GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Stromversorgungen
und insbesondere auf eine Stromversorgung für ein Magnetron zum
schnellen Neustart einer mikrowellengespeisten elektrodenlosen
Lampe, nachdem sie vorübergehend ausgeschaltet gewesen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es ist bekannt, mikrowellengespeiste elektrodenlose Lampen bei
Anwendungen mit ultravioletter Belichtung oder mit sichtbarer
Beleuchtung zu verwenden. Einige dieser Anwendungen können das
gelegentliche Ausschalten der Lampe für eine relativ kurze
Zeitperiode erfordern. Außerdem kann eine derartige
Unterbrechung für die Fehlersuche oder für Wartungsverfahren notwendig
sein, um die notwendigen Reparaturen oder Einstellungen
auszuführen. Um die Erzeugung optischer Emissionen durch die Lampe
zu stoppen, wird die Leistung an das Magnetron unterbrochen, um
das Mikrowellenfeld aus dem Kolben zu entfernen.
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Für die meisten Heiz- oder Aushärtungsanwendungen kann die
Leistung für das Magnetron nicht AUS-geschaltet und kurz danach
EIN-geschaltet werden. Wie im Stand der Technik bekannt ist,
ist Plasma ein vollständig ionisiertes oder erregtes Gas, das
im Kolben enthalten ist und das durch Anlegen eines
Mikrowellenfeldes erzeugt wird. Mit der Ionisierung von Gas, d. h.
dem Plasma, gehen sowohl UV-Strahlung oder sichtbares Licht als
auch eine sehr hohe Temperatur und ein sehr hoher Druck
innerhalb des Kolbens während seines normalen Betriebs bei
voller Leistung einher. Falls die Lampe durch irgendeine
Notwendigkeit vorübergehend ausgeschaltet werden muß, verlischt
das Plasma. Der hohe Druck verbleibt jedoch innerhalb des
heißen Kolbens und verhindert unmittelbar danach eine leichte
Initiierung des Plasmas. Deshalb muß der Neustart der Lampe
verzögert werden, weil der Kolben abkühlen muß - die Füllung muß
kondensieren können, um dadurch den Druck innerhalb des Kolbens
zu vermindern - bevor zu dem vollen Betriebsmodus zurückgekehrt
wird.
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Die sogenannte Umlaufzeit, die aus dem EIN-Zustand der Lampe
beginnt, zu dem AUS-Zustand geht, auf das Ende des Abkühlens
wartet und dann zu dem EIN-Zustand der Lampe in dem vollen
Betriebsmodus zurückkehrt, kann signifikant vom Typ des Kolbens
abhängen. Die Abkühlungsverzögerung kann z. B. 18 Sekunden
betragen, wodurch der Prozeß in der UV-Anwendung sicher
verlangsamt wird. Außerdem kann die Anstiegszeit der Lampe zur
vollen Leistung, d. h., wie schnell die Lampe ungefähr die
volle Leistung erreicht, von einem Kaltstart, der z. B. der
Abkühlungsverzögerung folgt, etwas langsam sein.
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US-Patent Nr. 5.287.039 an Gregor u. a. (im folgenden Gregor)
widmet sich dem Problem des heißen Neustarts einer
elektrodenlosen Lampe. Gregor beschreibt ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Modulieren der Mikrowellenleistung zwischen den Ein-
und Aus-Zuständen bei Megahertz-Frequenzen, während eine
relative Einschaltdauer allmählich vermindert wird. Auf diese Weise
wird vor dem völligen Ausschalten der Lampe die an die Lampe
gelieferte Mikrowellenleistung bei einer Frequenz unterbrochen.
Während der Unterbrechung ist die an die Lampe gelieferte
Mikrowellenleistung null. Wenn die Unterbrechungsperiode
vergrößert und die Einschaltzeit der Lampe verkleinert wird,
kühlt die Lampe ab. Die Abkühlung der Lampe ermöglicht deshalb
während dieser Ausschaltphase einen schnellen Neustart, falls
die kontinuierliche Ausgabe der Mikrowellenleistung
wiederhergestellt wird.
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Obwohl das Patent einen schnellen Neustart der Lampe schafft,
gleicht sein EIN-AUS-Verfahren sehr genau dem Betrieb eines
Verschlusses, wobei es für bestimmte Typen von Lampen und/oder
Anwendungen ungeeignet sein kann. Die Unterbrechung der
Mikrowellenleistung gekoppelt mit zunehmend kleineren relativen
Einschaltdauern kann in bestimmten Kolben nicht verwendet
werden.
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Außerdem gibt es eine normale Anlaufverzögerung, d. h. die
Anstiegszeit, die einem Kaltstart zugeordnet ist. Die
Anlaufver
zögerung, um im wesentlichen die volle Leistung zu erreichen,
ist z. B. in bestimmten Typen von UV-Anwendungen sehr
nachteilig.
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Die Europäische Patentanmeldung Nr. 0 493 624 offenbart eine
Magnetron-Stromversorgung für einen Mikrowellenofen unter
Verwendung von zwei verschiedenen Abschnitten, die allein
verwendet werden können, um niedrige Leistung zu erzeugen, oder die
zusammen verwendet werden können, um höhere Leistung zu
erzeugen. Diese Stromversorgung ist jedoch für das Speisen einer
elektrodenlosen Lampe ungeeignet, weil der Strom des Magnetrons
gepulst ist, wobei die Lampe während der Unterbrechung des
Stromes ausgeschaltet sein würde.
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Deshalb gibt es einen Bedarf an einer Vorrichtung, die eine
elektrodenlose Lampe ohne die erforderliche
Abkühlungsverzögerung schnell neustartet, die Anstiegszeit zur vollen Leistung
verbessert und die vorausgehenden Nachteile des Standes der
Technik beseitigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
elektrodenlose Lampe, die vorübergehend ausgeschaltet gewesen
ist, schnell neuzustarten, ohne die Leistung für die Lampe zu
unterbrechen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Abkühlungsverzögerung im wesentlichen zu beseitigen, die der
Neustartoperation der elektrodenlosen Lampe zugeordnet ist, die
vorübergehend ausgeschaltet gewesen ist.
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Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die Anstiegszeit der Lampe zur vollen Leistung im
Vergleich zu einem Kaltstart oder dem Bereitschaftsmodus zu
verbessern.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden durch
eine Stromversorgung für ein Magnetron gelöst, die im Anspruch
1 definiert ist, die eine elektrodenlose Lampe, die
vorübergehend ausgeschaltet gewesen ist, schnell neustartet, ohne die
Abkühlungsverzögerung zu erfordern, wobei sie die Anstiegszeit
der Lampe zur vollen Leistung verbessert.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in einem
Volleistungsmodus hohe Leistung an das Magnetron geliefert. Auf
das selektive Schalten aus diesem Modus wird ohne Unterbrechung
niedrigere Leistung an das Magnetron geliefert, die eine Größe
besitzt, um eine ausreichende Mikrowellenstrahlung zu erzeugen,
um die Lampe in einem gezündeten Zustand zu halten. In der
bevorzugten Ausführungsform enthält die Stromversorgung einen
Hochleistungsabschnitt, der hohen Gleichstrom und hohe
Gleichspannung liefert, sowie einen Niederleistungsabschnitt,
der niedrigen Gleichstrom und im wesentlichen die gleiche hohe
Gleichspannung liefert. Wenn die elektrodenlose Lampe in einem
Volleistungsmodus arbeitet, liefern zwei Leistungsabschnitte
den kombinierten Gleichstrom und hohe Gleichspannung an das
Magnetron. Wenn die elektrodenlose Lampe vorübergehend aus dem
Volleistungsmodus ausgeschaltet wird, wird der
Hochleistungsabschnitt ausgeschaltet. Dieses läßt den
Niederleistungsabschnitt niedrigen Gleichstrom und im wesentlichen
die gleiche hohe Gleichspannung an das Magnetron liefern und
weniger Leistung als in dem Volleistungsmodus bereitstellen. In
dem Niederleistungsmodus verbleibt das Kolbenplasma in einem
gezündeten Zustand, der eine Abkühlungsverzögerung beseitigt
und einen schnellen Neustart der Lampe ermöglicht, wenn die
volle Leistung angelegt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält
der Hochleistungsabschnitt einen Mikrocontroller, ein durch den
Mikrocontroller gesteuertes Relais, um den
Hochleistungsabschnitt selektiv am Bereitstellen von Leistung an das
Magnetron zu hindern, wenigstens einen Transformator zum Erhöhen der
Eingangsspannung und einen mit dem Transformator verbundenen
Spannungsvervielfacher zum weiteren Vergrößern und
Gleichrichten der erhöhten Spannung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält
der Niederleistungsabschnitt ein durch den Mikrocontroller
gesteuertes Relais zum selektiven Trennen der Eingangsleistung
von der Stromversorgung, wenigstens einen Transformator zum
Erhöhen der Eingangsspannung, einen mit dem Transformator
verbundenen Spannungsvervielfacher zum weiteren Vergrößern und
Gleichrichten der erhöhten Spannung.
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Gemäß einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein mit dem Spannungsvervielfacher verbundener Induktor
zum Halten eines Magnetronstromes oberhalb eines vorgegebenen
Schwellenpegels geschaffen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Sowohl die vorausgehend erwähnten als auch zusätzliche Vorteile
und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich
und deutlicher verständlich werden, wenn sie im Zusammenhang
mit der beigefügten Zeichnung betrachtet werden, in der:
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Fig. 1 einen Blockschaltplan einer mikrowellengespeisten
elektrodenlosen Lampe zeigt;
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Fig. 2 ein Zustandsdiagramm für den Betrieb mit der Option für
den schnellen Neustart (QRO-Betrieb) gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 3 einen allgemeinen Blockschaltplan der Stromversorgung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 4 einen ausführlichen Schaltplan der Stromversorgung gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die in
Fig. 3 veranschaulicht ist;
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Fig. 5A repräsentative graphische Darstellungen der
Neustartzeit für den Kaltstart und der Neustartzeit gegen die Dauer des
QRO-Modus für einen D-Kolben (kommerzielle Bezeichnung des
Anmelders, dem diese Erfindung übertragen wurde, der Fusion
Systems Corporation) zeigt, der in Aushärtungsanwendungen
verwendet wird;
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Fig. 5B weitere repräsentative graphische Darstellungen der
Neustartzeit für den Kaltstart und der Neustartzeit gegen die
Dauer des QRO-Modus für einen H-Kolben (kommerzielle
Bezeichnung des Anmelders, dem diese Erfindung übertragen wurde, der
Fusion Systems Corporation) zeigt, der in
Aushärtungsanwendungen verwendet wird;
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Fig. 5C nochmals weitere repräsentative graphische
Darstellungen der Neustartzeit für den Kaltstart und der Neustartzeit
gegen die Dauer des QRO-Modus für einen V-Kolben (kommerzielle
Bezeichnung des Anmelders, dem diese Erfindung übertragen
wurde, der Fusion Systems Corporation) zeigt, der in
Aushärtungsanwendungen verwendet wird.
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In allen Figuren stellen äquivalente Bezugszeichen dieselben
oder übereinstimmende Komponenten der vorliegenden Erfindung
dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Fig. 1 zeigt einen Blockschaltplan einer Stromversorgung, die
Leistung für ein Magnetron bereitstellt, das ein
Mikrowellenfeld erzeugt, um einen gefüllten Kolben in einer Ultraviolett-
Aushärtungsanwendung zu erregen. Wie vorausgehend erklärt ist,
resultiert das Plasma innerhalb des Kolbens aus der
kontinuierlichen Bestrahlung mit Mikrowellen. Dieses wird durch
optische Emission, wie z. B. UV-Strahlung oder sichtbares Licht,
aus dem Kolben begleitet.
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Wie vorausgehend beschrieben ist, verlischt das Plasma, sobald
die Leistung für das Magnetron beendet wird. Der Neustart des
Kolbenplasmas wird dann äußerst schwierig und zeitraubend,
wobei eine signifikante Wartezeit erforderlich ist, um zu
berücksichtigen, daß der Kolben abkühlt und die Füllung
kondensiert.
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Um die Neustartoperation der Lampe kurz nach dem Ausschalten
der vollen Leistung zu beschleunigen, ist der Modus mit der
Option für den schnellen Neustart (QRO-Modus) gemäß der
vorliegenden Erfindung implementiert worden. Dadurch besitzt ein
Anwender oder Betreiber die Option des Neustarts der Lampe zu
irgendeinem Zeitpunkt ohne die Abkühlungsverzögerung, die der
Kondensation der Füllung zugeordnet ist, nachdem die
Lampenausgabe von der vollen Leistung vermindert worden ist. In
diesem QRO-Zustand, in dem praktisch kein Licht oder keine UV-
Strahlung erzeugt wird, ist der Kolben immer für einen
kontinuierlichen Betrieb mit voller Leistung bereit.
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Fig. 2 zeigt ein Zustandsdiagramm des QRO-Betriebs gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenn die Lampe bei
voller Leistung arbeitet, d. h. ein LAMPE-EIN-Zustand 200, und
eine schnelle Unterbrechung erforderlich ist, aktiviert der
Betreiber entweder fernbedient oder an der Frontplatte der
Stromversorgung eine Bereitschaftstaste 202. Als Antwort auf
die Aktivierung der Bereitschaftstaste 202 aktiviert ein
Mikrocontroller den QRO-Zustand 204. In diesem Zustand wird im
wesentlichen die gleiche Spannung für das Magnetron
bereitgestellt wie während seines Betriebs mit voller Leistung, d. h.
des LAMPE-EIN-Zustandes 200. Der Gleichstrom für das Magnetron
ist jedoch um einen Faktor von ungefähr 10 signifikant
verkleinert. Im Ergebnis des Empfangens der hohen Spannung und des
relativ niedrigen Stromes bleibt das Kolbenplasma in dem
gezündeten Zustand, d. h. "leicht kochend", wobei es praktisch
keine Ausgangsstrahlung erzeugt und am Verlöschen gehindert
wird. In diesem Zustand ist der Lichtausgabepegel der Lampe auf
ungefähr 1% des vollen Lichtausgabepegels vermindert.
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Falls der Betreiber die volle Leistung unmittelbar wieder
einschalten will, aktiviert er entweder fernbedient oder an der
Frontplatte der Stromversorgung eine Lampe-ein-Taste 206. Die
Lampe wird dann unverzüglich in ihren Betrieb mit voller
Leistung zurückgebracht. Verursacht durch den QRO-Zustand 204 wird
die Wartezeit beim Neustart praktisch beseitigt, weil die
Abkühlung der Lampe nicht erforderlich ist. Folglich besitzt
der Betreiber die Option des schnellen Wiederherstellens des
Heiz- oder Aushärtungsprozesses. Falls der Betreiber die
Lampeein-Taste 206 innerhalb einer vorgegebenen Zeitperiode, wie
z. B. ungefähr 40 Sekunden, nicht aktiviert, wird in einen
BEREITSCHAFTS-Modus 208 eingetreten. In diesem Modus wird keine
hohe Spannung an das Magnetron geliefert. Sobald der
BEREITSCHAFTS-Modus 208 aktiviert ist, kann die Lampe ohne eine
zusätzliche Verzögerungszeit neugestartet werden, weil durch
diese Zeit die Lampe ausreichend abgekühlt ist, wobei der Druck
in dem Kolben niedrig genug ist, um einen normalen Neustart zu
erlauben.
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Die vorliegende Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf
Fig. 3 ausführlicher beschrieben. Von einem "Kaltstart", um den
Betrieb mit kontinuierlicher Leistung zu bewirken, startet ein
EIN/AUS-Schalter 300 (der in einer Ausführungsform der
Erfindung zwei getrennte Schalter umfassen kann: einen für AUS
und einen für EIN) den anfänglichen Betrieb des Magnetrons 302
und des (nicht gezeigten) Kolbens. Ein Mikrocontroller 320
stellt die anfängliche Aktivierung des EIN/AUS-Schalters 300
fest und erregt eine mechanische Relaisbaueinheit 306. Eine von
200-240 V Wechselspannung reichende Netzleistung 304 wird durch
die mechanische Relaisbaueinheit 306 gekoppelt. Auf ein Signal
von dem Mikrocontroller 320 antwortend schaltet die mechanische
Relaisbaueinheit 306 die Netzleistung 304 für die primäre
Stromversorgungsschaltung und die
Hilfs-Stromversorgungsschaltung entweder EIN oder AUS, wie im folgenden erklärt
ist.
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Die Netzleistung 304 geht dann weiter durch zwei Abschnitte der
Stromversorgung: eine primäre Stromversorgungsschaltung und
eine sekundäre Stromversorgungsschaltung. Die primäre
Stromversorgungsschaltung enthält die Transformatoren 310,
einen Spannungsvervielfacher 312 und eine
Festkörperrelais-Baueinheit 308, die durch den Mikrocontroller 320 als Antwort auf
ein Signal von einem BEREITSCHAFTS-Schalter 322 gesteuert wird.
Die sekundäre Stromversorgungsschaltung enthält einen
Transformator 314, einen Spannungsvervielfacher 316 und eine
Drossel 324.
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Die Netzleistung 304 wird über die Festkörperrelais-Baueinheit
308, die während des Betriebs mit kontinuierlicher Leistung,
d. h.
des LAMPE-EIN-Modus, erregt ist, an die Hochspannungs-
Plattentransformatoren 310 geliefert. In Übereinstimmung mit
einem vorgegebenen Verhältnis erhöhen oder vergrößern die
Transformatoren 310 die Netzspannung auf einen hohen Wert von
ungefähr 2000 V Wechselspannung. Nach der Vergrößerung
verdoppelt der Spannungsvervielfacher 312 die Spannung weiter auf
ungefähr 4000 V, während er sie außerdem in Gleichspannung
umsetzt. Folglich ist die Ausgabe aus der primären
Stromversorgungsschaltung 4000 V Gleichspannung, die bei ungefähr 630 mA
in eine Addierverbindung 318 abgegriffen wird.
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Wie in Fig. 3 gezeigt ist, geht die Netzleistung 304 außerdem
weiter durch den Transformator 314 der sekundären
Stromversorgungsschaltung, der die Netzspannung auf 2000 V Wechselspannung
erhöht. Diese Spannung wird dann durch den
Spannungsvervielfacher 316 verdoppelt und gleichgerichtet. Die Ausgabe aus
der sekundären Stromversorgungsschaltung beträgt ebenfalls
4000 V Gleichspannung, sie wird jedoch bei einem viel
niedrigeren Strom von ungefähr 65 mA abgegriffen. Dieser Strom wird
dann durch einen Induktor, wie z. B. die Drossel 324, um eine
Welligkeit im Ergebnis der 60-Hz-Netzfrequenz zu vermindern,
und in die Addierverbindung 318 gespeist.
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Die zwei Ströme aus der primären und der sekundären
Stromversorgungsschaltung werden in der Addierverbindung 318
kombiniert, um 4000 V Gleichspannung bei ungefähr 695 mA an das
Magnetron 302 zu liefern.
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Spezieller ist in Fig. 4 eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der
EIN/AUS-Schalter 300 antwortet auf eine Aktivierung durch einen
Betreiber. Ein Ausgangssignal von dem Schalter 300 dient als
ein Eingangssignal für den Mikrocontroller 320, der ein Relais
400 steuert. Das Relais 400 kann ein mechanisches Relais zum
Entkoppeln von Signalen mit hoher Spannung sein, wie es im
Stand der Technik bekannt ist. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird
die Netzleistung 304 durch das Relais 400 gesteuert. Wenn der
Betreiber den Schalter 300 aktiviert, sendet der
Mikrocontroller 320 ein Signal an das Relais 400, das seine
Kon
takte schließt. Im Ergebnis des erregten Zustands mit
geschlossenen Kontakten des Relais 400 kann die Netzleistung 304
zu den Transformatoren 404, 406 und 424 fließen.
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Die für die zwei Transformatoren 404 und 406 bereitgestellte
Netzleistung 304 wird durch ein Relais 402 gesteuert, das durch
den Mikrocontroller 320 gesteuert wird. Das Relais 402 kann ein
Festkörperrelais zum Entkoppeln von Signalen mit hoher Spannung
sein, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Der
Mikrocontroller 320 sendet ein Signal, um beim Einschalten das
Relais 402 zu erregen und es während des kontinuierlichen
Betriebs in dem LAMPE-EIN-Modus erregt zu halten.
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Falls der Betreiber den BEREITSCHAFTS-Schalter 302 aktiviert,
antwortet der Mikrocontroller 320 durch das Bereitstellen eines
Aberreg-Signals für das Relais 402, um seine Kontakte zu
öffnen. Dieses trennt die Netzleistung 304 von der primären
Stromversorgungsschaltung. Auf die Aktivierung des
BEREITSCHAFTS-Schalters 302 startet der Mikrocontroller 320 außerdem
die Zeitabschaltungsperiode, die ungefähr 40 Sekunden betragen
kann. Auf den Ablauf dieser Periode wird die Lampe den
QRO-Zustand beenden und in den BEREITSCHAFTS-Modus eintreten. Zu
diesem Zeitpunkt wird dann das Relais 400 seine Kontakte öffnen
und die Leistung für den Transformator 424 ausschalten. Dieses
wiederum entfernt alle Leistung von dem Magnetron.
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Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird in
Übereinstimmung mit Fig. 4 fortgesetzt, dabei wird die Netzleistung
304 durch die Hochspannungstransformatoren 404, 406 und 424
während des Betriebs mit kontinuierlicher Leistung vergrößert.
Die Transformatoren 404, 406 und 424 sind ferroresonante
Aufwärtstransformatoren zum Vergrößern der Eingangsspannung gemäß
einem vorgegebenem Verhältnis. Die Transformatoren 404 und 406
und die zwei Kondensatoren 408 bzw. 410 sind in eine
Resonanzschaltung in dem primären Stromversorgungsabschnitt abgestimmt.
Die Kondensatoren 408 und 410 sind mit Dioden verbunden, die in
einer Brückenkonfiguration 422 angeordnet sind, so daß die
Wechselspannung in Gleichspannung umgesetzt wird, wobei die
resultierende Gleichspannung verdoppelt wird. Wie im Stand der
Technik bekannt ist, besteht die
Spannungsvervielfachungsschaltung aus zwei oder mehr Spitzengleichrichtern, die
aus der Eingangswechselspannung eine Gleichspannung erzeugen.
Die Ausgangsgleichspannung ist im wesentlichen gleich einem
Vielfachen der Spitzeneingangsspannung. In der aktuellen
Ausführungsform ist der Spannungsvervielfacher, der die zwei
Kondensatoren 408, 410 und die Diodenbrücke 422 enthält, als ein
Spannungsverdoppler konfiguriert, der die
Eingangswechselspannung gleichrichtet und sie um ungefähr einen Faktor 2
vergrößert.
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Während die primäre Stromversorgungsschaltung hohe
Gleichspannung und hohen Gleichstrom während des Betriebs mit
kontinuierlicher Leistung in dem LAMPE-EIN-Modus an das Magnetron 302
liefert, stellt die sekundäre Stromversorgungsschaltung
ebenfalls hohe Gleichspannung aber erheblich niedrigeren Strom für
das Magnetron 302 bereit. Als Teil der sekundären
Stromversorgungsschaltung erhöht der Transformator 424 die Netzspannung
304 auf die hohe Spannung von ungefähr 2000 V. Diese Spannung
wird dann unter Verwendung der Gleichrichterdioden 412, 414 und
der Kondensatoren 416, 418 in einer Konfiguration verdoppelt,
die als ein Spannungsverdoppler bekannt ist.
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Der Spannungsverdoppler enthält ein Paar Dioden 412, 414, wobei
eine Katode der einen Diode mit der Anode der anderen Diode
verbunden ist. Jede Diode 412, 414 besitzt die entsprechenden
Kondensatoren 416 bzw. 418. Die Kondensatoren 416 und 418 sind
in einer derartigen Weise verbunden, daß sich die akkumulierten
elektrischen Ladungen in Reihe mit einander befinden. Auf diese
Weise wird die Verdopplung der Spannung erreicht.
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Ein Induktor, wie z. B. die Drossel 324, wird als eine
Energiespeichervorrichtung verwendet, um zu verhindern, daß der
Magnetronstrom unter einen vorgegebenen Schwellenpegel absinkt.
Weil die Spannung über einem Induktor proportional mit der
Änderungsgeschwindigkeit des Stroms durch ihn zunimmt, wird die
Drossel 324 einen zusätzlichen Strom liefern und wie eine
Energiespeichervorrichtung wirken, falls nach der
Gleichrichtung des Wechselstroms beträchtliche Stromausschläge unter
den vorgegebenen Schwellenpegel oder eine Welligkeit auftreten.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung war die
beispielhafte Stromschwelle bei 60 Hz Netzfrequenz auf 30 mA
gesetzt. Die Drossel 324 wurde dann geeignet gewählt, um den
Magnetronstrom oberhalb dieses Schwellenpegels zu halten.
Solange der Magnetronstrom oberhalb dieses beispielhaften
30-mA-Schwellenpegels bleibt, ist das Plasma stabil, wobei
verhindert wird, daß es gelöscht wird. Falls der Magnetronstrom
unter den vorgegebenen Schwellenpegel fällt, kann das Plasma
nicht in dem gezündeten Zustand aufrechterhalten werden, wobei
es unmittelbar danach verlischt.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann der Induktor zur Verminderung der Welligkeit in die
Sekundärwicklung des Transformators in dem
Niederleistungsabschnitt der Versorgung aufgenommen werden. Folglich kann der
Transformator 424 in einer derartigen Weise gewählt werden, um
seine Funktion des Erhöhens der Spannung und die Funktion der
Drossel 324, um den Magnetronstrom oberhalb des vorgegebenen
Schwellenpegels zu halten, in einer einzigen Einheit zu
kombinieren.
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Eine Diode 426 wirkt, um die zwei Stromversorgungsschaltungen
voneinander zu entkoppeln. Der Ausgangsstrom des
Spannungsverdopplers von der sekundären Stromversorgungsschaltung wird zu
dem Ausgangsstrom von der primären Stromversorgungsschaltung
hinzugefügt, um den Gesamtausgangsstrom zu bilden, der an das
Magnetron 302 geliefert wird.
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Um zusammenzufassen, während des kontinuierlichen Betriebs des
Magnetrons 302 und der Lampe wird die Netzleistung 304 über das
erregte Relais 402, dessen Kontakte geschlossen sind, an das
Paar Transformatoren 404, 406 geliefert. Die Eingangsspannung
an den Primärwicklungen der Transformatoren 404, 406 wird gemäß
einem vorgegebenem Verhältnis erhöht. Mit den
Sekundärwicklungen jedes Transformators 404, 406 sind die Kondensatoren
408, 410 verbunden. Jeder Kondensator 408, 410 entspricht den
Transformatoren 404 bzw. 406. Die Kondensatoren 408, 410 sind
dann mit dem Brückengleichrichter 422 in Reihe geschaltet. Die
Verbindungen mit dem Brückengleichrichter 422 sind so
ausgeführt, daß die durch die Kondensatoren 408, 410
gespeicherten elektrischen Ladungen so kombiniert werden, um in
Übereinstimmung miteinander zu wirken. Der Brückengleichrichter
422 setzt die Wechselspannung in Gleichspannung um.
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Die Ausgabe der primären Stromversorgungsschaltung wird dann
mit der Ausgabe der sekundären Stromversorgungsschaltung
kombiniert. Der Transformator 424 in der sekundären
Stromversorgungsschaltung vergrößert die Netzleistung 304 um ein
vorgegebenes Verhältnis. Die erhöhte Spannung wird dann durch eine
Kombination der Kondensatoren 416, 418 und der Dioden 412, 414
verdoppelt und gleichgerichtet. Die Gesamtausgabe aus den zwei
Abschnitten der Stromversorgung führt zu der hohen
Gleichspannung mit einem Strom, der für einen vollen Betrieb der Lampe
angemessen ist, d. h. dem LAMPE-EIN-Modus. Während beide
Abschnitte hohe Spannung an das Magnetron ausgeben, unterscheidet
sich der von jedem gelieferte Strom ungefähr um einen Faktor
von 10. Die repräsentative Gleichspannung kann ungefähr 4000 V
betragen, während der Gleichstrom die kombinierten 695 mA sind,
wobei die primäre Stromversorgungsschaltung 630 mA beiträgt,
während die sekundäre Stromversorgungsschaltung 65 mA beiträgt.
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Falls der Betreiber wünscht, den Betrieb der Lampe
vorübergehend anzuhalten, um die Ausrüstung zu pflegen oder die
erforderliche Wartung auszuführen, ohne die Lampe vollständig
auszuschalten und mit dem Kaltstart Zeit zu verschwenden,
aktiviert er oder sie den BEREITSCHAFTS-Schalter 322, um den QRO-
Modus aufzurufen. Der Mikrocontroller 320 stellt ein Signal von
dem Auslösen des BEREITSCHAFTS-Schalters 322 durch den
Betreiber fest, wobei er als Antwort das Festkörperrelais 402
aberregt. Durch das Trennen seiner Kontakte schaltet das
Festkörperrelais 402 den primären Stromversorgungsabschnitt aus,
der die Transformatoren 404, 406, die Kondensatoren 408, 410
und den Brückengleichrichter 422 enthält. Dieses läßt nur den
sekundären oder Hilfs-Stromversorgungsabschnitt vollständig
betriebsfähig.
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Wie vorausgehend erklärt ist, liefert die
Hilfs-Stromversor
gungsschaltung die gleiche hohe Spannung wie die primäre
Stromversorgungsschaltung, aber einen viel niedrigeren Strom.
Durch den kleinen Strom, der durch das Magnetron 302 fließt,
wird das Plasma innerhalb des Kolbens, verursacht durch die
partielle Mikrowellenstrahlung, in dem gezündeten Zustand
aufrechterhalten. In diesem Modus kann die Lampe zu irgendeinem
Zeitpunkt ohne die ansonsten erforderliche
Abkühlungsverzögerung neugestartet werden.
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Die Neustartzeit aus dem QRO-Zustand ändert sich in
Übereinstimmung mit der Dauer des Betriebs der Hilfsstromversorgung.
Je länger die Hilfsstromversorgung eingeschaltet bleibt, desto
länger kann die Neustartzeit sein.
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Die graphischen Darstellungen in Fig. 5A veranschaulichen
graphisch den Aspekt der vorliegenden Erfindung, der sich mit der
Anstiegszeit des Kolben bis beinahe zum vollen
Lichtausgabepegel befaßt. Diese graphischen Darstellungen zeigen an, daß der
QRO-Modus eine kürzere Einschaltverzögerung als die normale
Einschaltverzögerung erreicht, die bei dem Kaltstart oder dem
Bereitschaftsmodus erforderlich ist. Für einen D-Kolben
(kommerzielle Bezeichnung des Anmelders, dem diese Erfindung
übertragen wurde, der Fusion Systems Corporation) erfordert die
Neustartzeit von dem Kaltstart z. B. mehr als 9,5 Sekunden, um
90% des vollen Lichtausgabepegels zu erreichen. Unter
Verwendung des QRO-Modus ist im Gegensatz die Neustartzeit für 90%
des Lichtausgabepegels kleiner als 0,5 Sekunden, falls der
Volleistungsmodus innerhalb von 2 Sekunden des vorübergehenden
Ausschaltens aktiviert wird. Fig. 5A zeigt außerdem, daß die
QRO-Einschaltverzögerung immer kürzer als die erforderliche
Einschaltverzögerung des Kaltstarts ist.
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Wie in Fig. 5A gezeigt ist, sind ähnlich ungefähr 7,5 Sekunden
Einschaltverzögerung des Kaltstarts erforderlich, um 80% des
vollen Lichtausgabepegels zu erhalten. Im Gegensatz ist die
QRO-Neustartzeit kleiner als 0,5 Sekunden, falls die LAMPE-EIN-
Taste innerhalb 3 Sekunden während des QRO-Modus gedrückt wird.
Das Szenario des schlimmsten Falls für die QRO-Neustartzeit
beträgt wenig mehr als 6 Sekunden.
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Fig. 5A zeigt außerdem, daß die Neustartzeit von dem Kaltstart
6 Sekunden beträgt, um 70% des vollen Lichtausgabepegels zu
erreichen. Andererseits ist die QRO-Neustartzeit kleiner als
0,5 Sekunden, falls der Volleistungsmodus innerhalb von
ungefähr 4 Sekunden des vorübergehenden Ausschaltens aktiviert
wird. Wie in Fig. 5A gezeigt ist, überschreitet die
QRO-Einschaltverzögerung niemals 5 Sekunden.
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Obwohl die Neustartzeit von dem Typ eines Kolbens, d. h. der
Lampenfüllung, abhängt, der in Heiz- oder
Aushärtungsanwendungen verwendet wird, zeigen andere Kolbentypen ähnliche
charakteristische Eigenschaften wie der D-Kolben. Fig. 5B und 5C
zeigen graphische Darstellungen für beispielhafte H-Kolben bzw.
V-Kolben (kommerzielle Bezeichnung des Anmelders, dem diese
Erfindung übertragen wurde, der Fusion Systems Corporation).
Wie in Fig. 5B und 5C gezeigt ist, treten eine kürzere
Einschaltverzögerung und eine schnellere Anstiegszeit zu
beinahe der vollen Leistung im Ergebnis des QRO-Modus auf, der
sowohl mit diesen als auch anderen Kolbentypen verwendet wird.
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Eine Alternative zu den Frontplattenschaltern 300, 322 ist ein
Fernbetrieb. Der Fernbetrieb unter Verwendung von Drähten oder
Kabeln, um die EIN/AUS- und BEREITSCHAFTS-Signale zu
aktivieren, entspricht völlig dem Betrieb mit Frontplattenschaltern,
ohne den Betrieb der Stromversorgung gemäß der vorliegenden
Erfindung zu ändern, wie sie vorausgehend beschrieben ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft die
Stromversorgung den gleichzeitigen Betrieb von zwei
Abschnitten, d. h. hohe Leistung und niedrige Leistung, die in
Kombination den normalen, d. h. stationären Betriebsstrom für das
Magnetron bereitstellen. Einer der dieser Anordnung
zugeordneten Vorteile besteht in der Tatsache, daß das Schalten zwischen
den zwei Stromversorgungsabschnitten, d. h. der Aktivierung und
der Deaktivierung des QRO-Modus, nahtlos ohne irgendein
Erlöschen des Stromes oder eine Stromüberschneidung erfolgt.
Das heißt, es gibt keine Zeitperiode, ungeachtet wie kurz oder
praktisch unmittelbar sie sein mag, während der der
Magnetronstrom völlig unterbrochen oder vollständig
ausgeschaltet ist, wenn der QRO-Modus aktiviert oder deaktiviert
wird. Ähnlich gibt es keine Zeitperiode, ungeachtet wie kurz
oder praktisch unmittelbar sie sein mag, während der der
Magnetronstrom über seinen normalen Pegel überhöht ist, wenn der
QRO-Modus aktiviert oder deaktiviert wird.
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Gemäß dem vorausgehenden Aspekt kann eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, wie sie vorausgehend beschrieben ist,
durch eine einzelne, veränderliche Festkörper-Stromversorgung
ersetzt werden. Folglich kann die veränderliche Festkörper-
Stromversorgung die zwei ferroresonanten Schaltungen ersetzen,
die vorausgehend beschrieben sind. Auf die selektive
Aktivierung des QRO-Modus wird die veränderliche
Festkörper-Stromversorgung durch das selektive Vermindern des Ausgangsgleichstroms
niedrigere Leistung bereitstellen, während die gleiche hohe
Gleichspannung beibehalten wird. Ähnlich wird auf die selektive
Aktivierung des Volleistungsmodus aus dem QRO-Modus die
veränderliche Festkörper-Stromversorgung durch das Vergrößern
des Ausgangsgleichstroms hohe Leistung bereitstellen, während
die gleiche hohe Gleichspannung beibehalten wird. Es ist
deshalb beabsichtigt, daß die Ansprüche so auszulegen sind, daß
sie eine derartige Ausführungsform umfassen.