DE4238388C2

DE4238388C2 - Elektronische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer UV-Strahlungsquelle

Info

Publication number: DE4238388C2
Application number: DE19924238388
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Kleibaumhueter
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-11-14
Also published as: DE4238388A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer UV-Strahlungsquelle mit Hochspannungsimpulsen wechselnder Polarität, wobei die abgestrahlte UV-Leistung 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 mit Hochspannungsimpulsen wechselnder Polarität 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.

Aus der DE 32 45 219 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Gasentladungslampe bekannt, bei der im Sekundärkreis eines Übertragers als einziges Bauelement (abgesehen von einer bei störungsfreiem Betrieb wirkungslosen Überwachungsschaltung) die Gasentladungslampe liegt. Die Sekundärwicklung des Übertragers und die Gasentladungslampe bilden einen für die Schaltungsanordnung frequenzbestimmenden Schwingkreis.

Aus der US 3 969 652 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Gasentladungslampe bekannt, bei der die Gasentladungslampe im Sekundärkreis eines Übertragers liegt, der von einem gleichspannungsgespeisten Brückenwechselrichter angesteuert wird.

Aus der DE 40 10 190 A1 ist es bekannt, eine ultraviolette Strahlung abgebenden Excimer-Strahler an einer hochfrequenten Hochspannung mit einstellbarer Frequenz und Amplitude zu betreiben. Hinweise zum schaltungsmäßigen Aufbau enthält diese Druckschrift nicht.

Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung mit einem speziellen Verbraucher. Der Verbraucher ist eine UV-Strahlungsquelle, insbesondere ein Excimer-Strahler, der 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 die Merkmale des Anspruches 1.

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 abgestrahlte UV-Leistung in einem vorgegebenen Leistungsbereich einstellen zu können. Dabei befindet sich im Sekundärkreis des Hochspannungsübertragers kein zusätzliches Bauelement, 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 einstellbar, 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.

Vorteilhaft ist eine Regelungseinrichtung, die als Sollwert einen im vorgegebenen Leistungsbereich liegenden Wert der abzustrahlenden UV-Leistung erhält, die als Ausgangsgröße die Ansteuerfrequenz der elektronischen Schalter liefert, vorzugsweise zusätzlich 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 7 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 u_ZW. Parallel zu den Ausgangsklemmen 5 und 6 liegt ein Stützkondensator C_ST. Zwischen dem einen Anschluß des Stützkondensators C_ST und der Ausgangsklemme 5 wird der im Zwischenkreis fließende Zwischenkreisstrom i_ZW mit Hilfe einer geeigneten Meßeinrichtung - zum Beispiel mittels eines Shunts - erfaßt.

Parallel zum Stützkondensator C_ST 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 sind. Ferner wird mittels eines geeigneten Meßelements der Primärstrom i_pri des Hochspannungsübertragers 12 ermittelt. Die Sekundärwicklung des Hochspannungsübertragers ist an den Excimer-Strahler 3 angeschlossen. Im Primärkreis fließt der Sekundärstrom i_sek.

Fig. 1 zeigt ferner eine Regelungseinrichtung 13, die als Sollwert die Größe UV_soll erhält, mit der die abzustrahlende Leistung des Excimer-Strahlers 3 vorgebbar ist. Als Istwert wird der Regelungseinrichtung 13 die Zwischenkreis-Gleichspannung u_ZW und der Zwischenkreisstrom i_ZW 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 U_ZWsoll, die einen Sollwert für die Zwischenkreis-Gleichspannung u_ZW 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 i_pri, 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 L_H sowie einer dazu in Reihe liegenden Streuinduktivität L_σ _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 des Excimer-Strahlers 3 an der Regelungseinrichtung 13 ein Sollwert UV_soll für die abzustrahlende UV-Leistung vorgegeben ist, der zu einer entsprechenden Zwischenkreis-Gleichspannung u_ZW 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 7, so beginnt im Primärkreis des Hochspannungsübertragers 12 der Primärstrom i_pri zu fließen.

Aus den Ersatzschaltbildern des Hochspannungsübertragers 12 und des Excimer-Strahlers 3 ist gemäß der Fig. 2 und 3 erkennbar, daß die Streuinduktivität L_σ _s mit der Kapazität des Excimer-Strahlers 3 einen Reihenschwingkreis bildet. Im ungezündeten Zustand des Excimer-Strahlers 3 stellt sich ein Primärstrom i_pri 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 i_pri 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 i_pri zugeführt wird.

Die während des Zeitintervalls t₀-t₂ in der Hauptinduktivität L_H gespeicherte Energie wird in einen weiteren Reihenschwingkreis eingekoppelt, der von der Hauptinduktivität LH, der Streuinduktivität L_s _s und der Kapazität des Excimer-Strahlers gebildet ist (Fig. 7).

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 abgestrahlten UV-Leistung des Excimer-Strahlers 3 ist die Ansteuerfrequenz zwischen dem Wert einer maximalen Ansteuerfrequenz f_max und einer minimalen Ansteuerfrequenz f_min veränderbar. Die Größen f_max und f_min sind von der Streuinduktivität L_σ _s der Hauptinduktivität L_H 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 L_s und seine Hauptinduktivität L_H derart ausgelegt, daß sich der beschriebene Reihenresonanzkreis bildet und überdies innerhalb des Ansteuerbereichs die gewünschte UV-Leistung zur Verfügung steht. Überdies kann vorzugsweise über die Höhe der Zwischenkreisspannung u_ZW eine weitere Einflußnahme auf die Größe der abgestrahlten UV-Leistung genommen werden. Es erfolgt hierzu eine entsprechende Ansteuerung des Zwischenkreis-Gleichrichters 4 mittels der von der Regelungseinrichtung 13 gelieferten Größe U_ZWsoll.

Aufgrund der Erfindung ergibt sich ein quasi sinusförmiger Stromverlauf bei dem Brückenresonanzwandler 7. Durch den speziellen Entwurf des Hochspannungsübertragers 12 ist die Streuinduktivität L_σ _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

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer UV-Strahlungsquelle (3), insbesondere eines Excimer-Strahlers, mit Hochspannungsimpulsen wechselnder Polarität, aufweisend

- einen gleichspannungsgespeisten, mit ansteuerbaren elektronischen Schaltern (8) versehenen Brückenresonanzwandler (7),
- einen vom Brückenresonanzwandler (7) angesteuerten Hochspannungsübertrager (12), der im Ersatzschaltbild darstellbar ist als idealer Übertrager mit zu dessen Sekundärwicklung parallel liegender Hauptinduktivität (L_H) und zur Sekundärwicklung in Reihe liegender Streuinduktivität (L_σ _s),
wobei gilt:
- im Sekundärkreis des Hochspannungsübertragers (12) liegt als einziges Bauelement die UV-Strahlungsquelle (3),
- die Streuinduktivität (L_σ _s) des Hochspannungsübertragers (12) bildet mit der Kapa zität der UV-Strahlungsquelle (3) einen Resonanzkreis,
- die elektronischen Schalter (8) sind derart ansteuerbar, daß die Pulsdauer der Hoch spannungsimpulse im wesentlichen der Periodendauer der Schwingung des Reso nanzkreises entspricht,
- zur Einstellung der abgestrahlten UV-Leistung innerhalb eines vorgegebenen Lei stungsbereichs ist die Ansteuerfrequenz der elektronischen Schaltung (8) variabel,
- der Hochspannungsübertrager (12) ist bezüglich seiner Streuinduktivität (L_σ _s) und seiner Hauptinduktivität (L_H) so dimensioniert, daß die aus diesen Induktivitäten re sultierende minimale und maximale Ansteuerfrequenz den Grenzen des für den vor gegebenen Leistungsbereich erforderlichen Frequenzbereichs entsprechen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Brückenresonanzwandlers (7) mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises erfolgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruche 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Zwischenkreis-Gleichspannung (u_ZW) 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 (L_H) gespeicherten Energie zwischen zwei Einschaltintervallen der elektronischen Schalter (8) in den Sekundärkreis des Hochspannungsübertragers (12) erfolgt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Vorzeichenumkehr des die UV-Strahlungsquelle (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 (UV_soll) einen im vorgegebenen Leistungsbereich liegenden Wert der abzustrahlenden UV-Leistung erhält, die als Ausgangsgröße die Ansteuerfrequenz (F) der elektronischen Schalter (8) liefert, vorzugsweise zusätzlich den Zwischenkreis-Gleichrichter (4) ansteuert und als Istwerte die Zwischenkreis-Gleichspannung (u_ZW) und den Zwischenkreisstrom (i_ZW) 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 (i_pri) des Hochspannungsübertragers (12) zum Detektieren der Primärstrom-Nulldurchgänge zugeführt wird.