Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe W. Heering Optoelektronische Schaltungen 1 1 Dielektrisch behinderte Entladung (DBE) - Ersatzschaltbild Modell: I p (t) exponentiell abhängig von U g und t ! I p (t) = f(U g ,t) Xe, 100 – 300 mbar Dielektrika (Glas) Dielektrika (Glas) C diel C gap C diel Elektrode C gap (20 – 1000 pF) ~ A Lampe U g U a Elektrode
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Dielektrisch behinderte Entladung (DBE) - Ersatzschaltbild · Lichttechnisches Institut Universität Karlsruhe W. Heering Optoelektronische Schaltungen 11 Dielektrisch behinderte
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OptoelektronischeSchaltungen
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W. Heering OptoelektronischeSchaltungen44
Hochfrequenter AC-Sinusbetrieb [Kunze 1992]
AC
DC
Netz
DC L
N1/N2fVDC
DBECdiel
Cdiel
Cgap
1kV/div 20 mA/div10µs/div
Strom und Spannungsverläufe an einer
DBE bei sinusförmiger Anregung, f = 20 kHz
•Hochfrequenter AC-Sinus mit Serien-Parallel-Resonanzkreis mit Halb- oder Vollbrücke•Trafo passt an die notwendig hohe Lampenspannung an; Streuinduktivität - bei Resonanzbetrieb Teil der Drossel – muss hier nicht besonders klein ausfallen•Parallele Resonanzkapazität wird durch Lampenkapazität der DBE repräsentiert.•Spannungsfreie Schaltvorgänge (ZVS) durch Serienresonanz•Zerstörung des Vorschaltgerätes durch nicht angepasste Betriebsfrequenz an den Resonanzkreis aus L (+ Trafo-streuinduktivität) und individueller Lampenkapazität (Verletzung der ZVS-Bedingung)•Hoher elektr. Wirkungsgrad, kleiner Lampenwirkungsgrad
•Hochfrequenter AC-Sinus mit Serien-Parallel-Resonanzkreis mit Halb- oder Vollbrücke•Trafo passt an die notwendig hohe Lampenspannung an; Streuinduktivität - bei Resonanzbetrieb Teil der Drossel – muss hier nicht besonders klein ausfallen•Parallele Resonanzkapazität wird durch Lampenkapazität der DBE repräsentiert.•Spannungsfreie Schaltvorgänge (ZVS) durch Serienresonanz•Zerstörung des Vorschaltgerätes durch nicht angepasste Betriebsfrequenz an den Resonanzkreis aus L (+ Trafo-streuinduktivität) und individueller Lampenkapazität (Verletzung der ZVS-Bedingung)•Hoher elektr. Wirkungsgrad, kleiner Lampenwirkungsgrad
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Unipolares Pulsgerät
Vdbd [2kV/div]
Idbd [100mA/div]
Vgate [5V/div]
+ Sehr geringer Bauteile- und Steuerungsaufwand+ Geringe Verluste durch kleine Spannungs-
Zeitfläche am Trafo und verlustarme Rückspei-sung der Traforestenergie
- Guter Gerätewirkungsgrad erfordert optimale Anpassung an eine Lampe.
- Keine echte Potentialtrennung- Bislang kein diffuser DBE Betrieb mit hoher
Ausbeute möglich (dV/dt klein während der Entladung, unipolarer Betrieb).
Betrieb einer Planon 43W mit el. Wirkungsgrad von 88%; Vdbd < 4kV, f = 60kHz, tr ≈ 400ns, Pdbd ≈ 37,8WBetrieb einer Planon 43W mit el. Wirkungsgrad von 88%; Vdbd < 4kV, f = 60kHz, tr ≈ 400ns, Pdbd ≈ 37,8W
Nach Laden von C2 über L1 wird TR1 leitend geschaltet. C2 entlädt sich dann über Tr1. Die sich aufbauende Spannung über Cgap zündet die Gasstrecke. Nach Erlöschen der Entladung baut sich über der DBE eine Spannung auf, bis diese die Spannung über C1 gerade übertrifft; die restliche Trafoenergie wird über D3 – D5 nach C1 zurückgespeist.
Nach Laden von C2 über L1 wird TR1 leitend geschaltet. C2 entlädt sich dann über Tr1. Die sich aufbauende Spannung über Cgap zündet die Gasstrecke. Nach Erlöschen der Entladung baut sich über der DBE eine Spannung auf, bis diese die Spannung über C1 gerade übertrifft; die restliche Trafoenergie wird über D3 – D5 nach C1 zurückgespeist.
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Hochfrequenter AC-Rechteckbetrieb
AC
DC
Netz
DC
N1/N2fVDC
DBECdiel
Cdiel
Cgap
t [µs]
0 50 100 150 200
Spa
nnun
g [k
V]
-6
-4
-2
0
2
4
6
Die rechteckförmige Ausgangsspannung einer Halb- oder Vollbrücke wird hochtransformiert. Bei den üblichen kleinen Betriebsfrequenzen < 50 kHz muss der Trafo für ein großes Span-nungs-Zeitprodukt ausgelegt sein. Die notwendig hohe Windungszahl ergibt einen höheren Wickelwiderstand und eine hohe Streuinduktivität. Letztere führt in Verbindung mit der Trafowickel- und der DBE-Kapazität zu starken Schwingungen, die Blindströme und damit ohmsche Verluste in den Wicklungen erzeugen.Weitere Verluste und auch elektromagnetische Störungen werden durch das harte Schalten der Brückenhalbleiter verursacht. Kleinerer Spannungsanstieg, kleineres Tastverhältnis oder gar der Verzicht auf einen Trafo – möglich bei Plasma-Displays mit spannungsfesten MOSFET – mindern wesentlich die Verluste.
Vorteilhaft ist die rel. hohe Strahlungsausbeute.
Die rechteckförmige Ausgangsspannung einer Halb- oder Vollbrücke wird hochtransformiert. Bei den üblichen kleinen Betriebsfrequenzen < 50 kHz muss der Trafo für ein großes Span-nungs-Zeitprodukt ausgelegt sein. Die notwendig hohe Windungszahl ergibt einen höheren Wickelwiderstand und eine hohe Streuinduktivität. Letztere führt in Verbindung mit der Trafowickel- und der DBE-Kapazität zu starken Schwingungen, die Blindströme und damit ohmsche Verluste in den Wicklungen erzeugen.Weitere Verluste und auch elektromagnetische Störungen werden durch das harte Schalten der Brückenhalbleiter verursacht. Kleinerer Spannungsanstieg, kleineres Tastverhältnis oder gar der Verzicht auf einen Trafo – möglich bei Plasma-Displays mit spannungsfesten MOSFET – mindern wesentlich die Verluste.
Vorteilhaft ist die rel. hohe Strahlungsausbeute.
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Schaltungskonzept RPI (resonant pole inverter)
Vdbd [1kV/div]
Idbd [500mA/div]
+ Resonante Schaltentlastungermöglicht Lampenbetrieb bei hohen Frequenzen und damit eine hohe Leistungseinkopp-lung.
Ahigh
Bhigh
BlowA
low
VA
CB
LAB
VDC V
B
LA
ID B DIS E C
N2
N1
+
LB
CA
CGAP
2CD
2CD
CAB
1/2 VDC
1/2 VDC
RPI zur Erzeugung bipolarer Pulsspannungen mit ZVS-Schaltentlastung durch aktive Nutzung induktiver Energie (beim Ausschalten) zum pe-riodischen Umladen parasi-tärer Kapazitäten.
VA
VB
VAB
1. 2a. 3. 4. 5. 6a. 6b. 7. 8.2b.
T/2 T
ILA
ILB
ILAB
Blow
Bhigh
Ahigh
Alow
T/2.D T/2.D*0
tr
tr
tf
tf
+Hohe Anstiegsgeschwindig-keit der Spannung ermöglicht effizienten Betrieb der DBE
+Hohe Anstiegsgeschwindig-keit der Spannung ermöglicht effizienten Betrieb der DBE
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Adaptives EVG für DBE - Prinzip
Iload = 20A
Variable Flankensteilheit Gesteuerte Stromquelle
f = 30 – 80 kHzUDC = 150 – 300 V
Iload = 30A
UA
UDC
I
Für gleichen Spannungsanstieg und gleiche Zündspannung wird ein der DBE-Kapazität proportionaler Ladestrom be-nötigt!
Für gleichen Spannungsanstieg und gleiche Zündspannung wird ein der DBE-Kapazität proportionaler Ladestrom be-nötigt!
Unterschiedliche Ladeströme bewirken bei gleicher DBE-Kapazität unterschiedliche Spannungsanstiegszeiten!
Unterschiedliche Ladeströme bewirken bei gleicher DBE-Kapazität unterschiedliche Spannungsanstiegszeiten!
AII const U tC
= ⇒ = ⋅
••
•• ••
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OptoelektronischeSchaltungen
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ARCPI (auxiliary resonant commutated pole inverter) - Schaltung
MIL
Ohmsch – induktive Last
Drosselstrom dient zumresonanten Umladen derparasitären FET – Kapazitäten
UDC SS
Schaltentlastung, verwendet in der Umrichtertechnik: Schalter S wird nur zeitweise in den Kreis geschaltet, und zwar geschlossen kurz vor einem Umschaltvorgang. Erreicht der Drosselstrom die erforderliche Höhe, kann der gerade leitende FET ausgeschaltet werden. Die Umladung beginnt. S wird im Drossel-Stromnulldurchgang geöffnet.
Schaltentlastung, verwendet in der Umrichtertechnik: Schalter S wird nur zeitweise in den Kreis geschaltet, und zwar geschlossen kurz vor einem Umschaltvorgang. Erreicht der Drosselstrom die erforderliche Höhe, kann der gerade leitende FET ausgeschaltet werden. Die Umladung beginnt. S wird im Drossel-Stromnulldurchgang geöffnet.
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Bipolarer Pulsbetrieb einer DBE analog einem ARCPI
Drossel als Stromquelle zum Laden der DBE-Kapazitäten:Die Energie W= 1/2⋅L ⋅ I², die in der Drossel L gespeichert ist, wird verwandt, um die Spannung über der DBE (bei geöffnetem Schalter 4 bzw. 2) herauf- bzw. herunterzufahren. Indem die Ladezeit der Drossel verlängert wird – bei geschlossenen Schaltern 1 und 4 bzw. 3 und 2 -, wird die gespeicherte Energie angehoben und die Spannungsanstiegszeit (bis zum Zünden) verkürzt. Diese Eigenschaft befähigt das Pulsgerät sich an verschiedene DBE mit unterschied-lichen Kapazitäten anzupassen. Die Größe (Fläche) der Lampe, die damit betrieben werden kann, ist begrenzt durch die Spannungsanstiegszeit und dem Spitzenwert des Drosselstroms.
Drossel als Stromquelle zum Laden der DBE-Kapazitäten:Die Energie W= 1/2⋅L ⋅ I², die in der Drossel L gespeichert ist, wird verwandt, um die Spannung über der DBE (bei geöffnetem Schalter 4 bzw. 2) herauf- bzw. herunterzufahren. Indem die Ladezeit der Drossel verlängert wird – bei geschlossenen Schaltern 1 und 4 bzw. 3 und 2 -, wird die gespeicherte Energie angehoben und die Spannungsanstiegszeit (bis zum Zünden) verkürzt. Diese Eigenschaft befähigt das Pulsgerät sich an verschiedene DBE mit unterschied-lichen Kapazitäten anzupassen. Die Größe (Fläche) der Lampe, die damit betrieben werden kann, ist begrenzt durch die Spannungsanstiegszeit und dem Spitzenwert des Drosselstroms.
C L0dU I tcos( )dt ü C L C
≈⋅ ⋅
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Unipolarer Pulsbetrieb einer DBE mit Rückzündung
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
7,E-06 8,E-06 9,E-06 1,E-05 1,E-05 1,E-05 1,E-05
Zeit t [s]
Lam
pens
pann
ung
U [V
]
-2,5
-1,5
-0,5
0,5
1,5
2,5
3,5
4,5
Lam
pens
trom
I [A
]
Lampenspannung
Lampenstrom
UDCIL
1 : 10
DBE
CPlasma CWand
•DBE zündet beim Öffnen des unteren Schalters (FET) ein erstes Mal.•DBE zündet bei Kurzschließen der Lampe bei geladener dielektrischer Kapazität ein zweites Mal.•Vorteil: Die Energie für die Rückzündung ist in der Lampe gespeichert. → Rückzündung erfolgt ohne aktiven Umladevorgang der Speicherdrossel in anderer Richtung.•Die Rückzündung hat eine rel. hohe Strahlungsausbeute bei 172nm, wenn sie im Bereich 1µs bis 3µs nach der ersten Zündung stattfindet (Shuhai Liu).
•DBE zündet beim Öffnen des unteren Schalters (FET) ein erstes Mal.•DBE zündet bei Kurzschließen der Lampe bei geladener dielektrischer Kapazität ein zweites Mal.•Vorteil: Die Energie für die Rückzündung ist in der Lampe gespeichert. → Rückzündung erfolgt ohne aktiven Umladevorgang der Speicherdrossel in anderer Richtung.•Die Rückzündung hat eine rel. hohe Strahlungsausbeute bei 172nm, wenn sie im Bereich 1µs bis 3µs nach der ersten Zündung stattfindet (Shuhai Liu).
1212
Simulation (mit SIMPLORER) des Pulsbetriebs einer DBE
Ua
Ug
Ua
Ia
IgUg
LampeIa
IgBeachte den Unterschied zwischen inneren und äußeren el. Betriebsgrößen einer DBE!Beachte den Unterschied zwischen inneren und äußeren el. Betriebsgrößen einer DBE!
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1313
EMV-Problematik bei steilen Spannungsflanken
tr < 100 ns Resonanzen bis zu 20 MHz werden angeregt
• Layout sehr kritisch• Signaleinkopplung über LWL• Schirmung der Signalwege
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1414
Prinzipieller Aufbau
Umess
PCLabView
DSPTMX320 F 2812 (Teststadium)
LWL
EVG Lampe
ADC
RS232 Trafo
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OptoelektronischeSchaltungen
1515
Suche nach einer geeigneten Regelgröße
Problem :
|Ua,max| > 2 kV !
Keine Abtastung möglich !
Spannungsverlauf schwer erfassbar
tr ~ 100 ns !
Messung des maximalen Anstiegs max⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
dtdU
Lösung :tr
t
UadU/dt
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1616
Erfassen der Regelgröße
UaIc
Umess
Ua(t)Cmess
Ic(t)
dttdUCtI a
messc)()( =
Umess
Umess
tr
I / A
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1717
Regelbereich
Planon(C = 170pF)
200 100111125143167 91 83
0,70
0,90
1,10
1,30
1,50
1,70
tr / ns1/tr
Koax (C = 90pF)
Test (C = 25pF)
Zusammenhang in weitem Bereich linearisierbar !
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1818
Erreichte Wirkungsgrade
IDC
EVGUDC
PLANON® – VorschaltgerätPa = 37,8 W25,1 lm / W
Φ = 950 lmPDC = 43,0 W22,1 lm / W
Ua
IaUp
Ip
PDC = 60,5 W19,3 lm / W
Pa = 30,5 W38,3 lm / W
Φ = 1168 lmPp = 48,2 W24,2 lm / W
∆P = 12,3W
∆P = 17,7W
adaptives EVG(f = 40 kHz)
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OptoelektronischeSchaltungen
1919
Flankensteilheit und Leuchtdichte
Ua (1kV/div)
Ia (1A/div)
∆t = 100ns
Belichtungszeit
Belichtungszeit
Ua (1kV/div)
Ia (1A/div)
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OptoelektronischeSchaltungen
diffusdiffus
filamentiertfilamentiert
2020
Ausblick
• Erhöhung des Gerätewirkungsgrades
• Transformator als zentrales Element optimieren !
• Untersuchung des optimalen Betriebsbereichs
Hohe Effizienz und universeller Einsatz möglich !
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