DE4238388A1 - Elektronische Schaltungsanordnung zur Abgabe von ultravioletter Strahlung - Google Patents
Elektronische Schaltungsanordnung zur Abgabe von ultravioletter StrahlungInfo
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Description
Schaltungsanordnung zur Abgabe von ultravioletter Strahlung
(UV-Strahlung), mit einer Hochspannungsversorgung und einer
UV-Strahlungsquelle, deren UV-Abstrahlenergie innerhalb eines
gewünschten Arbeitsbereichs einstellbar ist. Aus der
Elektronik, insbesondere auf dem Gebiet der
Leistungselektronik, sind eine Vielzahl unterschiedlicher
Schaltungstypen bekannt, bei denen mittels Umrichtung
elektrische Verbraucher in geeigneter Weise versorgt werden.
Die DE 35 21 496 A1 betrifft beispielsweise ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur mittel- und hochfrequenten
Hochspannungsversorgung für impedanzartige Lasten. Als Last
kann insbesondere ein Ozongenerator zum Einsatz kommen. Es
wird eine gleichgerichtete Netzwechselspannung von einem
elektronischen Schalter in eine Pulswechselspannung
umgeformt. Diese Pulswechselspannung wird über einen
Hochspannungstransformator an die Last geliefert. Zur
Regelung der Schaltfrequenz der elektronischen Schalter ist
eine Frequenzregelschaltung vorgesehen, die abhängig von der
durch die Last veränderbaren Resonanzfrequenz des
Sekundärkreises die elektronischen Schalter ansteuert. Im
Sekundärkreis des Hochspannungstransformators befindet sich
ein Stützkondensator sowie die Impedanz der Last. Der
Sekundärkreis bildet mit der Induktivität der
Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators, dem
Stützkondensator und der Lastimpedanz einen
Parallelschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz sich im Betrieb
in Abhängigkeit von der Last ändert. Die Ansteuerung erfolgt
nun derart, daß stets die Laständerung berücksichtigt wird
und damit stets der Resonanzfall erhalten bleibt, was
energietechnische Vorteile hat.
Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine elektrische
Schaltungsanordnung mit einem speziellen Verbraucher. Der
Verbraucher ist eine UV-Strahlungsquelle, insbesondere ein
Excimer-Strahler, der UV-Energie (ultraviolettes Licht)
abstrahlt. Die UV-Strahlung wird vorzugsweise für eine
Trocknung, insbesondere für die Trocknung von Druckfarbe
einer Druckmaschine, verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische
Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die
bei minimalem Bauteile- und Energieaufwand zu einer - für den
jeweiligen Einsatzzweck - optimalen UV-Energielieferung
führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen
gleichspannungsgespeisten, mit ansteuerbaren elektronischen
Schaltern versehenen Brückenresonanzwandler, der den
Primärkreis eines Hochspannungsübertragers ansteuert, in
dessen Sekundärkreis als einziges Bauelement die
UV-Strahlungsquelle liegt, wobei die Streuinduktivität des
Hochspannungsübertragers derart dimensioniert ist, daß sie
einerseits mit der Kapazität der UV-Strahlungsquelle einen
Reihenschwingkreis bildet und andererseits unter
Berücksichtigung einer geeigneten Wahl der Hauptinduktivität
des Hochspannungsübertragers einen zwischen einer
induktivitätsabhängigen minimalen und maximalen
Ansteuerfrequenz der elektronischen Schalter liegenden
Ansteuerbereich zuläßt, der dem Arbeitsbereich entspricht.
Der erfindungsgemäße Gedanke liegt somit in einem speziellen
Entwurf des Hochspannungsübertragers im Hinblick auf seine
Streu- und Hauptinduktivität. Diese beiden Induktivitäten
werden in bezug auf die UV-Strahlungsquelle derart gewählt,
daß unter Berücksichtigung einer Resonanz ein Ansteuerbereich
zwischen einer minimalen und einer maximalen Ansteuerfrequenz
der elektronischen Schalter realisierbar ist, um die
entsprechende UV-Abstrahlenergie zu erhalten. Dabei befindet
sich im Sekundärkreis des Hochspannungsübertragers kein
zusätzliches Sauelement, sondern lediglich die
UV-Strahlungsquelle, insbesondere der Excimer-Strahler,
dessen Kapazität (Röhrenkapazität) mit der Streuinduktivität
des Hochspannungsübertragers ein schwingfähiges System
bildet. Durch den erfindungsgemäßen speziellen Entwurf der
Streu- und Hauptinduktivität des Hochspannungsübertragers ist
bei minimalem Bauteileaufwand ein optimaler Arbeitsbereich
des Excimer-Strahlers sichergestellt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Speisung des Brückenresonanzwandlers mittels eines
Gleichspannungs-Zwischenkreises erfolgt. Die Höhe der
Zwischenkreisspannung ist vorzugsweise mittels eines
wechselstromgespeisten, steuerbaren Vor-Konverters möglich,
der als Zwischenkreis-Gleichrichter ausgebildet ist. Durch
die Steuerbarkeit des Zwischenkreis-Gleichrichters kann die
Zwischenkreisspannung variiert und damit ebenfalls - neben
der Veränderung der Ansteuerfrequenz der elektronischen
Schalter - Einfluß auf die UV-Abstrahlenergie des
Excimer-Strahlers genommen werden.
Vorzugsweise erfolgt eine Einkopplung der in der
Hauptinduktivität gespeicherten Energie zwischen zwei
Einschaltintervallen der elektronischen Schalter in den
Sekundärkreis des Hochspannungsübertragers. Hierdurch wird
die eingesetzte Energie optimal genutzt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind für eine
Vorzeichenumkehr des die UV-Strahlungsquelle durchfließenden
Resonanzstromes zu den elektronischen Schaltern Inversdioden
parallel geschaltet.
Für eine stabile Zwischenkreis-Gleichspannung befindet sich
im Gleichstrom-Zwischenkreis mindestens ein Stützkondensator.
Dieser wird vom Zwischenkreis-Gleichrichter aufgeladen; er
stellt eine spontane Energiequelle dar.
Vorteilhaft ist eine Regelungseinrichtung, die als Sollwert
einen im Arbeitsbereich liegenden Wert der UV-Abstrahlenergie
erhält, die als Ausgangsgröße die Ansteuerfrequenz der
elektronischen Schalter liefert, vorzugsweise den
Zwischenkreis-Gleichrichter ansteuert und als Istwerte die
Zwischenkreis-Gleichspannung und den Zwischenkreisstrom
erhält.
Schließlich ist eine Ansteuerlogik für die elektronischen
Schalter vorgesehen, der für die Bestimmung der von der
variablen Resonanzfrequenz abhängigen Ausschaltzeitpunkte der
elektronischen Schalter der Primärstrom des
Hochspannungsübertragers zum Detektieren der
Primärstrom-Nulldurchgänge zugeführt wird.
Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels und zwar zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild der elektronischen Schaltungsanordnung
zur Abgabe von ultravioletter Strahlung mit einem
Excimer-Strahler,
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines Hochspannungsübertragers
der Schaltungsanordnung,
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des Excimer-Strahlers
und
Fig. 4 bis 8 Diagramme verschiedener Größen der
Schaltungsanordnung der Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine elektronische Schaltungsanordnung 1, die
eine Hochspannungsstromversorgung 2 und eine
UV-Strahlungsquelle aufweist, die als Excimer-Strahler 3
ausgebildet ist. Ein Vor-Konverter, der als
Zwischenkreis-Gleichrichter 4 ausgebildet ist, wird von einer
dreiphasigen Wechselspannung über die Leitungen L1, L2 und L3
gespeist. An seinem Ausgang (Ausgangsklemmen 5 und 6) liefert
der Zwischenkreis-Gleichrichter 4 eine
Zwischenkreis-Gleichspannung uZW. Parallel zu den
Ausgangsklemmen 5 und 6 liegt ein Stützkondensator CST.
Zwischen dem einen Anschluß des Stützkondensators CST und der
Ausgangsklemme 5 wird der im Zwischenkreis fließende
Zwischenkreisstrom iZW mit Hilfe einer geeigneten
Meßeinrichtung - zum Beispiel mittels eines Shunts - erfaßt.
Parallel zum Stützkondensator CST liegen zwei Brückenzweige
eines Brückenresonanzwandlers 7. Dieser weist in jedem
Brückenzweig zwei elektronische Schalter 8 auf, die als
Transistoren T1, T*1, T2 und T*2 ausgebildet sind. Parallel
zu jedem elektronischen Schalter 8 liegt eine Inversdiode D,
deren Stromrichtung entgegengesetzt zur Stromrichtung des
jeweiligen Transistors geschaltet ist. Im Brückenquerzweig 9
des Brückenresonanzwandlers 7 befinden sich
Anschlußklemmen 10 und 11, an die die Primärwicklung eines
Hochspannungsübertragers 12 angeschlossen ist. Ferner wird
mittels eines geeigneten Meßelements der Primärstrom ipri des
Hochspannungsübertragers 12 ermittelt. Die Sekundärwicklung
des Hochspannungsübertragers ist an den Excimer-Strahler 3
angeschlossen. Im Primärkreis fließt der Sekundärstrom isek.
Fig. 1 zeigt ferner eine Regelungseinrichtung 13, die als
Sollwert die Größe UVsoll erhält, mit der die
UV-Abstrahlenergie des Excimer-Strahlers 3 vorgebbar ist. Als
Istwerte wird der Regelungseinrichtung 13 die
Zwischenkreis-Gleichspannung uZW und der
Zwischenkreisstrom iZW zugeführt. Die Regelungseinrichtung 13
liefert als Ausgangsgröße F die Ansteuerfrequenz der
elektronischen Schalter 8. Diese Ansteuerfrequenz F wird
einer Ansteuerlogik 14 zugeführt. Ferner liefert die
Regelungseinrichtung 13 eine weitere Ausgangsgröße, nämlich
einen Wert UZWsoll, die einen Sollwert für die
Zwischenkreis-Gleichspannung uZW bildet und mit der der
Zwischenkreis-Gleichrichter 4 angesteuert wird.
Die Ansteuerlogik 14 liefert Ansteuersignale für die
Transistoren T1, T*1, T2 und T*2. Ferner erhält die
Ansteuerlogik 14 als Eingangsgröße den Primärstrom ipri, der
im Primärkreis des Hochspannungsübertragers 12 fließt.
Bevor im einzelnen auf die Funktionsweise der
Schaltungsanordnung der Fig. 1 eingegangen werden soll, wird
auf die Fig. 2 und 3 verwiesen.
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des
Hochspannungsübertragers 12, das sich aus einem idealen
Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis ü und einer im
Sekundärkreis befindlichen Hauptinduktivität LH sowie einer
dazu in Reihe liegenden Streuinduktivität Ls s zusammensetzt.
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Excimer-Strahlers 3,
das sich aus den Kapazitäten C1, C2 und C3 zusammensetzt, die
in Reihe zueinanderliegen. Parallel zur Kapazität C2 liegt
ein Schalter S, mit dem ein Widerstand R zur Kapazität C2
parallel geschaltet werden kann.
Dieses Parallelschalten erfolgt stets dann, wenn der
Excimer-Strahler 3 zündet. Die Zündung erfolgt bei einer
Spannung U*. Das dem Schalter S zugeordnete Diagramm
verdeutlicht, daß eine Zündung sowohl beim Erreichen einer
positiven Spannung U* als auch beim Erreichen einer negativen
Spannung U* erfolgt und daß zwischen dem Zünden und dem
Erlöschen eine Hysterese liegt.
Zur Erläuterung der Funktion der Schaltungsanordnung 1 sei
davon ausgegangen, daß innerhalb eines Arbeitsbereiches der
UV-Abstrahlenergie des Excimer-Strahlers 3 an der
Regelungseinrichtung 13 ein Sollwert UVsoll vorgegeben ist,
der zu einer entsprechenden Zwischenkreis-Gleichspannung uZW
und einer entsprechenden Ansteuerfrequenz F der elektrischen
Schalter 8 führt. Schaltet nun die Ansteuerlogik 14 die
Transistoren T1 und T*1 gleichzeitig ein (Zeitpunkt t0 in den
Diagrammen der Fig. 4 bis 8), so beginnt im Primärkreis des
Hochspannungsübertragers 12 der Primärstrom ipri zu fließen.
Aus den Ersatzschaltbildern des Hochspannungsübertragers 12
und des Excimer-Strahlers 3 ist gemäß der Fig. 2 und 3
erkennbar, daß die Streuinduktivität Lσ s mit der Kapazität
des Excimer-Strahlers 3 einen Reihenschwingkreis bildet. Im
ungezündeten Zustand des Excimer-Strahlers 3 stellt sich ein
Primärstrom ipri der Resonanzfrequenz
ein, wobei C0 eine Konstante ist.
Zündet der Excimer-Strahler 3, so vergrößert sich die
Kapazität auf den Wert C*, wobei C* ein Mittelwert der
gepulsten Röhrenkapazität des Excimer-Strahlers darstellt.
Die Zündkapazität C* ist jedoch kein konstanter Wert, sondern
proportional zu der in dem Excimer-Strahler 3 umgesetzten
Leistung.
Aus dem Diagramm der Fig. 6 ist erkennbar, daß zum
Zeitpunkt t1 der Primärstrom ipri Null ist und daß
anschließend der negative Resonanzstrom zu fließen beginnt,
was möglich ist, weil parallel zu den elektronischen
Schaltern 8 die Inversdioden D liegen. Abgeschlossen ist der
Resonanzvorgang zum Zeitpunkt t2. Zu diesem Zeitpunkt t2 ist
der Diodenstrom zu Null geworden und die Transistoren T1 und
T*1 sind im Zeitintervall t1-t2 mittels der Ansteuerlogik 14
ausgeschaltet worden. Aufgrund der variablen Resonanzfrequenz
des Resonanzkreises lassen sich die Ausschaltzeitpunkte der
elektronischen Schalter 8 nicht fest vorgeben, sondern es muß
der Strom-Null-Durchgang detektiert werden. Dies erfolgt von
der Ansteuerlogik 14, der ja - wie zuvor beschrieben - der
Primärstrom ipri zugeführt wird.
Die während des Zeitintervalls t0-t2 in der
Hauptinduktivität LH gespeicherte Energie wird in einen
weiteren Reihenschwingkreis eingekoppelt, der von der
Hauptinduktivität LH, der Streuinduktivität Lσ s und der
Kapazität des Excimer-Strahlers gebildet ist.
Zum Zeitpunkt t = t3 werden die Transistoren T2 und T*2
eingeschaltet und der zuvor beschriebene Resonanzvorgang
wiederholt sich mit umgekehrter Polarität.
Zur Regelung der UV-Abstrahlenergie des Excimer-Strahlers 3
ist die Ansteuerfrequenz zwischen dem Wert einer maximalen
Ansteuerfrequenz fmax und einer minimalen
Ansteuerfrequenz fmin veränderbar. Die Größen fmax und fmin
sind von der Streuinduktivität Lσ s der Hauptinduktivität LH
und dem Mittelwert der gepulsten Röhrenkapazität des
gezündeten Excimer-Strahlers 3 abhängig. Es gilt:
Da der Excimer-Strahler 3 vorgegeben ist, ist erfindungsgemäß
der Hochspannungsübertrager 12 im Hinblick auf seine
Streuinduktivität Ls und seine Hauptinduktivität LH derart
ausgelegt, daß sich der beschriebenen Reihenresonanzkreis
bildet und überdies innerhalb des Ansteuerbereichs die
gewünschte UV-Abstrahlenergie zur Verfügung steht. Überdies
kann vorzugsweise über die Höhe der Zwischenkreisspannung uZW
eine weitere Einflußnahme auf die Größe der
UV-Abstrahlenergie genommen werden. Es erfolgt hierzu eine
entsprechende Ansteuerung des Zwischenkreis-Gleichrichters 4
mittels der von der Regelungseinrichtung 13 gelieferten
Größe UZWsoll.
Aufgrund der Erfindung ergibt sich ein quasi sinusförmiger
Stromverlauf bei dem Brückenresonanzwandler 7. Durch den
speziellen Entwurf des Hochspannungsübertragers 12 ist die
Streuinduktivität Lσ s so dimensioniert, daß keine weiteren
Induktivitäten in den Resonanzkreis eingebracht werden
müssen. Der Resonanzkreis besteht nur aus der Kapazität der
UV-Strahlungsquelle und den Elementen des
Hochspannungsübertragers, so daß mit einer minimalen Anzahl
von Bauteilen ausgekommen wird.
Claims (7)
1. Elektronische Schaltungsanordnung zur Abgabe von
ultravioletter Strahlung (UV-Strahlung), mit einer
Hochspannungsversorgung und einer UV-Strahlungsquelle,
insbesondere mit einem Excimer-Strahler, deren
UV-Abstrahlenergie innerhalb eines gewünschten
Arbeitsbereichs einstellbar ist,
gekennzeichnet durch einen
gleichspannungsgespeisten, mit ansteuerbaren
elektronischen Schaltern (8) versehenen
Brückenresonanzwandler (7), der den Primärkreis eines
Hochspannungsübertragers (12) ansteuert, in dessen
Sekundärkreis als einziges Bauelement die
UV-Strahlungsquelle (Excimer-Strahler 3) liegt, wobei die
Streuinduktivität (Lσ s) des Hochspannungsübertragers (12)
derart dimensioniert ist, daß sie einerseits mit der
Kapazität der UV-Strahlungsquelle (Excimer-Strahler 3)
einen Resonanzkreis bildet und andererseits unter
Berücksichtigung einer geeigneten Wahl der
Hauptinduktivität (LH) des Hochspannungsübertragers (12)
einen inzwischen einer induktivitätsabhängigen minimalen
und maximalen Ansteuerfrequenz (fmin, fmax) der
elektronischen Schalter (8) liegenden Ansteuerbereich
zuläßt, der dem Arbeitsbereich entspricht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Speisung des Brückenresonanzwandlers (7) mittels
eines Gleichspannungs-Zwischenkreises erfolgt.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
da durch gekennzeichnet,
daß die Höhe der Zwischenkreis-Gleichspannung (uZW)
mittels eines wechselstromgespeisten, steuerbaren
Zwischenkreis-Gleichrichters (4) einstellbar ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einkopplung der in der Hauptinduktivität (LH)
gespeicherten Energie zwischen zwei Einschaltintervallen
der elektronischen Schalter (8) in den Sekundärkreis des
Hochspannungsüberträgers (12) erfolgt.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das für eine Vorzeichenumkehr des die
UV-Strahlungsquelle (Excimer-Strahler 3) durchfließenden
Resonanzstromes zu den elektronischen Schaltern (8)
Inversdioden (D) parallel geschaltet sind.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Regelungseinrichtung (13), die als Sollwert (UVsoll)
einen im Arbeitsbereich liegenden Wert der
UV-Abstrahlenergie erhält, die als Ausgangsgröße die
Ansteuerfrequenz (F) der elektronischen Schalter (8)
liefert, vorzugsweise den Zwischenkreis-Gleichrichter (4)
ansteuert und als Istwerte die
Zwischenkreis-Gleichspannung (uZW) und den
Zwischenkreisstrom (iZW) erhält.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Ansteuerlogik (14) für die elektronischen
Schalter (8), der für die Bestimmung der von der
variablen Resonanzfrequenz abhängigen Ausschaltzeitpunkte
der elektronischen Schalter (8) der Primärstrom (ipri)
des Hochspannungsübertragers (12) zum Detektieren der
Primärstrom-Nulldurchgänge zugeführt wird.
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