EP1624546B1 - Anordnung und Verfahren zur Erzeugung einer Koronaentladung - Google Patents

Anordnung und Verfahren zur Erzeugung einer Koronaentladung Download PDF

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EP1624546B1
EP1624546B1 EP05016556A EP05016556A EP1624546B1 EP 1624546 B1 EP1624546 B1 EP 1624546B1 EP 05016556 A EP05016556 A EP 05016556A EP 05016556 A EP05016556 A EP 05016556A EP 1624546 B1 EP1624546 B1 EP 1624546B1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
electrode
electrodes
switches
corona discharge
Prior art date
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Active
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EP05016556A
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English (en)
French (fr)
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EP1624546A1 (de
Inventor
Gerhard Arlt
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AFS ENTWICKLUNGS and VERTRIEBS GmbH
Original Assignee
AFS ENTWICKLUNGS and VERTRIEBS GmbH
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Publication of EP1624546B1 publication Critical patent/EP1624546B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T19/00—Devices providing for corona discharge

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for generating a corona discharge according to the preamble of claim 1 and a method directed thereto according to the preamble of claim 8.
  • An arrangement for generating a corona discharge is shown in DE 26 52 283.
  • an electrode arrangement of two electrodes is shown, which is laid and charged to a high voltage via switches or rotary switches configured as spherical spark gaps.
  • the ignition of the discharge takes place via an ignition electrode or by approaching the electrodes themselves.
  • the disadvantage of this arrangement is that the local switches charge the ozonizer until reaching the breakdown voltage and then a voltage breakdown occurs.
  • a corona generator with which a corona discharge between two electrodes as a special form of atmospheric plasma can be generated, is the subject of DE-GM 88 07 090.
  • a roller is connected to one end of the secondary coil of a transformer whose other end connected to an elongated electrode is, which is arranged parallel and spaced from the roller.
  • Parallel to the DC voltage source a capacitor is connected, to which a first pair of switches is connected in parallel, between whose switches the primary coil of the transformer is connected in series. Further, a second pair of switches is connected in parallel with the capacitor between which Switches the primary coil of the transformer is also connected in series.
  • the electronic switches are each connected in the same forward direction. The two switch pairs are controlled in phase opposition by a frequency generator.
  • the transformer described in the said utility model is designed as a matching transformer, in which the number of turns of the primary winding is variable to on the one hand to generate the required high voltage and on the other hand by suitable choice of the gear ratio to match the generator resistance and the load impedance, the change of Load impedance is caused by z.
  • a development of the circuit described is the subject of DE 39 23 694 C1, which has a corona generator to the object according to the preamble of claim 1 and which is characterized in that the frequency generator is variable in frequency and has a phase measuring circuit, wherein the phase angle between the the current flowing through the primary winding and the voltage applied to the primary winding is determined and the output signal proportional to the phase angle between current and voltage drives the frequency generator and changes its frequency to a value at which the phase angle assumes a predetermined value.
  • the voltage applied between the electrodes is substantially sinusoidal, which is already by sectarian measures already due to the high inductance of the transformer, which is directly coupled to the electrodes and forms an electrical resonant circuit with these, can not be avoided.
  • WO 2004/016052 A1 therefore describes a method for generating a gas plasma, wherein the waveform, in contrast to the sinusoidal curve, is cut off in the region of the maximum, so that the integral decreases, but the region of the voltage increase over time is preserved substantially unchanged remains.
  • Such a method offers the advantage that the same surface treatment effect is achieved with lower power transmission and thus less heating of the electrodes.
  • the circuit shown in Figure 1 for generating a corona discharge has on the input side a DC voltage source 1.
  • the DC voltage source 1 consists of a power transformer 2, which is connected on the input side with an AC voltage / Stroznnetz, for example, a 400 V / 50 Hz voltage network.
  • the power transformer 2 is connected to a rectifier 3.
  • the rectifier 3 has two outputs G1 and G2, wherein the output G1 relative to the output G2 has higher potential. Between the outputs G1 and G2 and parallel to the rectifier 3, a capacitor C3 is connected.
  • a pair of series connected electronic switches S1 and S2 are connected between the outputs G1 and G2 of the rectifier 3 in parallel with the capacitor C3.
  • the two electronic switches S1 and S2 are connected to one another at a node V, so that the output of the switch S1 is connected to the input of the switch S2.
  • the switches S 1 and S2 are driven by a drive unit 4 which has a frequency generator, not shown here.
  • Block 5 in FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the arrangement according to the invention.
  • an electrode assembly E for generating a corona discharge by their Reasonscbaltstory, consisting of the series connection of a capacitor CE and a resistor RE is shown.
  • the electrode arrangement E corresponds essentially to the electrode arrangement described in DE-GM 88 07 090, however, in the present invention, none of the electrodes has a dielectric coating.
  • a rotatably arranged roller of the electrode arrangement E has an electrically conductive surface which forms a first electrode E1.
  • An elongate electrode with an electrically conductive surface which is arranged parallel to and at a distance from the roller forms a second electrode E2 of the electrode arrangement E.
  • the electrode E1 is connected in this embodiment via the connecting line B to the node V and the second electrode E2 via the connecting line C to the output G2 of the rectifier.
  • the electrode arrangement E is thus connected in parallel to the electronic switch S2.
  • the input voltage of the mains transformer 2 is transformed to a high voltage alternating voltage, which is then rectified in the rectifier 3 to a high voltage DC voltage applied to the outputs G1 and G2 of the rectifier.
  • This DC voltage has a value of 30 kV.
  • the capacitor C3 the DC voltage is smoothed and sieved.
  • a voltage In order for a corona discharge to take place, a voltage must then be briefly applied between the electrodes E1 and E2 which has the fastest possible voltage increase.
  • the applied voltage can be significantly higher than the breakdown voltage with constant application of a constant voltage, if the duration of the voltage pulses is only short enough.
  • discharge channels are formed on the electrode arrangement E, so-called streamer, in which no voltage breakdown occurs. If the voltage is applied too long to the electrode arrangement E, then the streamer discharge channels change into so-called leader discharge channels, which lead directly to a voltage breakdown at the electrode arrangement E.
  • Such a Spa fürungsblase must necessarily be avoided to prevent damage to the film to be treated and the electrode assembly E.
  • the voltage increase and the duration of the voltage pulses 7 must therefore be such that on the one hand a corona discharge can form, and on the other hand no leader discharge channels are formed which would lead to the voltage deviation.
  • the area between the two electrodes E1 and E2 must be as free of charge carriers as possible. It must pass between two voltage pulses a sufficiently long time in which in this area remaining charge carriers disappear, for example, by recombination. This time depends on a variety of boundary conditions, such as the humidity, the temperature, the air flow velocity of the charge carriers, etc.
  • a possible control method for the switches S1 and S2 in the first embodiment shows the Spaltungszeitdiagramm in Figure 2.
  • the on states of the switches S1 and S2 are plotted against time, while in the lower diagram, the curve of the voltage UE with the amplitude ⁇ between the electrode E1 and E2 is shown, where Ü can also be significantly higher than the breakdown voltage with constantly applied constant voltage.
  • the representation of the times in Figure 2 takes place here only qualitatively and not to scale due to the very different duration of voltage pulses and switching periods.
  • the two switches S 1 and S2 are both switched off, that is to say they are not conductive, so that no voltage is applied to the electrode arrangement E and no energy is transmitted to the electrode arrangement E.
  • the switch S1 is activated and switched on for a short duration 9 (1 ⁇ s), so that the high-voltage DC voltage is applied to the electrode arrangement E. Due to the high switching speed of the switch S1, the voltage increase at the electrode arrangement E takes place very rapidly, for example within 100 ns. The DC voltage at the electrode assembly E may only be present so long that only streamer form and can not train to leaders, the one Voltage breakdown at the electrode assembly E would result. As a result, therefore, the duty cycle of the switch S1 is determined.
  • the switch S 1 is turned off, while the switch S2 is driven and turned on.
  • the electrode assembly E is disconnected from the DC voltage and short-circuited via the switch S2, so that the stored in the capacitance CE of the electrode assembly E electric charge can discharge through the resistor RE of the electrode assembly and the switch S2.
  • the discharge must take place so long that no streamer discharge channels are no longer present, so that at the next voltage pulse does not immediately form a Leader discharge channel, which would lead to the immediate voltage breakdown at the electrode assembly E.
  • the switch S1 remains open, the switch S2 is closed, but can also be opened again.
  • the switch S2 remains closed until the electrode assembly E has completely discharged.
  • the switching period 8 is now completed.
  • the switch S 1 is then closed again, while S2 is simultaneously opened in order to avoid a short circuit of the DC voltage source 3.
  • Circuit block 6 again contains the already explained in circuit block 5 electrode assembly E.
  • the first electrode E1 is again connected via the connecting line B to the node V, while the second electrode E2 via a capacitor C1 and the connecting line A to the first output G1 and a capacitor C2 and the connecting line C is connected to the second output G2 of the rectifier 3
  • the voltage pulses 7 for generating the corona discharge are generated in this embodiment by short-term antiphase driving of the switches S1 and S2, as shown in the voltage-time diagram of Figure 3.
  • switch S1 If the switch S1 is conductive, then capacitor C1 is connected to the electrode arrangement E, so that a positive DC voltage is applied. After the short. Period 11, the switch S1 is then turned off, so that no voltage is applied to the electrode assembly E. After half of the period 8, measured from the beginning of the positive voltage pulse 7, then the switch S2 is turned on for a short period of time 11, so that the capacitor C2 is connected in parallel to the electrode assembly E and thereby an opposite, ie negative voltage pulse to the electrode assembly E is present.
  • the duration 11 of the voltage pulses 7 is dimensioned so that on the one hand a sufficiently rapid increase in voltage of Eiektrodenanoidnung E is ensured in order to achieve a corona discharge, and that on the other hand no leaders form, which would lead to a breakdown.
  • the discharge duration between two voltage pulses 7 is also measured as described above.
  • the switches S1 and S2 are formed of a plurality of series-connected, cascading composite switching elements, such as transistors, IGBTs, or MOSFETs, which are then driven by the drive unit 4 according to uniform Need to become.
  • the drive unit 4 has a frequency generator.
  • the drive unit 4 may be a separate drive or driver circuit, but also a microcomputer or a control computer, which performs further tasks.
  • the arrangement according to the invention has the particular advantage that only as much energy has to be transferred to the electrode arrangement as is necessary for generating the corona discharge.
  • the energy loss and the heat generation at the electrode assembly E can be optimized.
  • the arrangement makes it possible to generate voltage pulses of a very short duration with a rapid increase in voltage and at the same time a short switching period, that is to say a high switching frequency.
  • the arrangement according to the invention ensures that no uncontrolled breakdowns occur between the electrodes, which would damage the film to be pretreated. Therefore, the prior art dielectric coatings required on the electrodes in the inventive arrangement may be omitted. But even with electrode arrangements with dielectric coatings, an improvement of the treatment of the films is achieved by the invention.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer Koronaentladung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein hierauf gerichtetes Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
  • Eine Anordnung zur Erzeugung einer Koronaentladung zeigt die DE 26 52 283. Dort ist eine Elektrodenanordnung aus zwei Elektroden gezeigt, die über als Kugelfunkenstrecken ausgestaltete Schalter oder rotierende Schalter an eine Hochspannung gelegt und aufgeladen wird. Die Zündung der Entladung erfolgt dabei über eine Zündelektrode bzw. durch Annäherung der Elektroden selbst. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass die dortigen Schalter den Ozonisator bis zum Erreichen der Durchbruchspannung aufladen und dann ein Spannungsdurchbruch erfolgt.
  • Eine Vorrichtung zur indirekten Koronabehandlung von leitenden und nicht leitenden Materialien zeigt die EP 0 497 996. Bei der dort gezeigten Vorrichtung erfolgt die Behandlung einer Folie über zwei einseitig von der zu behandelnden Folie beabstandete Elektroden, an die an eine sinusförmige Hochspannung angelegt wird, so dass die Aufladung stets mit wechselnder Polarität erfolgt Die Steuerung der Entladung erfolgt dort durch die Druckgasbeaufschlagung des Entladungsbogens über einen hierzu vorgesehenen Anblaskanal. Nachteilig hierbei ist, dass zusätzlich zu der Elektrodenanordnung eine weitere Anblasvorrichtung mit entsprechendem Kanal sowie einer hierzu notwendigen komplizierten Steuerung des Anblasvorgangs notwendig ist. Zudem ist diese Vorrichtung auf die Behandlung einer Seite der zu behandelnden Oberfläche begrenzt.
  • Ein Koronagenerator, mit welchem zwischen zwei Elektroden eine Koronaentladung als besondere Form des atmosphärischen Plasmas erzeugbar ist, ist Gegenstand des DE-GM 88 07 090. Hierbei wird eine Walze mit einem Ende der Sekundärspule eines Transformators verbunden, deren anderes Ende mit einer länglichen Elektrode verbunden ist, welche parallel und im Abstand zur Walze angeordnet ist. Parallel zur Gleichspannungsquelle ist ein Kondensator geschaltet, zu welchem parallel ein erstes Schalterpaar geschaltet ist, zwischen dessen Schaltern die Primärspule des Transformators in Serie geschaltet ist. Ferner ist ein zweites Schalterpaar parallel zu dem Kondensator geschaltet, zwischen dessen Schaltern die Primärspule des Transformators ebenfalls in Serie geschaltet ist. Die elektronischen Schalter sind jeweils in gleicher Durchlassrichtung geschaltet. Die beiden Schalterpaare werden gegenphasig durch einen Frequenzgenerator angesteuert. Hierdurch wird zwischen der Elektrode und der Walze jeweils eine Hochspannung aufgebaut, die zu einer Koronaentladung führt, wobei über die Walze beispielsweise eine Kunststofffolie läuft, deren Oberfläche durch die Koronaentladung in einer Art und Weise vorbehandelt wird, welche die Oberflächenspannung der Kunststofffolie herabsetzt und diese damit bedruckbar macht.
  • Der in dem genannten Gebrauchsmuster beschriebene Transformator ist als Anpassungstransformator ausgebildet, bei welchem die Anzahl der Windungen der Primärwicklung veränderbar ist, um zum Einen die erforderliche Hochspannung zu erzeugen und zum Anderen durch geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses den Generatorwiderstand und die Lastimpedanz aufeinander abzustimmen, Die Änderung der Lastimpedanz wird hervorgerufen von z. B. verschiedenen vorzubehandelnden Materialien, verschiedenen dielektrischen Werkstoffen mit denen die Elektrode beschichtet ist, und verschiedenen mechanischen Abmessungen.
  • Eine Weiterbildung der beschriebenen Schaltung ist Gegenstand der DE 39 23 694 C1, welche einen Koronagenerator zum Gegenstand hat gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und, der dadurch ausgezeichnet ist, dass der Frequenzgenerator in seiner Frequenz veränderbar ist und eine Phasenmessschaltung aufweist, wobei der Phasenwinkel zwischen dem die Primärwicklung durchfließenden Strom und der an der Primärwicklung anliegenden Spannung ermittelt wird und das zum Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung proportionale Ausgangssignal den Frequenzgenerator ansteuert und dessen Frequenz auf einen Wert verändert, bei welchem der Phasenwinkel einen vorgegebenen Wert annimmt.
  • Ähnliche Anordnungen bzw. Verfahren sind beschrieben in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. la - 11, Nr. 3, Mai/Juni 1975, 328 bis 335 und in den US-Patenten US 5,401,368 und US 4,145,386.
  • Bei den beschriebenen Druckschriften ist die zwischen den Elektroden anliegenden Spannung im wesentlichen sinusförmig, was sich auch durch sehaltungstechnische Maßnahmen bereits aufgrund der hohen Induktivität des Transformators, der unmittelbar an die Elektroden angekoppelt ist und mit diesen einen elektrischen Schwingkreis bildet, nicht vermeiden lässt.
  • Es wurde nunmehr herausgefunden, dass die Wirksamkeit der Oberflächenbehandlung, z. B. einer Kunststofffolie, im wesentlichen nicht von der übertragenen Leistung, also auch nicht von Integral der anliegenden Wellenform, bestimmt wird, sondern im wesentlichen durch die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs (12th International Symposium on Plasma Chemistry, August 21-25, 1995, Proceedings, Vol. II, S. 735-740). Die WO 2004/016052 A1 beschreibt daher ein Verfahren zur Erzeugung eines Gasplasmas, wobei die Wellenform, abweichend vom sinusförmigen Verlauf, im Bereich des Maximums abgeschnitten ist, so dass das Integral geringer wird, der Bereich des Spannungsanstiegs über der Zeit jedoch im wesentlichen unverändert erhalten bleibt. Ein solches Verfahren bietet den Vorteil, dass bei geringerer Leistungsübertragung und damit geringerer Erwärmung der Elektroden der gleiche Oberflächenbehandlungseffekt erzielt wird.
  • Eine alternative Lösung zur Erzeugung möglichst hoher Spannungsanstiegswerte zeigt die DE 196 16 187 B4, wobei dem sinusförmigen Signalverlauf in deren Maxima ein Spannungspuls mit deutlich kürzerer Anstiegszeit überlagert wird, um die Gasentladung zu zünden.
  • Beide Druckschriften gehen jedoch von einem im wesentlichen unveränderten und bei der WO 2004/016052 A1 nur geringfügig beeinflussbaren sinusförmigen Signalverlauf aus, mit dem Nachteil, dass relativ viel Energie an die Elektroden übertragen wird und damit ein hoher Verlust und eine hohe Wanneerzeugung an den Elektroden einhergeht.
  • Es besteht die Aufgabe, eine gattungsgemäße Anordnung und Verfahren zur Erzeugung einer Koronaentladung so weiterzubilden, dass zur Erzeugung der Koronaentladung eine wesentlich geringere Energieübertragung erfolgt.
  • Darüber hinaus wäre es wünschenswert, bei einer Korona-Vorbehandluagsanlage auf die teure und empfindliche dielektrische Beschichtung der Elektrode verzichten zu können, die bislang notwendig ist, um ein unkontrolliertes Durchschlagen der Hochspannung und damit eine Beschädigung der vorxubebandemden Folie zu vermeiden.
  • Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merlamalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung;
    Fig. 2
    zeigt ein Spannungszeitdiagramm eines Steuerverfahrens für ein erstes Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Figur 1;
    Fig.3
    zeigt ein Spannungszeitdiagramm eines Steuerverfahrens für ein zweites Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Figur 1;
  • Die in Figur 1 gezeigte Schaltung zur Erzeugung einer Koronaentladung weist eingangsseitig eine Gleichspannungsquelle 1 auf. Die Gleichspannungsquelle 1 besteht aus einem Netztransformator 2, der eingangsseitig mit einem Wechsel-Spannungs-/Stroznnetz verbunden ist, beispielsweise einem 400 V/50 Hz-Spannungsnetz. Ausgangsseitig ist der Netztransformator 2 mit einem Gleichrichter 3 verbunden.
  • Der Gleichrichter 3 weist zwei Ausgänge G1 und G2 auf, wobei der Ausgang G1 gegenüber dem Ausgang G2 höheres Potential aufweist. Zwischen die Ausgänge G1 und G2 und parallel zum Gleichrichter 3 ist ein Kondensator C3 geschaltet.
  • Weiter ist zwischen die Ausgänge G1 und G2 des Gleichrichters 3 parallel zu dem Kondensator C3 ein Paar in Reihe geschalteter elektronischer Schalter S1 und S2 geschaltet. Die beiden elektronischen Schalter S1 und S2 sind an einem Knoten V miteinander verbunden, so dass der Ausgang des Schalters S1 mit dem Eingang des Schalters S2 verbunden ist. Die Schalter S 1 und S2 werden durch eine Ansteuereinheit 4 angesteuert die einen hier nicht gezeigten Frequenzgenerator aufweist.
  • Von dem mit dem Anschluss G1 des Gleichrichters 3 verbundenen Eingang des Schalters S1 führt eine Verbindungsleitung A, von dem Knoten V eine Verbindungsleitung B und von dem mit dem Ausgang G2 des Gleichrichters 3 verbundenen Ausgang des Schalters S2 eine Verbindungsleitung C zu den im folgenden näher beschriebenen Elektroden.
  • Der Block 5 in Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Elektrodenanordnung E zur Erzeugung einer Koronaentladung durch ihr Ersatzscbaltbild, bestehend aus der Reihenschaltung einer Kapazität CE und eines Widerstands RE, dargestellt. Die Elektrodenanordnung E entspricht im wesentlichen der in der DE-GM 88 07 090 beschriebenen Elektrodenanordnung, allerdings weist bei der vorliegenden Erfindung keine der Elektroden eine dielektrische Beschichtung auf. Eine drehbar angeordnete Walze der Elektroderlanvrdnung E weist eine elektrisch leitfähigen Oberfläche auf, die eine erste Elektrode E1 bildet Eine länglichen Elektrode mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche, welche parallel und im Abstand zu der die Walze angeordnet ist, bildet eine zweite Elektrode E2 der Elektrodenanordnung E. Die Elektrode E1 ist in diesem Ausführungsbeispiel über die Verbindungsleitung B mit dem Knoten V und die zweite Elektrode E2 über die Verbindungsleitung C mit dem Ausgang G2 des Gleichrichters verbunden. Die Elektrodenanordnung E ist somit parallel zum elektronischen Schalter S2 geschaltet.
  • Um eine Koronaentladung zwischen den Elektroden E1 und E2 zu erzeugen, wird die Eingangsspannung des Netztransformators 2 auf eine Hochspannungs-Wechselspannung transformiert, die anschließend im Gleichrichter 3 zu einer Hochspannungs-Gleichspannung gleichgerichtet wird, die an den Ausgängen G1 und G2 des Gleichrichters anliegt. Diese Gleichspannung hat einen Wert von 30 kV. Durch den Kondensator C3 wird die Gleichspannung geglättet und gesiebt.
  • Damit eine Koronaentladung stattfindet, muss dann zwischen den Elektroden E1 und E2 kurzzeitig eine Spannung angelegt werden, die einen möglichst schnellen Spannungsanstieg aufweist. Die angelegte Spannung kann deutlich höher sein als die Durchschlagspannung bei beständigem Anliegen einer konstanten Spannung, wenn die Dauer der Spannungspulse nur ausreichend kurz ist. Hierdurch bilden sich an der Elektrodenanordnung E Entladungskanäle aus, sog. Streamer, bei denen noch kein Spannungsdurchschlag erfolgt. Liegt die Spannung zu lange an der Elektrodenanordnung E an, so wandeln sich die Streamer-Entladungskanäle in sog. Leader-Entladungskanäle um, die unmittelbar zu einem Spannungsdurchschlag an der Elektrodenanordnung E fuhren. Ein solcher Spaanungsdurchseblag muss unbedingt vermieden werden, um Beschädigungen der zu behandelnden Folie und der Elektrodenanordnung E zu verhindern.
  • Der Spannungsanstieg und die Dauer der Spannungspulse 7 müssen also so bemessen sein, dass sich einerseits eine Koronaentladung ausbilden kann, und dass sich andererseits keine Leader-Entladungskänale ausbilden, die zum Spannungsdurahschlag führen würden. Damit es beim darauf folgenden Spannungspuls nicht zu einem Spannungsdurchschlag kommt, muss der Bereich zwischen den beiden Elektroden E1 und E2 möglichst frei von Ladungsträgern sein. Es muss also zwischen zwei Spannungspulsen eine ausreichend lange Zeit vergehen, in der in diesem Bereich noch vorhandene Ladungsträger verschwinden, beispielsweise durch Rekombination. Diese Zeit hängt von einer Vielzahl von Randbedingungen ab, beispielsweise von der Luftfeuchtigkeit, der Temperatur, der Luftströmungsgeschwindigkeit der Ladungsträger usw.
  • Ein mögliches Steuerverfahren für die Schalter S1 und S2 beim ersten Ausführungsbeispiel zeigt das Spennungszeitdiagramm in Figur 2. In den beiden oberen Diagrammen sind die Einschaltzustände der Schalter S1 und S2 über der Zeit aufgetragen, während im unteren Diagramm der Verlauf der Spannung UE mit der Amplitude Û zwischen der Elektrode E1 und E2 dargestellt ist, wobei Ü auch deutlich höher sein kann als die Durchschlagspannung bei beständig anliegender konstanten Spannung. Die Darstellung der Zeiten in Figur 2 erfolgt hierbei aufgrund der sehr unterschiedlichen Dauer von Spannungspulsen und Schaltperioden nur qualitativ und nicht maßstäblich.
  • Vor der Koronaentladung sind die beiden Schalter S 1 und S2 beide ausgeschaltet, also nicht leitend, so dass an der Elektrodenanordnung E keine Spannung anliegt und keine Energie zur Elektrodenanordnung E übertragen wird.
  • Zu Beginn der Schaltperiode 8 (100 µs) wird für eine kurze Dauer 9 (1 µs) der Schalter S1 angesteuert und eingeschaltet, so dass an der Elektrodenanordnung E die Hochspannungs-Gleichspannung anliegt. Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit des Schalters S1 erfolgt der Spannungsanstieg an der Elektrodenanordnung E sehr schnell, beispielsweise innerhalb von 100 ns. Die Gleichspannung an der Elektrodenanordnung E darf nur so lange anliegen, dass sich nur Streamer ausbilden und sich nicht zu Leadern fortbilden können, die einen Spannungsdurchschlag an der Elektrodenanordnung E zur Folge hätten. Hierdurch wird also die Einschaltdauer des Schalters S1 bestimmt.
  • Zum Ausschalten der Gleichspannung an der Elektrodenanordnung E wird dann der Schalter S 1 ausgeschaltet, während gleichzeitig der Schalter S2 angesteuert und eingeschaltet wird. Hierdurch wird die Elektrodenanordnung E von der Gleichspannung getrennt und über den Schalter S2 kurzgeschlossen, so dass sich die in der Kapazität CE der Elektrodenanordnung E gespeicherte elektrische Ladung über den Widerstand RE der Elektrodenanordnung und den Schalter S2 entladen kann. Die Entladung muss so lange erfolgen, dass keine Streamer-Entladungskanäle mehr vorhanden sind, so dass sich beim nächsten Spannungspuls nicht sofort ein Leader-Entladungskanal ausbildet, der zum sofortigen Spannungsdurchschlag an der Elektrodenanordnung E fuhren würde.
  • Für den Rest der Periodendauer 8 bleibt der Schalter S1 geöffnet, der Schalter S2 wird geschlossen, kann aber auch wieder geöffnet werden. Vorteilhafterweise bleibt der Schalter S2 so lange geschlossen, bis sich die Elektrodenanordnung E vollständig entladen hat. Die Schaltperiode 8 ist nun beendet. Zur Erzeugung der Koronaentladung der nächsten Periode wird dann wieder der Schalter S 1 geschlossen, während gleichzeitig S2 geöffnet wird, um einen Kurzschluss der Gleichspannungsquelle 3 zu vermeiden.
  • Wird in Figur 1 der Schaltungsblock 6 statt 5 verwendet, so ergibt sich ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. Schaltungsblock 6 enthält wieder die bereits in Schaltungsblock 5 erläuterte Elektrodenanordnung E. Die erste Elektrode E1 ist wieder über die Verbindungsleitung B mit dem Knoten V verbunden, während die zweite Elektrode E2 über einen Kondensator C1 und die Verbindungsleitung A mit dem ersten Ausgang G1 bzw. über einen Kondensator C2 und die Verbindungsleitung C mit dem zweiten Ausgang G2 des Gleichrichters 3 verbunden ist
  • Durch die beiden Kondensatoren C1 und C2, die möglichst identische Werte aufweisen sollten, wird die Hochspannungs-Gleichspannung an den Ausgängen G1 und G2 des Gleichrichters 3 halbiert, so dass zwischen den Elektroden E1 und E2 der Elektrodenanordnung E jeweils maximal die halbe Hochspannungs-Gleichspannung anliegt, in diesem Fall ist die Amplitude von UE also Û/2 = ±15 kV.
  • Die Spannungspulse 7 zur Erzeugung der Koronaentladung werden bei diesem Ausführungsbeispiel durch kurzzeitiges gegenphasiges Ansteuern der Schalter S1 und S2 erzeugt, wie im Spannungszeitdiagramm der Figur 3 dargestellt.
  • Ist der Schalter S1 leitend, so liegt Kondensator C1 an der Elektrodenanordnung E, so dass eine positive Gleichspannung anliegt. Nach der kurzen. Zeitdauer 11 wird der Schalter S1 dann ausgeschaltet, so dass an der Elektrodenanordnung E keine Spannung anliegt. Nach der Hälfte der Periodendauer 8, gemessen vom Beginn des positiven Spannungspulses 7, wird dann der Schalter S2 für eine kurze Zeitdauer 11 eingeschaltet, so dass der Kondensator C2 parallel zur Elektrodenanordnung E geschaltet wird und hierdurch ein entgegen gesetzter, also negativer Spannungspuls an der Elektrodenanordnung E anliegt.
  • Auch hier ist wichtig, dass die Dauer 11 der Spannungspulse 7 so bemessen ist, dass einerseits ein ausreichend schneller Spannungsanstieg der Eiektrodenanoidnung E sichergestellt ist, um eine Koronaentladung zu erreichen, und dass sich andererseits keine Leader ausbilden, die zu einem Durchschlag führen würden. Die Entladedauer zwischen zwei Spannungspulsen 7 bemisst sich ebenfalls wie oben beschrieben.
  • Durch die ständig abwechselnde Polarität der an der Elektrodenanordnung E angelegten Gleichspannung wird verhiudert, dass sich eine zu bearbeitende Folie aufgrund einer stets wiederkehrenden gleichpoligen Ladespannung auf eine Polarität auflädt, wodurch nach dem Aufwickeln der Folie letztendlich ein aufgeladener Wickelkondensator entstünde.
  • Um die Spannungspulse 7 mit Frequenzen bis zu 20 kHz schalten zu können, werden für die Schalter S1 und S2 Transistoren, IGBTs oder MOSFETs eingesetzt. Aufgrund des betragsmäßig hohen Spannungswerts der Hocbspanaungs-Gleichspannung von bis zu 30 kV sind die Schalter S1 und S2 aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten, kaskadierend zusammengesetzten Schaltelementen gebildet, beispielsweise Transistoren, IGBTs, oder MOSFETs, die dann von der Ansteuereinheit 4 entsprechend gleichmäßig angesteuert werden müssen.
  • Die Ansteuereinheit 4 weist einen Frequenzgenerator auf. Bei der Ansteuereinheit 4 kann es sich um eine eigene Ansteuer- oder Treiberschaltung, aber auch um einen Mikrorechner oder einen Steuerrechner handeln, der weitere Aufgaben wahrnimmt.
  • Die erfindungsgemäBe Anordnung weißt den besonderen Vorteil auf, dass nur soviel Energie an die Elektrodenanordnung übertragen werden muss, wie zur Erzeugung der Koronaentladung notwendig ist. Somit kann der Energieverlust und die Wärmeerzeugung an der Elektrodenanordnung E optimiert werden.
  • Ebenso ermöglicht es die Anordnung, Spannungspulse sehr kurzer Dauer mit schnellem Spannungsanstieg bei gleichzeitig kurzer Schaltperiode, also hoher Schaltfrequenz, zu erzeugen.
  • Weiter stellt die Anordnung nach der Erfindung sicher, dass keine unkontrollierten Durchschläge zwischen den Elektroden auftreten, die die vorzubehandelnde Folie beschädigen würden. Deshalb können die nach dem Stand der Technik benötigten dielektrischen Beschichtungen auf den Elektroden bei der erfindungsgemäßen Anordnung weggelassen werden. Aber auch bei Elektrodenanordnungen mit dielektrischen Beschichtungen wird durch die Erfindung eine Verbesserung der Behandlung der Folien erreicht.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 kommt als weiterer Vorteil hinzu, dass sich aufgrund der ständig wechselnden Polarität der an der Elektrodenanordnung E angelegten Gleichspannung die zu bearbeitende Folie nicht auf eine Polarität suflädt, so dass sich die Folie nach dem Aufwickeln leicht weiterverarbeiten lässt.

Claims (14)

  1. Anordnung zur Erzeugung einer Koronaentladung zwischen einer ersten (E1) und einer zweiten Elektrode (E2), welche mit einer hochfrequenten Hochspannung beaufschlagt werden, mit einer Gleichspannungsquelle (1), zwischen deren Ausgängen (G1,G2) zwei in Reihe geschaltete elektronische Schalter (S1, S2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (E1) an die Verbindung (V) der beiden Schalter (S1, S2) und die zweite Elektrode (E2) an einen Ausgang (G1) der Gleichspannungsquelle (1) angeschlossen ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (E2) auch an den anderen Ausgang (G2) der Gleichspannungsquelle (1) angeschlossen ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Elektrode (E2) und jedem Ausgang (G1, G2) der Gleichspannungsquelle (I) jeweils ein Kondensator (C1, C2) angeordnet ist.
  4. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (1) einen Netztransformator (2) und einen nachgeschalteten Gleichrichter (3) aufweist und das parallel zu ihren Ausgängen (G1, G2) ein Kondensator (C3) geschaltet ist.
  5. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuereinheit (4) zur Ansteuerung der elektronischen Schalter (S1, S2) einen Frequenzgenerator beinhaltet.
  6. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder elektronische Schalter (S1, S2) eine Vielzahl in Reihe geschalteter Schaltelemente aufweist.
  7. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (E1, E2) leitfähige Oberflächen und keine dielektrische Beschichtung aufweisen.
  8. Verfahren zur Erzeugung einer Koronaentladung zwischen zwei Elektroden unter Verwendung einer Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schalter (S1, S2) so angesteuert werden, dass an den Elektroden (E1, E2) im Verhältnis zur Periodendauer (8) kurze Spannungspulse (7) anliegen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsanstieg du/dt an den Anstiegsflanken der Spannungspulse (7) mit einem Wert von mindestens 100 kV/µs erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1, S2) gegenphasig angesteuert werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Elektroden (E1, E2) angelegten Spannungspulse (7) gleiche Polarität aufweisen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsamplitude (Û) der Spannungspulse (7) einen Wert von mindestens 20 kV aufweist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Elektroden (E1, E2) angelegten Spannungspulse (7) abwechselnde Polarität aufweisen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsamplitude (Û) der Spannungspulse (7) einen Wert von mindestens 10 kV aufweist.
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