DE19912981C1 - Verfahren und Anordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung unter Verwendung eines Transformators zur Pegelanpassung der Speisespannung - Google Patents

Abstract

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß sich der energetische Speiseprozeß für eine dielektrisch behinderte Entladung über den Großteil einer jeden Entladungshalbperiode erstreckt, wobei unterschiedliche Phasen in der Folge Pulsstromphase, Stromkonstantphase und Stromabklingphase einstellbar sind. Hierbei wird die Energie der Pulsstromphase weitgehend durch einen Umschwingvorgang aus der Blindenergie des niederinduktiven Wechselstromkreises gewonnen, in dem sich die dielektrisch behinderte Entladung ausbildet. Die Stromkonstantphase wird durch einen transformatorisch proportional übertragenen, geglätteten Gleichstrom bestimmt. Wird dieser durch Wechselrichten und transformatorisches Übertragen an das Entladungsspannungsniveau angepaßt, so bildet sich dieser Konstantstrom zeitweise auch in der dielektrisch behinderten Entladung aus. Durch die induktive Glättung des Gleichstromes wird erreicht, daß der Übergang von einer Halbperiode zur entgegengerichteten Halbperiode sehr steil erfolgen kann und nur von der Dynamik der Leistungsschaltelemente und parasitären Restimpedanzen des Wechselstromzweiges der Entladungsanordnung begrenzt wird. DOLLAR A Auf diese Weise kann über den geregelten Gleichstrom der stationäre Entladungsstrom quasi auch als Wechselstrom in der Entladung geregelt werden, was bedeutet, daß die Regelbarkeit des Stromes und damit des Leistungseintrages auch dann gegeben bleibt, wenn in erweiterten Grenzen die Steuerfrequenz der Wechselrichtung verändert wird. DOLLAR A ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung. Üblicherweise versteht man unter dielektrisch behinderten Entladung insbesondere Barrieren-Entladungen mit Feststoffisolierungen. In der Folge und insbesondere in den Ansprüchen sollen jedoch unter dielektrisch behinderten Entladungen auch solche verstanden werden, bei denen infolge der Anwesenheit gasförmiger und ähnlicher Dielektrika Volumina mit mindestens zeitweise dielektrischen Eigenschaften auftreten. Ferner ist die elektrische Leitfähigkeit dieser angrenzenden Schicht bzw. dieses angrenzenden Volumens hinreichend gering, um eine Fokussierung der Entladung auf ein einzelnes geringes Volumenelement zu verhindern.

Bei einem Großteil derartiger Entladungen erfolgt wegen des notwendigen Spannungsniveaus für die elektrische Versorgung der Barrierenanordnung eine Energieanpassung meist mittels Transformator; die Stromdichte innerhalb der Plasmaentladung wird durch eine angrenzende Schicht oder ein angrenzendes Volumen mit mindestens zeitweise dielektrischen Eigenschaften begrenzt.

Die Erfindung ist anwendbar für Zwecke der Plasmaerwärmung, Plasmabeschichtung, plasmachemischen Stoffwandlung, Lichtquellentechnik, Plasma-Umwelttechnik, Entkeimung oder ähnlicher Anwendungen, Veränderung biologischer Eigenschaften von Zellstrukturen und der Plasmaphysik, bei denen durch die Wirkung eines flächenhaft oder volumenhaft ausgebildeten Plasmas Veränderungen erzielt werden.

Es ist seit langem aus der Stromversorgungstechnik für Gleichstromgasentladungen bekannt, daß Entladungen, welche einen negativen differentiellen Widerstand in der Entladungscharakteristik aufweisen, das heißt, bei denen mit zunehmendem Strom die Entladungsspannung sinkt, besonders günstig stabilisierbar sind, wenn die Versorgungstechnik über eine Stromregelung verfügt. Dies wird in vorteilhafter Weise mit Hilfe von stromgeregelten leistungselektronischen Schaltungen mit induktiv geglättetem Ausgang realisiert.

Ebenso ist aus dem gleichen Grunde bekannt, daß solche Entladungen instabilen Charakter aufweisen, wenn sie unmittelbar aus Spannungsquellen oder Kapazitäten gespeist werden. Daher wurden für Entladungen, die mit Wechselspannung zum Beispiel höherer Frequenz gespeist werden, vielfach strombegrenzende Bauelemente wie Induktivitäten oder Resonanzschaltungen in den Wechselstromkreis eingeschaltet [EP 0824300 A1, EP 0808 086 A1, EP 0828 407 A1, DE 197 17 127 A1]. Zum Teil wird auch eine zusätzliche Glättung des Gleichstromes in einem Zwischenkreis vorgenommen, der jedoch nicht geregelt werden muß, sofern Blindbauelemente mit strombegrenzender Wirkung im Wechselstromkreis der Entladung vorhanden sind [EP 0788 298 A1; DE 44 25 679 A1]. Diese Anordnungen weisen den Nachteil auf, daß sie in der Regel durch die integrierten Blindbauelemente auf einen festen Arbeitspunkt ausgelegt sind, daß diese Blindbauelemente im Wechselstromkreis funktionsnotwendig und nicht variabel regelbar sind, daß sie darüber hinaus durch die induktiven oder die Resonanz bestimmenden Bauelemente einen nur sinusähnlichen Stromverlauf mit der durch die Resonanz dieser Bauelemente bestimmten Periodendauer verursachen sowie daß sie auf Bogen- oder Glimmentladungen ausgerichtet sind, die in der Regel geringere Anforderungen an die Stabilität infolge ihrer geringeren negativen differentiellen Widerstände aufweisen.

Es ist ebenso bekannt, daß mittels zweier gegeneinander geschalteter Stromquellen, an deren Ausgängen sich jeweils eine Induktivität und ein Schaltelement als Kurzschließer befindet, eine Plasmaentladungsstrecke dann mit einem gepulsten Wechselstrom versorgt werden kann, wenn diese Entladung zwischen den gegeneinander geschalteten Stromquellen angeordnet ist und einer oder beide Kurzschließer wechselseitig oder gleichzeitig betätigt werden (Scholl, R. A.; Asymmetric pulsed power: a new power Technology. Surface and Coatings Technology 98 (1998) 823-827.) Diese Technologie weist gegenüber den beschriebenen Verfahren und Anordnungen den Vorteil auf, daß in jeder Halbperiode der Strom der Entladung geregelt ist und dadurch eine höhere Stabilität der Entladung sowie eine über nahezu die Halbperiode andauernde Zeitspanne die Plasmaspeisung gewährleistet ist. Diese Anordnung ist jedoch für Plasmaanordnungen mit erforderlicher transformatorischer Anpassung nicht geeignet, da beim Umschalten von einer Polarität in die andere Überspannungen entstehen, die sich aus dem Ummagnetisierungsprozeß ableiten. Außerdem weist das Prinzip den Nachteil auf, daß es nicht möglich ist, den Strom innerhalb eines Entladungspulses zu unterbrechen, ohne auf die Vorteile zu verzichten, die sich aus der Glättungsfunktion der Drosselinduktivitäten ergeben.

Dielektrisch behinderte Entladungsanordnungen weisen die besondere Eigenschaft auf, daß sie aufgrund einer isolierenden Barriere nur einen Wechselstrom zulassen, daß sie wegen des extrem steil abfallenden negativen differentiellen Widerstandes erhöhte Anforderungen an die Stabilisierung aufweisen und daß sie wegen des hohen Spannungsniveaus der Entladungsspannung fast ausschließlich mittels einer Transformatoranordnung an die leistungselektronische Schaltungsanordnung angepaßt werden müssen. Da die naturgemäß vorhandene Barrierenkapazität den Energieeintrag je Halbwelle in das Plasma sowohl örtlich als auch in Bezug auf die Halbperiode begrenzt, hat sich die energetische Versorgung dielektrisch behinderter Entladungen aus Wechselspannungsquellen mit unterschiedlicher oder variabler Frequenz als üblich herausgebildet. Da diese Kapazität jedoch keinen Einfluß auf Momentanwertänderungen im Plasma ausübt, ist der Einfluß der versorgenden Schaltungsanordnung bedeutsam. So sind Anordnungen bekannt, bei denen zunächst eine Gleichspannung erzeugt wird, diese vielfach mittels einer Kapazität geglättet und danach mittels einer Wechselrichterschaltung in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Diese Konfiguration wird üblicherweise mit dem Begriff spannungsgeführter Wechselrichter umschrieben. Es entstehen dabei bipolare rechteckförmige Spannungsblöcke, welche durch eine Pulsbreitensteuerung zum Zwecke der Energiesteuerung beeinflußbar sind. Derartige Spannungsblöcke führen bei Entladungen mit den oben beschriebenen Eigenschaften eines negativen differentiellen Widerstandes zu instabilem Verhalten. Bei Pegelanpassung an die dielektrisch behinderte Entladung mit Hilfe von Transformatoren führt dies üblicherweise dazu, daß kurzzeitig eine Impulsentladung erzeugt wird und deren Stromamplitude zunächst nur durch die Transformatorstreureaktanz und parasitäre Bauelemente begrenzt wird. Die rechteckförmige Spannung in Verbindung mit den parasitären Reaktanzen haben zur Folge, daß die Entladungsdauer und die Amplitude bestimmt werden durch den Schwingungsvorgang aus Kapazität der Barrierenanordnung und der Transformatorstreureaktanz. Derartige Schaltungen neigen wegen der erheblichen Stoßbelastung zu Störausfällen an den Halbleiterbauelementen und führen zu schlechter Schaltungsauslastung, schlechtem Gesamtwirkungsgrad und geringer effektiver Leistung. Die in Einzelfällen von derart kurzen Impulsen erhofften technologischen Sondereffekte durch die Erzeugung eines Nichtgleichgewichtsplasma bleiben häufig zweifelhaft, da hierfür Anstiegszeiten im ns-Bereich erforderlich sind, die durch vorhandene parasitäre Reaktanzen meist nicht erzielbar sind [EP 0809 275 A1].

Häufig werden zur Verbesserung der stromrichterseitigen Betriebsstabilität zusätzliche Blindbauelemente in Form zusätzlicher Induktivitäten, Transformatorstreureaktanzen oder Resonanzzweige in den die Entladungsstrecke enthaltenden Wechselstromkreis des Wechselrichters eingefügt, was zusätzlichen technischen Aufwand bedeutet und die möglichen Parametergrenzen reduziert [EP 0831 517 A2;]. Damit reduziert sich der Einsatz der Wechselrichterschaltung auf die reine Bereitstellung einer Wechselspannung definierter Frequenz, ohne Anspruch auf Einflußnahme auf das dynamische Verhalten der Entladung. Diese spannungsgeführten Wechselrichterschaltungen weisen daher den Nachteil auf, daß eine Stabilisierung der Entladung auf einen definierten Arbeitspunkt nicht möglich ist und der Energieeintrag nur auf einen geringen Anteil der versorgenden Wechselspannungshalbperiode eingegrenzt ist. Außerdem erweist es sich als nachteilig, daß eine Leistungsregelung mittels einer Pulsbreitensteuerung der Leitdauer der leistungselektronischen Ventilbauelemente in diesem Fall wenig wirksam ist. Dieses Prinzip weist überdies den Nachteil auf, daß die Gesamtschaltung stark von der Resonanzfrequenz abhängig ist und dadurch nur in einem engen Parameterbereich betreibbar ist. Die energetische Speisung der Entladung wird somit durch Blindbauelemente stabilisiert, und die Speisedauer wird begrenzt auf maximal 50% jeder Halbperiode (Schorpp, V. Dielektrische behinderte Edelgas-Halogen-Excimer-Entladung. Diss. Karlsruhe 1991).

In der DE 197 17 127 A1 wird zusätzlich zu dem oben als nachteilig beschriebenen Prinzip der Versorgung des Entladungsprozesses mittels einer bipolaren Spannung aus einem Wechselrichter und der Beeinflussung des Spannungsverlaufes mittels der bedämpfenden Wirkung von Blindbauelementen versucht, durch eine zweite Schaltungsanordnung und die entkoppelte Überlagerung der Ausgangssignale beider Anordnungen an der Entladungsanordnung positiven Einfluß auf die Entladung zu nehmen. Durch diese Maßnahme wird der technische Aufwand für die Versorgungsanordnung erheblich vergrößert, ohne daß dadurch der Entladungsprozeß flexibel beeinflußbar würde. Die oben beschriebenen Nachteile werden jedoch nicht behoben.

In den letzten Jahren versucht man in verstärktem Maße technologische Effekte zu erzielen, indem die Erzeugung multipler Impulsformen bei zum Teil variabler Frequenz für Plasmen angestrebt wird. Dazu sind die oben erläuterten Schaltungsprinzipien und Speisungsverfahren aus den erläuterten Gründen jedoch nicht oder nur sehr eingeschränkt geeignet. So werden zu Beginn der Entladung hohe Spannungs- und Stromanstiege gewünscht, um schnell die Durchbruchspannung bzw. das Entladespannungsniveau zu erreichen und innerhalb einer kurzen Anfangsphase die Vorteile eines Nichtgleichgewichtsplasma mit zu nutzen sowie gleichzeitig einen beschleunigten Wechsel in die andere Polarität zu erzielen. Ebenso soll die Wiederzündspannung bei Gasen mit hoher Entladungsdynamik durch Aufrechterhaltung der Entladung über einen längeren Zeitbereich innerhalb einer Halbwelle reduziert werden. Auch eine in weiteren Grenzen unabhängig vom Entladungsstrom und damit vom Leistungseintrag veränderbare Frequenz ist als wünschenswert anzusehen. Für einen solchen Fall ist es notwendig, parasitäre Induktivitäten im Wechselstromkreis zu vermeiden. Ebenso ist es wünschenswert, eine energetische Speisung über einen großen Teil der Halbperiode veränderbar einzustellen, dies in einem relativ weiten Frequenzbereich zu ermöglichen und dabei die Momentanwertleistung zeitlich konstant zu halten sowie die Dauer dieser Phase zu beeinflussen.

Die Mängel des erläuterten Standes der Technik sind dadurch begründet, daß ein für die Stabilisierung einer Entladung ungeeignetes Verfahren der Stromversorgung und des Schaltungsprinzipes in Form des spannungsgeführten Wechselrichters eingesetzt wird und behelfsmäßig auf das Prinzip der Entladungsstabiliserung durch Blindbauelemente zurückgegriffen wird oder daß bei Anwendung einer an sich geeigneten stromgeregelten bipolaren Leistungspulsung die besonderen Bedingungen der energetischen Anpassung und des Energieflusses an die Barrierenentladung nicht technologisch berücksichtigt wurden. Dies führt zu Einschränkungen in den möglichen Parameterbereichen, in der Anwendbarkeit, in der energetischen Auslastung oder der Funktionssicherheit.

Die bekannten Verfahren und Anordnungen sind daher in ihrem Anwendungsbereich begrenzt und führen außerhalb der begrenzt optimalen Parameter zu erhöhtem energetischen und technischen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung zu schaffen, das die aufgeführten Nachteile vermeidet und bei einem erweiterten Anwendungsbereich erweiterte technologische Parameterbereiche erschließt und damit bei vergleichbarem oder vermindertem Realisierungsaufwand zur Wirkungsgradverbesserung und zur Senkung von Betriebskosten beiträgt.

Spezielle Aspekte dieser Aufgabe bestehen insbesondere darin, die Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung zu realisieren, welche bei hoher Frequenzvariabilität steile Impulse an der Plasmaentladungsstrecke ermöglicht, eine Phase definiert regelbaren Konstantstromes mit der Wirkung eines zeitweise quasikonstanten Leistungseintrages unabhängig von der in erweiterten Grenzen veränderbaren Frequenz gewährleistet und zusätzlich eine definierte Pulspause ermöglicht. Auf diese Weise sollen ein erweiterter Arbeitsbereich, eine bessere Prozeßstabilität und eine Erweiterung der Parametervielfalt an der Entladungsstrecke realisiert werden. Weiterhin soll durch Proportionalität des mittelfrequenten Entladungsstromes zum einfach regelbaren Gleichstrom eine höhere Stabilität des Regelsystems und eine bessere Prozeßsteuerbarkeit erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht somit darin, daß sich der energetische Speiseprozeß für eine dielektrisch behinderte Entladung, welche die eingangs genannten Eigenschaften aufweist, über den Großteil einer jeden Entladungshalbperiode erstreckt, wobei unterschiedliche Phasen in der Folge Pulsstromphase, Stromkonstantphase und Stromabklingphase einstellbar sind. Hierbei wird die Energie der Pulsstromphase weitgehend durch einen Umschwingvorgang aus der Blindenergie des niederinduktiven Wechselstromkreises gewonnen, in dem sich die dielektrisch behinderte Entladung ausbildet.

Die Stromkonstantphase wird durch einen transformatorisch proportional übertragenen, angepaßten, geregelten und induktiv geglätteten Gleichstrom bestimmt. Wird nun ausgangseitig einer induktiv geglätteten Gleichstromquelle ein geregelter Gleichstrom bereitgestellt und wird dieser durch Wechselrichten und transformatorisches Übertragen an das Entladungsspannungsniveau angepaßt, so bildet sich dieser Konstantstrom zeitweise auch in der dielektrisch behinderten Entladung aus. Durch die induktive Glättung des Gleichstromes wird erreicht, daß der Übergang von einer Halbperiode zur entgegengerichteten Halbperiode sehr steil erfolgen kann und nur von der Dynamik der Leistungsschaltelemente und parasitären Restimpedanzen des Wechselstromzweiges der Entladungsanordnung begrenzt wird. Darüber hinaus sind diese Restimpedanzen nicht für die Stabilisierung der Entladung erforderlich und können daher minimiert werden. Dieses Prinzip ermöglicht es, die Induktivität des Wechselstromkreises der Entladungsanordnung beliebig klein werden zu lassen, ohne dabei Einschränkungen in der Stabilität zu bewirken. Es erfordert darüber hinaus geringe parasitäre Induktanzen, was sich in der Forderung nach kleinen Transformatorinduktanzen niederschlägt und die Ausbildung kurzer und steiler Pulsphasen begünstigt.

Auf diese Weise kann über den geregelten Gleichstrom der stationäre Entladungsstrom quasi auch als Wechselstrom in der Entladung geregelt werden, was bedeutet, daß in dieser Phase der Leistungseintrag in die Entladung regelbar beeinflußt werden kann. Diese Regelbarkeit bleibt auch dann gegeben, wenn in erweiterten Grenzen die Steuerfrequenz der Wechselrichtung verändert wird, woraus sich der Vorzug der Veränderbarkeit der Arbeitsfrequenz unabhängig vom Leistungseintrag ergibt.

Damit der Strom in der dielektrisch behinderten Entladung innnerhalb einer Halbwelle konstant bleiben kann, muß die Spannung an der dielektrischen Barriere ansteigen. Abbild dieses Spannnungsanstieges an der Barriere stellt die dem geglätteten Gleichstrom zuzuordnende unipolare Spannung dar, welche dem gleichgerichteten Verlauf dieser Spannung weitgehend proportional ist. Wird nun innerhalb einer Halbwelle der Wechselspannung diese unipolare schwankende Spannung begrenzt, so kann die Spannung an der dielektrischen Barriere nicht mehr steigen und der Strom wird zu 0. Auf diese Weise ist es möglich, eine dritte Phase, die Stromabklingphase regelmäßig zu erzeugen und deren Dauer durch die Höhe der Begrenzungsspannung der schwankenden unipolaren Gleichspannung zu beeinflussen. Da sich die Höhe der erforderlichen Spannungsbegrenzung zur Gewährleistung einer definierten Stromabklingphase mit jedem Stromsollwert ändert und dies abhängig von der Kapazität der Barriere ist, ist es vorteilhaft, den Wert der Spannungsbegrenzung vom Integral des Stromes einer Halbwelle abhängig zu machen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert werden.

Dabei zeigen

Fig. 1: die Schaltungsanordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung,

Fig. 2: den Stromverlauf zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung,

Fig. 3: den Spannungsverlauf eingangs der Wechselrichterschaltung.

Gemäß Fig. 1-3 werden zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung 1 unter Verwendung einer Wechselrichterschaltung 2 und eines Transformators 3 zur Energieanpassung positive und negative Stromhalbwellen A variabel steuerbarer Frequenz an der Entladungsanordnung 4 wirksam, die aus einer Pulsstromphase B, einer Stromkonstantphase C und einer Stromabklingphase D bestehen.

Hierbei ist die Pulsstromphase B durch einen steilen Stromanstieg aus der entgegengesetzten Polarität oder von Null kommend und nachfolgendem Abfall auf einen Betrag größer Null oder einen Anfangswert der Folgephase charakterisiert. Sie wird hauptsächlich aus der Blindenergie der die Entladung behindernden Barriere 5, des die Entladung 1 einschließenden Volumens sowie angrenzender parasitärer kapazitiver Blindelemente gewonnen und durch weitere parasitäre induktive Bauelemente in Amplitude und Frequenz beeinflußt.

Die Amplitude der Stromkonstantphase C mit einem Wert im Betrag größer Null ist durch einen vermittels Wechselrichten transformatorisch proportional übertragenen, angepaßten, geregelten und induktiv geglätteten Gleichstrom 6 bestimmt. Der Betrag dieser Stromkonstantphase C kann daher auch weitgehend unabhängig von der Frequenz geregelt werden, wodurch ein gleichmäßiger Energieeintrag in das Plasma über einen langen Zeitbereich innerhalb jeder Stromhalbwelle gewährleistet werden kann. Durch die Regelung dieser Stromkonstantphase C mittel eines Gleichstromes 6 vereinfacht sich die Regelung und es verbessert sich die Prozeßstabilität.

Die Stromabklingphase D mit auf die Maximalzeit der Stromkonstantphase steuerbarer Länge kann innerhalb der Dauer der Stromkonstantphase C durch verschiedene Maßnahmen einzeln oder kombiniert beeinflußt werden. Zunächst ist die Stromabklingphase D durch zeitweise Spannungsbegrenzung der dem geglätteten Gleichstrom 6 zuzuordnenden, an sich unipolar variablen Wechselrichtereingangsspannung F bestimmt. Diese Spannung ist gleich der Potentialdifferenz der Knotenpunkte 7 und 8 und identisch mit der unipolaren Ausgangsspannung der Gleichstromquelle. Durch Begrenzen dieser Spannung auf einen Wert E wird erreicht, daß kein Stromanstieg an der Entladungsanordnung 4 mehr wirksam wird, was zur Folge hat, daß der Strom 9 durch die Entladungsanordnung 4 abklingt und zu Null wird.

Diese Wirkung kann auch bei veränderbarer Frequenz erreicht werden, wenn zum Beispiel die Spannungsbegrenzung 10 der unipolaren variablen Wechselrichtereingangsspannung F in ihrem Sollwert mit dem Integral des Stromes über die entsprechende Halbwelle des speisenden Wechselrichterstromes verglichen wird.

Zur Vermeidung von Überspannungen im Verlauf der Wechselrichtereingangsspannung F ist es notwendig, daß die Leitdauer der die positiven und der negativen Halbwelle steuernden leistungselektronischen Schaltelemente zusammen größer oder gleich der Periodendauer der steuerbar variablen Frequenz ist.

Eine Verlängerung der Leitdauer der die positive und der negative Halbwelle steuernden leistungselektronischen Schaltelemente innerhalb einer Periode des Stromes 9 durch die Entladungsanordnung 4 führt begrenzt ebenfalls zur Verlängerung der Stromabklingphase D. Um diese Eigenschaften auch in einem begrenzt erweiterten Frequenzbereich des Stromes durch die Entladungsanordnung 4 zu gewährleisten und die Proportionalität zwischen dem Gleichstrom 6 und der Amplitude der Stromkonstantphase C zu gewährleisten, ist es notwendig eine streuungsarme transformatorische Energieübertagung zu gewährleisten. Auf diese Weise kann wesentlich erreicht werden, daß die Pulsstromphase B klein gegenüber der Halbwellendauer A ist.

Die beschriebenen Eigenschaften werden schaltungstechnisch dadurch erzielt, daß eine geregelte Gleichstromquelle 11, eine Wechselrichterschaltung 2 und eine geregelte Spannungsbegrenzungsschaltung 10 an gemeinsamen Knotenpunkten parallel verbunden sind, wobei die geregelte Gleichstromquelle mindestens mit einer Strommessung und einem Strom- oder Leistungsregelkreis ausgestattet ist und ausgangsseitig im Leistungskreis eine Induktivität zur Stromglättung aufweist, deren Wert so bemessen ist, daß bei erfindungsgemäßer Nutzung ein Lücken des Stromes ausgeschlossen ist. Weitere erfindungsgemäße Merkmale bestehen darin, daß die Wechselrichterschaltung mindestens zwei unabhängig steuerbare ein und ausschaltbare leistungselektronische Schaltelemente 12 enthält und Schaltungszweige, in denen sich diese Ventilbauelemente befinden, in Sperrichtung eine Freilauffunktion aufweisen, die Wechselrichterschaltung im Wechselstromzweig 13 in Reihenschaltung an die Primärwicklung oder Primärwicklungen eines Transformators 3 zur Spannungs- und Impedanzanpassung angeschlossen ist und die Streureaktanz dieses Transformators vorzugsweise kleiner als 10% gegenüber der Hauptreaktanz ist sowie der Transformator sekundär an eine Entladungsanordnung 4 bestehend aus Plasmaentladungsschicht oder Plasmaentladungsvolumen 1 und dielektrisch behindernder Schicht oder dielektrisch behinderndem Volumen 5 angeschlossen ist.

Eine derartige Entladungsanordnung kann auch aus mehreren Elementen mit ähnlichen Eigenschaften wie die Gesamtentladungsanordnung aufgebaut sein. Darüber hinaus ist es wesentlich, daß bei Vorhandensein eines Gleichstromes 6 ausgangsseitig der Gleichstromquelle 11 die Ventilbauelemente derart gesteuert sind, daß mindestens immer ein Schaltungszweig der Wechselrichterschaltung 2 leitend geschaltet ist und die Steuerfrequenz der Wechselrichterschaltung variabel ist. Durch die Freilaufeigenschaften wird erreicht, daß die kapazitiv gespeicherte Energie der Entladungsanordnung in der folgenden Pulsstromphase entgegengesetzter Polarität durch einen Umschwingvorgang wirksam werden kann und nur in geringem Maße zu Verlusten führt. Eine in Grenzen variable Frequenz ermöglicht es, daß dieser Parameter für technologische Wirkungen unabhängig vom Leistungseintrag geregelt werden kann. Die untere Frequenz ist dabei von der Sättigungsgrenze des Transformatorkernmaterials bestimmt, die obere Grenze folgt der Bedingung, wonach die Steuerfrequenz kleiner als die der Dauer der der Strompulsphase zuzuordnenden Resonanzfrequenz sein soll. Es erweist sich hierbei als vorteilhaft, daß selbst bei Unterschreiten der unteren Arbeitsfrequenz und damit bei Sättigung des Transformatorkerns keine Schäden an der Schaltung zu erwarten sind, da die Gleichstromquelle dies verhindert.

Um während einer oder während jeder Stromhalbwelle A die Dauer der Stromkonstantphase C zu begrenzen und damit zum Beispiel gezielte Entionisierungserscheinungen zu erzielen, kann nun auf verschiedene Weise Einfluß auf dessen Dauer ausgeübt werden. So bewirkt die Begrenzung der unipolar variablen Ausgangsspannung der Gleichstromquelle mit Hilfe einer auf diese Spannung ausgerichteten Spannungsregelung durch die Spannungsbegrenzerschaltung 10 zwangsläufig das oben erläuterte Abklingen des Stromes in der Plasmaentladung. Bei veränderbarer Frequenz muß sich das erforderliche Niveau der Spannungsbegrenzung E verändern. Um diesen Einfluß zum implementieren ist es vorteilhaft, in einem oder jedem Ventilzweig der Wechselrichterschaltung einen Stromsensor 14 anzuordnen, deren Ausgangssignal vermittels Integrator 15 mit Rücksetzung nach jeder Stromhalbwelle über die entsprechende Stromhalbwelle integriert wird und damit als Maß für das erforderliche Vergleichsniveau der unipolar variablen Ausgangsspannung der Gleichstromquelle anzusehen ist, ab welchem die Spannungsbegrenzung wirksam werden soll. Bei hinreichend dynamischem Verhalten der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 besteht somit die Möglichkeit unterschiedliche Formen der Stromhalbwellen A zu erzielen. In begrenztem Umfang besteht darüber hinaus die Möglichkeit, durch erweitertes Überlappen der Leitdauerphasen der Wechselrichterzweige zu erreichen, daß die unipolar variablen Ausgangsspannung der Gleichstromquelle kurzgeschlossen wird und somit ein Abklingen des Stromes in der Plasmaentladung zu erreichen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung, bei der die energetische Versorgung der Entladung mittels einer Wechselrichterschaltung (2) und eines Transformators (3) zur Energieanpassung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Entladungsanordnung (4) positive und negative Stromhalbwellen (A) variabel steuerbarer Frequenz wirksam werden, die aus folgenden Phasen bestehen

• - Pulsstromphase (B) mit steilem Stromanstieg aus der entgegengesetzten Polarität oder von Null kommend und nachfolgendem Abfall auf einen Betrag größer Null oder einen Anfangswert der Folgephase,
• - Stromkonstantphase (C) mit einem Wert im Betrag größer Null,
• - Stromabklingphase (D) mit auf die Maximalzeit der Stromkonstantphase (C) steuerbarer Länge,

wobei

• - die Pulsstromphase (B) hauptsächlich aus der Blindenergie der die Entladung behindernden Barriere (5), des die Entladung einschließenden Volumens (1) sowie angrenzender parasitärer kapazitiver Blindelemente gewonnen und durch weitere parasitäre induktive Bauelemente in Amplitude und Frequenz beeinflußt wird,
• - die Amplitude der Stromkonstantphase (C) durch einen vermittels Wechselrichten transformatorisch proportional übertragenen, angepaßten, geregelten und induktiv geglätteten Gleichstrom (6) bestimmt wird,
• - die Dauer der zeitlich zwischen Null und maximal der Dauer der Stromkonstantphase (C) veränderbaren Stromabklingphase (D) durch zeitweise Spannungsbegrenzung auf einen Wert (E) der dem geglätteten Gleichstrom (6) zuzuordnenden, an sich unipolar variablen Wechselrichtereingangsspannung (F) bestimmt wird und/oder diese Wirkung durch Verlängern der positiven und/oder negativen Leitdauer der die positiven und negativen Halbwelle (A) jeweils steuernden leistungselektronischen Schaltelemente (12) über die Hälfte der Periodendauer hinaus bis maximal der Periodendauer der steuerbar variablen Frequenz der Schaltelemente des Wechselrichters (2) erzeugt wird und dadurch die Amplitude des Stromes gegen Null abklingt,
• - die positiven und negativen Halbwellen (A) durch Wechselrichten des Gleichstromes mit begrenzt variabler Frequenz erzeugt werden, wobei die Leitdauer der die positiven und der negativen Halbwelle steuernden leistungselektronischen Schaltelemente (12) zusammen größer oder gleich der Periodendauer der steuerbar variablen Frequenz ist,
• - und die Anpassung an die Impedanz der dielektrisch behinderten Entladung durch streuungsarme transformatorische Übertragung auf das die Entladung erfordernde Hochspannungsniveau erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Spannungsbegrenzung (E) der unipolaren variablen Wechselrichtereingangsspannung zur Beeinflussung der Stromabklingphase (D) in jeder Halbwelle aus dem Integral des Stromes über die entsprechende Halbwelle gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsstromphase (B) klein gegenüber der Halbwellendauer ist.

4. Anordnung zur Speisung einer dielektrisch behinderten Entladung, bei der

• - eine geregelte Gleichstromquelle (11), eine Wechselrichterschaltung (2) und eine geregelte Spannungsbegrenzungsschaltung (10) an gemeinsamen Knotenpunkten (7; 8) parallel verbunden sind, wobei die geregelte Gleichstromquelle (11) mindestens mit einer Strommessung und einem Strom- oder Leistungsregelkreis ausgestattet ist und ausgangsseitig im Leistungskreis eine Induktivität zur Stromglättung aufweist, deren Wert so bemessen ist, daß bei erfindungsgemäßer Nutzung ein Lücken des Stromes ausgeschlossen ist,
• - die Wechselrichterschaltung (2) mindestens zwei unabhängig steuerbare ein- und ausschaltbare leistungselektronische Schaltelemente (12) als Ventilbauelemente enthält und Schaltungszweige, in denen sich diese Ventilbauelemente befinden, in Sperrichtung eine Freilauffunktion aufweisen,
• - bei Vorhandensein eines Gleichstromes ausgangsseitig der Gleichstromquelle (11) die Ventilbauelemente derart gesteuert sind, daß mindestens immer ein Schaltungszweig der Wechselrichterschaltung (2) leitend geschaltet ist,
• - die Wechselrichterschaltung (2) im Wechselstromzweig in Reihenschaltung an die Primärwicklung oder Primärwicklungen eines Transformators (3) zur Spannungs- und Impedanzanpassung angeschlossen ist und die Streureaktanz dieses Transformators vorzugsweise kleiner als 10% gegenüber der Hauptreaktanz ist,
• - die Steuerfrequenz der Wechselrichterschaltung (2) variabel ist,
• - sowie der Transformator (3) sekundär an eine Entladungsanordnung (4) bestehend aus Plasmaentladungsschicht oder Plasmaentladungsvolumen (1) und dielektrisch behindernder Schicht oder dielektrisch behinderndem Volumen (5) angeschlossen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Istwert an die Spannungsbegrenzungsschaltung (10) geschaltet und eine Regelschaltung zur variablen Begrenzung der unipolaren variablen Ausgangsspannung der Gleichstromquelle vorhanden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz aus Streureaktanz, parasitären induktiven und kapazitiven Bauelementen im Wechselstromkreis des Wechselrichters (2) sowie der Kapazität in der Entladungsanordnung (4) größer ist als die Steuerfrequenz des Wechselrichters (2) ist.

7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Istwertaufnehmer für die Spannungsbegrenzungsschaltung an die Ausgangsklemmen der Gleichstromquelle (11) angeschlossen ist und/oder ein oder je Zweig ein Istwertaufnehmer des Stromes jeder Halbwelle eines Wechselrichterzweiges an einen Integrator (15) mit Rücksetzung nach jeder Stromhalbwelle angeschlossen ist, der sich in der Ventilstrombahn eines oder mehrerer Ventilbauelemente der Wechselrichterschaltung (2) befindet.

8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitdauer der die Stromhalbwellen (A) beeinflussenden Zweige der Wechselrichterschaltung (13) zusammen größer als die der Steuerfrequenz zuzuordnende Periodendauer ist und daß die Leitdauer der die Stromhalbwellen beeinflussenden Zweige der Wechselrichterschaltung variabel ist.