Dielektrisch behinderte Entladung (DBE) - Ersatzschaltbild · Lichttechnisches Institut...

Lichttechnisches InstitutUniversität Karlsruhe

W. Heering OptoelektronischeSchaltungen11

Dielektrisch behinderte Entladung (DBE) - Ersatzschaltbild

Modell: Ip(t) exponentiell abhängig von Ug und t !

Dielektrika

Ip(t) = f(Ug,t)Xe, 100 – 300 mbar

Dielektrika (Glas)

Dielektrika (Glas)Cdiel

Cgap

Cdiel

Elektrode

Cgap (20 – 1000 pF) ~ ALampeUg Ua

Elektrode



Strom-Spannungsverläufe an einer DBE

500 V/div 4 mA/div 500 ns/divStrom-Spannungs-Charakteristik der DBE (HeXe, ca. 800 mbar)

500 V/div 4 mA/div 500 ns/divStrom-Spannungs-Charakteristik der DBE (HeXe, ca. 800 mbar)

IDBE

Vgap

VDBEBetriebsspannungen oberhalb von Kilovolt

Impedanz ohmsch-kapazitiv und zeitlich veränderlich

Wegen der dielektrischen Barriere(n) nur Betrieb an hochfrequenten Wechsel-spannungen; Leistungseinkopplung nur in Phasen mit dU/dt ≠ 0

Betriebsfrequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz

Dauer einer Mikroentladung ≤ 1 µs; pulsartiger Stromverlauf

Leistungsfaktor der DBE < 0,5

Betriebsspannungen oberhalb von Kilovolt

Impedanz ohmsch-kapazitiv und zeitlich veränderlich

Wegen der dielektrischen Barriere(n) nur Betrieb an hochfrequenten Wechsel-spannungen; Leistungseinkopplung nur in Phasen mit dU/dt ≠ 0

Betriebsfrequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz

Dauer einer Mikroentladung ≤ 1 µs; pulsartiger Stromverlauf

Leistungsfaktor der DBE < 0,5

33

Betriebsarten der DBE

Unipolar gepulst

U(t)

I(t)

• Optischer ηopt größer als bei Sinusanregung

- U.U. homogene Entladung- Individuelle Lastanpassung + Einfaches

Schaltungsprinzip + Mittlerer Gerätewirkungsgrad

(ηel ≈ 65 – 85 %)

- Niedriger optischer ηopt

- Filamentierte Entladung (Einzelzündungen)

- Individuelle Lastanpassung + Einfaches

Schaltungsprinzip + Hoher Gerätewirkungsgrad

(ηel > 90 %)

Sinus

U(t)

I(t)

Rechteck

U(t)

I(t)

+ Hoher optischer ηopt

+ U.U. homogene Entladung+ Selbstadaption möglich- Höherer Schaltungsaufwand- Gerätewirkungsgrad

schlechter

W. Heering Lichttechnisches InstitutUniversität Karlsruhe

OptoelektronischeSchaltungen



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



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.



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.



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

88

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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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.





Bipolarer Pulsbetrieb einer DBE analog einem ARCPI

Frequenz - f= 20 kHz - 100 kHzAn- Abfallzeit - tr / tf = 90 ns - 500 nsTastverhältnis - DC= 30 % - 70 %Max. Lampenspannung - UL≤ 4 kV

Frequenz - f= 20 kHz - 100 kHzAn- Abfallzeit - tr / tf = 90 ns - 500 nsTastverhältnis - DC= 30 % - 70 %Max. Lampenspannung - UL≤ 4 kV

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

≈⋅ ⋅



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!



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



1414

Prinzipieller Aufbau

Umess

PCLabView

DSPTMX320 F 2812 (Teststadium)

LWL

EVG Lampe

ADC

RS232 Trafo



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



1616

Erfassen der Regelgröße

UaIc

Umess

Ua(t)Cmess

Ic(t)

dttdUCtI a

messc)()( =

Umess

Umess

tr

I / A



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 !



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)



1919

Flankensteilheit und Leuchtdichte

Ua (1kV/div)

Ia (1A/div)

∆t = 100ns

Belichtungszeit

Belichtungszeit

Ua (1kV/div)

Ia (1A/div)



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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