EP2088837B1

EP2088837B1 - Verfahren zum Betrieb einer UV-Lampe

Info

Publication number: EP2088837B1
Application number: EP08101250A
Authority: EP
Inventors: Asmir Semanic; Stefan Richartz
Original assignee: Uviterno AG
Current assignee: Uviterno AG
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2028-02-04
Also published as: EP2088837A1; ATE511741T1; ES2364440T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorrichtung zum Betrieb einer UV-Lampe gemäss Anspruch 1.
Leistungsstarke UV-Lampen werden als UV-Strahler für die verschiedensten Zwecke eingesetzt. Beispielsweise zum Trocknen und / oder Härten von Flüssigkeiten, Gelen, Klebstoffen, Lacken und Farben. Durch die UV-Bestrahlung wird hierbei eine chemische Reaktion hervorgerufen. Beispielsweise können auch DNA Stränge aufgetrennt werden. Ganz generell können durch die UV-Bestrahlung mit derartigen Lampen chemische Prozesse unterstützt werden, wie auch die Belichtung von photoaktiven Materialien (z. B. Lithographie), oder Fluoreszenzanregung von verschiedenen Stoffen (z. B. bei Banknotenprüfer). Diese Technik wird vor allem für UV-härtbare Materialien eingesetzt, wie für härtbare Polymere, Lacke und Klebstoffe.
Derartige UV-Lampen sind entsprechend dem Stand der Technik als Gasentladungslampen ausgebildet und werden mit entsprechend dafür geeigneten Vorschaltgeräten elektrisch gespeist und getrieben. Die Charakteristik derartiger leistungsstarker Gasentladungen erfordert für den Betrieb die Einhaltung bestimmter Massnahmen. Beim bekannten Betrieb wird die Lampe am AC-Netz betrieben und in Serie zur Lampe eine Drossel zur Strombegrenzung geschaltet. Zusätzlich müssen zum Start der Lampe Massnahmen zur Zündung der Gasentladung getroffen werden, wie das Anlegen eines Spannungspulses an die Entladungsstrecke zur Einleitung der Entladung. Dies ist eine gegenüber der Brennspannung überhöhte Spannung, welche kurze Zeit angelegt wird und nach erfolgtem Zünden nicht mehr notwendig ist. Nach erfolgtem Zünden wird die Impedanz der Entladungsstrecke geringer und die Lampe brennt mit Hilfe der angelegten AC Spannung weiter.
Gemäss dem Stande der Technik werden für die Ansteuerung eines UV-Strahlers konventionelle Vorschaltgeräte (KVG), z.B. traditionelle Drosselansteuerungen, wie auch vermehrt, spezielle elektronische Vorschaltgeräte (EVG) eingesetzt. Die Vorschaltgeräte müssen aber in jedem Fall die flache Kennlinie einer UV-Lampe - die Brennspannung ist nahezu unabhängig vom Strom - zur Verfügung stellen können.
Die konventionellen Vorschaltgeräte (KVG) nutzen die Eigenschaft der Drossel und sind daher in Serie zum 400V AC-Netz geschaltet. Für die Verstellung der Lampenleistung werden einzelne weitere Drosseln dazu geschaltet. Das bedeutet beispielsweise, bei geöffnetem Schalter mit 50% Leistung, bei geschlossenem Schalter mit 100% Leistung zu fahren. Zusätzlich zum Vorschaltgerät wird noch ein Zündgerät benötigt, um den Strahler zu starten. Zusätzlich ist eine Kompensation des Bildstromes notwendig.
Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, dass eine stufenlose Einstellung der Lampenleistung nur sehr begrenzt möglich ist. Daher sind in der Vergangenheit verschieden Abwandlungen zur Leistungsanpassung entstanden wie z. B. Transduktorbetrieb mit oder ohne Streufeldtrafo oder Step-Up Trafo.
Bei konventionellen Vorschaltgeräten handelt es sich um grosse und schwere Drosseln, Transduktoren und Transformatoren mit Eisenkernen und aufgrund der niedrigen Frequenz von 50Hz, um Komponenten mit hohen Induktivitätswerten. Hohe Streufelder und thermische Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaften sind weitere Nachteile. Jedes KVG belastet das Dreiphasen-Netz unsymmetrisch.
Um Nachteile der KVG's zu verbessern, sind elektronische Vorschaltgeräte entstanden, mit dem Ziel die folgenden Verbesserungen zu erreichen:

Symmetrische Netzbelastung,
Einstellbarkeit der Lampenleistung,
die Vorschaltgeräte kleiner und leichter zu machen,
automatische Anpassung an die verschiedenen AC-Netze,
die schnelle Pulsbarkeit der Leistung im Millisekunden-Bereich ermöglicht die Anpassung auch an schnelle diskontinuierliche Prozesse und führt somit zu Energieersparnis und geringerer Aufwärmung des Substrats bzw. des Werkstücks.

Derartige elektronische Vorschaltgeräte sind in der Regel als Vollbrücken-Inverter aufgebaut. Die Funktionsprinzipe der elektronischen Vorschaltgeräte können in solche mit niederfrequentem Rechteckbetrieb (z.B. mit 250 Hz) und solche mit höherfrequentem Drosselbetrieb (z.B. 100 kHz) unterteilt werden. Für die Zündung der Gasentladung einer UV-Lampe kann einerseits das Überlagerungsprinzip mit Hilfe eines externen Zünders, und anderseits in ein solches unterteilt werden, bei dem ein in Resonanz gelangender UC-Schwingkreis Anwendung findet. In beiden Fällen sind jedoch zusätzliche Komponenten erforderlich, welche den Aufwand vergrössern.
In der EP 0 741 503 A1 wird beispielsweise eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe beschrieben, bei dem ein Betrieb auch mit einer geringeren Leistung als der Nennleistung möglich sein soll. Dabei wird vorgeschlagen, die Lampe für die Nennleistung mit einem herkömmlichen Vorschaltgerät mit niederfrequenter Energie zu betreiben, jedoch für den Betrieb mit reduzierter Leistung auf ein höherfrequentes elektronisches Vorschaltgerät umzuschalten. Somit benötigt diese Anordnung zwei Vorschaltgeräte und ist deshalb aufwendig. Zudem kann die Leistung jeweils nur in zwei Stufen, also nicht kontinuierlich, eingestellt werden.
Bei diesen bekannten Anordnungen und Verfahren zum Betrieb einer UV-Lampe müssen die einzelnen Komponenten jeweils an die Betriebsparameter und an die verschiedenen Lampentypen angepasst werden, so dass eine Standardisierung solcher Vorschaltgeräte nur bedingt möglich ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die bekannten Verfahren zur Ansteuerung einer Lampe für die Erzielung einer möglichst grossen Lebensdauer der Lampe nicht optimal sind, und überdies der Alterungseffekt der Lampe, welcher mit einer Abnahme des Wirkungsgrades des UV-Strahlers einhergeht, nicht berücksichtigt wird, und im allgemeinen auch nicht berücksichtigt werden kann. Zudem lassen sich schwer kompakte Lampensysteme realisieren, die eigenständig den Lampenbetrieb ermöglichen, aber auch unmittelbar in übergeordnete Prozesssteuerungen einbindbar sind.
Die dem Stand der Technik nach Art. 54(3) zuzurechnende WO 2008/055366 sowie die US-A-2002/145886 bilden den Gattungsbegriff, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, und beide Dokumente befassen sich mit einem Verfahren zum Betrieb einer UV-Lampe.
Die EP-0 689 373 sieht die Verwendung einer Schnittstelle in einer Schaltung für den Betrieb einer UV-Lampe vor.
Die Synchronisation durch eine eigene Steuerung ist an sich etwa in der GB 2 274 430 für eine Druckmaschine erwähnt, die eine Synchronisierung der Umschaltung der UV-Lampe von einem normalen Betrieb in einen Stand-by-Betrieb und des Betriebes des Shutters als möglich angibt, wobei dazu gesonderte Steuereinrichtungen vorgesehen sind, auf die nicht näher eingegangen wird. Über eine Steuereinrichtung zu einer allfälligen, aber nicht angesprochenen, Synchronisation fehlt auch jeder Hinweis in der US 5,343,629 oder in der JP 08-072270 .
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen vereinfachten und ökonomischen Betrieb der UV-Lampe unter Verwendung weitgehend standardisierter Komponenten zu ermöglichen, da die Erfindung die wesentlichen Betriebselemente einschliesslich der Steuerung für den Betrieb der Lampe in einem einzelnen System umfasst, und einfach in eine übergeordnete Prozesssteuerung einbindbar ist. Ferner soll durch die Erfindung die Betriebssicherheit und Lebensdauer der Lampe erhöht werden, wobei die Betriebswerte mit hoher Genauigkeit reproduzierbar sind. Ausserdem soll die Anordnung zum Betrieb der UV-Lampe und das Verfahren selbst einfach und wirtschaftlich zu realisieren sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei ermöglicht dieses Verfahren einer sehr sanften Betrieb der Lampe und eine sehr flexible Prozessführung mit vollständiger Integration aller erforderlichen Bedingungen für einen sicheren Betrieb in einer einzigen Anordnung dank der Spannungs- und Frequenzsteuerung des Umrichters. Es wird dadurch auch möglich, verschiedene Lampentypen und Leistungen mit demselben Konzept zu betreiben. Eine Skalierung der Leistungsklassen mit Standardkomponenten ist somit in einem sehr grossen Bereich gegeben.
Der Zündvorgang kann mit einer separaten Zündanordnung oder mit einem zusätzlichen Zündgerät durch kurzzeitiges Anlegen und Überlagern einer gegenüber der Speisespannung überhöhten Spannung als Spannungsimpuls mit ausreichender Spannungs-Zeit-fläche eingeleitet werden. Das Verfahren mit Steuerung der Frequenz und/oder der Ausgangsspannung des Umrichters ermöglicht es, auf ein solches zusätzliches Zündgerät vollständig zu verzichten. Dadurch wird die Anordnung stark vereinfacht und ein sanftes Zünden der Lampe ermöglicht. Vorteilhaft bestehen die den Strom begrenzenden Mittel aus einer in Serie geschalteten Drossel, was den Aufbau der Anordnung weiter vereinfacht und zusätzlich eine Spannungsüberhöhung an der Lampe zum Zünden auf einfache Weise ermöglicht, wenn für den Zündvorgang die elektronische Steuerung jeweils die Frequenz und die Spannung nach vorgegebenen Werten erhöht, bis die Zündung erfolgt. Der Zündvorgang kann einfach überwacht werden, vorzugsweise durch Messen des Spannungseinbruches und/oder des Stromanstieges an der Lampe oder in den Speisezuleitungen oder am Umrichter, oder mit einem Lichtsensor. Sollte die Zündung erfolglos sein, kann je nach Bedarf automatisch ein weiterer Zündvorgang oder deren mehrere eingeleitet werden, bis ein sicherer und stabiler Betriebszustand erreicht wird. Die Betriebsleistung der Lampe wird mit der Frequenz entsprechend der übergeordneten Vorgabe oder nach einem Profil mit der Steuerung eingestellt oder geregelt. Zusätzlich wird eine bewegbare Blende als sogenannter Shutter vor der Lampe entsprechend den Prozessvorgaben mit Hilfe der Steuerung betrieben. Ein solcher Shutter kann beispielsweise für die UV-Strahlung der Lampe dann geöffnet werden, wenn die Einbrennphase vorbei und ein stabiler Betrieb gewährleistet ist, und er kann gezielt nach Abgabe einer Strahlungsdosis auf das zu bearbeitende Werkstück, Blatt oder anderes Objekt wieder geschlossen werden. Die Steuerung selbst weist vorteilhaft eine Schnittstelle (Interface) auf, die es ermöglicht, das System an eine weitere, externe bzw. übergeordnete Prozesssteuerung anzubinden. Somit wird es möglich, das System modulartig als eigenständige Einheit aufzubauen, was die Flexibilität der Auslieferung erhöht und die Kosten der Lagerhaltung senkt, und die UV-Lampe mit all ihren Betriebsparametern zuverlässig zu betreiben und zu überwachen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1: schematisch eine bevorzugte Schaltungsanordnung des Speisungs- und Steuerungssystems für den Betrieb von UV-Gasentladungslampen;
Fig. 2: eine Spannungskennlinie für das Verfahren zum Betrieb einer UV-Lampe mit bevorzugter Zündung mittels des Spannungs-/Frequenz- Zündverfahrens durch den gesteuerten Umrichter;
Fig. 3: eine Frequenzkennlinie für das Verfahren zum Betrieb einer UV-Lampe mit bevorzugter Zündung mittels des Spannungs-/Frequenz-Zündverfahrens durch den gesteuerten Umrichter mit den der Kennlinie nach Fig. 2 entspre- chenden Schritten;
Fig. 4: eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, aber mit einem separaten, externen Zündgerät;
Fig. 5: eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung, aber mit einem separaten, externen Zündgerät;
Fig. 6: schematisch eine Schaltungsanordnung des Speisungs- und Steuerungssystems für den Betrieb von UV-Gasentladungslampen mit einem bevorzugten separaten Zündgerät als Zündhilfe; und die
Fig. 7: im Detail eine bevorzugte Schaltungsanordnung für eine Zündhilfenbeschaltung eines Zündgerätes entsprechend der Anordnung nach Fig. 6.

Die Fig. 1 ist in zwei Teile geteilt, wobei die beiden Teile über die Leitungen 17, 18, 11' und 20' aneinander angeschlossen zu denken sind. Bei dieser bevorzugten Anordnung nach Fig. 1 wird für den Betrieb einer UV-Lampe 8 ein Umrichter 1 als Vorschaltgerät verwendet, der eine Vollbrücke 4 aufweist, welche eine Eingangsspannung 2, 2' in eine bipolare Spannung mit vorgebbarer Frequenz und Spannung umwandelt und am Ausgang 16, 16' des Umrichters 1 für die Lampe 8 zur Verfügung stellt. Die Lampe 8 ist über Zuleitungen 17, 18, 19 mit den Ausgängen 16, 16' des Umrichters 1 über eine in Serie geschaltete Drossel 13 als Strombegrenzungselement verbunden. Es können aber auch andere den Strom begrenzende Mittel vorgesehen werden als die Drossel 13, beispielsweise direkt innerhalb des Umrichters 1. Die Drossel 13 ist jedoch ein besonders einfach zu realisierendes Bauelement und ist robust. Daher wird sie bevorzugt eingesetzt.
Die Vollbrücke 4 wird über eine Treiberschaltung 3 betrieben und von einem Steuergerät 14 über eine Zuleitung 6 für die Vorgabe von Sollwerten (z.B. über einen jeweiligen Sollwert-Geber) derart angesteuert, dass die Frequenz und die Spannung an der Lampe 8 in weiten Bereichen gewählt werden können. Die Gleichspannung (DC) 5 am Eingang 2, 2' oder die Ausgangsspannung am Umrichter 1 wird von der Steuerung 14 (z.B. mittels entsprechender Sensoranordnungen) erfasst und entsprechend den Sollwertvorgaben, insbesondere zu Regelzwecken, verarbeitet. Ebenso wird im Ausgangskreis, an der Lastseite der Lampenstrom 7 gemessen, von der Steuerung 14 erfasst und verarbeitet. Die Steuerung weist vorteilhaft eine Schnittstelle auf oder ist mit einer solchen verbunden, und zwar beispielsweise mit Ein- und Ausgangsleitungen 15, die eine Busanbindung, z.B. ein Feldbus, an eine übergeordnete Prozesssteuerung ermöglichen.
Die UV-Lampe 8 ist in einer kassettenartigen Lampenhalterung 9 angeordnet, die an sich auf die verschiedenste Weise, z.B. in der Art ausgebildet sein kann, wie dies der US 5,094,010 oder der 5,343,629 zu entnehmen ist, wobei die Halterung 9 in letzterem Fall ein Einschubteil ist. Ein Reflektor 21 ist derart in der kassettenartigen Lampenhalterung 9 untergebracht, dass die von der UV-Lampe 8 abgegebene Strahlung gebündelt auf das jeweilige Substrat oder Objekt, z.B. eine eben bedruckte Fläche, auftrifft und dabei keine übermässige Erwärmung des Substrates zulässt. Zur Abgabe der, UV und IR-Licht enthaltenden Strahlung 10 ist die Kassette 9 im Frontbereich geöffnet oder durch eine transparente Platte abgedeckt, worunter die zu behandelnden Werkstücke bzw. das Substrat platziert werden. Zwischen dieser Lichtöffnung bzw. der Lampe 8 und dem jeweiligen Werkstück ist vorteilhaft eine einschwenkbare Blende mit gesteuertem Antrieb als Shutter 20 vorgesehen, um die Exposition des Werkstückes mit UV-Licht gezielt und gesteuert vornehmen zu können. Der Einfachheit halber ist hier der Shutter 20 als aus zwei linear verschiebbaren Blendenflügeln bestehend dargestellt, doch kann er jegliche im Stande der Technik bekannte Form annehmen, also auch ein schwenkbarer oder drehbarer Shutter sein.
Der Antrieb dieses Shutters 20 wird zweckmässig wieder durch die Steuerung 14 kontrolliert. Um den thermischen Betriebszustand der Lampe 8 jederzeit überwachen zu können, ist im Bereiche der Lampe 8 vorteilhaft ein Temperatursensor 11 vorgesehen, beispielsweise ein Platinsensor, wie er etwa als PT 100 bekannt ist, dessen Signal wiederum von der Steuerung 14 erfasst und dafür gesorgt wird (Regelung), dass die Lampe 8 thermisch nicht überlastet wird. Es können aber auch andere Überwachungsmittel 11 vorgesehen werden, etwa ein Sensor zur Erfassung der UV-Abstrahlung der UV-Lampe 8, oder es können mehrere Methoden kombiniert werden, um den Betriebszustand der Lampe 8 jederzeit kontrollieren zu können.
Neben einer Leistungsreduktion kann auch zusätzlich ein Kühlsystem vorgesehen werden, wie dies an Hand eines Kühlventilators 22 angedeutet ist. Aus dem Stand der Technik, wie den oben zitierten US-Patenten, ist auch eine Wasserkühlung bekannt, die hier ebenfalls eingesetzt werden könnte. Die Steuerung 14 ist vorteilhaft eine programmierbare Steuerung, wie eine Computersteuerung, eine Mikrocomputersteuerung oder eine sogenannte SPS-Steuerung. Mit dieser Steuerung 14 kann die Lampe 8 auf schonende Weise gezündet und betrieben werden, was ihre Lebensdauer erhöht. Dabei werden die gewünschten Betriebswerte unter Berücksichtigung der heiklen Betriebsanforderungen eingehalten, da der korrekte Betrieb laufend überwacht wird. Ausserdem können alterungsbedingte Veränderungen über die Steuerung 14 bzw. zugehörige Sensoren automatisch kompensiert werden, indem mindestens einer der Parameter von Leistung und/oder Zeit der UV-Exponierung nachgeführt wird, beispielsweise über eine Ausgangsleitung 23 der Steuerung 14 auch die Kühlung bzw. die Temperatur geregelt wird, wozu der Sensor 11 als Temperatursensor besonders vorteilhaft ist.
Zusätzlich kann der Shutter 20 zur präzisen Einstellung bzw. Korrektur herangezogen werden. So ermöglicht das erfindungsgemässe Verfahren einen flexiblen und applikationsspezifischen Betrieb.
Wenn nun unter der Lampe 8 ein durch einen Pfeil 24 angedeutetes Transportsystem, wie ein Transportband zum Zuführen von Werkstücken, wie insbesondere bedrucktem Flachmaterial, vorgesehen ist, das durch einen Antriebsmotor 25 angetrieben wird, so kann es zur Bestimmung einer ausreichenden Bestrahlung mit UV-Licht 10 vorteilhaft sein, diesen Antrieb 25 mit dem Shutter 20 zu synchronisieren. Zu diesem Zweck ist eine, lediglich schematisch ohne die dazu erforderliche Motoransteuerstufe gezeigte, Synchronisierleitung 27 als Ausgang der Steuereinrichtung 14 vorgesehen. Je nach Anwendung kann dann der Motor in analoger Form geschwindigkeitsgesteuert sein, aber an sich kontinuierlich laufen, oder er wird intermittierend synchron mit der Shutterbewegung in Gang gesetzt.
Analoges gilt für den Antrieb des nur schematisch angedeuteten Drehtellers 26. Dieser kann, wie gezeigt, am Umfang Nocken (oder Ausnehmungen) besitzen, die mit dem Lageschalter 29 zusammenwirken, der dann an Stelle des Sensors 28 an die zur Steuereinheit 14 führende Leitung 38 angeschlossen ist. Zu diesem Zwecke kann ein Umschalter S vorgesehen sein. Dabei lässt sich der Drehtellermotor beispielsweise über einen den Schalter 29 überbrückenden Impuls in Gang setzen, worauf sich die Drehtellernocke vom Schalter entfernt, dieser umgeschaltet wird und dann den Motor weiterhin in Gang hält.
Unterhalb der linearen Transporteinrichtung 24 ist strichliert als Alternative ein Drehteller od.dgl. Drehantrieb 26 angedeutet, der ebenfalls kontinuierlich oder (bevorzugt) intermittierend zum Einsatz kommen kann, um jeweils ein Werkstück an einer Stelle aufzunehmen und dann unter die Lampe 8 zu bringen. Die Synchronisierung kann bei beiden Transportsystemen 24 und 26 durch eine Sensoreinrichtung, wie einen optischen Sensor 28 etwa zum Erfassen der Ankunft eines Randes eines bedruckten Bogens an einer vorbestimmten Stelle unter der Lampe 8, oder durch einen als Schalter 29 ausgebildeten Lagesensor für die Stellung des Drehtellers 26, unterstützt werden. Ein solcher Sensor gibt jeweils ein entsprechendes Signal an die Steuerung 14. Selbstverständlich könnte eine Markierung für eine bestimmte Lage zur Synchronisierung mit dem Shutter 20 auch am Band 24 vorgesehen sein, und es ist auch möglich, auf einen Sensor ganz zu verzichten, indem der Motor 25 als Schrittmotor (oder Synchronmotor) ausgebildet ist, der so viele Schritte ausführt, wie es der Länge eines bedruckten Bogens entspricht, um diesen unter die Lampe 8 zu bringen.
Wenn hier auch hier direkte Leitungen 23, 27 bzw. zum Sensor 28 gezeigt sind, welche die Teile 22, 25, 28 mit der Steuerung 14 unmittelbar verbinden, so versteht es sich dennoch, dass diese Teile gewünschtenfalls auch mit der schon genannten übergeordneten Steuerung verknüpft und so indirekt über die Schnittstelle 15 mit der Steuerung 14 verbunden sein können.
Als sehr geeignete weitere Möglichkeit für eine Zündeinrichtung ist in Fig. 1 ein externes Zündgerät 12 dargestellt, welches eine Zündspannung an die Lampe 8 abgibt, was von der Steuerung 14 koordiniert werden kann. Diese Art der Zündung kann für einzelne bestimmte Dotierungen oder spezielle Lampengeometrien zur Anwendung kommen. Der Betrieb über eine solche Zündung schont die Lampe 8 allerdings etwas weniger als das Zünden direkt mit gesteuerter Frequenz- und Spannungsvariation der Umrichterspannung selbst, welche hier als "interne Zündung" bezeichnet wird.
Die interne Zündung basiert auf einem Verfahren, bei dem über der Zeit eine definierte Frequenz und Ausgangsspannung (U_{RMS_OUT}) aufgesetzt wird. Dieses Verfahren zur Zündung der UV-Lampe 8 benötigt als einzige Leistungs-Komponenten den Umrichter 1 und die Drossel 13 bzw. 31. Der Verlauf der Spannung in Abhängigkeit von der Zeit ist in Fig. 2 dargestellt, der Verlauf der Frequenz in Fig. 3. Diese Variation von Spannung und Frequenz führt zu einer Spannung-Zeitfläche, die ausreichend gross ist, dass sie die UV-Lampe 8 zur Zündung bringt. Sie nutzt die Eigenschaft der Spannungsüberhöhung eines Serienschwingkreises, der aus der Induktivität der Drossel 13, 31 und der Kapazität der UV-Lampe 8 selbst gebildet ist. Denn die Lampe 8 kann idealisiert als Parallelschaltung einer Kapazität und eines ohmschen Widerstandes betrachtet werden, wobei sich die Kapazität nach der Zündung ändert. Diese Idealisierung der UV-Lampe 8 definiert sich im wesentlichen aus der Lampengeometrie und der Füllung. Die Zündung der UV-Lampe 8 erfolgt bei einer Spannung, die sich sowohl beim Erreichen der positiven als auch beim Erreichen der negativen Spannung ergibt. Der so verwirklichte erfindungsgemässe Gedanke liegt somit in der Verbindung der drei Komponenten und einem besonderen Verfahren der Variation der Lampenspannung in Kombination mit der Frequenz.
Ausgehend vom Punkt A wird vorzugsweise kontinuierlich die Frequenz und gleichzeitig der Effektivwert der Ausgangsspannung am Umrichter 1 variiert bzw. erhöht. Das Erhöhen der Spannung erfolgt so lange, bis die Zündung eintritt und der Übergang von der Glimmentladung zur Bogenentladung B erkannt wird. Der Übergang von B zu D äussert sich in einem sehr starken Stromanstieg und kann somit auf einfache Weise erfasst werden. Für eine bestimmte Konfiguration und Dimensionierung der Anordnung aus Umrichter 1, UV-Strahler 8 und Drossel 13 liegt der Übergang in einem bekannten und wiederholbaren Frequenzbereich F1, t1 bis F2, t2. Konnte der Strahler 8 nicht gezündet werden, so bricht die Steuerung 14 im Punkt C, t2 ab. Nach kurzer Verweilzeit wird dann der Zündvorgang neu, beispielsweise wieder im Punkt A, gestartet. Analoges gilt für den Spannungsverlauf V1, t1 bis V2, t2 nach der Darstellung der Fig. 2.
Für die Einbrennphase , welche die Lampe 9 benötigt, wird der Entladungsstrom und/oder die -spannung auf einen definierten Wert geregelt, bis der erforderliche Betriebspunkt des UV-Strahlers 8 (Temperatur, Leistung) erreicht ist, also im Punkte E.
Nach Ablauf der Einbrennphase bei E wird die Lampe 8 direkt auf die erforderliche Sollleistung F eingestellt. Ab diesem Zeitpunkt ist die Lampe 8 einsatzbereit. Es kann aber, etwa zum Dimmen, die Leistung durch Variieren der Frequenz zum Punkt G hin verändert werden, was hier als Reduktion der Frequenz dargestellt ist. Die Phasen vom Punkt G zum Punkte H, K und zu L kann als eigentliche Produktionsphase oder Prozessphase definiert werden. In dieser Phase wird auch der Shutter 20 gezielt geöffnet und nach dem erreichten Prozessfenster wieder geschlossen. Ein Standby-Zustand wird beispielsweise im Punkte H aktiviert, indem die Frequenz F erhöht und die Spannung V gesenkt wird, wodurch die Leistung erniedrigt wird. Dieser Zustand wird beispielsweise im Punkte J wieder deaktiviert. In der Standby-Phase HJ ist der Shutter 20 geschlossen, das Werkstück, Substrat oder die zu bestrahlende Fläche wird für die nächste Behandlung gewechselt, ohne dass die empfindliche UV-Lampe 8 ausgeschaltet und neu gezündet werden muss. Diese Standby-Phase kann auch in translativen Druckmaschinen während der Rückzugsphase verwendet werden.
Für die Leistungsregelung oder -einstellung kann der frequenzabhängige Widerstand der Drossel ausgenutzt werden. Das heisst: Für eine Erhöhung der Ausgangsleistung muss die Frequenz reduziert werden, nämlich vom Punkt F zum Punkte G. Umgekehrt gilt, dass für eine Leistungsreduktion die Frequenz erhöht werden muss, etwa vom Punkt E zu F oder von H zu I. Wenn man den Aufbau idealisiert betrachtet (UV-Strahler 8 als ohmscher Verbraucher, Induktivität als R-L-Kombination), so kann die Strahlerleistung ohne Kenntnis der Kenndaten des Strahlers 8 errechnet werden. Für die Berechnung genügt dann der Strom I, die Frequenz f, die Ausgangsspannung des Inverters U_OUT und die Induktivität L der Drossel.
Die Leistung kann aber auch in vorteilhafter Weise durch Einstellen oder durch Regelung der Spannung zur Beeinflussung des Stromes vorgegeben werden, oder es kann dies auch in Kombination mit der Frequenzvariation erfolgen, indem der Umrichter 1 durch das Steuergerät 14 entsprechend angesteuert wird. Die Spannungseinstellung erfolgt beim Umrichter 1 durch Einstellen eines bestimmten Pulsbreiten-Verhältnisses, wodurch nach der Drossel über der Lampe 8 ein mittlerer Gleichspannungswert (DC) erscheint.
In den Fig. 4 und 5 ist in analoger Weise der Spannungsverlauf und der Frequenzverlauf für den Fall dargestellt, dass die Zündung durch ein externes Zündgerät 12 erfolgt. Die Zündung geschieht dabei durch Überlagerung einer überhöhten Spannung, beispielsweise durch einen Spannungsimpuls im Punkte D, ti, wobei der Umrichter 1 mit einer fest vorgegebenen Frequenz und fest vorgegebener Spannung an der Lampe 8 betrieben wird und dann nach erfolgter Zündung, wie zuvor beschrieben, die Leistungswerte für die Einbrennphase und den Betrieb durch Vorgabe der Frequenz und der Spannung eingestellt bzw. geregelt wird. Bei Verwendung eines externen Zündgerätes 12 als Zündhilfe wird die Anordnung bevorzugt über alle Betriebsphasen mit konstanter Frequenz betrieben, beispielsweise mit einigen hundert Hz, z.B. mit 250Hz.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die verschiedenen Zustände, wie sie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt sind, zur Übersicht aufgelistet:

Tabelle 1:

Punkt	Betriebsart	Beschreibung
A zu B	Zündung	Glimmentladung und/oder Bogenentladung im kleinen Leistungsbereich
A zu C	Zündung	Ohne Zündung
B zu D	Zündung	Wechsel von Glimm- zur Bogenentladung, Erkennung auf Grund sehr starken Stromanstieges
D zu E	Einbrennphase	stromgeregelte Einbrennphase bis die Betriebstemperatur der Lampe erreicht ist
C zu R	Zündung	Neustart der Zündung nach fehlgeschlagener Zündung
R zu A	Zündung	Neustart
E zu F	Betrieb	Betriebsbereit
F zu G	Betrieb	Leistungsverstellung (Dimmen)
G zu H	Betrieb	Produktionsphase ohne Leistungsregelung
H zu I	Betrieb	Wechsel in Standby
I zu J	Betrieb	Standby
J zu K	Betrieb	Wechsel der Betriebsart
K zu L	Betrieb	Produktionsphase mit Leistungsregelung durch Variieren von Frequenz und/oder Spannung

F1	Zündung	minimale Zündfrequenz
Fi	Zündung	Zündfrequenz bei erfolgreicher Zündung
F2	Zündung	maximale Zündfrequenz
T1	Zündung	erstmögliche Zündung
Ti	Zündung	Zeitpunkt der Zündung
T2	Zündung	spätestmögliche Zündung

Die oben angeführten Kennlinien sind nicht abschliessend aufgezählt. Nach dem Zünden D der UV-Lampe 8 kann beispielsweise diese jeden gewünschten Arbeitspunkt einnehmen. Zwischenwerte für die gewünschte Lampenleistung, für die Vollleistung, für den Standby-Betrieb, den Shutterbetrieb sowie zu welchem Zeitpunkt diese Zwischenwerte erfolgen, können vom Benutzer entsprechend an der Steuerung 14 (etwa im Programm, z.B. über die Software) oder von der übergeordneten Prozesssteuerung nach Bedarf vorgegeben werden.

Wichtige Zahlenwerte werden nun an Hand eines Beispieles in der folgenden Tabelle 2 angegeben. Ausserdem sind die für den Betrieb wichtigen Arbeitsbereiche dargestellt, insbesondere für die wichtigsten Komponenten, wie Umrichter, Drossel und UV-Lampe sowie für eine externe Zündhilfe:

Tabelle 2:

	Minimalwert	Typischer Wert	Maximalwert
Umrichter
Maximale Ausgangsleistung [kW]	0,5	10	30
Maximale Ausgangspannung [V]	10	450	1800
Maximaler Ausgangsstrom [A]	1	30	60
Maximale Ausgangsfrequenz [Hz]	1	3000	100000

Drossel
Induktivität [mH]	0,01	2	100
Nennstrom [A]	1	20	60

UV-Lampe
Spezifische Nennleistung [W/cm]		130
Nennleistung [W]	500	4000	30000
Strahlerspannung [V]	230	380	1600
Strahlerstrom [A]	1	10	40
Kurzschlussstrom [A]		22

Zündhilfe
Ladespannung [V]	10	150	1000
Übersetzungsverhältnis [ü]	15	5	20
Limitierung der Ausgangsspannung [V]	10	4000	15000
Spannungsschalter (24) [V]	1	800	50000
Ladekondensator (25,26) [nF]	1	500	50000

Für eine spezifische Konfiguration von Umrichter, Drossel und UV-Lampe wird ein weiteres Zahlenbeispiel für eine Spannungs-/Frequenzkennlinie in der folgenden Tabelle 3 angegeben, für welche die Arbeitspunkte entsprechend den Fig. 2 und 3 durchlaufen werden:

Tabelle 3:

Punkt	Spannung [V]	Frequenz [Hz]	Beschreibung
A)	10	1	Start, Zündung
B)	150	100	UV-Lampe hat gezündet
C)	250	150	Abbruch der Zündphase
D)	360	1200	Start, Einbrennphase
E)	420	1000	Einbrennphase mit Stromregelung, Sollwert auf I_Nenn, beendet wenn Lampe 110°C erreicht
F)	420	3000	Wechsel auf Minimalleistung
G)	420	200	Set Produktionsphase
H)	310	3000	Set Standby-Leistung
I)	310	3000	Standby
J)	420	3000	Set Produktionsphase (Betriebsphase)
K)	420	200	Produktionsphase
L)	420	200	Produktionsphase
R)			Neustart

Das erfindungsgemässe Verfahren ist besonders geeignet für Lampenbetriebsleistungen im Bereiche von 0,5 bis 30 kW bei Stromwerten von 1A bis 60A. Für die Betriebsphase, d.h. also wenn die Lampe 8 im Leistungsbetrieb arbeitet, muss der Umrichter 1, ohne die Zündung, Spannungen mindestens im Bereiche von 10 bis 1600V, vorzugsweise aber im Bereiche von 10V bis 500V, insbesondere variierbar, erzeugen und abgeben können. Für das Zünden sollte die Anordnung derart ausgebildet sein, dass an der Lampe 8 eine Zündspannung > 800V erreicht wird, vorzugsweise >1000V, aber höchsten 6000V. Die Frequenz der abgegebenen Spannung des Umrichters 1 sollte innerhalb des Bereiches von 1 Hz bis 100kHz liegen, vorzugsweise im Bereiche von 1 Hz bis 10kHz, und sollte zweckmässig variierbar sein. Die bipolare Spannung ist hierbei im wesentlichen symmetrisch und in vorteilhafter Weise im wesentlichen rechteckförmig. Die Speisung der Lampe 8 erfolgt zweckmässig durch einen einzelnen Umrichter 1, wobei mit Vorteil eine am Markt erhältliche Standard-Komponente eingesetzt wird.
Nach erfolgreicher Zündung D der UV-Lampe 8 wird diese somit in einen definierten Betriebszustand gebracht. Diese Phase beinhaltet eine Leistungsregelung und/oder -steuerung, vorzugsweise in Form einer Stromregelung. Diese Phase hält so lange an, bis thermisch ausreichende Bedingungen erreicht sind. Typischerweise sind vor allem die Bedingungen innerhalb der Kassette 9 von Interesse, und auch hier insbesondere diejenigen der UV-Lampe 8.
Für den nach Erreichen der thermisch ausreichenden Bedingungen beginnenden normalen Betrieb (Produktion) kann die Leistungsvariation durch Verstellen der Frequenz und/oder der Ausgangspannung eingestellt werden. Die Standby-Leistung wird durch Verstellen der Ausgangsspannung und/oder der Frequenz eingestellt.
Wird das interne Zündverfahren (Punkt A bis D) angewendet, so kann, wie erwähnt, beispielsweise auf eine externe Zündeinrichtung 12 gänzlich verzichtet werden. In diesem Fall wird die Spannung am Umrichterausgang 16, 16' derart variiert, dass Frequenz und Spannung einen für die Zündung der UV-Lampe 8 definierten Wert (Spannungs-Zeitfläche) erreicht, der die Zündbedingungen erfüllt. Mit diesem Zündverfahren nach der vorliegenden Erfindung wird die UV-Lampe 8 mit weniger Komponenten, und auch schonender, gezündet.
Mit dem Einsatz handelsüblicher Baugruppen kann ein Kundennutzen hinsichtlich Qualität (Standardprodukt), Flexibilität (SPS) und Skalierbarkeit (Leistungsklassen) geschaffen werden. Die, zweckmässig programmierbare, Steuerung 14, etwa eine SPS-Steuerung, kann zusätzliche Funktionen, wie Steuerung des Shutter 20, Kommunikation u.dgl. bereitstellen. Eine evt. vorgesehene Busanbindung (Profibus, Ethernet etc.) ermöglicht eine Ankoppelung an eine übergeordnete Steuerung.
Innerhalb des gesamten Systems sind ausserdem gewisse Komponenten, wie erwähnt, einer Alterung unterworfen, sind aber für eine UV-Härtung relevant (z.B. UV-Lampe, Spiegel usw.). Hier ermöglicht die Steuerung 14 eine Anpassung wichtiger Betriebsparameter, die sich alterungsbedingt verändern, um so optimale Bedingungen für den Härteprozess über die ganze Lampenlebensdauer zu gewährleisten.
Bei gewissen Typen von UV-Lampen wird allerdings eine externe Zündeinrichtung 12 bevorzugt, um ein sicheres Zünden zu erreichen, wie dies schematisch in Fig. 6 dargestellt ist. Derartige Lampen haben beispielsweise einen kleineren Durchmesser oder eine andere Dotierung, was die Zündung erschwert. Der Vorteil einer solchen Zündhilfe (36) liegt darin, dass nur Niederleistungs-Komponenten verwendet werden, durch die ausschliessliche Hilfsenergie nicht jedoch der Betriebsstrom für die UV-Lampe fliesst. Zu diesem Zwecke wird die zusätzliche, externe Zündeinrichtung 12 als Zündhilfe in den Leistungskreis mit der Minusleitung 39 und der Plusleitung 40 geschaltet. Die Zündeinrichtung 12 beinhaltet einen Übertrager 30 mit zwei Wicklungen 31, 32, welche über einen ferromagnetischen Kern miteinander gekoppelt sind, und einer elektrischen Schaltung, der Zündhilfenbeschaltung 36. Die eine Wicklung ist als Hauptwicklung 31 ausgebildet und übernimmt die Funktion der Drossel 13, 31 als den Strom begrenzendes Element, welches in Serie in eine der Lampenzuleitungen 39, 40 geschaltet ist. Hierbei spielt es keine Rolle, ob diese Drossel 13, 31, in die Minusleitung 39 oder in die Plusleitung 40 eingebunden ist. Für die externe Zündung kann der Übertrager 30 mit Drossel 31 und Zündwicklung 32 als einzelner Bauteil ausgeführt werden.
Die zweite Wicklung 32 stellt die Zündwicklung dar, und über diese wird potentialfrei eine Zündspannung über ihre beiden Anschlüsse 33, 34 eingekoppelt. Die Zündspannung wird an diesen beiden Anschlüssen 33, 34 durch eine Zündhilfenbeschaltung 36, bereitgestellt, welche ihrerseits über ihre beiden Anschlüsse 35, 37 eine Speisespannung von den Lampenanschlussleitungen 39, 40 bezieht. Diese Zündhilfenbeschaltung 36 enthält eine Spannungsvervielfacheranordnung , welche aus der an der vom Umrichter 1 bereitgestellten Lampenversorgungsspannung zum sicheren Zünden der Lampe 8 eine entsprechend erhöhte Spannung erzeugt. In den meisten Fällen genügt eine Spannungsverdoppelung, was bevorzugt ist. Zusätzlich ist es vorteilhaft, die Zündspannung über der Speiseleitung 17, 18 bzw. 39, 40 der UV-Lampe 8 mit einem Spannungsbegrenzer 46 zu begrenzen, so dass die Zündspannung im wesentlichen unabhängig von der verwendeten Leitungslänge ist und die Lampe 8 dennoch sicher gezündet werden kann. Ein solcher Spannungsbegrenzer kann auch direkt in der Zündhilfenbeschaltung 36 über den Speiseanschlüssen 35, 37 vorgesehen werden. Die Zündhilfenbeschaltung 36 wird über einen Schalter 47 derart betrieben, dass diese nur in der Zündphase aktiv ist und in der Betriebsphase der Lampe 8 deaktiviert (z.B. ausgeschaltet) ist. Zu diesem Zwecke wird der Schalter 47 über eine Steuerleitung 48 von der Steuereinheit 14 betätigt.
Das Schema einer bevorzugten Anordnung für eine Zündhilfebeschaltung 36 ist in Fig. 7 schematisch dargestellt und entspricht im wesentlichen auch der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Die Schaltung für die Spannungserhöhung besteht bevorzugt aus passiven elektronischen Bauteilen. Eine zweckmässige Ausführungsform ist, wie folgt, aufgebaut. Ein Kondensator und eine Diode sind in Serie elektrisch miteinander verbunden, wobei diese wiederum mit einer weiteren, separaten Serienschaltung aus einem Kondensator und einer Diode parallel verbunden sind. Die beiden Dioden 44, 45 sind antiparallel geschaltet. Auf der einen Seite ist der ein erster Anschluss 35 der UV-Lampe 8 angeschlossen, und auf der anderen Seite über einen Aktivierungsschalter 47 ein zweiter Anschluss 37 der UV-Lampe. Parallel zum ersten Anschluss 35 und dem zweiten Anschluss 37 ist ein Spannungsbegrenzer 46 vorgesehen. Die Polaritäten können aber, wie bereits erwähnt, auch gegeneinander vertauscht sein, d.h. dass die Polarität der Zündimpulse positiv oder negativ sein kann.
Diese Zündhilfenbeschaltung 36 kann vorteilhaft auch mit einer zusätzlichen Hilfswicklung 32 an bestehende Drosseln 13 adaptiert werden, um so die Möglichkeit einer Nachrüstung bestehender Schaltung zu schaffen. Die Ausgangsleitungen 33, 34 der Zündhilfenbeschaltung 36 führen beispielsweise in der in Fig. 6 gezeigten Weise zur Zündwicklung 32.
Wird der Umrichter 1 eingeschaltet, so wird die Zündhilfe 12 aktiviert. Die Kondensatoren werden mit einer Spannungsverdoppelungsschaltung aufgeladen, bis ein definierter Spannungspegel erreicht ist. Die gespeicherte Ladung wird aus den Kondensatoren über den Spannungsschalter und Übertrager 30 an die Lampe 8 abgegeben. Die beiden Wicklungen 31, 32 werden für die Transformation der Zündspannung verwendet. Von der Zündwicklung 32 zur Hauptwicklung 31 wird die Spannung hochtransformiert. Die Spannung der transformierten Ladung ist mindestens so gross, dass die Zündung der Lampe 8 ermöglicht wird. Die Hauptwicklung 31 wird zudem für die Glättung des Lampenstroms benutzt.
In der Zündhilfenbeschaltung 36 wird durch Aufladen der Kondensatoren 42, 43 auf unterschiedliche Spannungspotentiale die erforderliche Energie für die Zündung (Spannungs-Zeitfläche) gespeichert. Die Dioden 44, 45 und Kondensatoren 42, 43 sind so geschaltet, dass eine Spannungsvervielfachung (z.B. eine Spannungsverdoppelung) entsteht. Ist die Ladung ausreichend gross, d.h. die Ladespannung erreicht eine vorgegebene, allenfalls einstellbare, Schaltschwelle des Spannungsschalters 41, so wird diese an die Zündwicklung 32 abgegeben. Die Zündenergie wird mit einer Umwandlung von der Zündwicklung 32 zur Hauptwicklung 31 hochtransformiert. Die Ausgangsspannung (Zündspannung) ist mittels eines Spannungsbegrenzers 46 limitiert und so unabhängig von der verwendeten Leitungslänge 39, 40. Die Zündhilfe 12 wird mit einem Schalter 47 während der Zündphase aktiviert, in der Betriebsphase jedoch deaktiviert. Solange der Schalter 47 die Zündhilfe 12 in Betrieb hält, erzeugt diese nacheinander Zündimpulse, welche zeitlich durch die Beschaltung definiert sind, bis die Lampe 8 zündet und dann die Steuerung 14 über den Schalter 47 die Zündhilfe 12 wieder deaktiviert.
Das bevorzugte Verfahren zur Zündung mit einem externen Zündgerät 12 umfasst somit die folgenden Schritte:
Eine Zündspannung wird durch das Aufladen mindestens zweier Kondensatoren 42, 43 auf Spannungspotentiale zur Speicherung der erforderlichen Energie für die Zündung, wobei die Dioden 44, 45 mit den Kondensatoren 42, 43 derart verbunden sind, dass mindestens eine Spannungsverdoppelung erzielt wird. Wenn die gewünschte vorgegebene Ladespannung eine entsprechende Schaltschwelle eines Spannungsschalters 41 (Schwellwertschalter) erreicht, wird sie beim Durchschalten an die Zündwicklung 32 des Übertragers 30 abgegeben. Dadurch wird die Zündenergie mit einer Umwandlung von der Zündwicklung 32 zur Drossel 31, die die Hauptwicklung bildet, nach einem vorgegebenen Wert hochtransformiert. Nun wird gezündet bzw. der Zündvorgang, beispielsweise mittels des Schalters 47, für die Zündphase aktiviert, dann aber in der Betriebsphase deaktiviert.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren werden folgende Verbesserungen erzielt:

Das UV-System ist ein eigenständiges, komplettes System zum Ansteuern von UV-Lampen einschliesslich der Temperaturregelung und der Ansteuerung des Shutters;
es handelt sich um ein Standardprodukt, bei dem daher leicht eine hohe Qualität, Zuverlässigkeit, auch in grossen Leistungsklassen erreicht werden kann, wobei auf Grund der Standardisierung die Zulassung durch Behörden im Ausland erleichtert und ein grosses Service- und Ersatzteilnetz gesichert ist, was die Wirtschaftlichkeit insgesamt erhöht;
bevorzugt kann eine industrielle Busankoppelung verwendet werden, wie CANopen, Profibus etc.;
in Form einer SPS kann ein zusätzlicher Kundennutzen erzielt werden, die sich für die Temperaturregelung, die Shutteransteuerung eignet und als integrierte SPS auch für den Kunden, z.B. für eine Anlagensteuerung, nutzbar ist;
da UV-Lampen auf Temperatureinflüsse sehr empfindlich sind, ist eine integrierte Temperaturregelung von Vorteil. Denn die Temperatur hat einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer, das Lichtspektrum u.dgl. Eine schnelle, Kommunikation zwischen der Ist-Temperatur und der Soll-Lampenleistung ist daher sinnvoll.
die Lampenlebensdauer wird über die sich mit der Betriebsdauer verändernden Zündparameter bestimmt, so dass auch Serviceeinsätze planbar werden (z.B. bei Farbwechsel od.dgl.).
die Lebensdauer der Lampe wird merklich erhöht, weil, insbesondere für eine interne Zündung, nur die erforderliche Zündenergie ohne schockartige Zündimpulse aufgebracht wird. Dies reduziert Stillstandszeiten und ServiceEinsätze;
die vorrichtungsmässige Realisierung ist einfacher und kostengünstiger zu bewerkstelligen, da nur wenige zusätzliche Bauteile erforderlich sind;
die Betriebsparameter der Spannung und/oder der Frequenz beim Betrieb der UV-Lampe 8 und/oder des Shutters 20 können - abhängig von der Alterung der Lampe 8 - mit Hilfe der Steuerung 14, z.B. mit Hilfe eines eingebauten Betriebsstundenzählers, nach vorgebbaren Werten nachgeführt werden;
die Betriebsparameter für verschiedene Lampentypen und Prozesskenngrössen lassen sich über die Software verändern und bedürfen für präzise Prozesse nicht mehr einer genau angepassten Hardware;
da in der Industrie laufend neue Standardgeräte entwickelt werden, braucht die Hardware nicht immer wieder angepasst werden, wenn etwa bestimmte Teile nicht mehr erzeugt werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird vorteilhaft in folgenden Anwendungsgebieten eingesetzt::

Trocknen und Härten von Flüssigkeiten, Gelen, Klebstoffen, Lacken, Farben usw.;
Hervorrufen chemischer Reaktionen (z.B. Auftrennung von DNA-Strängen etc.);
Unterstützung anderer chemischer Prozesse;
Belichtung von photoaktiven Materialien (Lithographie);
Fluoreszenzanregung verschiedener Stoffe, etwa zum Prüfen von Banknoten.

Bezugszeichenliste

1: Umrichter
3: Treiberschaltung für 4
5: Gleichspannung an 2, 2'
7: Lampenstrom (Lastseite)
9: kassettenartige Lampenhalterung
11: "Überwachungsmittel", Strahlungssensor
13: Drossel
15: Ein-/Ausgangsleitungen (Schnittstelle)
17: Speiseleitung von 8
19: Zuleitung von 8
21: Lampenreflektor
23: Ausgangsleitung von 14
25: Antriebsmotor für 24
27: Synchronisierleitung zu 25
29: Lagesensor (Schalter)
31: Drossel zu 12
33: Anschluss von 32
35: erster Anschluss von 8
37: zweiter Anschluss von 8
39: Leitungslänge in 12
41: Spannungsschalters (Schwellwert) v. 12
43: Kondensator von 12
45: Diode von 12
47: (Zündauslöse-)Schalter
2, 2': Eingänge von 1
4: Vollbrücke
6: Zuleitung von 14
8: Lampe
10: Strahlung aus 9
12: externes Zündgerät
14: Steuerung
16,16': Umrichterausgang
18: Speiseleitung von 8
20: Shutter
22: Kühlventilator
24: Transporteinrichtung
26: Drehteller
28: opt. Sensor
30: Übertrager von 12
32: Zündwicklung von 30
34: Anschluss von 32
36: Zündhilfenbeschaltung für 12
38: Lagesensor-Leitung
40: Leistungslänge in 12
42: Kondensator von 12
44: Diode von 12
46: Spannungsbegrenzer von 12
48: Steuerleitung von 14 zu 47

Claims

Vorrichtung zum Betrieb einer Elektroden aufweisenden UV-Lampe (8),
umfassend
einen Umrichter (1) mit Ausgängen (16, 16') zum Erzeugen einer bipolaren Speisespannung an den Ausgängen (16, 16'), die über Zuleitungen (17-19) der UV-Lampe (8) zugeführt wird,
ein Strombegrenzungselement (13), welches über die Zuleitungen (17-19) die UV-Lampe (8) mit den Ausgängen (16, 16') verbindet;
der Umrichter (1) umfassend desweiteren Spannungsgleichrichtermittel, die über Gleichrichteranschlüsse mit einem Versorgungsnetz verbunden sind, sowie eine elektronische Steuerung (14);
wobei die elektronische Steuerung (14), derart ausgebildet ist, dass eine Frequenz am Ausgang des Umrichters (1) und der Effektivwert der bipolaren Speisespannung wählbar ist, wobei der Effektivwert der bipolaren Speisespannung durch Einstellen eines vorbestimmten Pulsbreitenverhältnis einstellbar ist;
wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist,
dass nach Inbetriebnahme des Umrichters (1) die bipolare Speisespannung an den Elektroden der UV-Lampe (8) anliegt und ein Zündvorgang (A, D) an der Entladungsstrecke der UV-Lampe (8) einleitbar ist, wobei eine erfolgte Zündung (D) mit Hilfe der elektronischen Steuerung (14) überwacht wird;
dass nach der erfolgten Zündung (D) eine vorgegebene Einbrennphase (D, E) der UV-Lampe (8) erfolgt, wobei die elektronische Steuerung (14) diese mittels Überwachungsmittel (7, 11, 38) erfasst, überwacht und verarbeitet und wobei die elektronische Steuerung (14) den Effektivwert der bipolare Speisespannung und/oder die Frequenz derart einstellt und/oder regelt, dass vorgegebene lampenspezifische Parameter eingehalten werden;
dass nach Abschluss der vorgegebenen Einbrennphase (D, E) eine vorbestimmte Lampensollleistung vorgebbar ist, womit eine Betriebsbereitschaft der UV-Lampe (8) erreicht wird, wobei durch regeln der Frequenz und/oder des Effektivwerts der bipolaren Speisespannung die vorbestimmte Lampensollleistung für eine folgende Betriebsphase (F, H,J, K, L) eingestellt wird;
wobei die elektronische Steuerung (14) ausgebildet ist, die ablaufenden Phasen zu kontrollieren und eine periphere Schnittstelle aufweist, um einer übergeordneten Steuerung Daten zur weiteren Prozessbearbeitung zur Verfügung zu stellen,
dadurch gekennzeichnet dass
die Vorrichtung des weiteren einen Transportantrieb (24, 25, 26) zum Transportieren von zu bestrafendem Substrat, insbesondere Flachmaterial, aufweist, sowie einen Shutter (20), wobei die elektronische Steuerung (14) ausgebildet ist, um den Transportantrieb und den Shutter zu synchronisieren und
den Shutter (20) während der Betriebsphase (F, H,J, K, L) der UV-Lampe (8) entsprechend von Prozessvorgaben zu betreiben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strombegrenzungselement (13, 31) eine Drossel (31) aufweist, die seriell zur UV-Lampe (8) geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Serienresonanzkreis aufweist, der aus der Kapazität der UV-Lampe (8) und der Drossel (31) gebildet ist, wobei durch Variieren der Frequenz und/oder des Effektivwerts der bipolaren Speisespannung dieser in Resonanz versetzt wird und damit eine Zündenergie zum Zünden (B, D) der UV-Lampe (8) erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zündvorganges (A, D) sowohl die Frequenz, als auch der Effektivwert der bipolaren Speisespannung variiert werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass während des Zündvorganges (A, D) sowohl die Frequenz, als auch der Effektivwert der bipolarenspeisespannung gleichzeitig erhöht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (31) als eine Wicklung eines Übertragers (30) mit einem Kern aus ferromagnetischem Material ausgebildet ist und dass der Übertrager (30) mit einer weiteren Zündwicklung (32) elektromagnetisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine gesteuerte Zündhilfe (12) aufweist, die mit dem Umrichter (1) verbunden ist und die nur Niederleistungs-Komponenten enthält, wobei durch die gesteuerte Zündhilfe (12) nur Hilfsenergie fließt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6, 7 dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Zündhilfe (12) eine zusätzliche Zündspannung mit vorgebbarer Spannungs-Zeitfläche erzeugt, die bei der Zündung (B, D) der bipolaren Speisespannung überlagert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6, 7, 8 dadurch gekennzeichnet, das die gesteuerte Zündhilfe (12) die weitere Zündwicklung (32) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6, 7, 8, 9 dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Zündhilfe (12) eine Zündhilfebeschaltung (36) aufweisst, die als Spannungsvervielfacheranordnung, vorzugsweise eine zweifache Spannungsvervielfachungeranordnung, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Zündhilfebeschaltung (36) wenigstens zwei Kondensatoren (42, 43), Dioden (44,45), einen Spannungsschalter (41) und einen Schalter (47) enthält, und derart ausgestaltet ist, dass
die Zündspannung durch Aufladen der wenigstens zwei Kondensatoren (42, 43) auf Spannungspotentiale zum Speichern der erforderlichen Energie für die Zündung erzeugt wird, wobei die Dioden (44, 45) mit den wenigstens zwei Kondensatoren (42, 43) derart verbunden sind, dass mindestens eine Spannungsverdoppelung erzielt wird,
und dass - wenn die vorgegebene Ladespannung die vorgegebene Schaltschwelle des Spannungsschalters (41) erreicht dieser durchschaltet und beim Durchschalten an die Zündwicklung (32) des Übertragers (30) abgegeben wird, wodurch die Zündenergie mit einer Umwandlung von der Zündwicklung (32) zur Drossel (31), welche die Hauptwicklung bildet, nach vorgegebenem Wert hochtransformiert und der bipolaren Speisespannung überlagert wird, wodurch die UV-Lampe (8) gezündet wird.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Zündhilfe (12) mit dem Schalter (47) jeweils während der Zündphase aktiviert und in der Betriebsphase deaktiviert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in der Betriebsphase (F-L) die Frequenz und/oder der Effektivwert der bipolaren Speisespannung eingestellt wird, wobei der Effektivwert der bipolaren Speisespannung durch einstellen der vorbestimmten Pulsbreite eingestellt und/oder geregelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist,
dass innerhalb der Betriebsphase (F-L) ein Wechsel der Lampenleistung auf einen Stand-by Wert erfolgbar ist, indem die Frequenz erhöht und die bipolare Speisespannung reduziert wird, ohne dass die Entladung der UV-Lampe (8) erlischt und diese neu gezündet werden muss, und dass anschließend die Betriebsphase (F-L) durch Absenken der Frequenz und durch Erhöhen der bipolaren Speisespannung mit der vorherigen Lampenleistung weiter geführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleistung Werte aufweisen kann, die innerhalb von 0,5 bis 30 kW liegen, und Stromwerte, die innerhalb von 1A bis 60A liegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bipolare Speisespannung für den Betrieb ohne die zusätzliche Zündspannung mindestens einen Wert innerhalb des Bereiches von 10V bis 1600V erzeugt, vorzugsweise im Bereich von 10V bis 500V.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz Werte im Bereich von 1 Hz bis 100kHz, vorzugsweise im Bereiche von 1 Hz bis 10kHz, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspannung größer als 800V ist, vorzugsweise größer als 1000V.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die bipolare Speisespannung im wesentlichen symmetrisch, vorzugsweise im wesentlichen rechteckförmig, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die elektronische Steuerung (14) eine Computersteuerung oder eine Mikrocomputersteuerung oder eine SPS-Steuerung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsmittel mindestens einen Sensor umfassen.
Vorrichtung nach dem Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor ein Temperatursensor zum erfassen der Temperatur der UV-Lampe (8) umfasst und ein Temperatur- Messsignal abgibt um den Betriebszustand der UV-Lampe (8) zu erfassen und/oder eine Lampenkühleinrichtung zu regeln.
Vorrichtung nach dem Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor ein Emissionserfassungssensor zum erfassen der UV-Emission der UV-Lampe (8) umfasst und ein Emissions- Messsignal abgibt um den Betriebszustand der UV-Lampe (8) zu erfassen und/oder eine Lampenkühleinrichtung zu regeln.
Vorrichtung nach dem Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor einen Sensor zum erfassen der Lage des zu bestrahlenden Substrates umfasst und ein Messsignal zur Synchronisation abgibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung (14) eine Feldbusankopplung für den Betrieb der übergeordneten Steuerung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Alterungsbestimmung der UV-Lampe vorgesehen sind und das die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Frequenz und/oder die bipolare Speisespannung in Abhängigkeit der Alterung der UV-Lampe (8) nach vorgebbaren Werten nachgeführt werden.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche für das Härten UV-härtbarer Materialen, wie Polymere, Lacke oder Klebstoffe.