß die Wechselrichterschaltung mindestens zwei unabhängig steuerbare ein und ausschaltbare leistungselektronische Schaltelemente 12 enthält und Schaltungszweige, in denen sich diese Ventilbauelemente befinden, in Sperrichtung eine Freilaufliinktion aufweisen, die Wechselrichterschaltung im Wechselstromzweig 13 in Reihenschaltung an die Primärwicklung oder Primärwicklungen eines Transformators 3 zur Spannungs- und Impedanzanpassung angeschlossen ist und die Streureaktanz dieses Transformators vorzugsweise kleiner als 10% gegenüber der Hauptreaktanz ist sowie der Transformator sekundär an eine Entladungsanordnung 4 bestehend aus Plasmaentladungsschicht oder Plasmaentladungsvolumen 1 und dielektrisch behindernder Schicht oder dielektrisch behinderndem Volumen 5 angeschlossen ist.The properties described are achieved in terms of circuitry in that a regulated direct current source 11, an inverter circuit 2 and a regulated voltage limiting circuit 10 are connected in parallel at common nodes, whereby the regulated direct current source is equipped with at least one current measurement and a current or power control circuit and has an inductance on the output side in the power circuit for current smoothing, the value of which is dimensioned such that when used according to the invention, a gap in the current is excluded. Further features according to the invention are that the inverter circuit contains at least two independently controllable power electronic switching elements 12 that can be switched on and off, and circuit branches in which these valve components are located have a freewheeling function in the blocking direction, the inverter circuit in the alternating current branch 13 is connected in series to the primary winding or primary windings of a transformer 3 for voltage and impedance matching, and the leakage reactance of this transformer is preferably less than 10% compared to the main reactance, and the transformer is secondarily connected to a discharge arrangement 4 consisting of a plasma discharge layer or plasma discharge volume 1 and a dielectrically impeding layer or dielectrically impeding volume 5.

Eine derartige Entladungsanordnung kann auch aus mehreren Elementen mit ähnlichen Eigenschaften wie die Gesamtentladungsanordnung aufgebaut sein. Darüber hinaus ist es wesentlich, daß bei Vorhandensein eines Gleichstromes 6 ausgangsseitig der Gleichstromquelle 11 die Ventilbauelemente derart gesteuert sind, daß mindestens immer ein Schaltungszweig der Wechselrichterschaltung 2 leitend geschaltet ist und die Steuerfrequenz der Wechselrichterschaltung variabel ist. Durch die Freilaufeigenschaften wird erreicht, daß die kapazitiv gespeicherte Energie der Entladungsanordnung in der folgenden Pulsstromphase entgegengesetzter Polarität durch einen Umschwingvorgang wirksam werden kann und nur in geringem Maße zu Verlusten fuhrt. Eine in Grenzen variable Frequenz ermöglicht es, daß dieser Parameter für technologische Wirkungen unabhängig vom Leistungseintrag geregelt werden kann. Die untere Frequenz ist dabei von der Sättigungsgrenze des Transformatorkernmaterials bestimmt, die obere Grenze folgt der Bedingung, wonach die Steuerfrequenz kleiner als die der Dauer der der Strompulsphase zuzuordnenden Resonanzfrequenz sein soll. Es erweist sich hierbei als vorteilhaft, daß selbst bei Unterschreiten der unteren Arbeitsfrequenz und damit bei SättigungSuch a discharge arrangement can also be constructed from several elements with similar properties to the overall discharge arrangement. In addition, it is essential that when a direct current 6 is present on the output side of the direct current source 11, the valve components are controlled in such a way that at least one circuit branch of the inverter circuit 2 is always switched to conducting and the control frequency of the inverter circuit is variable. The freewheeling properties ensure that the capacitively stored energy of the discharge arrangement can become effective in the following pulse current phase of opposite polarity through a reversal process and only leads to losses to a small extent. A frequency that can be varied within limits makes it possible for this parameter to be regulated for technological effects independently of the power input. The lower frequency is determined by the saturation limit of the transformer core material, the upper limit follows the condition that the control frequency should be smaller than the duration of the resonance frequency assigned to the current pulse phase. It proves to be advantageous that even if the lower operating frequency is undershot and thus in the event of saturation

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des Transformatorkerns keine Schäden an der Schaltung zu erwarten sind, da die Gleichstromquelle dies verhindert.of the transformer core, no damage to the circuit is to be expected, since the DC source prevents this.

Um während einer oder während jeder Stromhalb welle A die Dauer der Stromkonstantphase C zu begrenzen und damit zum Beispiel gezielte Entionisierungserscheinungen zu erzielen, kann nun auf verschiedene Weise Einfluß auf dessen Dauer ausgeübt werden. So bewirkt die Begrenzung der unipolar variablen Ausgangsspannung der Gleichstromquelle mit Hilfe einer auf diese Spannung ausgerichteten Spannungsregelung durch die Spannungsbegrenzerschaltung 10 zwangsläufig das oben erläuterte Abklingen des Stromes in der Plasmaentladung. Bei veränderbarer Frequenz muß sich das erforderliche Niveau der Spannungsbegrenzung E verändern. Um diesen Einfluß zum implementieren ist es vorteilhaft, in einem oder jedem Ventilzweig der Wechselrichterschaltung einen Stromsensor 14 anzuordnen, deren Ausgangssignal vermittels Integrator 15 mit Rücksetzung nach jeder Stromhalbwelle über die entsprechende Stromhalbwelle integriert wird und damit als Maß für das erforderliche Vergleichsniveau der unipolar variablen Ausgangsspannung der Gleichstromquelle anzusehen ist, ab welchem die Spannungsbegrenzung wirksam werden soll. Bei hinreichend dynamischem Verhalten der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 besteht somit die Möglichkeit unterschiedliche Formen der Stromhalbwellen A zu erzielen. In begrenztem Umfang besteht darüber hinaus die Möglichkeit, durch erweitertes Überlappen der Leitdauerphasen der Wechselrichterzweige zu erreichen, daß die unipolar variablen Ausgangsspannung der Gleichstromquelle kurzgeschlossen wird und somit ein Abklingen des Stromes in der Plasmaentladung zu erreichen.In order to limit the duration of the current constant phase C during one or during each current half-wave A and thus, for example, to achieve targeted deionization phenomena, the duration can now be influenced in various ways. For example, limiting the unipolar variable output voltage of the direct current source with the aid of a voltage control geared to this voltage by the voltage limiter circuit 10 inevitably causes the current in the plasma discharge to decay as explained above. With a variable frequency, the required level of the voltage limitation E must change. In order to implement this influence, it is advantageous to arrange a current sensor 14 in one or each valve branch of the inverter circuit, the output signal of which is integrated by means of an integrator 15 with a reset after each current half-wave over the corresponding current half-wave and can thus be seen as a measure of the required comparison level of the unipolar variable output voltage of the direct current source, from which the voltage limitation should become effective. With sufficiently dynamic behavior of the voltage limiting circuit 10, it is thus possible to achieve different forms of the current half-waves A. To a limited extent, it is also possible to achieve, by extending the conduction phases of the inverter branches, that the unipolar variable output voltage of the direct current source is short-circuited and thus to achieve a decay of the current in the plasma discharge.

Claims (5)

SchutzansprücheProtection claims 1. Schaltungsanordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung, bei der1. Circuit arrangement for feeding a dielectrically impeded discharge, in which - eine geregelte Gleichstromquelle (11), eine Wechselrichterschaltung (2) und eine geregelte Spannungsbegrenzungsschaltung (10) an gemeinsamen Knotenpunkten (7;8) parallel verbunden sind, wobei die geregelte Gleichstromquelle (11) mindestens mit einer Strommessung und einem Strom- oder Leistungsregelkreis ausgestattet ist und ausgangsseitig im Leistungskreis eine Induktivität zur Stromglättung aufweist, deren Wert so bemessen ist, daß bei erfindungsgemäßer Nutzung ein Lücken des Stromes ausgeschlossen ist,- a regulated direct current source (11), an inverter circuit (2) and a regulated voltage limiting circuit (10) are connected in parallel at common nodes (7; 8), the regulated direct current source (11) being equipped with at least a current measurement and a current or power control circuit and on the output side in the power circuit having an inductance for current smoothing, the value of which is such that when used according to the invention, a gap in the current is excluded, - die Wechselrichterschaltung (2) mindestens zwei unabhängig steuerbare ein- und ausschaltbare leistungselektronische Schaltelemente (12) enthält und Schaltungszweige, in denen sich diese Ventilbauelemente befinden, in Sperrichtung eine Freilauffunktion aufweisen,- the inverter circuit (2) contains at least two independently controllable power electronic switching elements (12) that can be switched on and off, and circuit branches in which these valve components are located have a freewheeling function in the blocking direction, - bei Vorhandensein eines Gleichstromes ausgangsseitig der Gleichstromquelle (11) die Ventilbauelemente derart gesteuert sind, daß mindestens immer ein Schaltungszweig der Wechselrichterschaltung (2) leitend geschaltet ist, die Wechselrichterschaltung (2) im Wechselstromzweig in Reihenschaltung an die Primärwicklung oder Primärwicklungen eines Transformators (3) zur Spannungs- und Impedanzanpassung angeschlossen ist und die Streureaktanz dieses Transformators vorzugsweise kleiner als 10% gegenüber der Hauptreaktanz ist,- when a direct current is present on the output side of the direct current source (11), the valve components are controlled in such a way that at least one circuit branch of the inverter circuit (2) is always switched to conducting, the inverter circuit (2) in the alternating current branch is connected in series to the primary winding or primary windings of a transformer (3) for voltage and impedance matching and the leakage reactance of this transformer is preferably less than 10% compared to the main reactance, - die Steuerfrequenz der Wechselrichterschaltung (2) variabel ist,- the control frequency of the inverter circuit (2) is variable, - sowie der Transformator (3) sekundär an eine Entladungsanordnung (4) bestehend aus Plasmaentladungsschicht oder Plasmaentladungsvolumen (1) und dielektrisch behindernder Schicht oder dielektrisch behinderndem Volumen (5) angeschlossen ist.- and the transformer (3) is secondarily connected to a discharge arrangement (4) consisting of a plasma discharge layer or plasma discharge volume (1) and a dielectrically impeding layer or dielectrically impeding volume (5). 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Istwert an die Spannungsbegrenzungsschaltung (10) geschaltet und eine Regelschaltung zur variablen Begrenzung der unipolaren variablen Ausgangsspannung der Gleichstromquelle vorhanden ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that an actual value is connected to the voltage limiting circuit (10) and a control circuit for the variable limitation of the unipolar variable output voltage of the direct current source is present. -2--2- 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz aus Streureaktanz, parasitären induktiven und kapazitiven Bauelementen im Wechselstromkreis des Wechselrichters (2) sowie der Kapazität in der Entladungsanordnung (4) größer ist als die Steuerfrequenz des Wechselrichters (2) ist.3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the resonance frequency of stray reactance, parasitic inductive and capacitive components in the alternating current circuit of the inverter (2) and the capacitance in the discharge arrangement (4) is greater than the control frequency of the inverter (2). 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Istwertaufhehmer für die Spannungsbegrenzungsschaltung an die Ausgangsklemmen der Gleichstromquelle (11) angeschlossen ist und/oder ein oder je Zweig ein Istwertaufhehmer des Stromes jeder Halbwelle eines Wechselrichterzweiges an einen Integrator (15) mit Rücksetzung nach jeder Stromhalbwelle angeschlossen ist, der sich in der Ventilstrombahn eines oder mehrerer Ventilbauelemente der Wechselrichterschaltung (2) befindet.4. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that an actual value sensor for the voltage limiting circuit is connected to the output terminals of the direct current source (11) and/or one or per branch an actual value sensor of the current of each half-wave of an inverter branch is connected to an integrator (15) with reset after each current half-wave, which is located in the valve current path of one or more valve components of the inverter circuit (2). 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitdauer der die Stromhalb wellen (A) beeinflussenden Zweige der Wechselrichterschaltung (13) zusammen größer als die der Steuerfrequenz zuzuordnende Periodendauer ist und daß die Leitdauer der die Stromhalbwellen beeinflussenden Zweige der Wechselrichterschaltung variabel ist.5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the conduction period of the branches of the inverter circuit (13) influencing the current half-waves (A) together is greater than the period duration assigned to the control frequency and that the conduction period of the branches of the inverter circuit influencing the current half-waves is variable.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003079397A1 (en) 2002-03-15 2003-09-25 Unaxis Balzers Ag Vacuum plasma generator
WO2009062835A1 (en) * 2007-11-14 2009-05-22 Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung Ballast having a dbd lamp

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