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DE19821993A1 - Self-adjusting gas discharge supply device - Google Patents

Self-adjusting gas discharge supply device

Info

Publication number
DE19821993A1
DE19821993A1 DE19821993A DE19821993A DE19821993A1 DE 19821993 A1 DE19821993 A1 DE 19821993A1 DE 19821993 A DE19821993 A DE 19821993A DE 19821993 A DE19821993 A DE 19821993A DE 19821993 A1 DE19821993 A1 DE 19821993A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
plasma
pulses
signal
circuit
resonant circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE19821993A
Other languages
German (de)
Inventor
Stefan Seiwert
Juergen Dr Klein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE19821993A priority Critical patent/DE19821993A1/en
Publication of DE19821993A1 publication Critical patent/DE19821993A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
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    • H02M7/505—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/515—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
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    • H02M7/529—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with automatic control of output waveform or frequency by pulse width modulation using digital control
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Abstract

The device has an inductive energy source (Wx,TR) forming an oscillation circuit (1) with the gas discharge element (P), which is provided with individual supply pulses, with a feedback path (10,11,Ux) for providing a feedback signal (Ux) from the oscillation circuit. The feedback signal is used to provide a binary orientation signal (U1) determining the time sequence of the individual supply pulses, for ensuring a plasma condition within the gas discharge element.

Description

Das technische Gebiet der Erfindung ist eine Vorrichtung und mehrere Verfahren zum selbstgeführten Anpassen der Speisung einer Plasmaeinheit, die ein Plasma enthält (eine Gasentladung) und kapazitiv wirkt, mit einer induktiv wirkenden Energiequelle, insbesondere Spannungsquelle, so daß Plasma und Quelle einen Schwingkreis bilden.The technical field of the invention is a device and several methods for self-adjusting the feed a plasma unit that contains a plasma (a gas discharge) and acts capacitively, with an inductive energy source, especially voltage source, so that plasma and source one Form a resonant circuit.

Die DE 41 12 161 C2 (FhG) beschreibt einen Schaltgenerator, der den beschriebenen Schwingkreis (Plasma und Transformator als induktive Spannungsquelle) speist, wobei Bedingungen an den Einschalt- und Ausschaltzeitpunkt des oder der Leistungsschalter (vor dem Transformator) gestellt werden, welcher Schalter eine Gleichspannung an die Sekundärwicklung anlegt. Die DE 36 38 880 A1 erzeugt ein HF-induziertes Edelgasplasma über einen HF-Generator, wobei das Plasma gleichmäßig brennen soll und diese Gleichmäßigkeit auf einfache Weise erzeugt wird, namentlich durch den dauernd Energie zuführenden Generator, dessen Amplitude oder Frequenz (vgl. dort Spalte 10) von einem Meßfühler (dort 22, Fig. 9) an den Zustand des Plasmas selbsttätig angepaßt wird (vgl. dort Spalte 5, Zeile 25 bis 40, Zeilen 65 ff und Spalte 6, Zeile 32 bis 54)DE 41 12 161 C2 (FhG) describes a switching generator that the described resonant circuit (plasma and transformer as inductive voltage source), whereby conditions at the Switch-on and switch-off times of the circuit breaker or switches (in front of the transformer) which switch is one DC voltage is applied to the secondary winding. The DE 36 38 880 A1 generates an HF-induced noble gas plasma an HF generator, whereby the plasma should burn evenly and this uniformity is easily created namely by the continuously supplying generator, its amplitude or frequency (see column 10 there) by one Sensor (there 22, Fig. 9) of the state of the plasma is adjusted automatically (see column 5, lines 25 to 40, Lines 65 ff and column 6, lines 32 to 54)

Ausgehend von dem zuerst genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, Schaltsignale für die Leistungsschalter zu erzeugen, die eine selbsttätige Anpassung von pulsartig wiederkehrenden Speisungen an den Zustand des Plasmas ermöglichen, um das Plasma gezielt in seinem Zustand aufrecht zu erhalten (stabilisieren) oder das Plasma gezielt ändernd zu beeinflussen (intensivieren oder reduzieren), so daß einerseits die gepulste Leistungseinkopplung optimiert wird und andererseits eine Beschädigung der Speiseeinrichtung vermieden werden kann.Based on the first prior art, it is one Object of the invention, switching signals for the circuit breaker to generate an automatic adjustment of pulse-like recurring feeds to the state of the plasma allow to target the plasma upright in its state maintain (stabilize) or specifically change the plasma influence (intensify or reduce), so that on the one hand the pulsed power coupling is optimized and on the other hand, damage to the feed device is avoided can be.

Mit der Erfindung wird das dann erreicht, wenn pulsartig wiederkehrende Speisepakete den Schwingkreis und damit das Plasma zeitlich gesteuert erreichen bzw. ihrem Zeitpunkt und/oder ihrer Dauer gesteuert werden und auch gesteuert veränderbar sind (Anspruch 1, Anspruch 11, Anspruch 12). Die Amplitude oder die Frequenz braucht dabei nicht geändert zu werden. Ein Rückkopplungspfad ist vorgesehen, der ein Rückkopplungssignal aus dem Schwingkreis auskoppelt, um ein binäres Orientierungssignal zu bilden, von dem ausgehend die Paketsteuerung des Schwingkreises gesteuert erfolgt. Ziel der Steuerung ist die Veränderung (Anspruch 11) oder die Konstanthaltung (Anspruch 12) des Plasmazustandes.With the invention, this is achieved when pulse-like recurring food packages the resonant circuit and thus that Reach plasma time-controlled or their time  and / or their duration are controlled and also controlled are changeable (claim 1, claim 11, claim 12). The The amplitude or the frequency need not be changed will. A feedback path is provided, the one Feedback signal from the resonant circuit decouples to to form a binary orientation signal, from which the Packet control of the resonant circuit is controlled. goal of Control is change (claim 11) or Keeping the plasma state constant (claim 12).

Das Orientierungssignal kann mit seiner Vorderflanke den Speisepuls auslösen (Anspruch 2).The orientation signal can with the leading edge Trigger food pulse (claim 2).

Veränderungen der Vorderflanke führen zu einer Veränderung des Zeitpunktes des Einkoppelns des Speisepulses (Anspruch 3 erste Alternative), so daß eine gesteuerte Veränderung durch Veränderung der Vorderflanke möglich wird, die das Plasma beeinflußt; diese zeitliche Zuordnung wird meist zur Anwendung gelangen.Changes in the leading edge lead to a change in the Time of coupling the feed pulse (claim 3 first Alternative), so that a controlled change through Changing the leading edge becomes possible which is the plasma influenced; this time allocation is mostly used reach.

Wird die Länge (die Speisedauer) des Speisepulses verändert (Anspruch 3 zweite Alternative), so kann der Zustand des Plasmas ebenfalls verändert werden.The length (the duration of the feed) of the feed pulse is changed (Claim 3 second alternative), so the state of the plasma can also be changed.

Allgemein gesprochen wird also die "zeitliche Zuordnung" verändert (Anspruch 1, 3, 6, 16).Generally speaking, the "temporal assignment" is changed (claim 1, 3, 6, 16).

Wird eine Sperrstufe vorgesehen (Anspruch 5), mit der eine Wartezeit eingefügt wird, nachdem ein Speisepuls ausgelöst worden ist, so wird verhindert, daß ein zweiter, nachfolgender Speisepuls zu kurz nach dem ersten Speisepuls auf das Plasma einwirkt, womit eine weitere Veränderung des Zustandes des Plasmas möglich ist. Wird die Wartezeit gesteuert, so kann der Zustand des Plasmas angeregt oder gedämpft werden.If a barrier level is provided (claim 5) with which Waiting time is inserted after a food pulse is triggered has been prevented from preventing a second, subsequent one Food pulse too short after the first food pulse on the plasma acts, with which a further change of the state of the Plasma is possible. If the waiting time is controlled, the Condition of the plasma can be excited or damped.

Alle vorgenannten Veränderung können über spannungsgesteuerte Funktionsglieder erfolgen, so daß ein Spannungssignal ausreichend ist, um einen steuernden Eingriff auf den Zustand des Plasmas zu erhalten (Anspruch 6).All of the above changes can be done via voltage controlled Function elements are made so that a voltage signal is sufficient to control the state  to obtain the plasma (claim 6).

Das binäre Orientierungssignal wird über einen Komparator gewonnen, dem das aus dem Schwingkreis ausgekoppelte Signal (Rückkopplungs-Signal) zugeführt wird (Anspruch 7). So entsteht ein binäres Signal, das hinsichtlich seiner Flanken ausgewertet werden kann. Binäre Signale sind leichter digital zu verarbeiten, sie können leicht und determiniert verzögert und detektiert werden. Die Erfindung arbeitet bei der Verzögerung und bei der Detektion mit flankengesteuerten Gattern, z. B. können Monoflops eingesetzt werden, um Sperrzeit, Speisezeit und Verzögerung der Vorderflanke des Orientierungssignals zu erreichen.The binary orientation signal is sent through a comparator won, the the decoupled from the resonant circuit (Feedback signal) is supplied (claim 7). This is how it is created a binary signal that is evaluated for its edges can be. Binary signals are easier to digitally process, they can be easily and determinedly delayed and can be detected. The invention works on delay and in the detection with edge-controlled gates, e.g. B. , monoflops can be used to set off time, feeding time and Delay of the leading edge of the orientation signal to reach.

Eine analoge Verzögerung, als Tiefpaß, kann vor dem Komparator vorgesehen sein (Anspruch 8). Nach dem Komparator kann die Verzögerung digital erfolgen (Anspruch 8).An analog delay, as a low pass, can be in front of the comparator be provided (claim 8). After the comparator, the Delay take place digitally (claim 8).

Die einzelnen Speisepulse (Anspruch 15) werden von mindestens einem Leistungsschalter ausgelöst (Anspruch 10), der von dem Orientierungssignal über die vorgenannten gesteuerten Veränderungsmöglichkeiten gespeist wird. Statt eines einzelnen Schalters können auch zwei Leistungsschalter in Halbbrückenschaltung oder vier Leistungsschalter in Vollbrückenschaltung verwendet werden, die eine Primärwicklung eines Transformators speisen, dessen Sekundärwicklung das Plasma speist.The individual feed pulses (claim 15) are of at least a circuit breaker triggered (claim 10) by the Orientation signal via the aforementioned controlled Change opportunities are fed. Instead of one Switch can also have two circuit breakers in Half bridge circuit or four circuit breakers in Full bridge circuit can be used which is a primary winding feed a transformer, the secondary winding of which is the plasma feeds.

Die Verfahren (Anspruch 11 und 12) bringen zum Ausdruck, daß die Philosophie der Erfindung sowohl für die Aufrechterhaltung eines konstanten Zustandes des Plasmas verwendet werden kann, wie auch für die gesteuerte Veränderung dieses konstanten Zustandes, hin zu einem anderen konstanten Zustand des Plasmas, so beispielsweise das Anregen des Plasmas zu einer höheren Leistung oder das Dämpfen des Plasmas auf eine reduzierte Leistung. Damit können nicht nur äußere Einflüsse auf das Plasma ausgeregelt werden, sondern auch gesteuert vorgegeben werden, welchen Zustand das Plasma einnehmen soll. Mit der Erfindung wird sowohl der eine Aspekt, wie auch der andere Aspekt in den Vordergrund gestellt, besonders günstig können beide Aspekte, nicht zeitgleich, aber zeitlich nacheinander zusammenarbeiten, um den Zustand des Plasmas auf Dauer selbstgeführt zu überwachen, wie auch durch äußere Eingriffe zu neuen stationären Zuständen hin zu führen.The methods (claims 11 and 12) express that the Philosophy of the invention for both maintaining a constant state of the plasma can be used as well for the controlled change of this constant state to another constant state of the plasma, so for example, stimulating the plasma to perform better or steaming the plasma to a reduced power. In order to not only can external influences be regulated on the plasma be, but also controlled, which ones Condition the plasma should take. With the invention, both  one aspect as well as the other aspect in the foreground both aspects can be particularly favorable, not work together at the same time, but one after the other, to Monitor the condition of the plasma over the long term, such as also due to external interventions to new stationary conditions respectively.

Steuert man das Plasma hin zur Resonanzfrequenz, werden die periodischen Speisepulse so gewählt, daß sie in-phase (etwa 0°) mit der Schwingung des Resonanzkreises liegen, so erhält man eine optimale (maximale) Leistungseinkopplung. Wird die Leistung so eingekoppelt, daß sie phasenverschoben zum Verlauf des Resonanzsignales liegt, so wird die eingekoppelte Leistung reduziert und die Plasmaleistung herabgesetzt. Die veränderte Sperrzeit zwischen zwei Speisepulsen ermöglicht beispielsweise die Reduktion der Leistung ohne wesentliche plasmarelevante Parameter verstellen zu müssen.If you steer the plasma towards the resonance frequency, the periodic feed pulses selected so that they are in-phase (about 0 °) lie with the vibration of the resonance circuit, so you get an optimal (maximum) power coupling. Will the performance so coupled that they are out of phase with the course of the Resonance signal is, so the coupled power reduced and the plasma power reduced. The changed Locking time between two food pulses enables, for example the reduction in performance without significant plasma-relevant Need to adjust parameters.

Wechselnde Bedingungen im Schwingkreis werden so automatisch nachgeführt, bei wechselnder Frequenz der Resonanzschaltung reagiert die Schaltung adäquat. Die Frequenz der Speisepulse muß nicht gleich der Resonanzfrequenz sein, sondern die Vorrichtung zur Steuerung der Speisepulse kann so eingestellt werden, daß diese mit der Frequenz mitgeführt wird, aber leicht gegen die Resonanzfrequenz verstimmt sein kann.Changing conditions in the resonant circuit become automatic tracked, with changing frequency of the resonance circuit the circuit responds adequately. The frequency of the feed pulses must not be equal to the resonance frequency, but the device to control the feed pulses can be set so that this is carried with the frequency, but slightly against the Resonance frequency can be out of tune.

Die Vorrichtung und das Verfahren können Anwendung finden in Plasmaanlagen zur Lichtemission, zur Reinigung von Oberflächen (oder Gasen) und zum Abtragen oder Auftragen von Schichten oder chemischen Plasmareaktoren. Als Änderung des Plasmasystems (der Plasmaeinheit) können z. B. wechselnde Geometrien (bei Reinigungsanlagen), Änderungen der Füllung (in plasmaspektroskopisch arbeitenden Meßgeräten) oder Verschmutzung der Elektroden (bei Plasmareaktoren) oder Änderungen des elektrischen Arbeitspunktes (bei Gasentladungslasern) auftreten, die gemäß der Erfindung alle selbsttätig aufgefangen werden, weil sich die Vorrichtung selbsttätig den geänderten Verhältnissen anpaßt. The device and the method can be used in Plasma systems for light emission, for cleaning surfaces (or gases) and for removing or applying layers or chemical plasma reactors. As a change in the plasma system (the Plasma unit) can e.g. B. changing geometries (at Cleaning systems), changes in filling (in measuring devices working with plasma spectroscopy) or contamination the electrodes (for plasma reactors) or changes in the electrical operating point (with gas discharge lasers), which are all automatically collected according to the invention, because the device automatically changes Adapts to the circumstances.  

Die Anpassung erfolgt sofort und mit geringem Aufwand. Die elektrischen Verluste sind sehr gering und die in das Plasma eingekoppelte Leistung ist gesteuert beeinflußbar.The adjustment takes place immediately and with little effort. The electrical losses are very low and those in the plasma Coupled power can be influenced in a controlled manner.

Die Erfindung(en) werden nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.The invention (s) are described below with reference to several Exemplary embodiments explained and supplemented.

Fig. 1 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung mit einer induktiven Einspeisung TR mit Streuinduktivität Lx für eine kapazitiv wirkende Plasmageometrie P, die einen Schwingkreis 1 bilden. Fig. 1 is a block diagram illustrating a control circuit with an inductive feed TR with leakage inductance L x is a capacitively acting plasma geometry P, which form a resonant circuit 1.

Fig. 1a, 1b, 1c veranschaulichen drei Möglichkeiten der Auskopplung des Rückkopplungssignals ux (eines von ux', ux'', ux''' und ux*) aus dem Schwingkreis 1 mit induktiven, ohmschen und kapazitiven Auskoppelgliedern. Fig. 1a, 1b, 1c illustrate three ways of the out-coupling of the feedback signal u x (a u x ', u x' ', u x' '' and u x *) from the resonant circuit 1 with inductive, resistive and capacitive Auskoppelgliedern.

Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm, aus dem ersichtlich ist, wann Speisepulse 30, 31 in zeitlichem Bezug zu dem Schwingungssignal des Schwingkreises TR, P, Lx eingekoppelt werden. Ein Orientierungssignal 20 wird an einem Ausgang eines Komparators 11 abgegriffen und entspricht mit seinen Flanken den Nulldurchgängen der in ihrer Amplitude anklingenden und abklingenden Schwingkreisspannung us(t). FIG. 2 is a timing diagram from which it can be seen when feed pulses 30 , 31 are coupled in with respect to the time of the oscillation signal of the oscillation circuit TR, P, L x . An orientation signal 20 is tapped at an output of a comparator 11 and its edges correspond to the zero crossings of the resonant circuit voltage u s (t), which amplitude and decay.

Die Schaltung von Fig. 1 beruht auf einer Rückkopp­ lungs-Schleife, in der die Plasmageometrie P und der sie ansteuernde Hochfrequenztransformator TR die Frequenz gemäß der Schwingung us(t) von Fig. 2 vorgeben und bei dem ein dort abgegriffenes Signal ux durch einen Komparator 11 in ein binäres Signal u1(t) mit Pulsen 20 umgewandelt wird, das gegebenenfalls um T5 verzögert 12 über einen dualen Leistungsschalter S1 den Transformator TR ansteuert. Das binäre Signal orientiert die Ansteuerung des Schalters S1 an dem Schwingkreis ("Orientierungssignal"). The circuit of FIG. 1 is based on a feedback loop in which the plasma geometry P and the high-frequency transformer TR driving it specify the frequency in accordance with the oscillation u s (t) of FIG. 2 and in which a signal u x tapped there a comparator 11 is converted into a binary signal u 1 (t) with pulses 20 which, optionally delayed by T5 12, controls the transformer TR via a dual power switch S1. The binary signal orients the control of the switch S1 on the resonant circuit ("orientation signal").

Die Plasmageometrie P besteht im elektrischen Ersatzschaltbild im wesentlichen aus einer Kapazität. Sie bildet zusammen mit der (Streu-) oder (Haupt-)Induktivität Lx oder LH des Hochspannungstransformators TR einen Schwingkreis 1. Der Transformator wird primärseitig mit einem Leistungsschalter S1, S2 angesteuert, zum Beispiel in einer nach dem Stand der Technik bekannten Halbbrückenschaltung. Der während des Schließens des Leistungsschalters zur Energieeinspeisung in den Lastkreis 1 erzeugte Puls 30 wird fortan als "Leistungspuls" bezeichnet. Das duale Schaltprinzip ermöglicht es dabei die Verlustleistung gering zu halten.In the electrical equivalent circuit diagram, the plasma geometry P essentially consists of a capacitance. Together with the (stray) or (main) inductance L x or L H of the high-voltage transformer TR, it forms an oscillating circuit 1 . The transformer is controlled on the primary side by a circuit breaker S1, S2, for example in a half-bridge circuit known from the prior art. The pulse 30 generated during the closing of the circuit breaker for feeding energy into the load circuit 1 is henceforth referred to as the "power pulse". The dual switching principle enables the power loss to be kept low.

Nach Öffnen des Schalters S1, S2 kann das Resonanzsystem bestehend aus Transformator TR und Kapazität P frei schwingen. Der Verlauf der Schwingung wird durch einen Abgriff wx, Cx aufgenommen. Beispiele zeigen Fig. 1a, 1b, 1c. Ein Komparator 11 erzeugt daraus das binäre Signal. Daraus wird ein gegebenenfalls zeitverschobener und in seiner Länge am Monoflop 13 einstellbarer Puls T0 erzeugt, der den Leistungsschalter auf steuert. Wird der Schalter geöffnet kommt es wieder zu einem Anstoßen des Resonanzsystems durch den Leistungspuls 30, 31. Der Rückkopplungskreis ist geschlossen.After opening switch S1, S2, the resonance system consisting of transformer TR and capacitance P can oscillate freely. The course of the vibration is recorded by a tap w x , C x . Examples show Fig. 1a, 1b, 1c. A comparator 11 generates the binary signal therefrom. An optionally time-shifted pulse T 0, which can be adjusted in length on the monoflop 13 , is generated from this, which controls the circuit breaker to. If the switch is opened, the resonance system is triggered again by the power pulse 30 , 31 . The feedback loop is closed.

Wenn sich die Resonanzfrequenz verändert z. B. erniedrigt, so verschiebt sich der Nulldurchgang der Schwingung us(t) und der benötigte Leistungspuls 30, 31 wird entsprechend zum passenden späteren Zeitpunkt erzeugt. Umgekehrt bewirkt eine Erhöhung der Resonanzfrequenz eine entsprechend frühere Einkopplung der Leistung, jeweils "orientiert" sich die Ansteuerung am Orientierungssignal u1(t).If the resonance frequency changes z. B. lowered, the zero crossing of the oscillation u s (t) shifts and the required power pulse 30 , 31 is generated accordingly at the appropriate later time. Conversely, an increase in the resonance frequency results in a correspondingly earlier coupling in of the power, in each case the control is “oriented” at the orientation signal u 1 (t).

Der Abgriff für ux kann kapazitiv oder induktiv erfolgen. Die Fig. 1a bis 1c zeigen Beispiele für einen Abgriff, sie sind aber nicht einschränkend zu verstehen. Je nach Art des Abgriffs kann eine zusätzliche Zeitverschiebung vor einer Triggerung des Zeitgliedes 13 notwendig sein, um eine gewünschte Phasenlage zwischen Leistungspuls und Resonanzschwingung zu erreichen. The tap for u x can be capacitive or inductive. FIGS. 1a to 1c show examples of a tap, they are not restrictive. Depending on the type of tap, an additional time shift before triggering the timing element 13 may be necessary in order to achieve a desired phase position between the power pulse and the resonance oscillation.

Ein vor dem Komparator 11 eingesetzter Filter 10 dient zur Unterdrückung von Rauschen und Störungen und kann auch dazu genutzt werden die Phasenlage zu beeinflussen.A filter 10 inserted in front of the comparator 11 serves to suppress noise and interference and can also be used to influence the phase position.

Die in P eingekoppelte Leistung kann abgesehen von der Beeinflussung durch die Spannung am Leistungsschalter auf folgende verschiedenen Arten und Weisen eingestellt- und moduliert werden:
The power coupled into P can be set and modulated in the following different ways apart from the influence of the voltage at the circuit breaker:

  • (a) Erste Einflußmöglichkeit ist die Veränderung der Zeitdauer T0 des Leistungspulses 30.(a) The first possibility of influencing is the change in the time duration T 0 of the power pulse 30 .
  • (b) Zweite Möglichkeit ist das Einstellen der Phasenlage des Leistungspulses (Anfang t1, Ende t2), relativ zur Resonanzschwingung. Sie kann durch eine Zeitverzögerungsstrecke 12 eingestellt werden. Eine Verschiebung zum optimalen Resonanzfall bewirkt eine Anhebung der eingekoppelten Leistung. Ein optional in den Kreis eingeführter Filter kann ebenfalls die Phasenlage des Signales wie gewünscht beeinflussen.(b) The second possibility is to set the phase position of the power pulse (start t 1 , end t 2 ), relative to the resonance oscillation. It can be set by a time delay line 12 . A shift to the optimal resonance case causes an increase in the coupled power. An optional filter inserted in the circuit can also influence the phase of the signal as desired.
  • (c) Eine dritte Möglichkeit besteht in der Sperrung des Leistungspulses über eine wählbare Verriegelungszeit T6 mittels eines Verriegelungszeitgliedes 15. Dies ermöglicht beispielsweise die Reduktion der Leistung ohne wesentliche plasmarelevante Parameter verstellen zu müssen.(c) A third possibility is to block the power pulse over a selectable locking time T 6 by means of a locking timer 15 . This makes it possible, for example, to reduce the output without having to adjust essential plasma-relevant parameters.

Der Einfluß auf die Einstellglieder 12, 13, 15 erfolgt im Anführungsbeispiel spannungsgesteuert, was nicht ausschließt, daß sie in anderen Beispielen auf andere Weise erfolgt. Mit der Zeitverzögerung nach obiger Möglichkeit (b) läßt sich (direkt) die Leistung oder (indirekt) eine von der Leistung abhängige Größe, z. B. die Intensität der Plasmastrahlung, modulieren oder über einen Regelkreis gezielt zeitlich konstant halten.The influence on the setting elements 12 , 13 , 15 is voltage-controlled in the exemplary embodiment, which does not exclude that it takes place in a different way in other examples. With the time delay according to option (b) above, the power can be (directly) or (indirectly) a variable dependent on the power, e.g. B. modulate the intensity of the plasma radiation, or keep it constant in time over a control loop.

Die Fig. 2 veranschaulicht durch richtungsweisende Pfeile zwischen den vier untereinander angeordneten Zeitdiagrammen die logische Denkweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung. Ein solcher Orientierungsweg soll beschrieben werden, er wiederholt sich dann in der in Fig. 2 dargestellten zweiten Periode. FIG. 2 illustrates the logical way of thinking of the circuit shown in FIG. 1 by means of directional arrows between the four time diagrams arranged one below the other. Such an orientation path is to be described and is then repeated in the second period shown in FIG. 2.

Das Spannungssignal im Schwingkreis 1 wird über eine der in Fig. 1a, 1b oder 1c gezeigten Schaltungen abgegriffen, so daß ein Rückkopplungssignal ux entsteht. Das Rückkopplungssignal wird direkt oder indirekt dem Komparator 11 zugeführt und bildet das Orientierungssignal u1, das in dem zweiten Zeitdiagramm dargestellt ist. Es ist ein binäres Signal mit Pulsen 20, die sich an den positiven Halbwellen der Spannung us orientieren; eine Hysterese im Komparator 11 sorgt dafür, daß die Flanken nicht mehrdeutig werden. Die Vorderflanke, die im Beispiel mit dem Nulldurchgang der Spannung us(t) des ersten Diagramms übereinstimmt, ist als Flanke des Orientierungssignals u1(t) der Steuerung unterworfen, die aus den Blöcken 12, 13, 15 besteht und wahlweise Zeitverzögerung, Pulsformung und Sperrzeit einzeln oder in Kombination beinhaltet. Im dargestellten Beispiel ist keine Verzögerung wirksam, T5 ist also Null im Verzögerungsglied 12. Deshalb führt die Vorderflanke des Orientierungssignals u1 direkt zum Auslösen eines Leistungspulses 30 über die Schaltung 13, die mit der Vorderflanke des ersten Pulses 20 des Orientierungssignals u1 getriggert wird. Die Zeitdauer T0, die die Schaltung 13 als Pulsformer bereitstellt, ist kürzer als die Pulsbreite des Pulses 20 des Orientierungssignals, sie beträgt T0 im Beispiel, zwischen den Zeitpunkten t1 und t2. Letztere beiden Zeitpunkte symbolisieren den Beginn und das Ende des Leistungspulses 30, t1 liegt direkt im oder nahe beim Nulldurchgang der Wechselspannung des Schwingkreises 1, t2 liegt etwa im Maximum der Spannung. Danach tritt kein weiterer Leistungspuls mehr auf, auch wenn das Orientierungssignal weitere Rechtecke entsprechend den positiven Halbwellen der Schwingkreis-Spannung us(t) hat. Dafür sorgt ein langer Sperrpuls 40, der für die Dauer von T6, ab dem Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt C, die Pulse des Orientierungssignals sperrt.The voltage signal in the resonant circuit 1 is tapped via one of the circuits shown in FIG. 1a, 1b or 1c, so that a feedback signal u x is produced. The feedback signal is fed directly or indirectly to the comparator 11 and forms the orientation signal u 1 , which is shown in the second timing diagram. It is a binary signal with pulses 20 which are based on the positive half-waves of the voltage u s ; a hysteresis in the comparator 11 ensures that the edges are not ambiguous. The leading edge, which in the example corresponds to the zero crossing of the voltage u s (t) of the first diagram, is subjected to the control as the edge of the orientation signal u 1 (t), which consists of the blocks 12 , 13 , 15 and optionally time delay, pulse shaping and lockout time individually or in combination. In the example shown, no delay is effective, so T 5 is zero in delay element 12 . The leading edge of the orientation signal u 1 therefore leads directly to the triggering of a power pulse 30 via the circuit 13 , which is triggered by the leading edge of the first pulse 20 of the orientation signal u 1 . The time period T 0 , which the circuit 13 provides as a pulse shaper, is shorter than the pulse width of the pulse 20 of the orientation signal, it is T 0 in the example between the times t 1 and t 2 . The latter two times symbolize the beginning and the end of the power pulse 30 , t 1 lies directly in or near the zero crossing of the AC voltage of the resonant circuit 1 , t 2 lies approximately in the maximum of the voltage. Thereafter, no further power pulse occurs, even if the orientation signal has further squares corresponding to the positive half-waves of the resonant circuit voltage u s (t). This is ensured by a long blocking pulse 40 , which blocks the pulses of the orientation signal for the duration of T6, from time t 2 to time C.

Der Zeitpunkt C liegt kurz vor dem Zeitpunkt t3, nicht mehr als eine Periode des Orientierungssignals vor diesem Zeitpunkt t3, um eine ordnungsgemäße neue Einkopplung des nächsten Leistungspulses 31 mit der nächsten positiven Flanke bei t3 zu erreichen. Zwischen den Zeitpunkten D bis E wird Leistung mit einem Speisepuls erneut eingekoppelt, so daß die Schwingkreisspannung us(t) wieder ansteigt, um dann wieder im Zuge mehrerer Schwingungs-Vollwellen abzuklingen, bis der nächste Speisepuls - der nicht mehr in der Fig. 2 dargestellt ist - wieder einsetzt.The point in time C is just before the point in time t 3 , not more than one period of the orientation signal before this point in time t 3 , in order to achieve a correct new coupling of the next power pulse 31 with the next positive edge at t 3 . Between times D to E, power is coupled in again with a feed pulse, so that the resonant circuit voltage u s (t) rises again, and then decay again in the course of several full oscillation waves until the next feed pulse - which is no longer shown in FIG. 2 is shown - resumes.

Die im Beispiel beschriebenen drei Einflußmöglichkeiten, der Beginn des Speisepulses t1, die Dauer des Speisepulses T0 und die Zeitdauer T6 der Sperrung weiterer Speisepulse kann gemäß obigen Ziffern (a) bis (c) einzeln oder in Kombination zur Steuerung des Plasmazustandes herangezogen werden.The three influence options described in the example, the start of the feed pulse t 1 , the duration of the feed pulse T 0 and the time T6 of blocking further feed pulses can be used individually or in combination to control the plasma state in accordance with the above paragraphs (a) to (c).

Es versteht sich für den Fachmann aus den Blockschaltbildern der Fig. 1a, 1b und 1c, wie er sich über kapazitive Glieder Cx oder induktive Glieder wx oder einen (galvanisch gekoppelten) Differenzverstärker 20 ein am Schwingungssignal us(t) orientiertes Rückkopplungssignal ux beschafft, wobei das Rückkopplungssignal ux' kapazitiv gemessen wird (vgl. Fig. 1a), das Rückkopplungssignal ux'' galvanisch direkt über Differenzverstärker 20 (vgl. Fig. 1b) oder das Rückkopplungssignal ux* über eine Wicklung wx eines im Strompfad des Schwingkreises geschalteten Stromwandlers 22 in Form einer Stromwandler-Schaltung gewonnen wird (vgl. Fig. 1c). Das weiterhin noch genannte Signal ux''' wird auch induktiv durch eine zusätzliche Wicklung wx auf dem Spannungs-Transformator TR gewonnen (vgl. Fig. 1a), auf dem auch die Primärwicklung W1 und Sekundärwicklung W2 angeordnet sind.It is obvious to the skilled person from the block diagrams of Fig. 1a, 1b and 1c, as it extends over capacitive elements C x or inductive elements w x or (galvanically coupled) differential amplifier 20 a on the vibration signal u s (t) oriented feedback signal u x procured, the feedback signal u x 'being measured capacitively (see FIG. 1a), the feedback signal u x ''galvanically directly via differential amplifier 20 (see FIG. 1b) or the feedback signal u x * via a winding w x one current transformer 22 connected in the current path of the resonant circuit is obtained in the form of a current transformer circuit (cf. FIG. 1c). The signal u x ''', which is also mentioned, is also obtained inductively by an additional winding w x on the voltage transformer TR (cf. FIG. 1a), on which the primary winding W1 and secondary winding W2 are also arranged.

Claims (16)

1. Vorrichtung zum selbstgeführten Anpassen der Speisung einer kapazitiv wirkenden Plasmaeinheit (P) an den Plasmazustand in der Plasmaeinheit (P), bei welcher Vorrichtung
  • (a) eine induktive Energiequelle (WX, TR) mit der kapazitiv wirkenden Plasmaeinheit (P) einen Schwingkreis (1) bildet, der von der Energiequelle (TR, TR) mit einzelnen Speisepulsen (30, 31) wiederkehrend gespeist wird;
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • (b) ein Rückkopplungspfad (10, 11; ux) vorgesehen ist, der ein Rückkopplungssignal (ux) aus dem Schwingkreis (1) auskoppelt, um ein schwingkreis-geführtes binäres Orientierungssignal (u1) zu bilden und abhängig vom Orientierungssignal (u1) die zeitliche Zuordnung der einzelnen Speisepulse (30, 31) vorgegeben wird, um dem Schwingkreis (1) zur Speisung des Plasmas in der Plasmaeinheit (P) gesteuert Energie zuzuführen.
1. Device for self-adjusting the supply of a capacitively acting plasma unit (P) to the plasma state in the plasma unit (P), in which device
  • (a) an inductive energy source (WX, TR) with the capacitively acting plasma unit (P) forms an oscillating circuit ( 1 ) which is fed repeatedly by the energy source (TR, TR) with individual feed pulses ( 30 , 31 );
    characterized in that
  • (b) a feedback path ( 10 , 11 ; u x ) is provided, which couples out a feedback signal (u x ) from the resonant circuit ( 1 ) in order to form a resonant circuit-guided binary orientation signal (u 1 ) and depending on the orientation signal (u 1 ) the temporal assignment of the individual feed pulses ( 30 , 31 ) is predetermined in order to supply the resonant circuit ( 1 ) with controlled energy for feeding the plasma in the plasma unit (P).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem das Orientierungssignal (u1) mit seiner Vorderflanke die Vorderflanke (A, D) eines jeweiligen Speisepulses (30, 31) auslöst.2. Device according to claim 1, in which the orientation signal (u 1 ) triggers with its leading edge the leading edge (A, D) of a respective feed pulse ( 30 , 31 ). 3. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem im Rahmen der "zeitlichen Ordnung" ohne eine die Elemente des Lastkreises (WX, TR, P) ändernde Beeinflussung
  • - das Orientierungssignal (u1) gesteuert verzögerbar ist (12, T5), um mit seiner verzögerten Vorderflanke die Vorderflanke eines jeweiligen einzelnen Speisepulses auszulösen; und/oder
  • - die Dauer (T0) der jeweils einzelnen Speisepulse (30, 31) gesteuert veränderbar ist (13).
3. Device according to one of the preceding claims, in which within the "temporal order" without an influencing the elements of the load circuit (WX, TR, P)
  • - The orientation signal (u 1 ) can be delayed in a controlled manner ( 12 , T5) in order to trigger with its delayed leading edge the leading edge of a respective individual feed pulse; and or
  • - The duration (T 0 ) of the individual feed pulses ( 30 , 31 ) can be changed in a controlled manner ( 13 ).
4. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die zeitliche Zuordnung der wiederkehrenden Speisepulse (30, 31) zum Schwingkreissignal durch die Zeitpunkte (t1, t3) oder die Zeitdauer (T0) der Pulse gegeben ist.4. Device according to one of the preceding claims, in which the temporal assignment of the recurring feed pulses ( 30 , 31 ) to the resonant circuit signal is given by the times (t 1 , t 3 ) or the duration (T0) of the pulses. 5. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem eine Sperrstufe (15) vorgesehen ist, die nach einem erfolgten Speisepuls (30) eine Mindest-Wartezeit (40) auslöst, in der jeder weitere Speisepuls gesperrt ist, wobei insbesondere die Wartezeit (40) gesteuert veränderbar ist (T6).5. Device according to one of the preceding claims, in which a blocking stage ( 15 ) is provided which, after a feed pulse ( 30 ) has been triggered, triggers a minimum waiting time ( 40 ) during which each further feed pulse is blocked, the waiting time ( 40 ) can be changed under control (T6). 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die im Rahmen der zeitlichen Zuordnung liegenden Veränderungen (12, 13, 15) des Orientierungssignals (u1) über eine spannungsgesteuerte Führung erfolgt (dd(t), dt(t), dp(t)).6. Device according to one of claims 3 to 5, in which the changes ( 12 , 13 , 15 ) of the orientation signal (u 1 ) which are within the scope of the time assignment take place via a voltage-controlled guidance (d d (t), d t (t ), d p (t)). 7. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem das Rückkopplungssignal (ux) über einen Komparator (11), insbesondere mit Hysterese, geführt wird, der in dem Rückkopplungspfad (10, 11, 12, 13, 14) beinhaltet ist, um das Orientierungssignal (u1) zu bilden.7. Device according to one of the preceding claims, wherein the feedback signal (u x ) via a comparator ( 11 ), in particular with hysteresis, which is included in the feedback path ( 10 , 11 , 12 , 13 , 14 ) to form the orientation signal (u 1 ). 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei dem vor und/oder nach dem Komparator (11) eine Verzögerung (10, 12) vorgesehen ist.8. The device according to claim 7, wherein a delay ( 10 , 12 ) is provided before and / or after the comparator ( 11 ). 9. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Resonanzfrequenz, mit der die Plasmaeinheit (P) betrieben wird, von den Reaktanzen der Hochspannungsquelle (TR) und der Plasmaeinheit (P) als Schwingkreis (1) vorgegeben werden.9. Device according to one of the preceding claims, wherein the resonance frequency with which the plasma unit (P) is operated by the reactances of the high voltage source (TR) and the plasma unit (P) are predetermined as an oscillating circuit ( 1 ). 10. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die induktive Energiequelle (WX, TR) zumindest einen eigenständig schaltenden (ein/abschaltbaren) Leistungsschalter (S1, S2), insbesondere eine Halb- oder Vollbrückenschaltung (WX), beinhaltet. 10. Device according to one of the preceding claims, in which the inductive energy source (WX, TR) at least one independently switching (on / off) Circuit breaker (S1, S2), especially a half or Full bridge circuit (WX) included.   11. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem eine kapazitiv wirkende Plasmaeinheit (P) wiederkehrend, insbesondere periodisch, mit Energiepulsen (30, 31) gespeist wird, die in ihrer zeitlichen Lage gegenüber der Resonanzkreis-Schwingung von Plasma und induktiver Energiequelle (WX, TR; 1) gesteuert (dd, dt, dp) verändert werden (12, 13, 14), um den Zustand des Plasmas, wie Anregung oder Dämpfung, ändernd zu beeinflussen.11. A method for operating a device according to one of the preceding claims, in which a capacitively acting plasma unit (P) is fed repeatedly, in particular periodically, with energy pulses ( 30 , 31 ) which are in their position in time with respect to the resonant circuit oscillation of plasma and inductive energy source (WX, TR; 1 ) controlled (d d , d t , d p ) can be changed ( 12 , 13 , 14 ) in order to change the state of the plasma, such as excitation or damping. 12. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem eine kapazitiv wirkende Plasmaeinheit (P) wiederkehrend, insbesondere periodisch mit Energiepulsen (30, 31) gespeist wird, die in ihrer zeitlichen Lage gegenüber der Resonanzkreis-Schwingung von Plasma und induktiver Energiequelle (TR, WX; 1) gesteuert (dd, dt, dp) verändert werden, um den Zustand des Plasmas selbsttätig weitgehend konstant zu halten (Stabilisierung, Arbeitspunkteinstellung, Anpassung an Geometrieänderung, Füllungsänderung, Elektrodenverschmutzung).12. A method of operating a device according to one of claims 1 to 10, in which a capacitively acting plasma unit (P) is fed recurrently, in particular periodically, with energy pulses ( 30 , 31 ) which are in their position in time with respect to the resonant circuit oscillation of plasma and the inductive energy source (TR, WX; 1 ) can be controlled (d d , d t , d p ) in order to automatically keep the state of the plasma largely constant (stabilization, operating point setting, adaptation to geometry changes, filling changes, electrode contamination). 13. Verfahren nach einem der obigen Verfahrensansprüche, bei dem die wiederkehrenden Energiepulse keine feste Periodendauer haben.13. The method according to one of the above claims, to whom the recurring energy pulses are not fixed Have period duration. 14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Speisepulse (30, 31) als Spannungs- oder Strompulse zur Plasmaeinheit (P) gekoppelt werden.14. The method according to any one of the preceding claims, in which the feed pulses ( 30 , 31 ) are coupled as voltage or current pulses to the plasma unit (P). 15. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die wiederkehrende Speisung des Schwingkreises durch einzelne von der Energiequelle abgebbare Speisepulse (30, 31) erfolgt, die einen mittleren zeitlichen Abstand haben, der einem Mehrfachen der Periodendauer der Resonanzfrequenz entspricht.15. The apparatus of claim 1 or the method of claim 11 or 12, wherein the recurrent supply of the resonant circuit is carried out by individual supply pulses ( 30 , 31 ) which can be emitted by the energy source and which have an average time interval which corresponds to a multiple of the period of the resonance frequency. 16. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das schwingkreisgeführte binäre Signal gesteuert verzögerbar oder in der Dauer zumindest eines seiner binären Zustände gesteuert veränderbar ist.16. The apparatus of claim 1 or the method of claim 11 or 12, the oscillating circuit-guided binary signal controlled delayed or in the duration of at least one its binary states can be changed in a controlled manner.
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