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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs erwähnten Art wird im wesentlichen kontinuierlich ein Plasmagas durch eine Kammer geblasen, in der sich die Strecke Anode-Kathode befin- det. Dabei wird durch eine entsprechende Steuerung der Span- nungsversorgung der Anode-Kathode-Strecke ein schwankender Stromfluss über die Lichtbogenstrecke sichergestellt. Üblicher- weise schwankt der Strom dabei mit einer Frequenz von 1 bis lOHz, wobei der Strom maximale Strom meist das 7 bis 15-fache des minimalen Stromes beträgt.
Die Spannungsversorgung ist dabei in der Regel durch einen Transformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter gebildet.
Ausserdem wird bei den bekannten Verfahren die Strecke Anode-Ka- thode mit einer der Brennspannung des Lichtbogens entsprechen- den Spannung beaufschlagt, wobei zum Zünden des Lichtbogens ein separater Zündimpuls vorgesehen ist.
Wesentlich bei dem bekannten Verfahren ist es, dass der Lichtbogen ständig brennt, wenngleich seines Leistung schwankt.
Für verschiedene Anwendungen ist dieses Verfahren aufgrund der ständige Energieabgabe problematisch.
So gibt ein Plasma in erheblichem Ausmass UV-Strahlung ab, die z. B. für die Sterilisation von Gegenständen verwendet werden könnte. Allerdings stellt dabei die gleichzeitig erfol- gende Abstrahlung einer erheblichen Wärmemenge ein Problem dar.
Ziel der Erfindung ist es diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das es ermöglicht Plasma so zu erzeugen, dass es für verschiedenste An- wendungen verwendet werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des An- spruches 1 erreicht.
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Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ergibt sich der Vor- teil, dass Plasmaimpulse von nur sehr kurzer Dauer erzeugt werden können. Solche Plasmaimpulse, die zwar eine sehr hohe Temperatur aufweisen werden auch von relativ empfindlichen Materialien aufgrund ihrer kurzen Dauer ohne Schäden anzurichten vertragen, da eben die über eine längere Zeit in das zu behandelnde Material eingebrachte Energie unter einer schädlichen Grenze gehalten werden kann.
Grundsätzlich ist es nicht unbedingt erforderlich ein Gas in die Strecke Anode-Kathode einzubringen. So bildet sich auf- grund der Temperatur des Lichtbogens von der Oberfläche der An- ode bzw. Kathode austretende Metalldämpfe, die durch den Licht- bogen ionisiert werden und ein Plasma bilden, das aus einer Ausströmöffnung einer die Anode und die Kathode aufnehmenden Kammer ausströmt.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 kann das erfindungsge- mässe Verfahren mit sehr einfach gestalteten Einrichtungen durchgeführt werden.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 und 4 lässt sich die vom erfindungsgemäss erzeugten Plasma in ein damit beaufschlag- tes Werkstück eingebrachte Energie auf niedrigem Niveau halten, so dass auch empfindliche Werkstücke mit einem solchen Plasma, dessen einzelnen Impulse eine hohe Energiedichte aufweisen, bearbeitet werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 5 vorzuschlagen, das sich für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eignet und sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet.
Erfindungsgemäss wird dies durch die kennzeichnenden Merk- male des Anspruches 5 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau, wobei die Impulszeiten durch entsprechende Dimensionierung der Kondensatoren und des Widerstandes des die Anoden-Kathoden-Strecke enthaltenden Kreises, aber auch des Ladekreises zur Festlegung der entsprechenden Zeitkonstanten sehr einfach festgelegt werden können.
Da es bei der Zündung des Lichtbogens zu einer sehr raschen Erwärmung des im Inneren der Kammer befindlichen Mediums kommt, dehnt sich dieses sehr rasch aus und strömt über die Ausströmöffnung mit hoher kinetischer Energie nach aussen ab. In
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der nachfolgenden Impulspause Knn aus der Umgebung Luft in die sich abkühlende Kammer einströmen, sodass diese praktisch selbstansaugend betrieben werden kann und kein die Kammer stän- dig durchströmender Gasdurchfluss erzwungen werden muss.
Da die einzelnen Plasmaimpulse mit hoher Geschwindigkeit austreten, kommt es bei deren Austritt zu keiner Vermischung mit der umgebenden Atmosphäre und damit zu keiner Aufweitung des Plasmastrahles. In diesem Zusammenhang hat sich bei Versu- chen, ein einem Kugelblitz ähnliches Verhalten der erzeugten Plasmaimpulse gezeigt. Dadurch ist auch eine sehr hohe Energie- dichte auf dem zu behandelnden Werkstück sichergestellt.
Die Merkmale des Anspruches 6 ermöglichen eine sehr genaue Festlegung der Zündung des Lichtbogens, wobei jedoch sicherge- stellt ist, dass das Ende des Spannungsimpulses bzw. der Brenn- dauer des Lichtbogens durch die Entladung der Kondensatorbat- terie auf ein unter der Brennspannung des Lichtbogens liegende Spannung bestimmt ist. Damit ist auch im Falle der Zündung des Lichtbogens mittels einer separaten Zündspannungsquelle sicher- gestellt, dass zwischen den einzelnen Impulsen der Lichtbogen erlischt und kein Ruhestrom über die Anoden-Kathoden-Strecke fliesst.
Die Massnahmen gemäss dem Anspruch 6 ermöglichen es auch, die Zündung des Lichtbogens noch vor Erreichen der Überschlagsspannung der Anoden-Kathoden-Strecke auszulösen, wodurch sich die Brennzeit des Lichtbogens und damit die Brennzeit des Plasmaimpulse extrem kurz halten lässt, ohne dass ein besonders hoher Aufwand zu einer besonders niederohmigen Ausbildung des Entladekreises der Kondensatorbatterie getrieben werden muss.
Grundsätzlich ist es auch möglich statt der Kondensator- batterie als Spannungsversorgung für den Plasmabrenner auch ein technisches Wechselstromnetz oder eine hochfrequenten Wechsel- strom liefernde Spannungsquelle in Verbindung mit einer Phasen- anschnittsteuerung zu verwenden. Dabei muss bei aus unterschied- lichen Materialien hergestellten Elektroden sichergestellt sein, dass lediglich gleich polarisierte Halbwellen teilweise durchgeschaltet werden, sodass sich an den unterschiedlichen Elektroden stets Spannungsimpulse mit jeweils gleicher Pola- rität angelegt werden und sich im wesentlichen gleiche Verhält-
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nisse wie bei einer Versorgung des Plasmabrenners mit Gleich- spannungsimpulsen, z. B. aus einer Kondensatorbatterie, ergeben.
Bei aus gleichen Materialien hergestellten Elektroden kön- nen an jeder der beiden Elektroden Impulse mit unterschied- licher Polarität angelegt werden.
Da bei Plasmabrennern aus Gründen einer längeren Lebens- dauer in der Regel aus unterschiedlichen Materialien herge- stellte Elektroden mit stets gleicher Polarität beaufschlagt werden, wird in der Beschreibung und den Ansprüchen allgemein von Anode und Kathode gesprochen.
Um die nach dem erfindungsgemässen Verfahren vorgesehenen kurzen Impulse sicherzustellen, wird es in der Regel zweckmässig sein, eine Durchschaltung mittels der Phasenanschnittsteuerung erst im abfallenden Zweig der entsprechenden Halbwelle vorzuse- hen, wobei dies auch von der Starrheit der versorgenden Span- nungsquelle abhängt. Dabei kann auch vorgesehen sein, die Pha- senanschnittsteuerung nach jedem Durchschalten für eine be- stimmte Anzahl von Perioden zu sperren, um die Wiederholfre- quenz der Plasmaimpulse auf ein gewünschtes Mass herabzusetzen.
Durch die Merkmale des Anspruches 7 ergibt sich der Vor- teil, dass die einzelnen Plasmaimpulse mit sehr hoher Geschwin- digkeit aus der Ausströmöffnung der Kammer austreten und mit sehr hoher kinetischer Energie auf das zu behandelnde Werkstück auftreffen. Bei Versuchsanordnungen konnten dabei Austrittsge- schwindigkeiten von 1000 bis 2000m/sec ermittelt werden. Da- durch wird es auch möglich sehr kleine Bohrungen in dünnen Blechen oder auch Schweisspunkte herzustellen.
Erfindungsgemäss ist auch die Verwendung eines erfindungs- gemäss hergestellten Plasmas zum Sterilisieren von Gegenständen, insbesondere von Innenräumen von hohlen Gegenständen oder Lei- tungen vorgesehen.
Dabei werden allfällige Bakterien oder Viren durch die hohe Temperatur der einzelnen Plasmaimpulse, welche ca. 20 000 bis 50 000 C beträgt trotz der nur sehr kurzen Einwirkdauer sicher und rasch abgetötet und durch die kinetische Energie der Plasmaimpulse auch gleichzeitig von der Oberfläche des zu ste- rilisierenden Gegenstandes entfernt, sodass keine "Bakterien- leichen" zurückbleiben.
Durch die erfindungsgemäss vorgesehenen fortlaufende Erzeu- gung sehr kurzer Plasmaimpulse lasen sich diese auch für chir-
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urgische und zahnärztliche Zwecke, z. B. statt Laserskalpelle, verwenden.
In beiden Fällen kommen Plasmabrenner mit relativ kleiner Leistung zum Einsatz, die z.B. Leistungen von 0,5kW bis 10kW aufweisen.
Weiters lässt sich das erfindungsgemäss erzeugte Plasma auch sehr gut für Punktschweissungen oder der Herstellung von aus Schweisspunkten hergestellten Nähten verwenden.
Dabei ergibt sich bei einer Erzeugung der Plasmaimpulse mit einer Frequenz von ca. 7Hz ein einem Fliessplasma ähnliches Verhalten, jedoch ohne, dass es aufgrund der Vermischung der Randzonen des Plasmastrahles mit der umgebenden Atmosphäre zu einem nennenswerten Abzug von Energie aus dem Plasmastrahl kommt. Was zu einer unerwünschten Aufheizung der Umgebung und einer unerwünschten Erwärmung des Werkstückes ausserhalb des ei- gentlichen Bearbeitungsbereiches kommt.
Dadurch wird für eine Schweissung mit einem erfindungsgemäss hergestellten Plasma auch erheblich weniger Energie benötigt als mit dem bisher üblichen Fliessplasma. Ausserdem ergibt sich insgesamt eine geringere Erwärmung des Werkstückes und damit auch geringere thermische Spannungen und Deformationen des Werkstückes. Ausserdem erfolgt auch die Erstarrung der einzelnen Schweisspunkte aufgrund der sehr kleinen Schmelzbadvolumina rascher als bei einer Schweissung mit Fliessplasma. Dies ermög- licht es auch in jeder Schweisslage, d. h. auch in Überkopflage, eine gute Schweissqualität zu erzielen.
Selbstverständlich müssen die zur Erzeugung des Plasmaimpulses erforderlichen Plasmabrenner eine entsprechende Leistung aufweisen, z.B. 20kW bis 150kW oder mehr, je nach den zu verschweissenden Teilen. Dabei kann eine Punktschweissung von Feinblechen mit lediglich einem Plasmaimpuls von nur kurzer Dauer von z.B. 10-3 bis 10-5sec hergestellt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläu- tert. Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Halter mit einem eingesetzten Plasmaerzeuger,
Fig. 2 schematisch einen Schnitt im vergrössertem Massstab durch den Plasmaerzeuger nach der Fig. 1,
Fig. 3 schematisch die elektrische Schaltung einer erfin- dungsgemässen Einrichtung.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist ein aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Keramik herge- stellter im wesentlichen hohlzylindrischer Halter 1 vorgesehen, in dessen einem Endbereich ein ebenfalls aus einem Isoliermate- rial hergestellter Einsatz 2 eingepresst ist.
Dieser Einsatz 2 ist von einem zentralen, eine Gaszuführ- leitung 3 bildenden Rohr durchsetzt, das an der Stirnseite des über die Stirnseite des Halters 1 vorragenden Einsatzes 2 endet. Weiters weist der Einsatz 2 noch zwei in einer Diametral- ebene liegende Bohrungen 4, in denen als Widerlager dienende Einpressteile 7 gehalten sind, die ihrerseits von den Seelen 5 von Anschlussleitungen 6 mit Spiel durchsetzt sind.
Diese Anschlussleitungen 6 sind mit einer in der Fig. 3 dargestellte Spannungsversorgung verbunden, die in einer vorge- gebenen Frequenz Spannungsimpulse liefert.
An diesen Einpressteilen 7 stützen sich Druckfedern 8 ab, die Kontaktstifte 9, die mit den Seelen 5 verlötet sind, nach aussen drängen. Dabei sind die Kontaktstifte 9 an ihrem freien Ende mit einem stirnseitigen Ansatz 10 versehen, der mit einer Kontaktfläche eines Plasmaerzeugers 11 zusammenwirkt, der in einer an der Stirnseite des Halters 1 angeordneten Befesti- gungseinrichtung 23 gehalten ist, die als ein aus einem elek- trisch isolierenden Material hergestellter Bügel ausgebildet ist, in den der Plasmaerzeuger 11 von oben her eingesetzt ist.
Dieser Plasmaerzeuger 11 weist einen Verbindungsteil 13 aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Keramik auf, der in seinem unteren Bereich sich kegelförmig verjüngend ausgebildet ist und an seiner unteren Stirnseite eine Öffnung 14 aufweist.
Diese Öffnung 14 ist von einer ringförmigen Anode 15 durchsetzt, die in üblicher Weise aus einem elektrisch leiten- den und thermisch hoch belastbaren Material hergestellt ist und in ihrem Mündungsbereich eine Düsenöffnung 16 aufweist.
Die Anode 15 weist einen sich nach oben zu konisch erwei- ternden Bereich auf, der innen an dem Verbindungsteil 13 an- liegt und der in einen zylindrischen Bereich übergeht.
An der oberen Stirnseite der Anode 15 liegt ein Zwischenteil 17 an, der ringförmig ausgebildet und aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Keramik, hergestellt ist.
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An der oberen Stirnseite des Zwischenteiles 17 liegt ein aus einem elektrisch gut leitenden Material, z. B. Kupfer, her- gestellter Halteteil 18 an, in dem eine Kathode 19 eingepresst ist, die aus einem elektrisch leitenden und thermisch hoch be- lastbaren Material, wie z.B. Wolfram-Ceroxid-Legierung herge- stellt ist und in ihrem der Düsenöffnung 16 der Anode 15 nahen Endbereich konisch ausgebildet ist.
Die Anode 15, wie auch der Halteteil 18 sind zur Festle- gung der gegenseitigen Lage der Kathode 10 und der Düsenöff- nung 16 der Anode zweckmässigerweise in den Verbindungsteil 13 eingepasst.
Die Anode 15, der Zwischenteil 17 und der Halteteil 18 mit der eingepressten Kathode 19 bilden dabei gemeinsam mit dem Ver- bindungsteil 13 einen Modul des Gerätes, der leicht in den Hal- ter eingebaut und aus diesem wieder entfernt werden kann.
Auf der oberen Stirnseite es Halteteiles 18 liegt ein aus einem Isoliermaterial hergestellter Druckteil 20 an, der eine die Kathode 19 mit Spiel aufnehmende Bohrung 21 aufweist und über die Stirnseite des Verbindungsteiles 13 vorragt.
Dieser Druckteil 20 wirkt mit einem Deckel 22 zusammen der auf ein im der oberen Stirnseite des Verbindungsteiles 13 nahen Bereich angeordneten Aussengewindes 23 aufgeschraubt ist.
Der Verbindungsteil 13 ist mit drei entlang einer Mantel- linie angeordneten radialen Bohrungen 24,25 versehen, von denen die Bohrungen 24 den Durchtritt der Ansätze 10 der Kon- taktstifte 9 ermöglichen und im Bereich des Halteteiles 18, bzw. der Anode 15 liegen. Die Bohrung 25 ist im Bereich des Zwischenteiles 17 angeordnet und fluchtet mit einem radial verlaufenden Einlass 26 des Zwischenteiles der zu einer durch die Innenwand des Zwischenteiles 17 begrenzten Kammer 27 führt, die von der Kathode 19 durchsetzt ist.
Dabei fluchtet die Bohrung 25 bei in den Halter 1 einge- setztem Plasmaerzeuger, der als Modul aufgebaut ist, auch mit der im Halter 1 vorgesehenen Gaszuführleitung 3.
Zum Einbau des als Modul aufgebauten Plasmaerzeugers 11 genügt es die Anschlussleitungen 6, deren Isoliermäntel 28 mit Spiel in den Bohrungen 4 des Einsatzes 2 des Halters 1 geführt sind, zurückzuziehen und den Plasmaerzeuger 11 von oben in den Bügel 12 einzusetzen. Danach können die Anschlussleitungen 6 losgelassen werden und die Kontaktstifte 9 rasten in die Boh-
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rungen 24 des Verbindungsteiles 13 ein und sichern die Lage des Plasmaerzeugers 11 im Halter 1. Gleichzeitig werden sich mit ihren Stirnflächen mittels der Federn 8 an den Halteteil 8, bzw. die Anode 15 angepresst und so ein guter elektrischer Kon- takt hergestellt.
Beim Betrieb des Plasmaerzeugers 11 kann über die Gaszu- führleitung 3 ein Gas, z. B. Helium, C02 u. a., in die Kammer 27, die u.a. auch von der eine Düsenöffnung 16 bestimmenden An- ode 15 begrenzt ist, eingeleitet, das die Kathode 19 umspült und diese im Betrieb gleichzeitig kühlt.
Wird nun ein Spannungsimpuls, dessen Spannung über der Überschlagsspannung der Strecke Anode 15 - Kathode 19 liegt, so bildet sich ein Lichtbogen aus, der ein Plasma erzeugt, das aus der Düsenöffnung 16 austritt und z. B. zum Herstellen einer Schweissnaht oder zum Schneiden von Materialien verwendet werden kann. Sinkt die an der Kathode 19 und der Anode 15 anliegende Spannung unter die Brennspannung des Lichtbogens ab, so erlischt dieser und der Stromfluss über die Anoden-Kathoden- Strecke wird unterbrochen.
Grundsätzlich ist jedoch zu bemerken, dass eine Einleitung von Gas in die Kammer 27 nicht unbedingt erforderlich ist und diese auch keine Bohrung 25 aufweisen muss. In einem solchen Fall saugt die Kammer 27 nach dem Ausstossen eines Plasmaimpul- ses nach dem Verlöschen des Lichtbogens aus der Umgebung Luft an. Beim nachfolgenden Zünden eines neuen Lichtbogens aufgrund des Anlegens eines weiteren Spannungsimpulses wird die Luft durch den Lichtbogen ionisiert und rasch erwärmt. Wodurch sie sich entsprechend rasch ausdehnt und mit hoher Geschwindigkeit aus der Düsenöffnung 16 ausströmt.
Eine Spannungsversorgung für einen Plasmaerzeuger nach den Fig. 1 und 2 ist in der Fig. 3 dargestellt.
Dabei ist eine Kondensatorbatterie 30 über einen Ladewi- derstand 31 mit den Anschlüssen X1 einer regelbaren Gleichspan- nungsquelle 32 verbunden. Die Kondensatorbatterie 30 weist einen fest angeschlossenen Kondensator 1C1 und einen über einen Schalter 1S1 zu diesem parallel zuschaltbaren Kondensator 1C2 auf, wobei es sich in beiden Fällen auch um Gruppen von Kondensatoren handeln kann.
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Diese Kondensatorbatterie 30 ist über Anschlussleitun- gen 33 34 mit dem Plasmaerzeuger 11, bzw. dessen in der Fig. 3 nicht dargestellten Kathode und Anode verbunden.
Parallel zur Kondensatorbatterie 30 ist ein R/C-Glied ge- schaltet, das durch einen Kondensator 1C3 und einen Wider- stand 1R1 gebildet ist. Dieses R/C-Glied bildet in Verbindung mit der in der Anschlussleitung 34 geschalteten Drossel 1L1 einen HF-Sperrkreis, der zum Schutz der Kondensatorbatterie 30 vor HF-Signalen vorgesehen ist.
Weiters sind noch die Ausgänge eines Zündgerätes 35 an die Anschlusseitungen 33,34 angeschlossen. Dieses Zündgerät 35 ist eingangsseitig mit einer Wechselspannungsquelle X2 verbunden und mit einem Triggerschalter 1S2 versehen, durch dessen Betä- tigung ein Zündimpuls auslösbar ist.
Beim Betrieb kommt es zur Aufladung der Kondensatorbat- terie 30 entsprechend der eingestellten Spannung der Gleich- spannungsquelle 32, die z. B. zwischen 50V und 300V einstellbbar ist, und der durch die Leitungswiderstände und den Ladewider- stand mitbestimmten Zeitkonstante.
Erreicht die Kondensatorbatterie eine Spannung, die der Überschlagsspannung der Anoden-Kathoden-Strecke 15,19 des Plasmaerzeugers 11 entspricht, so kommt es zum Zünden eines Lichtbogens zwischen Anode 15 und Kathode 19 (Fig. 2) und damit zur Bildung von Plasma in der Kammer 27 des Plasmaerzeuger 11.
Gleichzeitig entlädt sich die Kondensatorbatterie 30 ent- sprechend der durch deren Kapazität und den Leitungswiderstän- den und dem Widerstand des Lichtbogens gegebenen Zeitkonstante.
Sinkt durch diese Entladung die Spannung der Kondensatorbatte- rie 30 unter die Brennspannung des Lichtbogens ab, so erlischt dieser und die Kondensatorbatterie 30lädt sich wieder auf, wo- durch sich der beschriebene Vorgang wiederholt und sich eine Frequenz ergibt, die durch Lade- und Entlade-Zeitkonstanten be- stimmt ist. Dabei ist der Betrieb des Zündgerätes nicht erforderlich.
Für bestimmte Anwendungen kann es erwünscht sein. Den Zündzeitpunkt des Lichtbogens genau zu bestimmen oder einen solchen vor Erreichung der Überschlagsspannung der Anoden-Ka- thoden-Srecke auszulösen.
In diesem Fall wird durch Betätigung des Triggerschal- ters 1S2 ein Zündimpuls ausgelöst, der zur Zündung eines Licht-
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bogens zwischen der Anode 15 und der Kathode 19 des Plasmaer- zeugers 11 führt, ohne dass die Kondensatorbatterie eine der Überschlagsspannung dieser Strecke entsprechende Spannung er- reicht hat. Auf diese Weise kann auch das Tastverhältnis, das z.
B. zwischen 1 :10 1 :100 darüber hinaus gewählt werden kann, entsprechend verändert werden und das Verhältnis zwischen der Brenndauer des Lichtbogens und dessen Brennpause während eines Zyklusses im Sinne einer Verlängerung der Brennpause verändert werden, da die Energie der hochfrequenten Zündimpulse des Zündgerätes zwar zum Zünden des Lichtbogens, nicht aber zu dessen Aufrechterhaltung ausreicht, wenn die Spannung der Kondensatorbatterie unter der Brennspannung des Lichtbogens abgesunken ist.