DE69925693T2

DE69925693T2 - Dielektrisch behinderte leuchtquelle und leistungsversorgung

Info

Publication number: DE69925693T2
Application number: DE69925693T
Authority: DE
Inventors: Masashi Akashi-shi Okamoto; Takashi Takasago-shi ASAHINA; Masaki Himeji-shi YOSHIOKA; Takafumi Himeji-shi MIZOJIRI; Kenichi Himeji-shi HIROSE
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: EP1001661A1; JP3296284B2; DE69925693D1; CN1175713C; EP1001661A4; CN1258429A; TW414916B; KR20010020143A; JPH11260581A; KR100562892B1; WO1999046963A1; EP1001661B1; US6356033B1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft eine Entladungslampen-Lichtquelle mit dielektrischer Grenzschicht und eine Stromversorgung, welche eine sogenannte Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht einschließt, einen Entladungslampen-Typ, welcher Licht verwendet, das von Excimer-Molekülen ausgestrahlt wird, welche durch dielektrische Grenzschichtentladung gebildet wurden.
Technischer Hintergrund
US-A 5831394 betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung für die Erzeugung von Spannungspulsfolgen, insbesondere zur Verwendung bei einer Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht. Die Anordnung umfasst einen Rückspeisekreis zur Rückspeisung von Energie als Beitrag zu den Ladephasen. Die Rückschwingphasen liegen in den Totphasen der Spannungspulsfolgen und zeigen einen tiefen Anstieg des Rückspeisestroms.
Mit dieser Erfindung verwandte Technik findet sich z. B. auch in der Japanischen Kokai-Patentveröffentlichung H2-7353 (US-Patent 4983881), welche eine Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht behandelt. Diese Druckschrift beschreibt einen Strahler, bei welchem ein Entladungsgefäß mit einem Entladungsgas gefüllt ist, welches Excimermoleküle bilden kann, die Excimermoleküle werden mittels dielektrischer Grenzschichtentladung gebildet, und von den Excimermolekülen wird Licht ausgestrahlt.
Die vorstehend beschriebene Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht und eine Lichtquelle, die eine solche Lampe einschließt, weist einen großen potentiellen Anwendungsbereich auf aufgrund einer Reihe von Vorteilen, die bei herkömmlichen Niederspannungs-Quecksilberentladungslampen oder Hochspannungs-Bogenentladungslampen nicht zu finden sind. Insbesondere bei dem wachsenden Interesse am Problem der Umweltverschmutzung in den letzten Jahren ist eine der wchtigsten Anwendungen die umweltfreundliche Behandlung von Materialien mittels einer photochemischen Reaktion unter Verwendung von ultraviolettem Licht. Es besteht daher ein äußerst starkes Interesse an der Steigerung der Leistung von Lichtquellen für Entladungslampen mit dielektrischer Grenzschicht.
Es gibt jedoch eine Reihe größerer Probleme, die durch diese herkömmliche Technologie nicht gelöst werden konnte. Das erste dieser Probleme ist die Notwendigkeit, die Lichtausbeute der Lampen zu verbessern, um das große Interesse an einem geringeren Energieverbrauch, verringerter Wärmeerzeugung durch die Lampe und einer verbesserten Lebensdauer der Lampe zu befriedigen.
Das zweite Problem ist die Notwendigkeit, die Verwendung der überlegenen UV-Strahlungs-Technologie zu popularisieren, indem sie günstiger gemacht wird.
Diese Themen werden zunehmend wichtiger, da die Ausgangsleistung der Lichtquellen, und damit der Energieverbrauch, steigt.
Die Bedingungen für eine Verbesserung der Lichtausbeute von Lampen werden nachfolgend dargelegt. Die Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht weist ein oder zwei Dielektrika (6, 7) auf mit einem dazwischenliegenden Plasmaentladungsraum (3) zwischen den Elektroden (4, 5). 1 zeigt eine Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht mit zwei Dielektrika (6, 7).
Wenn die Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht angeschaltet wird, wird eine Hochspannungswechselstrom-Spannung von beispielsweise 10 kHz bis 200 kHz und 2 kV bis 10 kV von der Stromversorgung an die beiden Elektroden (4, 5) angelegt. Da die Dielektrika (6, 7) zwischen dem Plasmaentladungsraum (3) und den Elektroden liegen, fließt der Strom nicht direkt von den Elektroden (4, 5) zum Plasmaentladungsraum (c), und die Dielektrika (6, 7) zeigen hinsichtlich des Stromflusses einen Kondensatoreffekt. Das heißt, äquivalente Ladungen mit umgekehrtem Vorzeichen zu denjenigen zwischen den Oberflächen der Elektroden (4, 5) werden durch die Polarisation des Dielektrikums induziert, und die Entladung erfolgt zwischen den Oberflächen der Dielektrika (6, 7), welche sich über den Plasmaentladungsraum (3) hinweg gegenüberliegen.
Da entlang der Oberflächen der Dielektrika (6, 7), welche sich über den Entladungsraum (3) hinweg gegenüberliegen, wenig Strom fließt, wird die Ladung, welche auf den Oberflächen der Dielektrika (6, 7) induziert wird, welche sich über den Plasmaentladungsraum (3) hinweg gegenüberliegen, in dem Bereich, in dem die Entladung erfolgte, von der Ladung, welche von der Entladung verändert wurde, neutralisiert, und das elektrische Feld im Plasmaentladungsraum (3) wird verringert, so dass der Entladungsstrom aufhört, selbst wenn die an die Elektroden (4, 5) angelegte Spannung weiter besteht. Die Entladungsspannung wird jedoch aufrechterhalten, wenn die an die Elektroden (4, 5) angelegte Spannung weiter erhöht wird. Nach einer Entladung gibt es keine weitere Entladung in dem Bereich, in dem die Entladung erfolgte, bis die Polarität der an die Elektroden (4, 5) angelegten Spannung umgekehrt wird.
Im Falle einer Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, welche beispielsweise mit Xenongas gefüllt ist, wird das Xenongas durch die Entladung in Ionen und Elektronen getrennt, um Xenonplasma zu bilden. Innerhalb dieses Plasmas geht das Xenon, das bis auf ein gewisses Energieniveau angeregt wurde, Bindungen ein, und Excimermoleküle werden gebildet. Xenonexcimere zerfallen nach Ablauf einer vorgegebenen Lebensdauer, und die zu diesem Zeitpunkt freigesetzte Energie wird als Photonen mit einer Vakuum-ultravioletten Wellenlänge abgestrahlt. Damit Entladungslampen mit dielektrischer Grenzschicht effizient als Vakuum-Ultraviolett-Lichtquellen funktionieren, ist es erforderlich, diese Excimermoleküle effizient zu bilden.
Der Hauptfaktor, der die effiziente Bildung von Excimermolekülen verhindert, ist die Anregung des Entladungsplasmas auf Energieniveaus, welche nicht zur Bildung von Excimermolekülen beitragen.
Die Elektronenbewegung des Entladungsplasmas vor und nach Beginn der Entladung ist kollektiv, und es ist sehr viel Energie vorhanden, aber die Temperatur ist niedrig. In diesem Zustand ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass das Entladungsplasma in den Resonanzzustand übergeht, welcher zur Bildung von Excimermolekülen erforderlich ist. Mit zunehmender Entladungsdauer wird jedoch die Elektronenbewegung des Plasmas allmählich erhitzt; d. h. sie erreicht ein thermisches Gleichgewicht, welches als die Maxwell-Boltzmann-Verteilung bekannt ist. Dann steigt die Plasmatemperatur, und die Wahrscheinlichkeit des Übergangs in einen hoch angeregten Zustand, in welchem sich keine Excimermoleküle bilden können, wird größer.
Selbst wenn sich Excimermoleküle bilden, baut zudem die anschließende Entladung die Excimermoleküle manchmal ab, bevor sie natürlicherweise zerfallen und die erwünschten Photonen nach Ablauf ihrer Lebensspanne abstrahlen. Im Fall von Xenonexcimeren wird vom Beginn der Entladung bis zum Abstrahlen eines Photons mit einer Vakuum-ultravioletten Wellenlänge tatsächlich eine Zeitspanne von ca. 1 μs benötigt; eine anschließende Entladung oder eine erneute Entladung innerhalb dieser Zeitspanne verringert die Effizienz der Erzeugung von Excimerlicht.
Mit anderen Worten, es ist bekannt, dass es am wichtigsten ist, die anschließende Entladungsenergie so niedrig wie möglich zu halten, sobald die Entladung begonnen hat.
Selbst bei kurzer Entladungsdauer nimmt die Wahrscheinlichkeit des Übergangs in denselben hoch angeregten Zustand zu, wenn während der Entladungsdauer zu viel Energie zugeführt wird. Plasma, welches in einen hoch angeregten Zustand übergegangen ist, erleichtert diesen Zustand durch die Abgabe von Infrarotstrahlung und erhöht nur die Temperatur der Lampe, ohne zur Erzeugung von Excimerlicht beizutragen.
Das heißt, es ist nötig, die Entladung so zu steuern, dass die Anregung von Entladungsplasma auf ein Energieniveau, das nicht zur Bildung von Excimermolekülen beiträgt, unterdrückt wird.
Die japanische Kokai-Patentveröffentlichung H1-243363 schlägt die Erzielung von hocheffizienter Erzeugung von Excimerlicht durch jegliche Art von Pulsentladung, einschließlich dielektrische Grenzschichtentladung, vor. Dieser Vorschlag folgt der Bedingung, dass sobald die Entladung begonnen hat, die Energie der anschließenden Entladung so niedrig wie möglich gehalten wird. Die Beschreibung dieses Vorschlags beschäftigt sich jedoch damit, welche Parameter einzustellen sind, um die Erzeugung von Excimerlicht effizient zu gestalten, sie macht keine konkreten Angaben über die wirksamen Bedingungen der Parameterwerte oder darüber, wie eine Stromversorgung zu bilden ist, die diese Bedingungen umsetzen kann.
Unter den Lampenspannungs-Wellenformen, die das Potential zur Erfüllung der Bedingungen für die Entladung besitzen, die die Anregung des Entladungsplasmas auf ein Energieniveau, das nicht zur Bildung von Excimermolekülen beiträgt, wie vorstehend beschrieben, unterdrücken, nimmt man an, dass einer der einfachsten Kandidaten eine kurze Wellenform mit optimaler Amplitude ist. Es gibt tatsächlich Verbesserungsvorschläge für Steuerungswellenformen für Leuchtröhren, bei welchen dielektrische Grenzschichtentladung verwendet wird, wie beispielsweise in der japanischen Kokai-Patentveröffentlichung H6-163006. Jene stellt fest, dass die Helligkeit von Leuchtröhren gesteigert wird, indem sie mit einem Strom von kurzen Pulsen mit positiver Polarität geregelt werden oder mit Wechselstrom mit einer kurzen Wellenform. Was die Frequenz und den Arbeitszyklus des Stroms an kurzen Pulsen oder des kurzwelligen Stroms betrifft, hält sie Versuchsergebnisse über Änderungen der Helligkeit im Verhältnis zu Veränderungen der angelegten Spannung fest und erklärt, dass die Effizienz gegenüber der herkömmlichen Sinuskurven-Steuerung verbessert wird.
Diese Art der einfachen Wellenform hat jedoch ein großes Problem, wenn es darum geht, tatsächlich eine Stromversorgung zusammen zu setzen. Dieses Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass es nur im Moment des Ansteigens oder Abfallens der an die Lampe angelegten Spannung einen impulsiven Stromfluss gibt, da wie vorstehend beschrieben, das Dielektrikum (6, 7) der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht eine Anordnung ist, in welcher Strom fließt, weil sie als Kondensator fungiert und im Grunde ein Kondensator ist. Dieser Zustand wird in 3 dargestellt, eine typische Darstellung der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) und der Lampenstromwellenform (Is(t)).
Gewöhnlich werden für Stromversorgungen, die einen Hochspannungs-Wechselstrom zum Anlegen an Entladungslampen mit dielektrischer Grenzschicht erzeugen, Wechselrichterkreise und Aufwärtstransformatoren verwendet, in welchen der Strom, der durch die Primärwicklung fließt, proportional zu dem Verhältnis, in dem die Spannung von der Primärseite zur Sekundärseite erhöht wird, ansteigt. Wenn beispielsweise der Stromscheitelwert für die Lampenstromwel lenform 3 A beträgt und der Aufwärtstransformator ein Step-up-Verhältnis von 20 hat, wird der Scheitelwert des Stroms, der durch die Primärwicklung fließt, tatsächlich 60 A erreichen.
Es ist nicht unmöglich, diesen Stromwert zu erreichen, aber ein Wechselrichterkreis-Schaltelement, das diesem Strom standhält, ist teuer, was die Lösung des zweiten vorstehend erwähnten Problems erschwert. Dieser Stromscheitelwert wird selbstverständlich variieren, abhängig von der Nenngröße der zu zündenden dielektrischen Barriere-Entladungslampe und der Konstruktion des Aufwärtstransformators, aber in jedem Fall ist es erforderlich, diesen Wert klein zu halten. Der Vorschlag in der vorstehend erwähnten japanischen Kokai-Patentveröffentlichung H6-163006 gibt keine konkreten Richtlinien zur Lösung dieses Problems an.
Diese Erfindung stellt eine Lichtquelle und eine Stromversorgung für eine Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht zur Verfügung, die gleichzeitig sowohl das erste vorstehend erwähnte Problem löst, welches das Problem ist, die Lichtausbeute der Lampe zu verbessern, um den Bedarf an einem verringerten Energieverbrauch, einer verringerten Wärme der Lampe und einer längeren Lebensdauer der Lampe zu decken, als auch das zweite vorstehend erwähnte Problem, welches das Problem ist, die Lampe günstiger zu machen, um die Verwendung des überlegenen ultravioletten Lichts populär zu machen.
Offenbarung der Erfindung
Um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, weist die Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht dieser Erfindung die folgende Anordnung auf.

(1) Eine Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht mit einer Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht umfasst einen Plasmaentladungsraum (3), welcher mit einem Entladungsgas gefüllt ist, in welchem Excimermoleküle durch dielektrische Grenzschichtentladung gebildet werden, sowie zwei Elektroden (4, 5) zur Induzierung eines Entladungsphänomens in einem Entladungsgas, von denen zumindest eine vom Entladungsgas durch Dielektrika (6, 7) getrennt ist, und mit einer Stromversorgung zum Anlegen eines annähernd periodischen Hochspannungswechselstroms an die Elektroden (4, 5) der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, so dass es bei Abschluss einer Entladung in der Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht durch die Stromversorgung (1) und Änderung der an die Lampe angelegten Spannung zur nächsten Entladung hin eine Phase der graduellen Änderung in der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) gibt, bevor die Spannung für den Beginn der nächsten effektiven Entladung (+Ei, –Ei) erreicht wird, worauf eine rasche Änderung der Spannung folgt.
(2) Außerdem eine Lichtquelle für eine Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht wie vorstehend in Anspruch 1 beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass sie beim Abschluss einer Entladung eine Spannung VA und beim Abschluss der nächsten Entladung eine Spannung (VB) mit einer Spannungsdifferenz ΔVx dazwischen aufweist sowie eine Spannungsdifferenz ΔVy zwischen der Spannung VA und der Spannung VF am Ende der Phase gradueller Änderung der an die Lam pe angelegten Spannung, wobei die Bedingung 0,3 ≤ ΔVy/ΔVx ≤ 0,9erfüllt wird.
(3) Außerdem eine Stromversorgung für die Lichtquelle der Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht, welche mit Entladungsgas gefüllt ist, in welchem Excimermoleküle durch dielektrische Grenzentladung gebildet werden und zwei Elektroden (4, 5) zur Induzierung eines Entladungsphänomens im Entladungsgas, von welchen zumindest eine vom Entladungsgas durch Dielektrika (6, 7) getrennt ist, wobei die Stromversorgung einen annähernd periodischen Hochspannungswechselstrom an die Elektroden (4, 5) der Lampe (2) anlegt, wobei die Stromversorgung einen Zerhackerkreis (26) umfasst, welche die Spannung einer Gleichstrom-Stromversorgung (12) auf eine höhere Gleichstromspannung hochtransformiert ausgibt, einen Aufwärtstransformator (10), welcher einen Hochspannungswechselstrom auf dessen Sekundärseite produziert und einen Wechselrichterkreis (13) zur Umwandlung des Ausgangs des Zerhackerkreises (26) in Wechselstrom und zur Einspeisung in die Primärseite des Aufwärtstransformators (10), so dass das Steuersignal (Gc), welches das Schaltelement des Zerhackerkreises (26) regelt, synchronisiert mit den Steuersignalen (GU, GL) erzeugt wird, welche die Schaltelemente des Wechselrichterkreises (13) regeln.
(4). Außerdem eine Stromversorgung (1), welche die Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht darstellt, welche im vorstehenden Anspruch 3 beschrieben ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, welche zwei Dielektrika aufweist.
2 zeigt den äquivalenten Schaltkreis der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht.
3 ist eine Darstellung, welche das Konzept einer an die Lampe angelegten Kurzwellenspannung erläutert.
4 ist eine Darstellung, welche das Konzept einer an die Lampe der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht nach Anspruch 1 dieser Erfindung angelegten Spannungswellenform erläutert.
5 ist ein Blockdiagramm der Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht nach Anspruch 3 dieser Erfindung.
6 zeigt ein Beispiel eines Konzeptdiagramms der Wellenform in den elektrischen Schaltkreisen einer Ausführungsform der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht nach Anspruch 1 dieser Erfindung.
7 zeigt ein Beispiels eines vereinfachten Blockdiagramms einer Ausführungsform der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht nach Anspruch 1 dieser Erfindung.
8 zeigt ein Beispiel eines vereinfachten Blockdiagramms einer Ausführungsform der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht nach Anspruch 1 dieser Erfindung.
9 zeigt ein Beispiel eines vereinfachten Blockdiagramms einer Ausführungsform der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht nach Anspruch 1 dieser Erfindung.
10 zeigt ein Beispiel eines vereinfachten Blockdiagramms einer Ausführungsform der Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht nach Anspruch 3 dieser Erfindung.
11 zeigt ein Beispiel eines vereinfachten Blockdiagramms einer anderen Ausführungsform der Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht nach Anspruch 3 dieser Erfindung.
12 zeigt ein Beispiel eines Konzeptdiagramms der Wellenform in den elektrischen Schaltungen einer Ausführungsform der Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht nach Anspruch 3 dieser Erfindung.
Beste Anordnung zur Ausführung der Erfindung
Eine Anordnung zur Ausführung der Erfindung nach Ansprüchen (1) und (2) dieser Erfindung wird unter Verwendung von 4 erläutert.
Um erfolgreich effizient Excimermoleküle zu bilden durch Unterdrückung der Anregung des Entladungsplasmas auf Energieniveaus, die nicht zur Bildung von Excimermolekülen beitragen, erhöht man am Besten die an die Lampe angelegte Spannung, und wenn die Entladung beginnt bei Erreichen der Spannung, bei welcher die Entladung beginnt, beendet man die Entladung so schnell wie möglich.
Die Aktion der elektrischen Schaltungen der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht wird in 2 im Modell dargestellt: den Entladungsweg (9) des Plasmaentladungsraums (3) kann man sich als in Serie geschaltet mit dem Entladungswiderstand (Rg) und dem Entladungsschalter (Swg) vorstellen. Darüber hinaus gibt es Dielektrika (6, 7) zwischen dem Plasmaentladungsraum (3) und den Elektroden (4, 5) in der Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht; elektrisch funktioniert dies als Kondensator. Wenn es zwei Dielektrika gibt, kann man sich den Kondensator, der von den einzelnen Dielektrika gebildet wird, jedoch als in Serie verbunden vorstellen, um einen einzigen Kondensator (Cd) zu bilden.
Da der von diesem Dielektrikum gebildete Kondensator (Cd) hinsichtlich des Plasmaentladungsraums (3) in Serie eingefügt wird, fließt der Entladungsstrom in der Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht nur, wenn die an die Lampe angelegte Spannung sich ändert, oder unmittelbar nach der Änderung.
Der Entladungsraum (3) selbst bildet einen Kondensator (Cg), und da die in diesem Kondensator (Cg) gespeicherte Energie aufgebraucht ist, wenn die Entladung beginnt, führt die Stromversorgung der Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht nicht mehr Strom als nötig zu, nachdem die Entladung beginnt.
Die Spannung, bei der die Entladung beginnt, wird fast automatisch bestimmt, sobald der Gasdruck und der Spalt des Plasmaentladungsraums bestimmt sind. Da die Kapazität des vom Plasmaentladungsraums gebildeten Kondensators (Cg) vom Spalt des Plasmaentladungsraums bestimmt wird, ist die Mindestenergie, die dem Plasma vom Anfang bis zum Ende einer Entladung zugeführt wird, die Energie einer vollen Entladung der Ladung, welche in dem vom Plasmaentladungsraum gebildeten Kondensator (Cg) gespeichert ist; dies wird durch die Anordnung der Lampe festgelegt. Die Unterdrückung der Anregung des Entladungsplasmas auf ein Energieniveau, das nicht zur Bildung von Excimermolekülen beiträgt, wie vorstehend beschrieben, ist am Besten zu erreichen unter den Bedingungen für die Entladung dieser minimalen Energie.
Die Bedingungen für die Entladung dieser minimalen Energie bringen jedoch das Problem mit sich, dass es infolge von Abweichungen der Lage des Plasmaentladungsraumspalts innerhalb der Lampe leicht zu ungleichmäßiger Entladung innerhalb einer einzelnen Lampe kommen kann.
Zur Bereitstellung einer geeigneten Lichtquelle, die eine gleichmäßige Entladung über die gesamte Oberfläche der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht ermöglichen kann, ist es folglich notwendig, die der Lampe zugeführte Energie über die vorstehend erwähnten Mindestenergie-Entladungsbedingungen zu erhöhen und einen akzeptablen Bereich für die Reduzierung der Effizienz der Erzeugung von Excimerlicht aufgrund der Erhöhung der der Lampe zugeführten Energie festzulegen.
Die erhöhte Energie, die der Lampe zugeführt wird, muss selbstverständlich zeitlich so zugeführt werden, dass keine Verringerung der Effizienz der Excimerlichterzeugung verursacht wird. Es ist daher notwendig, dass die Energiezufuhr nah am Zeitpunkt der vollständigen Entladung der im durch den Plasmaentladungsraum gebildeten Kondensator (Cg) gespeicherten Ladung liegt, und sich vorzugsweise überlappt. Was die Geschwindigkeit der Änderung der an die Lampe angelegten Spannung betrifft, ist daher eine rasche Änderung erforderlich, in der Phase kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen des Spannungsscheitelwerts nach Beginn der Entladung, damit die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht verringert wird.
Es gibt jedoch keine Einschränkungen bezüglich der Wellenform der an die Lampe angelegten Spannung in der Phase vom Abschluss einer Entladung bis zum Beginn der nächsten Entla dung. Das heißt, sobald die Entladung abgeschlossen ist, besteht keine Notwendigkeit für eine rasche Änderung der an die Lampe angelegten Spannung von dem Zeitpunkt, an dem die Polarität der Lampe zum umgekehrten Vorzeichen wechselt, bis kurz vor Beginn der nächsten Entladung. Der Grund hierfür liegt darin, dass es keine Entladung gibt, bis die Spannung des Plasmaentladungsraums (3) die Spannung erreicht, bei welcher die Entladung beginnt. Wenn es keine Entladung gibt, tritt das Problem ungleichmäßiger Entladung innerhalb einer einzelnen Lampe aufgrund von Abweichungen der Lage des Plasmaentladungsraumspalts innerhalb der Lampe eher nicht auf.
Anders ausgedrückt, das Ansteigen und Abfallen der an die Lampe angelegten Spannung kann vor Beginn der Entladung langsam geschehen, so lange es rasch geschieht, sobald die Spannung überschritten wird, bei der die Entladung beginnt. Diese Situation ist in 4 im Modell dargestellt.
In 4 weist die Wellenform der an die Lampe angelegten Spannung (Vs(t)) einen geringeren Wert auf als die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei), beim Wechsel von der negativen Lampenspannung (VA) zur positiven Lampenspannung (VB), und ändert sich graduell während der Phase (A1) vor dem Erreichen des Ausgangswerts für den raschen Wechsel der Lampenspannung (VF). Sie ändert sich rasch während der Phase (A2) vom Ausgangswert für den raschen Wechsel der Lampenspannung (VF) bis zur positiven Lampenspannung (VB). Dies ist ersichtlich durch einen Vergleich von 4 mit den Stromscheitelwerten (lp1, lp2) der Lampenstromwellenform (Is(t)) in der annähernd gleichen Modellanalyse in 3.
2 wird als Modell des Stromkreises verwendet, welches die Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht veranschaulicht. Eine typische Ausführungsform weist die nachstehend gezeigten Werte auf für die negative Lampenspannung VA, die positive Lampenspannung VB, die Ausgangsspannung für die rasche Änderung der Lampenspannung VF, Kapazität Cg des vom Entladungsplasmaraums (Cg) gebildeten Kondensators sowie die Übergangskapazität Ce aus dem Aufwärtstransformator (10), die Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht und deren gegenseitige Verbindung. VA = –2500 V Formel 4 VB = +2500 V Formel 5 VF = +200 V Formel 6 Cg = 35 pF Formel 7 Cd = 220 pF Formel 8 Cg = 100 pF Formel 9
Der Zustand der Lampenspannung VA wird zuerst betrachtet. Unmittelbar nach der Entladung wird die in der Plasmaentladungsraumkapazität Cg des Plasmaentladungsraums (3) gespei cherte Ladung durch die Entladung kurzgeschlossen und fast vollständig neutralisiert, so dass die Spannung der Plasmaentladungsraumkapazität Cg gegen 0 V geht. In diesem Zustand sind die gespeicherte Ladung QdA der dielektrischen Kapazität Cd, die gespeicherte Ladung QgA der Plasmaentladungsraumkapazität Cg und die gespeicherte Ladung QeA der Übergangskapazität Ce wie nachstehend gezeigt. QdA = Cd·VA Formel 10 QgA = 0 Formel 11 QeA = Ce·VA Formel 12
Als Nächstes wird die Änderung der Lampenspannung von VA zu VB betrachtet. In diesem Fall sind die Ladung ΔQLAB, die zur Serienverbindung der dielektrischen Kapazität Cd und der Plasmaentladungsraumkapazität Cg fließt, und die Ladung ΔQsAB, die zur Übergangskapazität Ce fließt, wie nachstehend gezeigt. ΔQLAB = (Cd·Cg/(Cd + Cg))(VB – VA) Formel 13 ΔQsAB = Ce(VB – VA) Formel 14
Entsprechend bestimmt man die Ladung ΔQAB, welche im Verlauf der Änderung der Lampenspannung aus der Stromversorgung fließt durch Kombination der beiden. ΔQAB = (Cd·Cg/(Cd + Cg) + Ce)(VB – VA) Formel 15
Die Spannung VdB der dielektrischen Kapazität Cd zu diesem Zeitpunkt kann nun berechnet werden, indem Gleichungen 10 und 13 auf die Formel VdB = (QdA + ΔQLAB)/Cd angewendet werden. VdB = (Cd·VB – Cg·Va)/(Cd + Cg) Formel 16
Bei Auftreten der Entladung, wie vorstehend beschrieben, wird die in der Plasmaentladungsraumkapazität Cg des Plasmaentladungsraums (3) gespeicherte Ladung durch die Entladung kurzgeschlossen und fast vollständig neutralisiert; die Plasmaentladungsraumkapazität Cg geht gegen 0 V, und so wird die Lampenspannung VB vollständig auf die dielektrische Kapazität Cd angelegt. Da die Spannung der dielektrischen Kapazität Cd vor der Entladung VdB war, kann die Spannung ΔQD, welche beim Entladungsvorgang aus der Stromversorgung fließt, basierend auf der Differenz mit der Formel ΔQD = Cd(VB + VdB) bestimmt werden und berechnet werden, indem Formel 16 darauf angewendet wird. ΔQD = (Cd2/(Cd + Cg))(VB – VA) Formel 17
Die vorstehenden Ergebnisse werden auf die Lampenspannungs-Wellenform in 3 angewendet. Im Falle der Lampenspannungs-Wellenform in 3, gibt es einen raschen Übergang von der negativen Lampenspannung VA zur positiven Lampenspannung VB. In der kurzen Phase Δt wenn die Entladung beginnt (τ), muss daher die Stromversorgung die Ladung ΔQ1 ausgeben, welche ΔQAB von Formel 15 und ΔQD von Formel 17 verknüpft. ΔQ1 = (Cd + Ce))(VB – VA) Formel 18
Der durchschnittliche Stromwert lm1, der zu diesem Zeitpunkt von der Stromversorgung ausgegeben wird, wird bestimmt, indem ΔQ1 durch Δt geteilt wird. lm1 = ΔQ1/Δt Formel 19
Durch Anwenden der tatsächlichen Werte von Formeln 4 bis 9 hierauf und durch Verallgemeinern der abgelaufenen Zeit Δt als Δt = 1μs Formel 20und indem der Stromscheitelwert als das Zweifache des Durchschnittsstromwerts angenommen wird, wird der Stromscheitelwert Ip1 der Stromversorgung im Falle der in 3 gezeigten Lampenspannungs-Wellenform lp1 = 2·lm1 = 3,2 A Formel 21
Als Nächstes werden die gleichen Berechnungen auf die Lampenspannungs-Wellenform in 4 angewendet. Im Falle der Lampenspannungs-Wellenform in 4 gibt es einen graduellen Übergang von der negativen Lampenspannung VA zur Lampenspannung VF, wo ein rascher Anstieg beginnt. Die Ladung ΔQAF, welche während dieser Phase der sich ändernden Lampenspannung aus der Stromversorgung fließt, kann bestimmt werden, indem in Formel 15 VB durch VF ersetzt wird. ΔQAF = (C·Cg/(Cd + Cg) + Ce)(VF – VA) Formel 22
Andererseits gibt es einen schnellen Übergang von der Lampenspannung VF, wo ein rascher Anstieg zur positiven Lampenspannung VB beginnt, und die Entladung findet statt. Die Ladung ΔQFB, die während dieser Phase der sich ändernden Lampenspannung aus der Stromversorgung fließt, ist die Differenz zwischen ΔQAB in Formel 15 und ΔQAF in Formel 22. ΔQFB = (Cd·Cg/(Cd + Cg) + Ce)(VB – VF) Formel 23
Da die Ladung ΔQD, die im Verlauf der Entladung aus der Stromversorgung fließt, die gleiche ist wie in Formel 17, ist die Ladung, die die Stromversorgung in der kurzen Phase Δt, in dem Moment, in dem die Entladung beginnt (τ), ausgeben muss, die Ladung ΔQ2, welche ΔQFB von Formel 23 und ΔQD von Formel 17 vereinigt: ΔQ2 = ΔQFB + ΔQD. ΔQ2 = (Cd·Cg/(Cd + Cg) + Ce)(VB – VF) + (Cd2/(Cd + Cg))(VB – VA) Formel 24
Wie im Falle von 3 wird der Durchschnittsstromwert lm2, der von der Stromversorgung zu dieser Zeit ausgegeben wird, bestimmt, indem ΔQ2 durch Δt geteilt wird. lm2 = ΔQ2/Δt Formel 25
Ähnlich wird durch Anwenden der tatsächlichen Werte der Formeln 4 bis 9 hierauf und durch Verwenden des Wertes aus Formel 20 für die abgelaufene Zeit Δt sowie durch Annahme des Stromscheitelwertes als das Zweifache des Durchschnittsstromwertes der Stromscheitelwert lp2 der Stromversorgung im Falle der in 4 gezeigten Lampenspannungs-Wellenform lp2 = 2·lm1 = 2,0 A Formel 26
Bei Vergleich von Formel 26 mit Formel 21 wird ersichtlich, dass der Stromscheitelwert Ip2 im Falle der in 4 gezeigten Lampenspannungs-Wellenform um 63 % niedriger ist als der Stromscheitelwert Ip1 im Fall der in 3 gezeigten Lampenspannungs-Wellenform. Die Wirkung einer Verringerung des Stromscheitelwerts im Falle der in 4 gezeigten Lampenspannungs-Wellenform ist das Ergebnis eines sehr niedrigen Ladestromflusses lw über eine lange Zeitspanne, während die Lampenspannung sich graduell von VA zu VF änderte, in Vorbereitung für eine raschen Ladungsänderung während der Entladung. Die Wirkung der Verringerung des Stromscheitelwerts wird sich selbstverständlich ändern, wenn unterschiedliche Werte in den Formeln 4 bis 9 verwendet werden.
Demzufolge ist ersichtlich, dass die Verringerung des Stromscheitelwertes des Schaltelements im Wechselrichterkreis eine Wirkung hat, wodurch das zweite vorstehend beschriebene Problem gelöst wird.
Da die Lampenspannung (VF) zu Beginn der raschen Änderung niedriger ist als die ansteigende Spannung zum Starten der Entladung (+Ei), ist außerdem die Geschwindigkeit der Änderung der Lampenspannung von kurz vor Beginn der Entladung bis zur Scheitelspannung nach Beginn der Entladung derart, dass es möglich ist, die notwendige rasche Änderung aufrechtzuerhalten, ohne die Effizienz der Excimerlichterzeugung zu verringern. Somit gibt es ebenfalls eine Wirkung zur Lösung der ersten vorstehend beschriebenen Problems.
Das Anwenden der Formeln 4 bis 6 auf Formeln 1 bis ergibt ΔVy/ΔVx = 0,9 Formel 27
Die Lampenspannung VF zu Beginn der raschen Änderung muss so eingestellt sein, dass die ansteigende Spannung zum Starten der Entladung (+Ei) zwischen VF und der positiven Lampenspannung (VB) liegt. Im Falle von ΔVy/ΔVx in Formel 27, muss die Spannung bei Beginn der Entladung innerhalb eines Bereiches von 10 % der vollen Amplitude der Lampenspannungs-Wellenform liegen, und daher kann es schwierig sein, Lichtquellen einzusetzen mit Stromversorgungen, die nicht allzu stabil sind. In solchen Fällen kann ΔVy/ΔVx auf unter 0,8 oder unter 0,7 festgesetzt werden, je nachdem, wie schlecht die Stabilität ist.
Je größer ΔVy/ΔVx ist, desto größer wird die Wirkung der Verringerung des Stromscheitelwerts sein. Wenn unter den Formeln 4 bis 9 der Wert von Formel 6 verändert wird auf VF = –1000 V Formel 28 dann entspricht ΔVy/ΔVx einem Wert von 0,3, und wenn man die gleichen Berechnungen für den Stromscheitelwert Ip2 in diesem Fall verwendet, ergibt das lp2 = 2,8 A Formel 29
Verglichen mit dem Stromscheitelwert lp1 für die Lampenspannungs-Wellenform in 3, ist der Stromscheitelwert um ca. 88 % verringert. Entsprechend ist der Wert ΔVy/ΔVx vorzugsweise auf 0,4 oder größer festzusetzen; wenn eine merkliche Verringerung erwünscht ist, ist ein Wert von über 0,5 vorteilhaft.
In Verbindung hiermit, wenn ΔVy/ΔVx dem Wert 0,5 entspricht und VF = 0 V Formel 30dann beträgt der Stromscheitelwert lp2 lp2 = 2,6 A Formel 31
Anders ausgedrückt, der Stromscheitelwert wird um ca. 81 % des Stromscheitelwerts lp1 verringert im Falle der in 3 gezeigten Lampenspannungs-Wellenform.
Was die Raschheit des Anstiegs oder Falls der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(T)) nach der Lampenspannung VF bei Beginn der raschen Änderung, wie bereits bemerkt, von der Phase kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen des Spannungsscheitelwertes nach Beginn der Entladung betrifft, so sollte er rasch genug sein, um ein Abfallen der Helligkeit der Excimerlichterzeugung zu verhindern. Konkret ausgedrückt, es ist gewöhnlich ausreichend effektiv, wenn die Phase von der Spannung (VF) bei Beginn der raschen Änderung der Lampenspannung bis zum Erreichen der maximalen Spannung innerhalb eines Bereiches von 10 ns bis 1 μs liegt.
Was andererseits den graduellen Anstieg oder Abfall der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) bis zum Erreichen der Lampenspannung VF bei Beginn der raschen Änderung betrifft, kann der Ausgabestrom der Stromversorgung während dieser Phase so gering wie gewünscht sein im Verhältnis zur Stromausgabekapazität der Stromversorgung. ΔQAF von Formel 22 ist die Ladungsausgabe durch die Stromversorgung in der Phase, in der die Lampenspannung sich von der negativen Lampenspannung (VA) zur Spannung (VF) am Beginn des raschen Wechsel ändert, und so kann der Ausgabestrom während dieser Phase geschätzt werden, indem ΔQAF durch die Länge dieser Phase geteilt wird. Falls die Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) hinsichtlich Polaritätsumkehrungen symmetrisch ist, wenn die Lampenspannungs-Wellenform eine Periodendauer T aufweist und die Phase der graduellen Änderung einen Abschnitt α der Periode einnimmt, dann wird der Durchschnittsstrom iAF während der Phase der graduellen Änderung von der negativen Lampenspannung (VA) zu dem Wert bei Beginn der raschen Änderung der Lampenspannung (VF) durch die folgende Formel bestimmt. IAF = 2ΔQAF/(αT) Formel 32
Der Grund für die Multiplikation mit dem Faktor 2 auf der rechten Seite der Formel 32 liegt nun darin, dass das Phänomen in jeder Periodenhälfte auftritt. Wenn man bei den in Formeln 4 bis 9 angegebenen Beispielen annimmt, dass die Periodendauer T der in 4 gezeigten Lampenspannungs-Wellenform und der Abschnitt α der Periode, welchen die Phase der graduellen Änderung einnimmt, T = 20 μs (50kHz) Formel 33 α = 50 % Formel 34sind, dann kann der durchschnittliche Stromfluss iAF der Phase der graduellen Änderung wie folgt geschätzt werden. iAF = 0,12 A Formel 35
Dieser Wert ist klein genug, nur 6 % größer als der Stromscheitelwert lp2 von Formel 26. Aus Formel 32 ist ersichtlich, dass der durchschnittliche Stromfluss iAF während der Phase der graduellen Änderung umgekehrt proportional ist zum Abschnitt α der Periode, welcher von der Phase der graduellen Änderung eingenommen wird, und selbst die 10 %, welche einem Teil von fünf entsprechen, sind recht zweckmäßig. Aber wenn α größer ist, beispielsweise 90 %, ist der durchschnittliche Stromfluss iAf der Phase der graduellen Änderung noch kleiner und daher vorteilhafter. Folglich kann der Abschnitt (α) jeder Periode, welcher von der Phase der graduellen Änderung eingenommen wird, aus dem Bereich von 10 % bis 90 % frei gewählt werden.
Die Übergangskapazität Ce ist normalerweise ein Element, das durch unnötiges Fließen von Scheitelstrom produziert wird und nicht vollständig beseitigt werden kann, welche Anstrengungen auch unternommen werden, um es zu verhindern. Bei dieser Erfindung besteht jedoch keine Notwendigkeit, das Auftreten dieser Übergangskapazität zu verhindern, da deren Wirkung darin besteht, den Scheitelstromwert zu verringern. Es gibt daher, wie in der auf Formel 17 bezogenen Erklärung angegeben, einen Stromfluss um den raschen Spannungsabfall der Plasmaentladungsraumkapazität Cg zu ergänzen, welcher den Beginn der Entladung begleitet, aber dieser Strom entspricht der Menge, die notwendig ist, um die der Lampe zugeführte Energie über die Mindestenergie-Entladungsbedingungen zu erhöhen, um eine geeignete Lichtquelle zu einer gleichmäßigen Entladung über die gesamte Oberfläche der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht zu befähigen. Wie bereits erwähnt, muss die Zufuhr von Energie zeitlich nah an der vollständigen Entladung der im vom Plasmaentladungsraum gebildeten Kondensator (Cg) gespeicherten Ladung sein, vorzugsweise überlappend. Die Übergangskapazität kann einen Teil der Stromzufuhr zur Erhöhung der der Lampe zugeführten Energie bilden, und da es nicht nötig ist, dass die Stromzufuhr von der Übergangskapazität zur Lampe den Aufwärtstransformator durchläuft, wird sie vorzugsweise zeitlich überlappend zugeführt. Es ist daher ein großer Vorteil, dass es bei dieser Erfindung möglich ist, das Vorhandensein dieser Übergangskapazität positiv zu nützen. Um diesen Gedanken weiterzuführen, ist es möglich, einen parallelen Kondensator zur Entla dungslampe mit dielektrischer Grenzschicht hinzuzufügen, um eine noch bessere Lichtquelle einer Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht bereitzustellen. Die Kapazität des hinzugefügten Kondensators ist vorzugsweise niedriger als die durch Formel 17 ausgedrückte dielektrische Kapazität Cd. Der Grund dafür, dass die Übergangskapazität Ce nicht im Ausdruck von Formel 17 enthalten ist, liegt nun darin, dass die Ladung, die der Lampe von der Übergangskapazität während der Entladung zugeführt wird, letztlich aus der Übergangskapazität aus der Stromquelle besteht.
Die Erläuterungen bis zu diesem Punkt betrafen primär die ansteigende Spannung bei Beginn der Entladung (+Ei) und den Lampenspannungswert bei Beginn der Phase der raschen Änderung (VF) hinsichtlich der Phänomene bei Änderung der Lampenspannung von der negativen Lampenspannung (VA) zur positiven Lampenspannung (VB) sowie die Auswirkungen dieser Phänomene. Natürlich können, bei umgekehrter Spannung und Polarität, wenn die Lampenspannung von der positiven Lampenspannung (VB) zur negativen Lampenspannung (VA) wechselt, die gleichen Erläuterungen gemacht werden.
Eine kurze ergänzende Erläuterung betreffend der Spannung bei Beginn der Entladung folgt. Wenn die wirksame Spannung für den Beginn der Entladung die ansteigende Spannung ist, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei), steigt die Lampenspannung von einem niedrigen Wert; wenn sie dieses Niveau durchläuft, beginnt die Entladung und endet schließlich, aber an dem Punkt, an dem die Entladung endet, verschwindet die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei) und wird ersetzt durch die abfallende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (–Ei) als die wirksame Spannung für den Beginn der Entladung. Wenn die wirksame Spannung für den Beginn der Entladung die abfallende Spannung ist, bei welcher die Entladung beginnt (–Ei) und die Lampenspannung von einem hohen Wert abfällt, an diesem Punkt vorbei, beginnt die Entladung und endet schließlich, aber an dem Punkt, an dem die Entladung endet, verschwindet die abfallende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (–Ei) und wird wiederum ersetzt von der ansteigenden Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei) als die wirksame Spannung für den Beginn der Entladung. Bei den Entladungsbedingungen ist es nun möglich, einen positiven Wert für die abfallende Spannung zu haben, bei welcher die Entladung beginnt, und einen negativen Wert für die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt. Wenn die Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) asymmetrisch ist hinsichtlich des Polaritätswechsels, sind die absoluten Werte der ansteigenden Spannung, bei welcher die Entladung beginnt, und die abfallende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt, normalerweise nicht gleich.
In Zusammenhang damit wurde in Näherungsanalysen über den Ablauf der Phänomene der Ladungsausgang von der Stromquelle in Verlauf der Entladung geschätzt, nachdem die Lampenspannung zu VB wechselte, aber in Wirklichkeit sollte die Entladung beginnen, wenn die an die Lampe angelegte Spannung die ansteigende Spannung erreicht, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei), wie in 3 und 4 gezeigt wird. Es sollte jedoch hinzugefügt werden, dass dies eine analytische Methode ist, um ein umfassendes Verständnis der Phänomene zu erhalten, die zwischen dem Ausgangszustand und dem Endzustand der kurzen Phase Δt zwischen dem Punkt kurz vor Beginn der Entladung und dem Punkt, wenn die Lampenspannung nach Abschluss der Entladung VB erreicht, auftreten; die feinen zeitlichen Unterschiede sind nicht wichtig.
Als nächstes wird eine Anordnung zur Ausführung der Erfindung in Anspruch 3 dieser Erfindung mit Bezug auf 5 erläutert.
Die Gleichspannung (Vi) aus einer Gleichspannungsstromquelle (12) wird in eine höhere Gleichspannung (Vj) umgewandelt von einem Zerhackerkreis (26) mit einer Step-up-Funktion, wobei für den Kreis ein Schaltelement mit einem FET oder einer ähnlichen Einrichtung verwendet wird. Die Ausgabespannung (Vj) des Zerhackerkreises wird dem Wechselrichterkreis (13) zugeführt. Der Wechselrichterkreis (13), für welchen ein Schaltelement mit einem FET oder einer ähnlichen Einrichtung verwendet wird, wandelt die Ausgabespannung (Vj) des Zerhackerkreises in Wechselspannung (31) um und führt sie der Primärseite eines Aufwärtstransformators (10) zu, wodurch ein Hochspannungs-Wechselstrom-Ausgang (Vs) aus der Sekundärseite des Aufwärtstransformators (10) produziert wird. Dieser Ausgang (Vs) wird verwendet, um die Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht anzuschalten. An diesem Punkt produziert der Wechselrichter-Steuersignalerzeugerkreis (29) Steuersignale (GU, GL), die das Schaltelement des Wechselrichterkreises regeln, so dass die Wechselspannung (31) die erwünschte Frequenz und den erwünschten Arbeitszyklus aufweist. Zusätzlich erzeugt der Zerhacker-Steuersignalerzeugerkreis (30) ein Steuersignal (Gc), das die Gleichspannung (Vj) regelt, welche in den Wechselrichterkreis (13) gespeist wird.
Die Arbeitsweise des Zerhackerkreises (26) der Stromversorgung für die Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht dieser Erfindung wird als nächstes beschrieben. Die an die Lampe der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht angelegte Spannung ist eine hohe Spannung, wie durch Formeln 4 und 5 ausgedrückt, weshalb ein Aufwärtstransformator (10) notwendig ist. Der Sekundärausgang (Vs) dieses Aufwärtstransformators kann wie erwünscht erhöht werden, indem ein Aufwärtstransformator mit einem großen Step-up-Verhältnis verwendet wird, aber in der Realität bringt dies einen hohen Primär-Sekundär-Streuinduktivitätswert im Aufwärtstransformator (10) mit sich und macht es unmöglich, eine rasche Änderung der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen des Stromscheitelwertes nach Abschluss der Entladung, wie vorstehend beschrieben, aufrechtzuerhalten, um die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht zu vermindern. Es ist bekannt, dass es von diesem Gesichtspunkt der raschen Änderung aus umso besser ist, je kleiner das Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) ist, der Größe des Verhältnisses sind Grenzen gesetzt. Der Spannungswert der Gleichspannungsquelle (12) ändert sich in Übereinstimmung mit der Umgebung der Stelle, an der die Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenz schicht montiert wird. Wenn beispielsweise die Gleichspannungsquelle (12) der Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht von außen zugeführt wird, wird der Spannungswert der Gleichspannungsquelle (12) häufig 24 V + 15 V betragen. Ebenso gibt es Gelegenheiten, wo ein Wechselstrom mit 100 V zugeführt wird, dann innerhalb der Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht auf 140 V Gleichspannung gleichgerichtet wird oder auf 280 V Gleichstrom verdoppelt wird. In jedem Fall ist das Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) groß. Selbst wenn vom Gesichtspunkt der raschen Änderung der Lampenspannung aus das Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auf einem geeigneten Wert gehalten werden sollte, der nicht zu groß ist, ist es möglich den erwünschten Spannungswert vom Ausgang (Vs) der Sekundärseite zu erhalten, indem die Step-up-Fähigkeiten des Zerhackerkreises (26) so ausgelegt werden, dass sie die Defizite im Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) ausgleichen.
Die Step-up-Fähigkeit des Zerhackerkreises (26) wird von der Pulsbreite des Steuersignals (Gc) bestimmt, welches an dessen Schaltelement geliefert wird. Es ist ebenfalls möglich, die Step-up-Fähigkeit des Zerhackerkreises (26) mittels des Arbeitszyklusverhältnisses festzulegen, wenn die Frequenz der Steuersignale (Gc) eingestellt werden kann.
Bei allgemeinen Schaltkreis-Anwendungen, wenn ein Zerhackerkreis als erste Stufe eines Wechselrichterkreises einbezogen ist, ist die Frequenz des Zerhackerkreises oft erheblich höher als die Frequenz des Wechselrichterkreises. Der Grund hierfür liegt darin, dass häufiges Laden des Zerhackerkreises den Abfall der Glättungskondensatorspannung ausgleicht, die die Schaltlast begleitet, was der Ladungsausgang zum Wechselrichterkreis ist, und hierdurch wird die Glättungskondensatorspannung so geregelt, dass sie sich der Gleichspannung annähert. Je höher daher die Frequenz des Zerhackerkreises ist, desto stärker wird die Welligkeit reduziert und die Präzision, wenn sie als Geichspannung betrachtet wird, verbessert. Und daher wird sich dies im Fall eines allgemeinen Wechselrichterkreises bei starker Zerhackerkreis-Welligkeit in der Glättungskondensatorspannung und geringer Präzision, wenn diese als Gleichspannung betrachtet wird, in der darauffolgenden Phase des Wechselrichterkreises bemerkbar machen und eine nachteilige Wirkung hinsichtlich der Schwankungen des zugeführten Stroms haben.
Dem gemäß ist es in einem solchen Fall notwendig, getrennte Steuersignal-Erzeugerkreise zu haben, mit unterschiedlichen Frequenzen, für den Zerhackerkreis und den Wechselrichterkreis. Dies ist ohne Frage ein Problem hinsichtlich der erhöhten Kosten.
Wenn die endgültige Last eine Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht ist, besteht jedoch keine Notwendigkeit, die Zerhackerkreis-Welligkeit zu verringern, da es, wie vorstehend erwähnt, keine Einschränkungen der Wellenform der an die Lampe angelegten Spannung in der Phase vom Ende einer Entladung bis zum Beginn der nächsten Entladung gibt.
Wie bereits erwähnt, muss jedoch die Geschwindigkeit der Änderung der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung rasch genug sein, um die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht zu behindern, und da die Größe des Spannungsscheitelwertes in direktem Verhältnis steht zu der Energie, die der Lampe durch eine Entladung zugeführt wird, muss die Lampenspannungs-Wellenform in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung für die Stabilität des Betriebes wiederholt reproduzierbar sein.
Folglich ist es im Falle, dass die Zerhackerkreis-Welligkeit nicht verringert wird, notwendig und ausreichend, die Ansteuerung des Zerhackerkreises und des Wechselrichterkreises zu synchronisieren. Diese Tatsache ist sehr nützlich bei der Angabe der Lasteigenschaften der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, was ein Punkt ist, in dem diese Erfindung überlegen ist.
In 5 gibt es einen Schwingkreis (27) zur Einstellung der Betriebsfrequenz des Wechselrichterkreises (13); das Oszillatorsignal (28) vom Schwingkreis (27) ist der Eingang für den Wechselrichter-Steuersignalerzeugerkreis (29). Die Steuersignale (GU, GL), die von diesem Wechselrichter-Steuersignalerzeugerkreis (29) ausgegeben werden, sind der Eingang für den Wechselrichterkreis (13) und sind ebenso der Eingang für den Zerhacker-Steuersignalerzeugerkreis (30). Der Zerhacker-Steuersignalerzeugerkreis (30, welcher auf der Basis der Wechselrichterkreis-Steuersignale (GU, GL) agiert, produziert ein Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc). Aufgrund dieser Anordnung wird das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc), welches das Schaltelement des Zerhackerkreises (26) regelt, zuverlässig synchronisiert mit den Wechselrichterkreis-Steuersignalen (GU, GL) produziert.
Eine andere Möglichkeit, anstatt die Wechselrichterkreis-Steuersignale (GU, GL) als Eingang für den Zerhacker-Steuersignalerzeugerkreis (30) zu haben, ist das Oszillatorsignal (28) vom Schwingkreis (27) als Eingang für den Zerhacker-Steuersignalerzeugerkreis (30) zu haben. Dann produziert der Zerhacker-Steuersignalerzeugerkreis (30), welcher auf der Basis des Oszillatorsignals (28) agiert, das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc); das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc), das das Schaltelement des Zerhackerkreises (26) regelt, wird zuverlässig synchronisiert mit den Wechselrichterkreis-Steuersignalen (GU, GL) produziert.
Daher weist die Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht dieser Erfindung mit der in 5 gezeigten Anordnung einen Zerhackerkreis (26) als erste Stufe ihres Wechselrichterkreises (13) auf. Wie vorstehend erwähnt, wird das Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auf einem geeigneten Wert gehalten, der nicht zu groß ist, in Übereinstimmung mit dem Gesichtspunkt, dass die Geschwindigkeit der Änderung der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung rasch genug sein muss, dass sie die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht behindert, aber dennoch ist der Zerhackerkreis (26) so ausgelegt, dass seine Step-up-Fähigkeit Unzulänglichkeiten beim Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) ausgleicht, wodurch der erwünschte Spannungswert des Sekundärausgangs (Vs) leicht zu realisieren ist. Aufgrund dessen löst diese Erfindung wirksam das erste vorstehend erwähnte Problem.
Es gibt eine Wirkung zur Lösung des ersten Problems, weil es möglich ist, nur einen einzigen Schwingkreis (27) zu verwenden. Darüber hinaus wird das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc) zur Steuerung des Schaltelements des Zerhackerkreises (26) zuverlässig synchronisiert mit den Wechselrichterkreis-Steuersignalen (GU, GL) produziert, und hierdurch ist, da die Größe des Spannungsscheitelwertes in direktem Verhältnis steht zur Energieeingabe in die Lampe durch eine Entladung, die Lampenspannungs-Wellenform in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung wiederholt reproduzierbar, wodurch die Bedingungen für die Stabilität des Betriebes erfüllt sind.
Als Nächstes wird eine Anordnung zur Ausführung der Erfindung nach Anspruch 4 dieser Erfindung erläutert. Die Anordnung der Ausführung der Erfindung verwendet die in 5 beschriebene Stromversorgung zur Produktion der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)), die in 4 beschrieben ist, und schaltet die Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht an. Daher weist diese Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht die überlegenen Wirkungen der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht auf, die in Anspruch 1 dieser Erfindung beschrieben ist, sowie die überlegenen Wirkungen der Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, die in Anspruch 3 dieser Erfindung beschrieben ist.
Das heißt, hinsichtlich der Realisierung eines raschen Anstiegs der Lampenspannung, selbst wenn das Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auf einem geeigneten Wert gehalten wird, der nicht zu groß ist, ist das Step-up-Verhältnis des Zerhackerkreises (26) ausgelegt, um Unzulänglichkeiten im Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auszugleichen, so dass es möglich ist, einen sekundärseitigen Ausgang des gewünschten Spannungswerts zu erzielen. Es ist ebenfalls möglich, die Lampenspannung bei Beginn der raschen Änderung (VF) auf einen Wert einzustellen, der niedriger ist als die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei). Da die Geschwindigkeit der Änderung der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung rasch genug sein kann, um die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht zu behindern, gibt es eine Wirkung zur Lösung des ersten vorstehend beschriebenen Problems.
Wenn sich die Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) von der negativen Lampenspannung (VA) zur positiven Lampenspannung (VB) ändert, ändert sie sich außerdem graduell während der Phase (A1) vor Erreichen des Ausgangswertes (VF) für die rasche Änderung der Lampenspannung, welche einen niedrigeren Wert aufweist als die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei). Wie bereits angegeben, gibt es einen sehr niedrigen Ladestromfluss über einen langen Zeitraum in Vorbereitung auf eine rasche Ladungsänderung während der Entladung, und aufgrund dessen ist es möglich, den Stromscheitelwert zum Schaltelement im Wechselrichterkreis zu reduzieren, und es ist möglich, einen einzigen Schwingkreis (27) zu verwenden, so dass es eine Wirkung zur Lösung des zweiten vorstehend angegebenen Problems gibt. Außerdem wird das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc), welches das Schaltelement des Zerhackerkreises (26) regelt, zuverlässig synchronisiert mit den Wechselrichterkreis-Steuersignalen (GU, GL) produziert, und hierdurch ist, da die Größe des Spannungsscheitelwertes in direktem Verhältnis steht zur Energieeingabe in die Lampe durch eine Entladung, die Lampenspannungs-Wellenform in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung wiederholt reproduzierbar, wodurch die Bedingungen für die Stabilität des Betriebes erfüllt sind.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Lichtquelle und Stromversorgung der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht erläutert, die das erste vorstehend angegebene Problem gelöst haben (die Notwendigkeit, die Lichtausbeute der Lampen zu verbessern, um das große Interesse an einem geringeren Energieverbrauch, verringerter Wärmeerzeugung durch die Lampe und einer verbesserten Lebensdauer der Lampe zu befriedigen) sowie das zweite vorstehend angegebene Problem (die Notwendigkeit, die Verwendung der überlegenen UV-Strahlungs-Technologie populär zu machen, indem sie günstiger gemacht wird).
7 ist ein vereinfachtes Schaltkreisdiagramm eines Schaltkreises, für welchen ein Wechselrichterkreis verwendet wird, welcher Halbbrücke genannt wird, welcher als Stromversorgung (1) für eine auf Anspruch 1 dieser Erfindung basierende Lichtquelle einer Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht verwendet werden kann. Der Wechselrichterkreis ist mit FETs oder ähnlichen Einrichtungen als Schaltelemente (14, 15) konstruiert; der Strom von einer Gleichstromspannungsquelle (12) wird in Wechselstrom umgewandelt und an die Primärseite eines Aufwärtstransformators (10) angelegt. Der Aufwärtstransformator (10) wandelt den Wechselstrom in eine hohe Spannung um und legt sie an eine Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht an. Die Schaltelemente (14, 15) des Wechselrichterkreises sind mit Wechselrichteransteuerungskreisen (16, 17) verbunden; die Schaltelemente (14, 15) werden jeweils an- oder abgeschaltet in Übereinstimmung mit den Steuersignalen (GU, GL).
Die Art der Steuersignale (GU, GL) wird in 6 im Verhältnis zur Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) gezeigt. 6 hält in idealisierter Form fest, dass bei niedrigem Pegel der Steuersignale (GU, GL) die mit ihnen verbundenen Schaltelemente (14, 15) abgeschaltet werden, und dass bei hohem Pegel der Steuersignale (GU, GL) die mit ihnen verbundenen Schaltelemente (14, 15) angeschaltet werden. Das Merkmal dieser Ausführung besteht darin, dass das absichtliche Einführen einer Phase (Toff), wenn beide Steuersignale – Steuersignal GU und Steuersignal GL – auf einem niedrigen Pegel sind, eine Phase der graduellen Veränderung (B1) in der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) hervorruft.
Der Grund für das absichtliche Einführen einer Phase (Toff), wenn beide Steuerelemente auf einem niedrigen Pegel sind, um eine Phase der graduellen Änderung (B1) der Lampenspan nungs-Wellenform (Vs(t)) hervorzurufen, wird nachstehend erläutert. Wie vorstehend angegeben, sind in der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht die Dielektrika (6, 7) so aufgebaut, dass sie Strom zum Fließen bringen, indem sie als Kondensatoren fungieren, und im Grunde sind sie Kondensatoren. Das heißt, während der Phase (Toff), wenn beide Steuerelemente auf einem niedrigen Pegel sind, befindet sich die Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht bereits in einem Zustand der Nicht-Entladung, weshalb der Entladungsschalter (Swg) in 2 geöffnet ist; die Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht als Ganzes entspricht quasi einem Kondensator mit der Kapazität der dielektrischen Kapazität Cd in Serie mit der Plasmaentladungsraumkapazität Cg und der parallelen Kombination mit der Übergangskapazität Ce. Coff = CdCg/(Cd + Cg) + Ce Formel 36
Dann, kurz nach dem Beginn der Phase (Toff), wenn die beiden Steuersignale auf einem niedrigen Pegel sind, wird die Primärseite des Aufwärtstransformators (10) geöffnet. Hierdurch treten die Induktivität Ls der Sekundärseite des Aufwärtstransformators und die Nicht-Entladungs-Lampenkapazität Coff in einen freien LC-Resonanzzustand ein, wodurch sie eine Phase der graduellen Änderung (B1) der Lampenspannungs-Wellenform als Teil einer durch Resonanz hervorgerufenen Sinuswelle auslösen. In Zusammenhang damit entspricht der Abschnitt der Lampenspannungs-Wellenform-Periodenzeit T, welcher von der Phase (Toff) eingenommen wird, wenn beide Steuerelemente sich auf einem niedrigen Pegel befinden, welche Toff/T ist, dem Abschnitt (α) der Periode, welche von der Phase der graduellen Änderung eingenommen wird.
Folglich ist es notwendig, die Lichtquelle zu bilden, indem die Werte der Parameter Induktivität LS der Sekundärseite des Aufwärtstransformators, Nicht-Entladungs-Lampenkapazität Coff, Lampenspannungs-Wellenform-Periodenzeit (T) und Phase (Toff), wenn beide Steuersignale auf einem niedrigen Pegel sind, so eingestellt werden, dass sie ΔVy/ΔVx den gewünschten Wert geben, wie gemäß Formeln 1 und 2 berechnet.
Von diesen Parametern wird die Nicht-Entladungs-Lampenkapazität Coff fast vollständig vom Aufbau der Lampe bestimmt. Die Lampenspannungs-Wellenform-Periodenzeit (T) ist eine Größe, die direkt mit der der Lampe zugeführten Energie korreliert, und vom Gesichtspunkt des Kernverlustes aus gibt es nicht viel Raum für ein Einstellen. Obwohl es vom Gesichtspunkt des Kernverlustes aus Grenzen gibt, was den Wert der Induktivität Ls der Sekundärseite des Aufwärtstransformators betrifft, ist der Freiheitsgrad für die Einstellung relativ groß. Was die Phase (Toff) betrifft, wenn beide Steuersignale auf einem niedrigen Pegel sind, und zwar weil sie im Verhältnis steht zum Abschnitt (α) der Periode, welche von der Phase der graduellen Änderung eingenommen wird, wie vorstehend angegeben. Entsprechend wird die Erzielung des erwünschten Wertes von ΔVy/ΔVx hauptsächlich durch eine Kombination der Induktivität Ls der Sekundärseite des Aufwärtstransformators und der Phase (Toff), wenn beide Steuersignale auf einem niedrigen Pegel sind, realisiert. Das Festsetzen der Werte der Phase (Toff), wenn beide Steuersignale auf einem niedrigen Pegel sind, kann nun durch variable Einstellung oder automatische Rückkopplungseinstellung durchgeführt werden, wovon jede einfach in die Stromversorgung einzubauen ist.
In Zusammenhang hiermit gibt es allgemein für Wechselrichterkreise wie denjenigen von 7 bekannte Technologie zur Steuerung des Stroms für die Last durch Erhöhung oder Verringerung des Arbeitszyklus; dies ist bekannt als Pulsbreitenmodulation. Wie vorstehend angegeben, hat die Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht aber eine Konstruktion, die einen Stromfluss verursacht wegen der Funktion der Dielektrika (6, 7) als Kondensator, und da die Lampe als Ganzes im Grunde ein Kondensator ist, gibt es einen Impulsstrom, welcher nur in dem Moment fließt, in dem die Lampenspannung steigt oder fällt, so dass es nicht möglich ist, den Strom der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht auf diese Weise zu steuern. Die Tatsache, dass es möglich ist, die freie Einstellbarkeit des Wertes der Phase (Toff), wenn beide Steuersignale auf einem niedrigen Pegel sind, fachkundig einzusetzen, ist einer der Punkte, in denen diese Erfindung überlegen ist.
Auf die Phase der graduellen Änderung (B2) der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) folgend, gibt es nun den Abschnitt (B3) kurz vor, während und nach der Entladung, der äußerst komplex ist. In dieser Phase ist die Primärseite des Aufwärtstransformators (10) mit einer Gleichstromquelle (12) verbunden, mit niedriger Induktivität durch die Schaltelemente (14, 15), wodurch ein LC-Resonanzzustand zwischen dem Primär-Sekundär-Streuinduktivitätswert des Aufwärtstransformators (10) und der Kapazität der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht gebildet wird. Aber im Allgemeinen wird der Primär-Sekundär-Streuinduktivitätswert des Aufwärtstransformators (10) niedrig bemessen, weshalb die Resonanzfrequenz hoch ist. Zusätzlich ist vom Zeitpunkt des Beginns der Entladung bis zum Zeitpunkt ihres Endes der Entladungsschalter (Swg) geschlossen, weshalb die Kapazität der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht einen anderen Wert hat als den in Formel 36 gezeigten. Eine weitere Quelle der Komplexität ist die Tatsache, dass der Wert des Entladungswiderstands (Rg) sich während dieser Zeit ändert. Außerdem verringert das Schließen des Entladungsschalters rasch die Spannung des Plasmaentladungsraums (3), und der damit einhergehende Stromfluss vom Aufwärtstransformator (10) ist ein weiterer Punkt komplexen Verhaltens. Manchmal tritt eine komplexe Überschwingungswellenfom in diesem Abschnitt der Wellenform auf. Der Entladungsabschnitt (B3) der Lampenspannungs-Wellenform in 6 wird daher konzeptuell beschrieben und nicht im Detail aufgegriffen.
Was nun das Auftreten der gedämpften Wellenform betritt, kann die höhere Scheitelspannung, bei welcher die gedämpfte Schwingung konvergiert, bei der Auswertung des Wertes von ΔVy/ΔVx ignoriert werden. Der Grund hierfür ist, dass Überschwingung ein unvermeidliches Phänomen ist bei Schaltkreisen, die Induktionsbauteile einschließen wie Transformatoren und Kondensatorbauteile wie Entladungslampen mit dielektrischer Grenzschicht und daher rasche Übergangsprozesse aufweisen, aber bei dieser Erfindung geht es nicht darum, den unvermeidli- Scheitelstromfluss zu verringern, der die Entladung selbst begleitet, sondern einen sehr kleinen Ladungsfluss über einen langen Zeitraum zu verwenden, während der Phase der graduellen Änderung der Lampenspannung, um für einen raschen Ladungsübergang während der Entladung vorzubereiten, und somit die Wirkung einer Verringerung der Bestandteile der Scheitelspannung zu haben, die nicht unvermeidlich sind. Entsprechend können die Spannungen VA und VB bei Abschluss der Entladung einfach als die Spannungen betrachtet werden, bei welchen diese Überschwingung konvergiert.
8 ist ein vereinfachtes Schaltkreisdiagramm eines Schaltkreises, für welchen ein Gegentakt genannter Wechselrichterkreis verwendet wird, welcher als Stromversorgung (1) verwendet werden kann für eine Lichtquelle einer Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, welche auf Anspruch 1 dieser Erfindung basiert. Bei dieser Anordnung können die gleichen Steuersignale (GU, GL), wie in 6 beschrieben, als Steuersignale (GU, GL) verwendet werden.
9 ist ein vereinfachtes Schaltkreisdiagramm eines Schaltkreises, für welchen ein Vollbrücke genannter Wechselrichterkreis verwendet wird, welcher als Stromversorgung (1) verwendet werden kann für eine Lichtquelle einer Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, welche auf Anspruch 1 dieser Erfindung basiert. Bei dieser Anordnung sind die Wechselrichterkreisschaltelemente (18, 19, 20, 21) mit Wechselrichteransteuerungskreisen (22, 23, 24, 25) verbunden, welche die Schaltelemente (18, 19, 20, 21) an- und abschalten in Übereinstimmung mit den Steuersignalen (GU1, GL1, GU2, GL2). Die gleichen Steuersignale (GU, GL), wie in 6 beschrieben, können als Steuersignale (GU1, GL1, GU2, GL2) verwendet werden. Dann wird das Steuersignal GU von 6 für das Steuersignalpaar oben rechts und unten links verwendet, und das Steuersignal GL von 6 wird für das Steuersignalpaar (GL1, GL2) oben links und unten rechts verwendet. Allgemein gesprochen, die Zeit, in der das Steuersignalpaar (GU1, GU2) oben rechts und unten links beide auf dem hohen Pegel sind, ist wie das Steuersignal GU, und die Zeit, in der das Steuersignalpaar (GL1, GL2) unten rechts und oben links beide auf dem hohen Pegel sind, ist wie das Steuersignal GL.
Bei allen Ausführungsformen in 7, 9 und 8, wenn die Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) von der negativen Lampenspannung (VA) zur positiven Lampenspannung (VB) wechselt, gibt es eine Phase der graduellen Änderung (A), bis die Lampenspannung den Ausgangswert für die rasche Änderung (VF) erreicht, welche einen niedrigeren Wert aufweist als die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei), weshalb es während der Phase, in der sich die Lampenspannung graduell ändert, einen sehr kleinen Stromfluss über einen langen Zeitraum gibt, um auf die plötzliche Ladungsänderung während der Entladung vorzubereiten. Aufgrund dessen wird der Stromscheitelwert für die Schaltelemente des Wechselrichterkreises verringert, was eine Wirkung zur Lösung des zweiten vorstehend angegebenen Problems hat. Da der Ausgangswert für den raschen Wechsel (VF) auf einen niedrigeren Wert festgesetzt ist als die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei), ist die Geschwindigkeit der Än derung der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung rasch genug, um die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht zu behindern, so dass es eine Wirkung zur Lösung des ersten vorstehend beschriebenen Problems gibt.
7, 9 und 8 beschreiben nun verschiedene Wechselrichterkreistypen, aber es ist möglich, andere Wechselrichtertypen zu verwenden, einschließlich jener mit einem einzelnen Schaltelement.
10 ist ein vereinfachtes Schaltkreisdiagramm einer Lichtquelle einer Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, welche auf Anspruch 3 dieser Erfindung basiert.
In 10 wird die Gleichspannungsquelle für Gleichspannung (Vi) von außen zugeführt. Ein Kondensator (32) ist in die Gleichspannungsquelle eingebaut, welche über eine Drosselspule (33) mit einem FET oder einem anderen Schaltelement (34) verbunden ist. Wenn das Schaltelement (34) vom Ein-Zustand zum AUS-Zustand wechselt, durchläuft die induzierte Spannung, welche in der Drosselspule (33) erzeugt wurde, eine Diode (35) als hochtransformierte Gleichspannung (Vj) und wird in einem Glättungskondensator (36) akkumuliert. In diesem Zusammenhang bilden die Drosselspule (33), das Schaltelement (34), die Diode (35) und der Glättungskondensator (36) einen Zerhackerkreis, welcher als Aufwärtstransformator-Zerhackerkreis bekannt ist. Das Schaltelement des Zerhackerkreises kann einen Dämpfungsschaltkreis aufweisen, welcher aus einem Kondensator (37) und einem Widerstand (38) besteht, um Spannungsstöße zu absorbieren.
In 10 ist der Wechselrichterkreis, welcher FETs oder andere Schaltelemente (14, 15) und einen Aufwärtstransformator (10) umfasst, der gleiche wie der Gegentakt-Wechselrichter, welcher in Absatz 8 beschrieben ist. Die Zerhackerkreis-Ausgangsspannung (Vj) ist verbunden mit einem Abgriff im mittleren Bereich auf der Primärseite des Aufwärtstransformators (10) und ist so ausgelegt, dass die Geschwindigkeit des Wechsels der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung rasch genug ist, um die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht zu behindern.
Der Ausgang des Sägezahngeneratorkreises (39), welcher eine Sägezahnwelle mit einer Frequenz erzeugt, die von den Werten des Kondensators (40) und des Widerstands (41) abhängt, ist der Eingang für die Eingangsklemme auf einer Seite eines Spannungsvergleichers (40). Die andere Eingangsklemme des Spannungsvergleichers empfängt die Ausgangssignale von einem Operationsverstärker. Der Ausgang des Spannungsvergleichers ist ein Rechteckswellen-Oszillatorsignal (28), dessen Arbeitszyklus modifiziert wurde in Übereinstimmung mit der Verhältnis der Höhe der Spannung der Ausgangssignale vom Sägezahngeneratorkreis (39) und dem Operationsverstärker (43).
Das Oszillatorsignal (28) vom Spannungsvergleicher (42) ist der Eingang für einen Wechselrichter-Steuersignalerzeugerkreis, welcher ein Flip-Flop-Gerät (44), logische Schaltungen (45, 46), Transistoren (47, 48) und Widerstände (49, 50) umfasst, wo es die Wechselrichterkreis-Steuersignale (GU, GL) erzeugt. Die Wechselrichterkreis-Steuersignale (GU, GL) laufen durch Widerstände (51, 52) zu den Steuerklemmen der Wechselrichterkreis-Schaltelemente (14, 15); das heißt, sie sind der Eingang für die Steuerklemmen.
Der Zerhacker-Steuersignalerzeugerkreis andererseits verwendet einen Signaladdierer, welcher Dioden (53, 54) und einen Widerstand (55) umfasst. Die Wechselrichterkreis-Steuersignale (GU, GL) sind der Eingang hierfür und erzeugen das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc). Die Methode der Erzeugung von Zerhackerkreis-Steuersignalen vom Signaladdierer ist die einfachste der Methoden zur Erzeugung eines Zerhackerkreis-Steuersignals (Gc), welches mit den Wechselrichterkreis-Steuersignalen (GU, GLI) synchronisiert ist. Das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc) läuft durch einen Pufferkreis, welcher aus Transistoren (56, 57) besteht, durch eine Differenzierschaltung, welche einen Kondensator (58) und einen Widerstand (59) umfasst und durch einen Widerstand (60) zur Steuerklemme des Zerhackerkreis-Schaltelements (34); das heißt, das Signal ist der Eingang für die Steuerklemme. Da der aus Transistoren (56, 57) bestehende Pufferkreis und der Differenzierkreis, welcher einen Kondensator (58) und einen Widerstand (59) umfasst, hinzugefügt werden zum Zweck der Verringerung der Verluste während der Auszeit, die das Zerhackerkreis-Schaltelement zu erzeugen pflegt, können sie auch weggelassen werden, wenn sie nicht notwendig sind. Die Wechselrichterkreis-Schaltelemente (14, 15) andererseits erzeugen nicht viele Auszeit-Verluste, weshalb es nicht notwendig ist, einen speziellen Ansteuerungskreis hinzuzufügen, aber in ähnlicher Weise, wenn es für erforderlich befunden wird, ist ein Pufferkreis ähnlich dem aus Transistoren (56, 57) bestehenden Pufferkreis zu bevorzugen.
12 ist eine Konzeptdarstellung der Verhältnisse zwischen den Wechselrichterkreis-Schaltelementen (14, 15), dem Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc), der Drosselspule (33), dem Strom (IL), der Zerhackerkreis-Ausgangsspannung (Vj) und der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)). Eine einfache Erklärung dieser Figur folgt.
Wie in 12 gezeigt, wenn eines der beiden Wechselrichterkreis-Steuersignale (GU, GL) einen hohen Pegel hat, hat auch das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc) einen hohen Pegel. Aus diesem Grund ist die Frequenz des Zerhackerkreis-Steuersignals (Gc) die Frequenz des Schaltkreisbetriebs; das heißt, sie ist doppelt so hoch wie die Frequenz der Wechselrichterkreis-Schaltelemente (14, 15). Wenn das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc) einen hohen Pegel hat, wird das Zerhackerkreis-Schaltelement (34) angeschaltet, wodurch der Strom in der Drosselspule (33) erhöht wird; magnetische Energie wird in der Drosselspule (33) akkumuliert. Wenn das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc) einen niedrigen Pegel hat, wird das Zerhackerkreis-Schaltelement (34) abgeschaltet und der Strom (IL) der Drosselspule (33) wird geringer, so dass die magnetische Energie, welche in der Drosselspule (33) gespeichert ist, im Glättungskondensator als elektrische Energie gespeichert wird.
Im Wechselrichterkreis wird andererseits, wenn eines der beiden Wechselrichter-Steuersignale (GU, GL) einen hohen Pegel hat, das entsprechende Element der beiden Wechselrichterkreis-Schaltelemente (14, 15) angeschaltet, und die Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) auf der Sekundärseite des Aufwärtstransformators (10) ändert sich rasch in Richtung Polaritätsumkehr, und eine Entladung erfolgt in der Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht. Wie bereits angegeben, ist die Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht so aufgebaut, dass Strom fließt, weil die Dielektria (6, 7) als Kondensator fungieren und die Lampe als Ganzes im Grunde ein Kondensator ist, weshalb es unmittelbar nach Anschalten eines der beiden Wechselrichterkreis-Schaltelemente (14, 15) einen impulsförmigen Stromfluss im Schaltelement und der Lampe gibt, aber es gibt keinen bedeutenden Stromfluss in der Lampe nach Abschluss der Entladung.
Folglich ist selbst wenn eines der beiden Wechselrichterkreis-Schaltelemente (14, 15) angeschaltet ist, der einzige Stromfluss im Schaltelement der Strom, der langsam zunimmt, abhängig von der Größe der Induktivität auf der Primärseite des Aufwärtstransformators (10), was als Erregerstrom bekannt ist. Dieser ist äußerst gering, verglichen mit dem impulsförmigen Strom, der unmittelbar nach dem Anschalten des Wechselrichterkreis-Schaltelements floss. Das heißt, nach Abschluss des impulsförmigen Stroms, welcher unmittelbar nach dem Anschalten des Wechselrichterkreis-Schaltelements fließt, fließt nur eine geringe Last vom Glättungskondensator (36), weshalb die Ausgangsspannung (Vj) des Zerhackerkreises fast unverändert ist. Dieser Zustand wird in 12 gezeigt, wo der Ausgang (Vj) des Zerhackerkreises heruntergeht und fast unverändert bleibt, wenn eines der beiden Wechselrichterkreis-Steuersignale (GU, GL) einen hohen Pegel hat.
Wenn das Wechselrichterkreis-Steuersignal von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel zurückkehrt, steigt die Ausgangsspannung (Vj) des Zerhackerkreises, weil das Zerhackerkreis-Schaltelement (34) abschaltet und der Glättungskondensator (36) sich füllt. Zu diesem Zeitpunkt sind beide Wechselrichterkreis-Schaltelemente (14, 15) im Aus-Zustand, und deshalb gibt es kein Anzeichen einer Welligkeit der Ausgangsspannung (Vj) des Zerhackerkreises oder einer Abweichung der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) aufgrund dessen, dass der Zerhackerkreis den Glättungskondensator füllt (36).
Wie aus der vorstehenden Erläuterung von 12 deutlich wird, obgleich die Ausführungsform 10 eine offensichtliche Welligkeit in der Ausgangsspannung (Vj) des Zerhackerkreises aufweist, hat dies keine nachteilige Auswirkung auf das Licht von der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, obgleich ein sehr einfacher Signaladdierer, welcher Dioden (53, 54) und einen Widerstand (55) umfasst, als Zerhacker-Steuersignalerzeugerkreis verwendet wird. Die Tatsache, dass von den Eigenschaften der Last der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht dieser fachmännische Gebrauch gemacht werden kann, ist ein Punkt der Überlegenheit dieser Erfindung.
Die Ausführungsform in 10 schließt eine Rückkopplungs-Stabilisierungsregelfunktion für die der Lampe zugeführte Energie ein. Dies wird nachfolgend kurz erläutert.
Was die Stromversorgung für den Steuersignalerzeugerkreis und den Rückkopplungs-Stabilisierungsregelkreis betrifft, wird die Wirkung des Stromstoßes des Scheitelstroms der Stromversorgung, die mit dem Betrieb des Zerhackerkreises einhergeht, von einer Diode (61) und einem Kondensator (62) verringert. Es gibt eine Bezugsspannungsquelle (63) und einen Kondensator (64) zur Bereitstellung einer Bezugsspannung (Vref) für den stabilen Betrieb der Rückkopplungs-Stabilisierungsregelung. Die Ausgangsspannung (Vj) des Zerhackerkreises wird als Gegenstand der Rückkopplungs-Stabilisierungsregelung von einem Regelwiderstand (65) und Widerstand (66) erfasst, und nachdem die Welligkeit der Ausgangsspannung (Vj) des Zerhackerkreises beseitigt wurde von einem Spitzen-Haltekreis, welcher eine Diode (67), einen Widerstand (68) und einen Kondensator (69) umfasst, ist die Ausgangsspannung (Vj) des Zerhackerkreises der Eingang für die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers (43). Die Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle (63) wird in ein Signal umgewandelt von einem Spannungsteiler, welcher Widerstände (70, 71) umfasst, und der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers (43) eingegeben. Damit der Operationsverstärker (43) als Schaltung zur Fehlerintegration fungieren kann, wird ein Rückkopplungskondensator (72) mit der Ausgangsklemme verbunden und mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers.
Wegen dieser Schaltungen für die Rückkopplungs-Stabilisierungsregelung steigt im Falle, dass die Eingangsspannung für die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers (43) höher ist als die Eingangsspannung für die invertierende Eingangsklemme, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers an, der Arbeitszyklus des Oszillationssignals (28) vom Spannungsvergleicher fällt, oder in anderen Worten, die Phase, wenn beide Steuersignale einen niedrigen Pegel haben, nimmt zu, und der Arbeitszyklus, wenn das Zerhackerkreis-Schaltelement (34) angeschaltet ist, wird verringert, und hierdurch wird die Ausgangsspannung (Vj) des Zerhackerkreises verringert. Falls andererseits die Eingangsspannung für die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers (43) niedriger ist als die Eingangsspannung für die invertierende Eingangsklemme, dann wird der Vorgang umgekehrt. Die Gleichspannung (Vj), welche vom Zerhackerkreis ausgegeben wird, wird beständig gehalten, um die Ausgangsspannung (Vj) des Zerhackerkreises zu erhöhen, und demzufolge wird die an die Lampe angelegte Spannung durch Rückkopplungs-Stabilisierung auf einen festgelegten Pegel geregelt. Außerdem ist diese Art der Rückkopplungs-Stabilisierungsregelung sehr wirksam im Falle von Schwankungen der Gleichspannung (Vi) aus der Gleichspannungsquelle.
Der Arbeitszyklus des Oszillationssignals (28) schwankt nun übereinstimmend mit dem Rückkopplungsbetrieb, und infolgedessen gibt es Schwankungen im Arbeitszyklus der Wechselrichterkreis-Steuerelemente (14, 15). Dieses Phänomen der Arbeitszyklusschwankung ist jedoch überhaupt kein Problem hinsichtlich der Lampenentladung oder der der Lampe zugeführten E nergie. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht so konstruiert ist, dass die Dielektrika (6, 7) als Kondensator fungieren und einen Stromfluss verursachen, und die Lampe selbst im Grunde ein Kondensator ist, so dass es unmittelbar nachdem eines der beiden Wechselrichterkreis-Steuerelemente (14, 15) angeschaltet wird, einen impulsförmigen Stromfluss im Schaltelement und der Lampe gibt, es aber nach Abschluss der Entladung keinen wesentlichen Stromfluss in der Lampe gibt.
In der Ausführungsform in 10 wird die Gleichspannung (Vj), die aus dem Zerhackerkreis ausgegeben wird, auf einen festgelegten Pegel geregelt, aber wenn die Schaltungen (79), welche innerhalb der gestrichelten Linie in 10 eingeschlossen sind, ersetzt werden von den Schaltungen (80), welche innerhalb der gestrichelten Linie in 11 eingeschlossen sind, ist es möglich, Rückkopplungs-Stabilisierungsregelung der an die Lampe angelegten Spannung zu erzielen, indem ein Signal gesteuert wird, welches mit dem Strom der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht korreliert.
In 10 wird ein Kondensator (73) in den Lampenstromkreis eingebaut, und die Spannung, die er erzeugt, als Gegenstand der Rückkopplungs-Stabilisierungs-Regelung, durchläuft eine Diode (74) und einen Widerstand (75) und ist der Eingang für die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers (43). Eine Diode (76) und ein Widerstand (77), welche das Signal nicht direkt empfangen, bewahren die Strombalance des Signals vom Kondensator (73); der Kondensator sollte aus diesem Grund installiert werden. Die Zunahme oder Abnahme des an die Lampe angelegten Stroms wird von einem Regelwiderstand (78) eingestellt, welcher zwischen die Bezugsspannung und die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers geschaltet ist. Es ist nun möglich, den Kondensator (73), welcher die Spannung erzeugt, welche Gegenstand der Rückkopplungs-Stabilisierungsregelung ist, durch eine Kombination aus Kondensatoren und Widerständen zu ersetzen, oder durch ein geeignetes Induktivitätselement, oder andere Wege anzugeben, um ein geeigneteres Signal als Gegenstand der Rückkopplungs-Stabilisierungsregelung zu erhalten.
Übrigens können einige der Schaltelemente, welche zur Bildung der Stromversorgung für die Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht der Ausführungsform in 10 verwendet werden, einschließlich des Sägezahngeneratorkreises (39), des Spannungsvergleichers (42), des Operationsverstärkers (43), des Flip-Flop-Geräts (44), der logischen Schaltungen (45, 46), Transistoren (47, 48) und Bezugsspannungsquelle (63) in einzelnen Baugruppen als integrierte Schaltungen bezogen werden (wie beispielsweise TL 494 von Texas Instruments) und so ist es möglich, die Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht dieser Ausführungsform mit einer sehr kleinen Anzahl von Teilen herzustellen.
Aus der vorstehenden Erleuterung wird deutlich, dass es im Falle der Stromversorgungen der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht der Ausführungen in 10 und 11 einen Zerhackerkreis (10) als erste Stufe des Wechselrichterkreises (13) gibt, um das Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auf einen geeigneten Pegel zu regeln, welcher nicht zu groß ist, in Einklang mit dem Gesichtspunkt, dass die Geschwindigkeit der Änderung der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung rasch genug sein muss, um die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht zu behindern, aber dennoch ist der Zerhackerkreis (26) so ausgelegt, dass seine Step-up-Fähigkeit Unzulänglichkeiten im Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) ausgleicht, wodurch der erwünschte Spannungswert des Sekundärausgangs (Vs) leicht realisiert wird. Aufgrund dessen ist diese Erfindung wirksam für die Lösung des ersten vorstehend angegebenen Problems.
Da sie aus einer sehr kleinen Anzahl von Teilen besteht, ist sie wirksam für die Lösung des zweiten vorstehend angegebenen Problems. Außerdem wird das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc) zur Regelung des Schaltelements des Zerhackerkreises (26) zuverlässig synchronisiert mit den Wechselrichterkreis-Steuersignalen (GU, GL) produziert, und hierdurch ist, da die Größe des Spannungsscheitelwerts in direktem Verhältnis steht zur Energieeingabe in die Lampe durch eine Entladung, die Lampenspannungs-Wellenform in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung wiederholt reproduzierbar, wodurch die Bedingungen für die Stabilität des Betriebes erfüllt werden und es möglich wird, die Lichtquelle mit einer sehr stabilen Energie, welche der Lampe zugeführt wird, zu betreiben.
In der Ausführungsform, die in 10 gezeigt ist, wird nun der Wechselrichterkreis gezeigt, welcher die Gegentaktmethode verwendet, die in 8 beschrieben ist, aber es ist auch möglich, die Methode mit der Halbbrücke zu verwenden, die in 7 gezeigt ist, oder die Methode mit der Vollbrücke, die in 9 gezeigt ist, oder eine andere Inversionsmethode zu verwenden, die ein einzelnes Schaltelement aufweist. Das Verfahren zur Produzierung des Zerhackerkreis-Steuersignals (Gc) wurde als ein Signaladdierer gezeigt, welcher aus Dioden (53, 54) und einem Widerstand (55) besteht, aber es sind auch solche Dinge wie Inversion des Signaladdierer-Ausgangs oder Phasenverschiebung möglich. Außerdem kann der Zerhackerkreis auch eine andere Form annehmen als der Step-up Zerhackerkreis, der in 10 gezeigt ist, wie beispielsweise das Spannungsanhebungsverfahren.
Als Nächstes wird die Konstruktion einer Lichtquelle einer Entladungslampe mit dielektrischer (Grenzschicht, welche auf Anspruch 4 dieser Erfindung basiert, kurz erläutert.
Bei der Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, die in 10 und 11 gezeigt ist, erhält man den gewünschten Wert von ΔVy/ΔVx, welcher durch Formeln 1 und 2 berechnet wurde, am einfachsten durch Einführung einer Phase (Toff), wenn beide Wechselrichterkreis-Steuersignale (GU, GL) einen niedrigen Pegel haben, wonach die Nicht-Entladungs-Lampenkapazität Coff gemessen wird, wie in Formel 36 erläutert, und aufgrund des LC-Resonanzphänomens, welches eine Sinuswelle produziert, deren Frequenz festgelegt wird von der Nicht-Entladungs-Lampenkapazität Coff und der Induktivität Ls auf der Se kundärseite des Aufwärtstransformators, wird die Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) wie in 6 gezeigt. Infolgedessen können die Werte der verschiedenen Parameter – die Induktivität Ls auf der Sekundärseite des Aufwärtstransformators und die Periodenlänge (T) der Lampenspannungs-Wellenform – während der Phase eingestellt werden, wenn beide Steuersignale einen niedrigen Pegel haben, um den gewünschten Wert von ΔVy/ΔVx zu erzielen, welcher durch Formeln 1 und 2 berechnet wurde.
Wenn jedoch die Phase (Toff) festgelegt wird, wenn beide Steuersignale einen niedrigen Pegel haben, im Falle von Rückkopplungs-Stabilisierungsregelung der der Lampe zugeführten Energie durch Einstellen des Arbeitszyklus, wenn das Zerhackerkreis-Schaltelement (34) angeschaltet wird, oder in anderen Worten das Einstellen der Phase (Toff), wenn beide Steuersignale einen niedrigen Pegel haben, ist es möglich, die Phase (Toff), wenn beide Steuersignale einen niedrigen Pegel haben, zu vergrößern oder zu verringern und somit den Wert von ΔVy/ΔVx, welcher durch Formeln 1 und 2 berechnet wurde, zu verändern, um ihn innerhalb des gewünschten Bereichs zu halten. Hierfür sollte das Verhältnis der Phase Toff, wenn beide Steuersignale einen niedrigen Pegel haben, zur Periodenlänge (T) der Lampenspannungs-Wellenform, oder in anderen Worten Toff/T, einen hohen Wert aufweisen, konkret im Bereich von 50 % bis 90 %.
Einen hohen Wert zu haben, wie 80 %, bedeutet auf jeden Fall, dass der Teil des Arbeitszyklus, wenn das Zerhackerkreis-Schaltelement (34) angeschaltet wird, ein kleiner Wert sein wird, wie 20 %. Selbst wenn man annimmt, dass durch das Vorhandensein der Rückkopplungs-Stabilisierungsregelung jener kleine Wert innerhalb eines Bereichs von beispielsweise –20 % bis zu +20 % schwankt, wird die Schwankung ihn nicht über die Grenze von 16 % bis 24 % der Periodenlänge (T) der Lampenspannungs-Wellenform hinaus ändern. Folglich wird diese Schwankung geringe Auswirkungen auf den Wert von ΔVy/ΔVx haben, welcher durch Formeln 1 und 2 berechnet wurde.
Sobald die Phase (Toff), wenn beide Steuersignale einen niedrigen Pegel haben, festgelegt wurde, ist es möglich, die Induktivität der Drosselspule (33) aus der Gleichspannung (Vi) der Gleichspannungsquelle, der erwünschten Ausgangsspannung des Zerhackerkreises (Vj) und der der Lampe zugeführten Energie zu bestimmen. Alternativ kann sie experimentell bestimmt werden.
Die auf diese Weise aufgebaute Lichtquelle wird sowohl die beiden überlegenen Wirkungen der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht aufweisen, welche in Anspruch 1 dieses Patents beschrieben ist, als auch die überlegenen Wirkungen der Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, welche in Anspruch 3 dieses Patents beschrieben sind.
Das heißt, hinsichtlich der Realisierung eines raschen Anstiegs der Lampenspannung, selbst wenn das Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auf einem geeigneten Wert gehalten wird, der nicht zu groß ist, ist das Step-up-Verhältnis des Zerhackerkreises (26) ausgelegt, um Unzulänglichkeiten im Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auszugleichen, so dass es möglich ist, einen Sekundärseitenausgang des erwünschten Spannungswerts zu erzielen. Es ist auch möglich, die Lampenspannung am Beginn des raschen Wechsels (VF) auf einen Wert zu setzen, der niedriger ist als die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei). Da die Geschwindigkeit der Änderung der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung rasch genug sein kann, um die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht zu behindern, gibt es eine Wirkung zur Lösung des ersten vorstehend beschriebenen Problems.
Wenn die Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) von der negativen Lampenspannung (VA) zur positiven Lampenspannung (VB) wechselt, ändert sie sich außerdem graduell während jener Phase (A1), bevor sie den Ausgangswert (VF) für die rasche Änderung der Lampenspannung erreicht, welche einen niedrigeren Wert aufweist als die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei). Wie bereits angegeben, gibt es einen sehr niedrigen Ladestromfluss über eine lange Zeitspanne in Vorbereitung auf eine rasche Ladungsänderung während der Entladung, und infolge dessen ist es möglich, den Scheitelstromwert zum Schaltelement im Wechselrichterkreis zu verringern, und es ist möglich, einen einzelnen Schwingkreis (27) zu verwenden, so dass es eine Wirkung zur Lösung des zweiten vorstehend angegebenen Problems gibt. Außerdem wird das Zerhackerkreissteuersignal (Gc), das das Schaltelement des Zerhackerkreises (26) regelt, zuverlässig synchronisiert mit den Wechselrichterkreis-Steuersignalen (GU, GL) produziert, und hierdurch ist, da die Größe des Spannungsscheitelwerts in direktem Verhältnis steht zur Energieeingabe in die Lampe durch eine Entladung, die Lampenspannungs-Wellenform in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung wiederholt reproduzierbar, wodurch die Bedingungen für die Stabilität des Betriebes erfüllt werden und es möglich wird, die Lichtquelle mit einer sehr stabilen Energie, welche der Lampe zugeführt wird, zu betreiben.
Was die vorstehend erläuterten Gegenstände betrifft, so sind die in den Zeichnungen gezeigten Schaltungen natürlich nur ein Beispiel, welches die wesentlichsten Elemente beschreibt. Bei der tatsächlichen Anwendung können diese durch zweckmäßigere Teile ersetzt werden, soweit verfügbar, um verschiedene Funktionen zu verbessern, oder die verwendeten Teile können, soweit zweckmäßig, zu verschiedenen Merkmalen oder Beschränkungen hin verändert werden, oder periphere Elemente können, soweit nötig, hinzugefügt werden.
Die überlegenen Wirkungen der Stromversorgung und der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht dieser Erfindung sind äußerst wirksam, gleich für welche Anwendung auch immer des durch die dielektrische Grenzschicht-Entladung erzeugten Lichts. Abgesehen von der Verwendung bei der Behandlung von Materialien für chemische Reaktionen, wie vorstehend erwähnt wurde, ist die Erfindung besonders wirksam bei solchen Anwendungen wie die Beleuchtung von fluoreszierenden Körpern mit ultraviolettem Licht, einschließlich von Fällen, bei welchen eine fluoreszierende Schicht auf der Innen- oder Außenoberfläche des abgedichteten Glases der Lampe gebildet wird.
Die Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, welche Anspruch 1 dieser Erfindung betrifft, ist eine Lichtquelle einer Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht mit einer Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht, welche einen Plasmaentladungsraum (3) umfasst, welcher mit einem Entladungsgas gefüllt ist, in welchem Excimermoleküle durch dielektrische Grenzschichtentladung gebildet werden, und zwei Elektroden (4, 5) zur Induzierung eines Entladungsphänomens im Entladungsgas, von denen zumindest eine vom Entladungsgas durch Dielektrika (6, 7) getrennt ist, und mit einer Stromversorgung zum Anlegen eines annähernd periodischen Hochspannungswechselstroms an die Elektroden (4, 5) der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, so dass es bei Abschluss einer Entladung in der Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht durch die Stromversorgung (1) und Änderung der an die Lampe angelegten Spannung zur nächsten Entladung hin eine Phase der graduellen Änderung der Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) gibt, bevor die Spannung für den Beginn der nächsten effektiven Entladung (+Ei, –Ei) erreicht wird, worauf eine rasche Änderung der Spannung folgt. Hierdurch ist es möglich, das erste vorstehend angegebene Problem zu lösen, welches die Notwendigkeit ist, die Lichtausbeute der Lampen zu verbessern, um das große Interesse an einem geringeren Energieverbrauch, verringerter Wärmeerzeugung durch die Lampe und einer verbesserten Lebensdauer der Lampe zu befriedigen, und das zweite vorstehend angegebene Problem zu lösen, welches die Notwendigkeit ist, die Verwendung der überlegenen UV-Strahlungs-Technologie populär zu machen, indem sie günstiger gemacht wird.
Außerdem kann die Erfindung in Anspruch 2 realisiert werden durch Verwendung der Erfindung in Anspruch 1, dadurch, dass sie eine Spannung VA beim Abschluss einer Entladung und eine Spannung VB beim Abschluss der nächsten Entladung aufweist, mit einem Spannungsunterschied ΔVx dazwischen, sowie einen Spannungsunterschied ΔVy zwischen der Spannung VA und der Spannung VF am Ende der Phase gradueller Änderung der an die Lampe angelegten Spannung, wobei die Bedingung 0,3 ≤ ΔVy/ΔVx ≤ 0,9 erfüllt wird.
Außerdem ist die Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, welche Anspruch 3 betrifft, eine Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht für die Entladungslampe (2) mit dielektrischer Grenzschicht, welche einen Plasmaentladungsraum (3) aufweist, welcher mit Entladungsgas gefüllt ist, in welchem Excimermoleküle durch dielektrische Grenzentladung gebildet werden und zwei Elektroden (4, 5) zur Induzierung eines Entladungsphänomens im Entladungsgas, von welchen zumindest eine vom Entladungsgas durch Dielektrika (6, 7) getrennt ist, wobei die Stromversorgung einen annähernd periodischen Hochspannungswechselstrom an die Elektroden (4, 5) der Lampe (2) anlegt, wobei die Stromversorgung einen Zerhackerkreis (26) umfasst, welche die Spannung einer Gleichstrom-Stromversorgung (12) auf eine höhere Gleichstromspannung hochtransformiert aus gibt, einen Aufwärtstransformator (10), welcher einen Hochspannungswechselstrom auf seiner Sekundärseite produziert und einen Wechselrichterkreis (13) zur Umwandlung der Ausgabe des Zerhackerkreises (26) in Wechselstrom und zur Einspeisung in die Primärseite des Aufwärtstransformators (10), so dass das Steuersignal (Gc), das das Schaltelement des Zerhackerkreises (26) regelt, synchronisiert mit den Steuersignalen (GU, GL) erzeugt wird, welche die Schaltelemente des Wechselrichterkreises (13) steuern.
Da es einen Zerhackerkreis (10) als erste Stufe des Wechselrichterkreises (13) gibt, wie vorstehend angegeben, wird somit das Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auf einem geeigneten Pegel gehalten, welcher nicht zu groß ist, in Einklang mit dem Gesichtspunkt, dass die Geschwindigkeit der Änderung der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung rasch genug sein muss, um die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht zu behindern, aber dennoch ist der Zerhackerkreis (26) so ausgelegt, dass seine Step-up-Fähigkeit Unzulänglichkeiten im Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) ausgleicht, wodurch der erwünschte Spannungswert des Sekundärausgangs (Vs) leicht realisiert wird. Aufgrund dessen ist diese Erfindung wirksam für die Lösung des ersten vorstehend angegebenen Problems. Zusätzlich gibt es eine Wirkung zur Lösung des ersten Problems, weil es möglich ist, nur einen einzelnen Schwingkreis (27) zu verwenden. Außerdem wird das Zerhackerkreis-Steuersignal (Gc) zur Regelung des Schaltelements des Zerhackerkreises (26) zuverlässig synchronisiert mit den Wechselrichterkreis-Steuersignalen (GU, GL) produziert, und hierdurch ist, da die Größe des Spannungsscheitelwerts in direktem Verhältnis steht zur Energieeingabe in die Lampe durch eine Entladung, die Lampenspannungs-Wellenform in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung wiederholt reproduzierbar, wodurch die Bedingungen für die Stabilität des Betriebes erfüllt werden.
Die Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht, welche Anspruch 4 betrifft, ist auch durch die Tatsache gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (1) die in Anspruch 3 beschriebene Stromversorgung der Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht ist.
Somit wird hinsichtlich der Realisierung eines raschen Anstiegs der Lampenspannung, selbst wenn das Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auf einem geeigneten Wert gehalten wird, der nicht zu groß ist, das Step-up-Verhältnis des Zerhackerkreises (26) ausgelegt, um Unzulänglichkeiten im Step-up-Verhältnis des Aufwärtstransformators (10) auszugleichen, so dass es möglich ist, einen Sekundärseitenausgang (Vs) des erwünschten Spannungswerts zu erzielen. Es ist auch möglich, die Lampenspannung bei Beginn des raschen Wechsels (VF) auf einen Wert zu setzen, der niedriger ist als die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei). Da die Geschwindigkeit der Änderung der Lampenspannung in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung rasch genug sein kann, um die Effizienz der Excimerlichterzeugung nicht zu behindern, gibt es eine Wirkung zur Lösung des ersten vorstehend beschriebenen Problems. Wenn die Lampenspannungs-Wellenform (Vs(t)) von der negativen Lampenspannung (VA) zur positiven Lampenspannung (VB) wechselt, ändert sie sich außerdem graduell während jener Phase (A1) vor Erreichen des Ausgangswerts (VF) für die rasche Änderung der Lampenspannung, welche einen niedrigeren Wert aufweist als die ansteigende Spannung, bei welcher die Entladung beginnt (+Ei). Wie bereits angegeben, gibt es einen sehr niedrigen Ladestromfluss über eine lange Zeitspanne in Vorbereitung auf eine rasche Ladungsänderung während der Entladung, und infolge dessen ist es möglich, den Scheitelstromwert zum Schaltelement im Wechselrichterkreis zu verringern, und es ist möglich, einen einzelnen Schwingkreis (27) zu verwenden, so dass es eine Wirkung zur Lösung des zweiten vorstehend angegebenen Problems gibt. Außerdem wird das Zerhackerkreissteuersignal (Gc), das das Schaltelement des Zerhackerkreises (26) regelt, zuverlässig synchronisiert mit den Wechselrichterkreis-Steuersignalen (GU, GL) produziert, und hierdurch ist, da die Größe des Spannungsscheitelwerts in direktem Verhältnis steht zur Energieeingabe in die Lampe durch eine Entladung, die Lampenspannungs-Wellenform in der Phase von kurz vor Beginn der Entladung bis zum Erreichen der Scheitelspannung nach Beginn der Entladung wiederholt reproduzierbar, wodurch die Bedingungen für eine Stabilität des Betriebes erfüllt werden und es möglich wird, die Lichtquelle mit einer sehr stabilen Energie, welche der Lampe zugeführt wird, zu betreiben.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Lichtquelle der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht dieser Erfindung kann bei solchen Anwendungen verwendet werden wie einer ultravioletten Lichtquelle für photochemische Reaktionen.

Claims

Eine Entladungslampen-Lichtquelle mit dielektrischer Grenzschicht mit einer Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht (2), umfassend einen Plasmaentladungsraum (3), welcher mit einem Entladungsgas gefüllt ist, in dem Excimer-Moleküle durch dielektrische Grenzschicht-Entladung entstehen, und zwei Elektroden (4, 5) zur Induzierung eines Entladungsphänomens im Entladungsgas, wovon wenigstens eine gegenüber dem Entladungsgas durch Dielektrika (6, 7) abgetrennt ist, und mit einer Stromversorgung, um einen im Wesentlichen periodischen Hochspannungs-Wechselstrom an die Elektroden (4, 5) der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht anzulegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (1) so ausgebildet ist, dass sie einen Wechselstrom erzeugt, bei dem, wenn eine Entladung in der Entladungslampe mit dielektrischer Grenzschicht (2) abgeschlossen ist und die an die Lampe angelegte Spannung (Vs(t)) zur nächsten Entladung (+Ei, –Ei) hin wechselt, es eine Phase der graduellen Änderung (A1, B1) im Verlauf der Lampen-Wechselspannung (Vs(t)) gibt, bevor die Spannung für den Beginn der nächsten effektiven Entladung (+Ei, –Ei) erreicht wird, wobei auf die Phase gradueller Änderung (A1, B1) eine rasche Änderung (A2, B2) der Spannung (Vs(t)) folgt.
Eine Entladungslampen-Lichtquelle mit dielektrischer Grenzschicht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (1) ausgebildet ist, um eine Spannung (Vs(t)) zu erzeugen, welche beim Abschluss einer Entladung die Spannung (V_A) und beim Abschluss der nächsten Entladung die Spannung (VB) mit einer Spannungsdifferenz (ΔVx) dazwischen aufweist und die zwischen der Entladungsabschlussspannung (VA, Vs) und der Spannung (V_F) am Ende der Phase gradueller Änderung (A1, B1) die Spannungsdifferenz (ΔVy) aufweist, wobei diese die Be dingung 0.3 ≤ ΔVy/ΔVx ≤ 0.9erfüllen.