IPM - International Perforation Management

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copyright Werner Grosse
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Micro Cluster Patent Technologies


MLL-1 micro laser line perforation real alternative for galvanometer scanner, cluster micro technology for hole pattern, perforation design, waves, zigzag or packages lines, cryptograms, company logos, holograms, anti counterfeiting, security paper, safety, bank note, metal sticker, printing, laminating, coating, credit cards, transparent films, holographic paper, cigarette, tipping, filter, aluminum foils, shrinkable films, tear tapes, labels, cardboards, bar or matrix codes, marking, scribing, jewelry, automotive, pharmacy, golf, smoking, chemical or medical product, electronics part, indicators, porosity contours or profiles, embossing, bioengineering, membrane, filtration, focus, holographic, hinge-lid, pack, hole, porous, hole, line, micron. Patent pending for process, device, product property DE102004012081.


LPM-1 micro laser perforation at wide web, large area, surface or whole material cluster treatment, cutting, welding, drilling, ablation, cleaning, melding, high power dual rotation laser beam splitter, twin multiplexer level, 4/6KW optical input, flexible hollow fibers, 200 output channels, Co2, Yag, Excimer, UV, emission. Material treatment and robotic handling for stainless steel, ceramic, aluminum, wafer, gold, glass, silver, brass, copper, titanium, diamonds, jewelry, silicon, solar, panel, photovoltaic, micromachining, slitting, rewinding, refining machines or stand along systems. Patent grand for process and device DE102004001327.


Nano Micro perforation or other material including surface treatment, electrostatic nano micro cluster perforation for cigarette, tipping, filter, packaging, plug wrap, Kraft, cement sack, bag, fine and other paper, silicon or other coatings, certain plastic films, laminates, porosity from 80 up to 2500 Coresta Units, from 20 down to 6 Gurley, hole sizes from 50 nm up to 100 microns, hole densities from 80-260 h/cm2, zone widths from 2.0-6.0 mm, up to 16,000,000 holes per Second, web speeds up to 500 m/min, web widths up to 2000 mm. Patent grand DE10328937.


Twin AC/AC, AC/DC frequency shift converter high power, high frequency, high voltage, ultra short mega peak current, electro static nano or micro cluster perforation, ignition, sparking, arc, cigarette, tipping, filter, fine, packaging, paper, plug-wrap, sack, bag, Kraft, food, plastic film, foil, textile, fabrics or other products, switching converter, compressor, emergency, train, ship or vessel power supply, generator, fuel cell, upward, downward, frequency shift switching unit, gas, slab, laser, diode, stack, fiber, beam, material, hybrid, plug-in, car, battery, lithium, Ion, renewable, energy, wind, solar, panel, technology, recycling, medical equipment, membrane filtration, robotic, photovoltaic, industrial automation, drives, IGBT, MOSFET, tube, rf, hv. Patent grand for process and device DE10328937.


Optical online OPSS-1 porovision scanning control system permeability cluster control for electrostatic or laser micro perforation machines, multiple color sensor head, spectral intensity, DSP, FPGA, CCD, line, precise, laser, position, material finger print detection, VIS wave length, opacity, defects, inspection, image control, scanner systems, process software, line, camera, vision control, filter, tipping, cigarette, book, packaging, magazine, bible, wall, Kraft, paper, carton, coffee, tea, food, co-extrusion foils, films, agriculture, cement, domestic or other moving fabrics or web material. Patent pending for process and device DE10251610. China patent grand 200310104764.


Optical dyne or surface tension control ODSTM-1 at fast moving substrates, plastic, films, foils, tear tape, laminate, co-extrusion, BOPP, LLDPE, PE, PP, PVC, MOV, MOH, FEP, PET, OPP, PTFE, MPET, online, spectral, extinction, monolithic, sensor, analyzing, measurement, wave length, Raman, stray, beaming, water drop, angle, inspection, corona, plasma jet, laser, IR, NIR, scanning, wobbling, stray light, spectrometer, etc. Previous patent application DE19542289.


Patent references























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IGBT dual high power, high frequency, high voltage switching converter


Patent granted DE10328937



On a high level operate engineering company develops a dual, high power, high frequency switching unit which works with hybrid drives, compact EMI safe semiconductor stages, supporting capacitors, high voltage ferrite transformers to generate HV short pulses and sparking groups. Advantages are based on uses of standard circuits with extended semiconductors for e.g. nano, sub or micro perforation applications, corona treatments etc.





Working principle

Industry application of electrostatic perforation for fast running paper webs using IGBT, MOSFET or HVFET semiconductor power stages. These circuits working as upward converters with power pulses in ranges from 5 µS up to 25 µS and high current peaks up to 300 Amps on a serial connected inductivity and loading capacity that the secondary ferrite transformer coils supply sparking electrodes up to 50 KVss.



The circuit works itself with alternating clock frequencies and changes of pulse widths a common load condenser and coupled primary inductance of a ferrite high voltage transformer as upward power/pulse converter and non resonance frequency operation.


A safety circuit logic and two hybrid drivers allows a alternately switching of semiconductor A and B which generating higher operation frequencies and power levels meanwhile the electrical and thermal conditions remains on each in the same range as a single switching unit.


Circuit advantages

A controlled pulse timing into a certain time window with a constant or variable frequency generating hole sizes and hole sequences with high voltage sparking through the material webs by nano or micro perforation. The repeating frequencies of the entire circuit can up to the double switching frequency as of each semiconductor stage.

A changeable current in the spark channel are feasible with total switching frequencies up to 150 kHz. And in the same time the dual semiconductor switching unit allows a double power level as just only with one switching element is possible.


Dual IGBT, HVFETS or MOSFETS semiconductors in high power, high current, high voltage circuits obtain in electrostatic nano, sub micro perforation, corona treatment or other switching application frequencies up to 250 KHz, power levels up to 30 KW and more. Higher power efficiencies and harder switching periods are further advantages.

In conclusion the approximately double frequency and power level operation obtains higher switching efficiencies, much more perforation power or higher corona treatment levels which are depend of the industry application.


Nano Sub Micro Perforation

Perforation results are now achieve for nano, sub and micro perforation of flexible webs with ultra small pores and products made of these materials. Materials finishing are of interest for numerous demands in the field of packaging, in filling, non wovens industry, technical and science applications, etc. For many years fine and other paper webs with base weights between 20 up to 150 g/sqm have been perforated electro statically in large surface all over areas or zone designs of 2.0 – 6.0 mm width.



Pore sizes from 0.5 µm - 60 µm or 1 to 100 microns, pore distributions of up to 4 Million per sqm in area perforation or respectively 3OO holes per sqcm by zone perforation and hole sequences up to 16 Million per Second can be reached. Air permeabilities or porosity ranges are among from 50 up to 2,500 C.U. (ml/sqcm/min) respectively 3 to 50 l/sqm/sec. (Franksystem ) by paper web speeds up to 450 m/min and web widths up to 1200 mm are archive able.




Application fields

Electrostatic perforation processes and machines, corona treatment, surface treatment, high power switching devices, power supplies, AC&DC and other switching converter systems, drives, etc.


Fine paper, cigarette, packaging or other fine paper industries, corona system manufacture, switching device manufacture, high-power converter equipment, AC/DC, DC/AC industry etc.


The new dual semiconductor circuit design allows applications to build hybrid drives, semiconductor high-level stage, upward, downward or other converters or generators which operating with supporting capacitors, high-voltage ferrite transformers in an extremely compact and modular design. Several advantages are the high efficiency of pulse/power transmission and energy ratios.


Traditional corona or other type of medium generators up to 30 KHz operation ranges are easy to modify to a double frequency and power levels operation.



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Patentinhalt - DE10328937 - copyright Mr. Werner Grosse


Verfahren und Vorrichtung einer dualen Hochleistungsschaltung zur elektrostatischen Perforation


Die  Erfindung beschreibt ein Verfahren und dazu gehörende Vorrichtung einer dualen Hochleistungs-Halbleiterschaltung zur elektrostatischen Perforation für laufende Bahnmaterialien,  wobei  die Perforation in Form von Zonen, Spuren, Lochreihen, Feldern mit unterschiedlichen Größen und Positionen oder Perforationsbereiche, die im wesentlichen parallel zur Transportrichtung der Bahn angeordnet sind.


Unter bewegtem Bahnmaterial sind im Zusammenhang der Erfindung insbesondere Papier- oder anderweitig veredelte Bahnen zu verstehen, wie z.B. Zigaretten-, Mundstückbelag- und  Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte Plug-Wraps, Sicherheitspapiere, holografisch bedruckte, foliengepresste, beschichtete Papier- oder Verpackungsbahnen die zumindest im Bereich der unterschiedlichen Perforationen ein gewisses Maß an Gas- oder Wasserdurchlässigkeit aufweisen. Diese Bahnen werden als Rollen im Breitbahnformat oder als Schmalrollen, den so genannten Bobienen, aufgerollt und weiterverarbeitet.  


Die elektrostatische Perforation generiert durch kurze Hochspannungsimpulse und Funkenentladungen in die im engen Elektrodenspalt, von z.B. 1.5 mm, durchlaufende Materialbahn statistisch unregelmäßig oder auch regelmäßig verteilte Löcher oder Lochreihen im Durchmesserbereich von 5 - 250 mm, wobei die Lochdurchmesser durch Änderung der Materialeigenschaften beeinflusst, bis zu 20 % schwanken können.


Die mit dem menschlichen Auge nicht sichtbare Mikroperforation, wird zur Ventilation, Atmungsaktivierung, Luftauslass oder zur Flüssigkeitsfiltration der Materialbahn benötigt, dies z.B. für den Luftbypass im Filter der Filterzigaretten, der Gasdurchlässigkeit für Hygiene- sowie Medizinprodukte und dergleichen mehr. Die Perforationen können hierbei flächen-, zonen- wie auch linienförmig und in frei wählbaren Abständen innerhalb der Bahnen verteilt sein. Flächenperforationen erlauben Lochdichten bis zu 4 Millionen Poren pro m2 und Zonenanordnungen mit Breiten von 2 - 6 mm können bis zu 300 Poren pro cm2 erzeugen, ohne dass Beeinträchtigungen der Materialbahn auftreten.


Mit den Halbleiterschaltungen für elektrostatische Perforationsprozesse müssen die Entladungsenergien der Funkenstrecken im Bereich von 0.2 – 3.5 mJ bei Wiederholungsfrequenzen von 500 - 10.000 Hz exakt steuerbar sein, um ein optimales Lochbild zur gewünschten Lochgröße, Lochdichte und Porosität durch die elektrische Energiezufuhr zu erhalten und im weiteren einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad zur Perforationsleistung, hier der Porositätsgrad zur Bahngeschwindigkeit, zu erzielen.

Ohne im weiteren auf grundlegende physikalisch-elektrische Details und Erklärungen zur elektrostatischen Perforation einzugehen, wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung auf die Patenschrift – Vorrichtung einer modularen Schaltungs- und Übertragungseinheit für die elektrostatische Perforation DE 197.08.311 C1 – verwiesen. In deren Einleitung sind auch die für die Erfindung zutreffenden elektrischen Verhältnisse umfassend erläutert.


Durch die ständig steigenden Anforderungen der Perforationsleistungen und Perforationsqualitäten für MEGA-POWER oder andere Breitbahn-Perforationsanlagen und Bobienen-Schmalbahnanlagen, mit Porositäten bis zu 4000 C.U. und bei Bahngeschwindigkeiten von beispielsweise 280 m/min für Porositäten von 600 C.U., sind mit den bestehenden Schaltungskonzepten, welche mit jeweils einem IGBT oder MOSFET Halbleiter pro Perforationskanal arbeiten, technologische Grenzen gesetzt, und in keiner Weise mehr erfüllbar.

Die Parallelschaltung von Halbleitern ist aufgrund der Schaltungstopologie mit dem Leerlauf und Kurzschluss betriebenen Hochspannungs-Ferrittransformator nicht einfach und nur mit MOSFET’s zu lösen. Bei den derzeitigen Perforationsschaltungen als Aufwärtswandler sind die Perforationsfrequenzen, welche die Funkenwiderholungsrate bestimmen, bei ca. 6000 Hz limitiert.


Exotische Röhrenschaltungen sind bis zu Arbeitsfrequenzen von 150 KHz und Wiederholungsraten der Impulspakete bis 3500 Hz existent, die jedoch eine Reihe von Nachteilen aufweisen, wie z.B. starke Kathodenemissionsverluste mit erheblicher Reduktion der Lebensdauer durch exorbitante Spitzenströme, hohe Anodenspannungen mit den Koaxialkabeln auf der Primär-Trafoseite mit Spitzenspannungen bis 20 KVss und geringem Schaltungswirkungsgrad von z.B. 40 %.


Es ist allgemein bekannt, dass mit erhöhter Funkenfrequenz von z.B. 4000 Hz, die Besatzbildung an den Elektrodenstiften exorbitant zu nimmt, was zu einem völlig inakzeptabeln Produktionszustand mit Bahntangierungen, Schleifspuren oder Bahnabrissen führt. Wenn es allerdings gelingt, die Besatzrückstände durch elektrische Umladungskräfte moderat abzusprengen, ist es möglich, Funkenfrequenzen bis zu 10.000 Hz praktisch zu realisieren.

Dies wiederum ist nur möglich bei optimierter Kühlluftforcierung und Führung an den bis zu 16 Elektrodenstiften und spezieller Elektrodenkonstruktion, um die extrem erhöhten Wärmemengen in die Umgebung abzuführen. So dass unter diesem Aspekt der physikalischen Auswirkungen neuen Lösung zu suchen sind.


Zur Definition der Perforationsleistung wird für die eingangs genannten Materialbahnen und Applikationen – meist für eine Zonenbreite von 4 mm oder durchgehende Perforationsfelder von 26 mm Breite - folgende Formel benutzt :


Perforationsleistung = Bahngeschwindigkeit ( in m/min ) * Porosität ( C.U. in ml/min/2cm2 oder andere Einheiten )

Danach wird die Perforationsleistung in der physikalischen Größe in m/min*C.U. ausgewiesen.


Hierzu zwei praktische Beispiele nach dem Stand der Technik :


A : Porosität = 200 C.U., Bahngeschwindigkeit = 230 m/min

     Perforationsleistung = 200 m/min * 200 C.U. = 46.000 m/min * C.U.

     bei zwei kaskadierten Perforationseinheiten mit Doppel-Breit-Bahndurchlauf


B : Porosität = 400 C.U., Bahngeschwindigkeit = 155 m/min

     Perforationsleistung = 155 m/min * 400 C.U. = 62.000 m/min * C.U.

     bei drei kaskadierten Perforationseinheiten mit Einfach Bobienen Bahndurchlauf


Es ist danach leicht einzusehen, dass bei höheren Porositäten von z.B. 600 C.U. oder 1500 C.U. und mehr, nach dem derzeitigen Stand der Technik betriebene, elektrostatische Perforationsanlagen praktisch nicht einsetzbar sind, da sich die Bahngeschwindigkeit, nach dem vorhergehenden Beispiel, auf 76 m/min bei 600 C.U. oder gar 30 m/min bei 1500 C.U. reduzieren würde.


Auch durch die Kaskade von nicht sehr leistungsfähigen Einzel-Perforationseinheiten und/oder Doppelbahndurchläufen lässt sich die Gesamtperforationsleistung nicht deutlich und beliebig weiter erhöhen, da die vorhandenen Perforationslöcher durch Mehrfachperforation aufgeweitet werden, und nicht im gleichem Maße neue Löcher entstehen, die einen linearen Zuwachs in der Gesamtporosität erzeugen.


Daher ist daher nahe liegend und für sich selbstredend, dass jede einzelne Perforationseinheit eine extrem hohe Perforationsleistung aufweisen muss, um so diesen Prozessgegebenheiten entgegen zu wirken und extrem hohe sowie betriebswirtschaftlich attraktive Produktionsleistungen zu ermöglichen.


Unter diesem Hintergrund der Forderungen nach erheblich mehr Perforationsleistung bei gleichen oder höheren Produktqualitätsanforderungen mit Produktionsmengen einer solchen Maschine im Bereich von 1000 – 5000 Tonnen pro Jahr für Mundstückbelag- oder Filterumhüllungspapiere bei Bahnbreiten bis zu 1500 mm ist die nachstehende Erfindung zu betrachten und sind deren vorteilhaften Schaltungslösungen erarbeitet.


Der Stand der Technik für die hier zutreffenden Perforations- und Schaltungstechniken ist in den Patenten DE19708311 und deren Auflistung, wie schon eingangs angegebenen, und im weiteren in den DE4403758, DE4243721, DE19616019, DE4300635, DE4018209 und EP0460369 manifestiert.


Alle dem Stand der Technik repräsentierenden Verfahren und Vorrichtungen haben die Gemeinsamkeit, dass die Perforationsschaltungen mit zugeführter Gleichspannung, mit einem Halbleiter oder einer Röhre und dem dazugehörenden Hochspannungstransformator pro Perforationskanal als Aufwärtswandler arbeiten. Oder gemeinsam getaktete MOSFET oder HVFET Halbleiter in einer oder vielfachen Parallelschaltung zur Leistungserhöhung bei gleicher Ausgangsschaltung zu finden sind.


Andere Schaltungsvarianten hingegen benutzen zwei periodisch schaltende IGBT’s als Halbwellenbrücke im reinen Wechselspannungs- und Resonanzbetrieb, um so über zwei Ladekondensatoren und gemeinsamen Ausgangstransformator als Induktivität die beiden Halbwellen zur vollen Sinusspannung zusammen zufügen, wie dies von Koronageneratoren seit vielen Jahren bekannt ist.


Auch ist allen Schaltungsvarianten gemeinsam, dass sich die Entladungsenergien innerhalb eines Funkenpaketes oder beider Halbwellen sowie die Taktfrequenz eines jeden Schaltungszweiges im Wechselbetrieb nicht getrennt steuern oder ändern lassen.


Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrostatischen Perforation zu beschreiben, mit der die zuvor aufgezeigten Nachteile vermieden werden und eine weitgehende Konstanthaltung, wechselweise Änderung der Ladungsenergie und Taktfrequenz zur Besatzvermeidung und Leistungsverteilung der zugeführten Primärenergie sowie der Übertragungs- und Kapazitätsverhältnisse eine Reduktion der parasitären Einflüsse stattfindet, um die geforderten Qualitätsstandards hinsichtlich des Porositätsgrades, Lochgröße und Dichte genau einzuhalten und zwangsweise der Schaltungswirkungsgrad eine erhebliche Erhöhung erfährt. In der nachstehenden Erfindungsbeschreibung sind hierzu einige Beispiele angeführt.


Die erfinderische Vorrichtung einer modularen Schaltungseinheit für die elektrostatische Perforation löst die vorangestellte Aufgabe durch die Merkmale des Patenthauptanspruches 1.


Danach besteht die alternierende Puls-Schaltung aus zwei ansteuer- und leistungsgleichen IGBT, MOSFET oder HVFET Zweigen, die auf einem gemeinsamen Ladekondensator und ansteuerungstechnisch mit zwei unterschiedlichen Pulsweiten arbeiten, die über den Hochspannungstransformator entsprechende Stromprägungen im Funkenkanal und damit verbundene Lochgrößen ausbilden. Dies ist für jeden Schaltungszweig mit gleichen oder ungleichen Wiederholdungsfrequenzen möglich, womit sich die Lochsequenz der Perforation, bezogen auf ein bestimmtes Zeitfenster, bestimmt.


Erfindungsgemäß ist erkannt und durch eine Vielzahl von Untersuchungen und praktischen Ergebnissen bestätigt worden, dass es mit diesen beiden kombinierbaren Steuerungsgrößen jetzt produktionstechnisch möglich ist, die eingangs genannte Besatzneigung an den Perforationsstiften schon in der Bildungsphase, also weit vor den eigentlichen Bahntangierungen oder ausgelösten Bahnabrissen, abzutragen bzw. regelrecht in kleinen Partikeln abzuschießen, was erst durch die unterschiedlichen Entladungsenergien und relativ hohen elektrischen Ladungs- und Umladungskräfte möglich ist.


Und dies ohne Produktionsunterbrechungen oder direkte Eingriffe in den Perforationsprozess, so dass sich Produktionsrollen bis zu 20.000 Metern non-stopp und zusätzlich durch online Porositätsmeßsysteme OPSS-1 und deren PC gesteuerter Rückführung auf jeden Perforationsschaltungszweig/Perforationskanal unterstützt, in sehr engen Toleranzgrenzen mit dokumentierter Qualität produzieren lassen.


Ein weiterer Vorteil der erfinderischen Schaltung ist darin begründet, dass nunmehr auch IGBT’s mit geringeren Schaltungsfrequenzen einsetzbar sind, da sie zum Teil nur mit der Hälfe oder geringerer als die eigentliche Arbeitsfrequenz betrieben werden. Dies hat für IGBT’s, MOSFET’s oder HVFET’s mit Arbeitsfrequenzen bis zu 120 KHz eine große Bedeutung.


Im weiteren ergeben sich eine Reihe von weiteren erfinderischen Vorteilen hinsichtlich der immensen Leistungserhöhung, besseren Wärmeverteilung auf zwei Leistungshalbleiter, enormen Leistungsreserve, der Schaltungsredundanz, Einsatz von vorhandenen und/oder Schaltfrequenz langsamen Leistungshalbleitern, der räumlich nahen und elektrisch verringerten Impedanz des elektrischen Schaltungsaufbaues und letztlich auch des erhöhten Schaltungswirkungsgrades. Dies dadurch gefördert, dass bekanntermaßen die Schaltungsverluste beim Ein- und Ausschalten, dies insbesondere bei den hier verwendeten Perforationsschaltungen als Aufwärtswandler, mit der Arbeits- und Schaltfrequenz stetig ansteigen.


So sind beispielsweise mit dem erfinderischen Verfahren und Vorrichtung bei Perforationsfrequenzen von 9000 Hz, 12 Stiften pro Perforationselektrode, drei Kaskade Perforationseinheiten und Doppelbahndurchlauf Perforationsleistungen erzielbar, die sich zwischen 120.000 – 180.000 bewegen. Im Vergleich zum Stand der Technik und dem angeführten Rechenbeispiel für zwei Perforationseinheiten ist die Leistungserhöhung des erfinderischen Verfahrens und deren Vorrichtung um mehr als den Faktor 2.5 höher.


Damit ist es erstmalig technisch möglich, auch extrem hohe Porositäten von beispielsweise 1500 C.U. bei Bahngeschwindigkeiten von 120 m/min elektrostatisch und wirtschaftlich attraktiv zu perforieren.


Unter diesem Hintergrund gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten, weiterzubilden und anzugeben. Dazu ist einerseits auf die in den Patentansprüchen 1 – 12 beschriebenen  Ausführungen,  und andererseits  auf nachfolgende Erläuterungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung mit den Zeichnungen  zu  verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten  Ausführungsbeispiele  der  Erfindung und mittels der Zeichnungen werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.


Die Zeichnungen zeigen im einzelnen :


In Fig. 1 zeigt die beiden IGBT, MOSFET oder HVFET Schaltungszweige 1, 2, und deren Gate Ansteuerung 3, 4, welche der Einfachheit als gemeinsamer Block 5 dargestellt ist. Diese Art der Ansteuerschaltungen mit Leistungshybriden, MOSFET IC’s oder diskreten Kleinleistungstransistoren sind als Stand der Technik bekannt und bedürfen an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.


Beide Kollektorzweige 6, 7, sind direkt miteinander und mit dem Ladekondensator 8, sowie im weiteren über den räumlich abgesetzten Hochspannungstransformator 9 und deren Primärwicklung 10, vorzugsweise unter Verwendung von Koax Kabel 11, verbunden. Die niederimpedante oder ggfls. auch stabilisierte Zwischenkreisgleichspannung 12 von z.B. 300 V/DC ist über den Wickelanfang der Primärwicklung 10 des Hochspannungstransformators 9, der vorzugsweise als Doppel-U-Ferritkern mit Luftspalt ausgeführt ist, über eine Hochleistungssicherung 13 zugeführt. Deren beiden symmetrischen Sekundärwickel 14 mit der Mittelanzapfung 15 speist die angeschlossenen Funkenstrecken der Perforationselektrode 16 mit bis zu 12 in Serie verschalteten Elektrodenstiften. Zwischen allen Stiftpaaren der Perforationselektroden 16 bewegt sich dann die Papierbahn, hier nicht eingezeichnet, die hierbei durch die Hochspannungsüber- und Durchschläge eine gezielte Mikroperforation erfährt.


Die Mittelanzapfung 15 des Hochspannungstransformators 9 hat den elektrischen Vorteil, dass sich die relativ hohe Sekundärspannung von bis zu 50.000 Volt gegenüber dem Erdpotential 13 hälftig, mit einer positiven und negativen Vorzugspolarität, ausbildet, aber für die Perforationselektrode die gesamte Sekundärspannung voll wirksam ist. Für die Anschlussleitungen der Elektroden 17, 18 und deren Kabelkapazitäten, welche quadratisch von der Funkenspannung bestimmt sind, ist dies ein enormer Vorteil.


Durch das prinzipiell wechselweise Ein- und Ausschalten der beiden Halbleiter 1, 2 wird der gemeinsame Ladekondensator 8 entladen und wieder aufgeladen, wobei beim Entladen und der darauf folgenden Einschaltzeit des Halbleiters 1, 2 der erste Wechselspannungsimpuls mit dem gesteuerten Stromanstieg in der Primärwicklung erzeugt wird. Das Ausschalten erzeugt wiederum einen Spannungsimpuls mit umkehrter Polarität im Hochspannungstransformator und gleichzeitig sorgt die interne Inversdiode für die Unterdrückung der Rückwärtsleitung für die Hableiter. Alle weiteren Details in dieser Zeichnung sind für sich selbsterklärend und benötigen daher keine weiteren Beschreibungen.


Die Ansteuersignale 18, 19 vor der Pulsweitensteuerung der Gates von den Leistungshalbleitern 1, 2, sind in Fig. 2, hier in symmetrischer Wiederholung, dargestellt.


Fig. 3 zeigt die im oberen Teil des Diagramms das Gate Ansteuersignal und deren Pulsweite 20 sowie deren Pegel zur Nulllinie 21. Dies mit positiver und negativer Vorspannung für die Gateansteuerung eines Halbleiters. Im unteren Teil des Diagramms ist die Kollektorspannung 22 eines aktiven Halbleiterzweiges 1 zur Nulllinie 23 dargestellt. An einigen Punkten des Linienverlaufes sind Rückwirkungen der hohen Kollektorimpuls- und die der Leitendströme für die Diode zu erkennen. Die X-Achse markiert hierbei den Zeitmaßstab in µs bei Wiederholungsfrequenzen bis zu 10.000 Hz, in diesem Bespiel 8000 Hz.


Deutlich ist der Zusammenhang und die Schaltungsfolge eines jeden zweiten Gate-Impulses 20, 24 eines Schaltungsteiles, hier für Halbleiter 1, auf die gemeinsame Kollektorspannung 22, 26, 27 und den daran angekoppelten Ladekondensator 8 zu erkennen.


Eine zeitlich gespreizte Abbildung eines Schaltungsvorganges ist in Fig. 4 exemplarisch ausgeführt, wobei in diesem Beispiel die Gatespannung 28 unipolar zur Nulllinie 21 ist. Der Einschaltbereich und die Einschaltzeit 29, der Ausschaltzeitpunkt 30 und die sich danach wieder aufbauende Kollektorspannung 22 über den Ladekondensator 8 und gegenüber der Nulllinie 23 sind hierbei wiedergegeben.


Abschließend zeigt Fig. 5 im oberen Diagramm das gegenüber der Nulllinie 21 unipolare Gatesignal 31 und darunter befindlich die Aufnahme des Kollektorstromes 32 gegenüber der Nulllinie 23. Dies bei einer periodisch sich wiederholenden Schaltfrequenz und für beide Schaltungszweige gleich bleibender Pulsweite, was in der gleichen Kollektorspannungshöhe widerspiegelt. Sehr gut ist in dieser Ansicht das Übersprechen und Stromüberschwingen der Inversdiode 33 zu erkennen. Gleichermaßen das für diese Art der Perforationsleistungsschaltungen typische Stromverhalten im Einschaltaugenblick 34, bedingt durch die Rückwirkung des sekundären Kurzschlusses der Funkenstrecke 16 und dem danach folgenden linearen Stromanstieg durch die Einschaltdauer 35 des Halbleiters 1.


Als ein praktisches Beispiel für diese Art der Leistungsperforationsschaltungen sind die nachfolgenden Werte zu interpretieren :


Nachstehend ein Bespiel zur Frequenztaktung und Pulsweite eines jeden Schaltungszweiges :

                       Halbleiter 1    Halbleiter 2 :

Taktfrequenz : 5500 Hz             3000 Hz                       

Pulsweite :          22 µs                 34 µs

Summenfrequenz über eine bestimmtes Zeitfenster : 8500 Hz

Nach diesem Beispiel lassen sich eine Vielzahl von Frequenz- und Pulsweitenkombinationen beliebig einsetzen und auf die die Schaltungen übertragen.  


An dieser Stelle sei hervorgehoben, dass die erfinderische Lehre durch die angeführten Ausführungsbeispiele lediglich erläutert, jedoch keinesfalls eingeschränkt ist. Vielmehr  lässt die erfindungsgemäße Lehre auch weitere Verfahrensschritte und Vorrichtungsvarianten der dualen Hochleistungsschaltung zur elektrostatischen Perforation zu, die andere bzw. weitere konstruktive Merkmale aufweisen.





1.    Verfahren einer dualen Hochleistungsschaltung zur elektrostatischen Perforation, also mittels Funkendurchschlag erzeugte Poren in laufende Papier- oder andere elektrisch nicht leitende Bahnen, wie z.B. Zigaretten-, Mundstückbelag- und  Kaffeefilterpapiere, Filterumhüllungspapiere so genannte Plug-Wraps, Sicherheitspapiere, holografisch bedruckte, foliengepresste, beschichtete Papier- oder Verpackungsbahnen die zumindest im Bereich der unterschiedlich ausgebildeten Perforationen ein gewisses Maß an Gas- oder Wasserdurchlässigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei schaltungstechnisch identische Halbleiterzweige 1, 2, mit einer Gleichspannungszuführung 12 und einer gemeinsamen Ladekapazität 8 sowie einer räumlich abgesetzten, gemeinsamen Primärinduktivität 10 als Hochspannungstransformator 9 mit unterschiedlicher Frequenz und Pulsen 20, 24  periodisch oder nicht periodisch als Aufwärtswandler und betrieben werden.
2.    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden schaltungstechnisch identischen Halbleiterzweige 1, 2 mit zueinander wechselnden Taktfrequenzen 18, 19, deren Summenfrequenz über ein bestimmtes Zeitfenster gleich bleiben, angesteuert werden.
3.    Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden schaltungstechnisch identischen Halbleiterzweige 1, 2 mit zu einander wechselnden Pulsweiten 20, 24 angesteuert werden.
4.    Verfahren nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden schaltungstechnisch identischen Halbleiterzweige 1, 2 mit wechselnden Taktfrequenzen und bei Summenfrequenzen bis zu 120 KHz mit gegenseitig variierenden Pulsweiten von 5 – 45 µs gesteuert werden.
5.    Verfahren nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Summenfrequenz 18 höher ist, als die Schaltfrequenz eines einzelnen Halbleiters.
6.    Verfahren nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sekundärspannung des Hochspannungstransformators 9 gegenüber dem Erdpotential aufgrund der geerdeten Mittelanzapfung 15 halbiert.
7.    Vorrichtung einer dualen Hochleistungsschaltung zur elektrostatischen Perforation, also mittels Funkendurchschlag erzeugte Poren in laufende Papier- oder anderen elektrisch nicht leitenden Bahnen, insbesondere zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung aus zwei identischen Halbleiterzweigen 1, 2 aus IGBT’s, MOSFET’s oder HVFET’s mit integrierten Inversdioden besteht.
8.    Vorrichtung nach Anspruch 7 oder aus mehreren der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Halbleiterzweige 1, 2 aus einer gemeinsamen Gleichspannungszuführung 12 versorgt sind, eine Ladekapazität 8 sowie eine gemeinsame Primärinduktivität 10 als Hochspannungstransformator den Aufwärtswandler bilden.
9.    Vorrichtung nach Anspruch 8 oder aus mehreren der Ansprüche 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungstransformator aus einem Ferrite-Doppel-U-Kern besteht und einen Luftspalt von 0.3 bis 0.8 mm aufweist.
10.   Vorrichtung nach Anspruch 9 oder aus mehreren der Ansprüche 1 – 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden symmetrischen Sekundärwickel 14 des Hochspannungstransformators 9 in Serie geschaltet sind, und deren jeweiliges Wickelende und Wickelanfang die Mittelanzapfung 15 bilden, die auf dem Erdpotential geklemmt ist.
11.   Vorrichtung nach Anspruch 10 oder aus mehreren der Ansprüche 1 – 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl bipolare 20 wie auch unipolare 28 Gateansteuerungen der Halbleiter möglich sind.
12.   Vorrichtung nach Anspruch 11 oder aus mehreren der Ansprüche 1 – 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den räumlich getrennten Halbleiterzweigen 1, 2 und Hochspannungstransformator 9 mittels konventionaler Koaxkabel 11 im Spannungsbereich bis 1500 Vss erfolgt.





Zur elektrostatischen Perforation von verschiedensten Papierbahnen wird eine Hochleistungsschaltung beschrieben, welche mit hoher Schaltfrequenz aus zwei ansteuer- und schaltungsgleichen 1, 2 IGBT, MOSFET oder HVFET Zweigen besteht. Die Schaltung arbeitet mit alternierenden Taktfrequenzen und sich ändernden Pulsweiten auf einem gemeinsamen Ladekondensator 8 als und mit deren angekoppelter Primärinduktivität 10 des Hochspannungstransformators 9 als Aufwärtswandler. Durch die kurzeitig stark wechselnden und über ein bestimmtes Zeitfenster sich wiederholende Stromprägungen werden über den Sekundärkreis 14 und die Perforationselektroden 16 im Funkenkanal die gewünschten Lochgrößen und Lochsequenzen ausbildet. Die Wiederholdungsfrequenzen des gesamten Schaltungszweiges können bis zum zweifachen der Schaltfrequenz eines jeden Halbleiters betragen. Die wechselhaften Stromprägungen im Funkenkanal sind mit Gesamtschaltfrequenzen bis zu 120 KHz machbar.