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Die Erfindung betrifft eine Mehrfach-Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken. Dabei weist die Mehrfach-Funkenstrecke eine Hochspannungs-Triggerschaltung zum Durchzünden der Mehrfach-Funkenstrecke durch Vorionisation auf, indem die Hochspannungs-Triggerschaltung durch direkte Kontaktierung von Elektroden wenigstens einen Hochspannungsimpuls in die Mehrfach-Funkenstrecke einspeist.
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Im Bereich des Überspannungsschutzes von elektrischen Geräten bzw. Anlagen werden Überspannungsschutzelemente eingesetzt, die bei einer bestimmten Überspannung ansprechen, welche bei einem Überspannungsereignis ansonsten zu Störungen und/oder Schäden in einem Stromkreis führen würde. Als solche Überspannungsschutzelemente können beispielsweise Überspannungsableiter eingesetzt werden, die auf Funkenstrecken basieren. Insbesondere zur Ableitung von sogenannten transienten Überspannungen mit sehr hohen Amplituden haben sich Funkenstrecken bewährt. Sobald eine Funkenstrecke gezündet hat, wird eine leitfähige Verbindung über die Lichtbogenstrecke der Funkenstrecke hergestellt, über welche der Hochspannungsimpuls dann abgeleitet wird.
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Dabei kommen insbesondere Funkenstrecken zum Einsatz, die den Netzfolgestrom minimieren oder sogar netzfolgestromfrei betrieben werden. Der Netzfolgestrom ist der Teil eines Stromflusses, der nach dem Ableiten eines Überspannungsereignisses, vom Stromversorgungsnetz aus, durch eine Funkenstrecke fließt. Ein solcher Netzfolgestrom kann bis zu einigen Millisekunden andauern und die Intensität eines Kurzschlussstroms haben. Daher stellen Netzfolgeströme eine Belastung für die gesamte elektrische Installation dar, die es zu verhindern gilt.
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Um eine Funkenstrecke netzfolgestromfrei zu betreiben, haben sich insbesondere Mehrfach-Funkenstrecken als vorteilhaft erwiesen, bei denen mehrere Einzelfunkenstrecken in Reihe geschaltet sind. Diese Mehrfach-Funkenstrecken werden auch als Multiarc-Funkenstrecken (MAFS) bezeichnet, die auf dem Prinzip der Lichtbogenvervielfältigung basieren. Zur Bildung einer Mehrfach-Funkenstrecke werden in bestimmten Ausführungsformen mehrere scheibenförmige Elektroden zu einem Stapel zusammengefügt, wobei diese Elektrodenscheiben beispielsweise aus Carbon oder Graphit bestehen. Zwischen den einzelnen Elektroden wird jeweils eine dünne Folie oder Scheibe aus einem Isolierstoff angeordnet. So ergeben sich mehrere Einzelfunkenstrecken zwischen den Elektroden, die über eine entsprechend ausgebildete Spannungssteuerung gezündet werden können. Die Anordnung könnte auch ohne Spannungsansteuerung arbeiten, dann jedoch in der Regel mit einer für die Praxis zu hohen Ansprechspannung.
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Beispielsweise offenbart die Patentschrift
DE 12 56 306 B eine solche Funkenstrecke bestehend aus einer Stapelanordnung mit einer Abfolge von scheibenförmigen Elektroden und Isolationsringen, welche jeweils einen radialen Überstand zu den Elektroden aus Graphit aufweisen und wie ein Rahmen für die Elektroden ausgebildet sind.
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Die Multiarc-Funkenstrecken-Technologie hat den Vorteil einer sehr konstanten, stromunabhängigen Bogenspannung, die über die Anzahl der Elektrodenscheiben sehr gut an die Betriebsspannungsverhältnisse angepasst werden kann. So können Netzfolgeströme bei geeigneter Dimensionierung nahezu vollständig ausgeschlossen werden. Insbesondere im Hinblick auf einen Einsatz in Gleichstromnetzen ergeben sich so wesentliche Vorteile.
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Wählt man typischerweise Elektroden aus Graphit, ergeben sich weitere Vorteile. Die Eigenschaft des Graphits bei Erhitzung zu sublimieren, erlaubt die Ausbildung sehr geringer Spaltabstände zwischen den Elektroden. Die daraus resultierenden sehr kurzen Lichtbögen in Verbindung mit einer relativ großen Oberfläche und der relativ hohen thermischen Masse von solchen Graphit-Stapel-Funkenstrecken gewährleisten ein robustes Verhalten im Fall der Impulsableitung.
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In der Praxis zeigt sich allerdings, dass Multiarc-Funkenstrecken bei ausreichend hoher Anzahl an Einzelfunkenstrecken zur Unterdrückung von Netzfolgeströmen problematisch hinsichtlich ausreichend niedriger Schutzpegel sind. Die Vielzahl der in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken weist eine hohe Grundansprechspannung auf, die zusätzlich einer großen Streuung unterliegt.
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Um dieses Problem zu lösen, sind daher eine Vielzahl von Schaltungsvarianten bekannt, bei denen mittels Ansteuerschaltungen die Ansprechspannung von Multiarc-Funkenstrecken in Stapelanordnung reduziert wird. Oftmals handelt es sich dabei um Kettenschaltungen aus Reihen- und/oder Parallelschaltungen von Impedanzen, mit denen die einzelnen Funkenstrecken bzw. Elektroden kontaktiert werden. Das Durchzünden der gesamten Funkenstrecke erfolgt dann sukzessive, wobei dies in Summe jeweils unter dem vorgegebenen Schutzpegel erfolgt.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2011 102 941 A1 eine Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in einer Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, wobei die Elektroden der Funkenstrecke einzeln von einer Steuer- bzw. Zündhilfe kontaktiert sind.
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Als Impedanzen einer Kettenschaltung werden Reihen- und Parallelschaltungen aktiver und passiver Bauteile verwendet. Insbesondere Varistoren, Kapazitäten, Widerstände, sowie Halbleiterelemente mit nicht-linearen Kennlinien kommen dabei typischerweise zum Einsatz. Mit geeigneten Schaltungen lassen sich so marktübliche Schutzpegel erreichen.
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Nachteilig ist jedoch, dass nahezu jeder Einzelfunkenstrecke (Stufe) einer Multiarc-Funkenstrecke eine oder mehrere solcher Impedanzen zugeordnet werden müssen. Hieraus ergibt sich eine Vielzahl von Bauelementen, die in geeigneter Weise untereinander und zu den Elektroden der Funkenstrecke hin kontaktiert werden müssen. Zur Lösung dieser Aufgabe sind bereits Konstruktionen bekannt, bei denen diese diversen Bauelemente direkt mit den Elektroden der Multiarc-Funkenstrecke kontaktiert werden. In anderen Ausführungsformen sind die Bauelemente auf Leiterplatten montiert und die Potentiale werden durch geeignete Kontaktfedern an die Multiarc-Funkenstrecke weitergereicht.
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Aus der
DE 10 2015 114 504 A1 ist eine Mehrfach-Funkenstrecke bekannt, die mittels eines Hochspannungsimpulses gezündet wird. Bei dieser Mehrfach-Funkenstrecke wird zunächst eine Funkenstrecke über eine Varistoranordnung gezündet, die einen Spannungsimpuls für eine Triggerschaltung bereitstellt. Dadurch werden die weiteren Funkentstrecken nacheinander durchgezündet.
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Die
DE 10 2011 102 864 A1 offenbart eine Mehrfach-Funkenstrecke in einer Stapelanordnung, bei der nur die inneren Elektroden von einer Triggereinrichtung kontaktiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine weiterentwickelte Mehrfach-Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken bereitzustellen, bei der die Anzahl der Bauelemente für ein verlässliches Durchzünden der Mehrfach-Funkenstrecke möglichst gering ist. Dennoch soll die Mehrfach-Funkenstrecke mit ausreichend niedriger Ansprechspannung, d.h. niedrigen Schutzpegeln betrieben werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Mehrfach-Funkenstrecke mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Mehrfach-Funkenstrecke ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-17.
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Die erfindungsgemäße Mehrfach-Funkenstrecke weist mehrere in Reihe geschaltete Einzelfunkenstrecken auf, die sich in einer Stapelanordnung befinden. Die Mehrfach-Funkenstrecke basiert auf dem Prinzip der Lichtbogenvervielfältigung. Dabei werden die Einzelfunkenstrecken jeweils durch zwei Elektroden ausgebildet, die durch wenigstens ein Isolierstoffelement voneinander getrennt und so auf Abstand gehalten sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den Elektroden um Elektroden aus Graphit, d.h. um Graphitscheiben. Die Elektroden können dabei insbesondere scheibenförmig ausgebildet sein. Als Isolierstoffelemente können dünne Scheiben oder Folien aus einem bekannten Isolierstoff wie beispielsweise Vulkanfiber eingesetzt werden. Die Elektroden sind beispielsweise in einer Ausnehmung eines Rahmens gehalten, wobei die Isolierstoffelemente zwischen den Rahmen angeordnet und von diesen fixiert sind. Die Rahmen der Elektroden bestehen dann ebenfalls aus einem Isolierstoff wie z.B. Vulkanfiber. Die Isolierstoffelemente sind ringförmig ausgebildet, so dass sich zwischen zwei Elektroden die erforderliche Distanz für eine Einzelfunkenstrecke bildet, die durch eine Öffnung in einem Isolierstoffelement führt. Dies stellt jedoch nur eine mögliche Ausführungsform dar und die Erfindung ist auch bei anders ausgestalteten Mehrfach-Funkenstrecken einsetzbar.
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So ergeben sich in der Stapelanordnung zwei Teilstapel mit jeweils mehreren Elektroden und jeweils einer Anschlussseite, über welche die Mehrfach-Funkenstrecke als Überspannungsableiter in eine elektrische Installation eingebunden ist. Darüber hinaus ist eine Hochspannungs-Triggerschaltung zum Durchzünden der Mehrfach-Funkenstrecke durch Vorionisation vorgesehen, indem die Hochspannungs-Triggerschaltung durch direkte Kontaktierung von Elektroden wenigstens einen Hochspannungsimpuls in die Mehrfach-Funkenstrecke einspeist. Grundidee einer solchen Triggerung von Funkenstrecken mittels Hochspannungsimpuls ist es, eine Funkenstreckenanordnung, die eine hohe Ansprechspannung aufweist, durch Vorionisation zu einem Durchzünden bei entsprechend stark reduzierter Spannung gegenüber der ungetriggerten Zündung zu veranlassen. Da Lichtbogenkennlinien von Funkenstrecken sehr stark nicht-linear sind, ist es bei geringen Schlagweiten in der Regel ausreichend, relativ geringe Mengen an Ladungsträgern (Ionen/Elektronen) in eine durch die äußere anliegende Spannung elektrisch vorgespannte Funkenstrecke einzubringen, um diese zum Durchzünden zu veranlassen. Ausschlaggebend für die Triggerung ist somit weniger die Leistung bzw. der Strom der Vorentladung, sondern vielmehr, schnell genug eine ausreichend hohe Spannung zu erzeugen, die in der Lage ist, die Funkenstrecke zu durchschlagen.
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Zur Erzeugung solch hoher, recht leistungsarmer Spannungsimpulse können verschiedene Schaltungen eingesetzt werden, die auch zur Triggerung von Funkenstrecken genutzt werden können. Oftmals wirken derartige Schaltungen auf eine innerhalb der Hauptfunkenstrecke angeordnete Nebenfunkenstrecke, die durch eine zusätzliche „dritte“ Zündelektrode und eine der Hauptelektroden gebildet wird. Diese Konstellation einer mehr oder minder isoliert angeordneten Zündelektrode ist notwendig, wenn der Hochspannungsimpuls nicht von außen auf eine zu zündende Funkenstreckenanordnung gegeben werden kann. Grund hierfür sind das parallel zum Überspannungsableiter liegende Versorgungsnetz bzw. die parallel liegenden Verbraucher. Diese schließen einen entsprechend leistungsschwachen Impuls kurz, so dass die Triggerschaltung keine ausreichend hohe Spannung aufbauen kann, um die Funkenstrecke zu zünden.
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Daher wird der Triggerimpuls bei der erfindungsgemäßen Mehrfach-Funkenstrecke isoliert eingebracht. Es handelt sich jedoch nicht um einen einzelnen zu zündenden Brennraum, sondern um viele in Reihe liegende Brennräume, die vorionisiert werden müssen. Ein Brennraum wird in einer Einzelfunkenstrecke jeweils durch ein Isolierstoffelement zwischen zwei Elektroden gebildet, wodurch ein Spalt zwischen den beiden Elektroden entsteht. Die einzelnen Brennräume sind so dicht ausgeführt, dass Plasma aus einem Brennraum nicht in den angrenzenden Brennraum eindringen kann. Es wird vorzugsweise keine gesondert ausgeführte und angeordnete Zündelektrode verwendet, sondern die Elektroden werden direkt selbst kontaktiert. Beispielsweise kontaktiert eine Triggerschaltung die Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke jeweils über einen Federkontakt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Hochspannungs-Triggerschaltung ausschließlich innenliegende Elektroden der beiden Teilstapel kontaktiert, bei denen zwischen der kontaktierten Elektrode und einer Anschlussseite des jeweiligen Teilstapels wenigstens eine weitere nicht-kontaktierte Elektrode liegt. Vorzugsweise liegt zwischen einer kontaktierten Elektrode und einer Anschlussseite des jeweiligen Teilstapels mehr als eine nicht-kontaktierte Elektrode. Ferner ist die Hochspannungs-Triggerschaltung dazu ausgebildet, einen Hochspannungsimpuls wenigstens einer Hochspannungsimpulsquelle in kontaktierte Elektroden einzuspeisen und die beiden Teilstapel der Mehrfach-Funkenstrecke getrennt voneinander zu zünden.
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Folglich sind nicht alle Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke durch die Hochspannungs-Triggerschaltung kontaktiert, sondern lediglich innenliegende Elektroden, d.h. Elektroden, die von der jeweiligen Anschlussseite aus gesehen im Inneren der Mehrfach-Funkenstrecke liegen. Die Mehrfach-Funkenstrecke wird somit auch aus ihrem Inneren heraus gezündet, wobei zwei Teilstapel an Elektroden getrennt voneinander gezündet werden. Insbesondere ist die Hochspannungs-Triggerschaltung dazu ausgebildet, die beiden Teilstapel der Mehrfach-Funkenstrecke im Wesentlichen ausgehend von Triggerelektroden in entgegengesetzte Richtungen zu zünden. Ein Teilstapel zündet ausgehend von eine Triggerelektrode in Richtung der ersten Anschlussseite, während der zweite Teilstapel ausgehend von einer Triggerelektrode in Richtung der gegenüberliegenden Anschlussseite zündet. Dabei beschreibt „die Richtung“ des Durchzündens den prinzipiellen Vorgang und macht keine Aussage über die Polaritäten des dabei fließenden Stromes, oder die Reihenfolge in der die einzelnen Funkenstrecken eines Teilstapels zünden.
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Die Erfindung reduziert die Anzahl der erforderlichen Bauteile für eine Triggerschaltung, da nicht mehr jede Elektrode einzeln kontaktiert und über entsprechende Bauteile angesteuert werden muss. Es erfolgt lediglich eine Kontaktierung von wenigstens zwei inneren Elektroden. Trotzdem kann im Überspannungsfall ein verlässliches Durchzünden der Mehrfach-Funkenstrecke gewährleistet werden. Der Hochspannungsimpuls wird hierzu so hoch gewählt, dass die Mehrfach-Funkenstrecke aus der Mitte der Stapelanordnung heraus in beide Richtungen zündet. Die Höhe des Hochspannungsimpulses ist dabei im Wesentlichen abhängig von der Anzahl der Einzelfunkenstrecken.
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Bei einer vorgegebenen Gesamtanzahl an Elektroden wird die Anzahl der nicht-kontaktierten äußeren Elektroden, bzw. die Anzahl der kontaktierten inneren Elektroden geeignet gewählt, um bei einer möglichst geringen Anzahl an innenliegenden, angesteuerten Elektroden eine verlässliche Zündung zu erreichen. Dabei ist die Anzahl n an Einzelfunkenstrecken zwischen von der Hochspannungs-Triggerschaltung kontaktierten Elektroden vorzugsweise kleiner als die Anzahl N an Einzelfunkenstrecken, bei denen wenigstens eine Elektrode nicht durch die Hochspannungs-Triggerschaltung kontaktiert ist. Insbesondere ist n kleiner als 1/2 N. Die Anzahl der kontaktierten Elektroden in der Mitte der Mehrfach-Funkenstrecke ist daher vorzugsweise kleiner als die Anzahl der nicht-kontaktierten Elektroden an den Außenseiten der Mehrfach-Funkenstrecke, wobei sie insbesondere sogar kleiner ist als die Anzahl der nicht-kontaktierten Elektroden auf einer Außenseite. Vorzugsweise wird daher nur eine geringe Anzahl an Elektroden in der Mitte der Mehrfach-Funkenstrecke kontaktiert, was zu einer erheblichen Einsparung an Bauteilen führt.
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Ferner liegen die kontaktierten inneren Elektroden vorzugsweise benachbart zueinander, so dass sich ein durchgehender Block aus wenigstens zwei kontaktierten Elektroden ergibt. Diese Elektroden können jedoch auf unterschiedliche Arten direkt oder indirekt von der Hochspannungs-Triggerschaltung angesteuert sein. Beispielsweise können einzelne Elektroden als Trigger- oder Zündelektroden ausgebildet sein, in welche ein Hochspannungsimpuls eingespeist wird. Insbesondere können lediglich zwei solche Trigger- oder Zündelektroden vorgesehen werden, wobei diese benachbart zueinander liegen können, so dass sie zwischen sich eine Einzelfunkenstrecke ausbilden. Zwischen solchen Triggerelektroden können jedoch auch weitere Elektroden (Zwischenelektroden) liegen, die auf andere Art von der Hochspannungs-Triggerschaltung angesteuert sind als die Triggerelektroden. Jeder zu zündende Teilstapel weist vorzugsweise lediglich eine Triggerelektrode auf, während weitere kontaktierte Elektroden des Teilstapels anderweitig angesteuert sind. Eine Triggerelektrode ist vorzugsweise eine von der Hochspannungs-Triggerschaltung kontaktierte Elektrode, die auch mit einer nicht-kontaktierten Elektrode eine Einzelfunkenstrecke bildet. Ausgehend von einer Triggerelektrode kann die Mehrfach-Funkenstrecke dann wenigstens in Richtung dieser nicht-kontaktierten Elektrode gezündet werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung mit lediglich zwei Triggerelektroden bilden eine Elektrode eines ersten Teilstapels und eine Elektrode eines zweites Teilstapels zwischen sich eine Einzelfunkenstrecke aus, so dass diese Triggerelektroden benachbart zueinander liegen. Die Hochspannungs-Triggerschaltung kontaktiert ausschließlich diese beiden Elektroden und ist dazu ausgebildet, einen Hochspannungsimpuls wenigstens einer Hochspannungsimpulsquelle in diese Elektroden einzuspeisen und die Teilstapel der Mehrfach-Funkenstrecke ausgehend von ihrer jeweils kontaktierten Elektrode in entgegengesetzte Richtungen zu zünden.
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Die Gesamtanzahl der Elektroden ist beispielsweise gerade, wodurch in der Mehrfach-Funkenstrecke zwei aneinandergrenzende Teilstapel mit einer jeweils gleichen Anzahl an Elektroden gebildet sind. Die Gesamtanzahl der Elektroden kann jedoch auch ungerade sein, so dass Teilstapel mit einer ungleichen Anzahl an Elektroden gebildet sind. Die Anzahl der Elektroden in jedem Teilstapel sollte jedoch nicht zu stark voneinander abweichen, um ein verlässliches Zünden der Mehrfach-Funkenstrecke aus der Mitte heraus zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass die kontaktierten Elektroden möglichst in der Mitte der Mehrfach-Funkenstrecke liegen sollten. Vorzugsweise ist der Unterschied zwischen der Anzahl an Elektroden in jedem Teilstapel daher beispielsweise kleiner 4, bevorzugt gleich 1 oder gleich 0. Anzustreben ist daher eine möglichst mittige Einspeisung des Hochspannungsimpulses, so dass die Anzahl an Einzelfunkenstrecken, die zwischen den kontaktierten Elektroden und der jeweiligen Anschlussseite ausgebildet sind, nicht zu stark voneinander abweichen. Insbesondere wird eine Abweichung um nur eine Einzelfunkenstrecke bevorzugt.
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Jeweils eine Elektrode eines Teilstapels wird somit als Triggerelektrode zum Zünden durch eine Triggerschaltung genutzt, wobei es sich beispielsweise bei einer geraden Gesamtanzahl an Elektroden bevorzugt um die beiden mittleren Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke handelt, die durch ein Isolierstoffelement voneinander getrennt nebeneinander liegen. Dann bildet die Triggerelektrode eines ersten Teilstapels A eine mittlere Einzelfunkenstrecke mit der Triggerelektrode eines zweites Teilstapels B aus und die beiden Triggerelektroden liegen benachbart zueinander. In dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hochspannungs-Triggerschaltung ausschließlich die Triggerelektrode des ersten Teilstapels A und die Triggerelektrode des zweiten Teilstapels B kontaktiert. Die anderen Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke werden somit nicht durch direkte Kontaktierung von der Hochspannungs-Triggerschaltung angesteuert, sondern nur die beiden mittleren, inneren Elektroden. Folglich ist die Hochspannungs-Triggerschaltung dazu ausgebildet, einen Hochspannungsimpuls wenigstens einer Hochspannungsimpulsquelle in die beiden Triggerelektroden einzuspeisen und die beiden Teilstapel (Hälften) der Mehrfach-Funkenstrecke so ausgehend von ihrer jeweiligen Triggerelektrode in entgegengesetzte Richtungen zu zünden. Der Hochspannungsimpuls wird dabei symmetrisch in der Mitte der Mehrfach-Funkenstrecke eingespeist. Bei einer ungeraden Gesamtanzahl an Elektroden wird der Hochspannungsimpuls wie zuvor beschrieben leicht versetzt zur Mitte der Mehrfach-Funkenstrecke eingespeist.
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Um sicher zu stellen, dass die Mehrfach-Funkenstrecke tatsächlich in beiden Richtungen gezündet wird, sind vorzugsweise zusätzliche Maßnahmen vorgesehen, da die zufällige Zündung eines beliebigen ersten Teilstapels den Hochspannungsimpuls so weit in der Spannung begrenzen würde, dass der verbleibende zweite Teilstapel nicht mehr zündet.
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Beispielsweise ist dazu vorgesehen, dass die Hochspannungs-Triggerschaltung wenigstens eine Hochspannungsimpulsquelle und zwei geeignet ausgebildete Impedanzen aufweist. Als Impedanzen werden Reihen- und Parallelschaltungen aktiver und passiver Bauteile verwendet. Insbesondere Varistoren, Kapazitäten, Widerstände, sowie Halbleiterelemente mit nichtlinearen Kennlinien können zum Einsatz kommen. Die wenigstens eine Hochspannungsimpulsquelle kontaktiert dann über eine erste Impedanz die Triggerelektrode des ersten Teilstapels A und über eine zweite Impedanz die Triggerelektrode des zweiten Teilstapels B.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Impedanzen in Parallelschaltung mit einer gemeinsamen Hochspannungsimpulsquelle verbunden, wodurch über die Impedanzen eine symmetrische Zündung erzielt werden kann. Wenn ein erster Teilstapel aus Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke durchzündet, kommt es in diesem Zweig zu einem Stromfluss, der über der jeweiligen Impedanz einen Spannungsabfall erzeugt. Die Spannung für den zweiten Teilstapel aus Elektroden ist dann ausreichend hoch, so dass auch dieser zünden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zwei Hochspannungsimpulsquellen und damit sozusagen zwei Triggereinheiten vorgesehen, die über eine jeweilige Triggerelektrode jeweils einen Teilstapel der Mehrfach-Funkenstrecke zünden. In einem solchen Fall ist eine erste Hochspannungsimpulsquelle mit der Triggerelektrode des ersten Teilstapels A verbunden, während eine zweite Hochspannungsimpulsquelle mit der Triggerelektrode des zweiten Teilstapels B verbunden ist. Auch hier kann die Verbindung zwischen der jeweiligen Hochspannungsquelle und einer Triggerelektrode optional über eine jeweilige Impedanz erfolgen.
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Sind zwei so angetriggerte Triggerelektroden nicht benachbart zueinander vorgesehen, liegen zwischen ihnen Zwischenelektroden, die vorzugsweise ebenfalls kontaktiert, aber anders als die Triggerelektroden angesteuert sind. Diese Zwischenelektroden sind beispielsweise über eine impedanzbehaftete Verbindung mit einer der beiden Triggerelektroden verbunden. In einer Ausführungsform der Erfindung weist diese impedanzbehaftete Verbindung Bauteile aus der Gruppe der Widerstände, Varistoren, Spulen, Kondensatoren und Halbleiterbauelemente mit nichtlinearen Kennlinien aufweist. Dabei kann eine erste Gruppe an Zwischenelektroden mit einer ersten Triggerelektrode und eine zweite Gruppe an Zwischenelektroden mit einer zweiten Triggerelektrode verbunden sein. In einer anderen Ausführungsform sind alle Zwischenelektroden über eine jeweils impedanzbehaftete Verbindung mit nur einer Triggerelektrode verbunden.
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Diese Ausführungsform kann insbesondere bei einer ungeraden Gesamtanzahl an Elektroden in der Mehrfach-Funkenstrecke zur Anwendung kommen, da diese dann so ausgestaltet werden kann, dass die Anzahl an Einzelfunkenstrecken auf beiden Seiten der Triggerelektroden identisch ist. Sie kann jedoch auch bei einer geraden Gesamtanzahl an Elektroden in der Mehrfach-Funkenstrecke zur Anwendung kommen. Vorzugsweise ist auch hier die Anzahl an Einzelfunkenstrecken, die zwischen zwei Triggerelektroden liegen, kleiner als die Anzahl an Einzelfunkenstrecken, die zwischen einer Triggerelektrode und einer jeweiligen Anschlussseite liegen.
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Eine Hochspannungsimpulsquelle kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein. Sie besteht wenigstens aus Elementen zur direkten oder indirekten Erzeugung eines Hochspannungsimpulses. Ferner kann sie Elemente zur Triggerung eines anderen Elementes aufweisen, durch welches wiederum der Hochspannungsimpuls erzeugt wird. Auch Mittel zur Überwachung der über der Mehrfach-Funkenstrecke anliegenden Spannung können von der Hochspannungsimpulsquelle umfasst sein. In einer Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise vorgesehen, dass die Hochspannungs-Triggerschaltung dazu ausgebildet ist, die über der Mehrfach-Funkenstrecke anliegende Spannung zu überwachen und bei Überschreiten eines Schwellenwertes zum Durchzünden der Mehrfach-Funkenstrecke einen Hochspannungsimpuls in diese einzuspeisen. Diese Überwachung kann innerhalb der Hochspannungsimpulsquelle oder durch separate Bauteile realisiert sein.
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Eine Hochspannungsimpulsquelle umfasst somit im Rahmen der Erfindung nicht nur die direkte Erzeugungsquelle eines Hochspannungsimpulses, sondern optional auch ein oder mehrere erforderliche Mittel zur Auslösung eines Hochspannungsimpulses. Zur Erzeugung einer notwendigen Zündhochspannung haben sich insbesondere piezoelektrische Elemente als vorteilhaft erwiesen. Verwendet werden können jedoch eine Vielzahl von elektronischen Schaltungen, mit denen sich impulsförmige oder repetierende Zündungen erzeugen lassen. In einer solchen Schaltung wird zur Erzeugung einer Hochspannung insbesondere ein Transformator verwendet.
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Die Energie für den entsprechenden Vorgang bei der Erzeugung eines Hochspannungsimpulses kann ebenfalls auf verschiedene Arten gewonnen werden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Betrieb der Hochspannungs-Triggerschaltung wenigstens teilweise Energie aus einem Energiespeicher und/oder aus einem Überspannungsereignis an der Mehrfach-Funkenstrecke und/oder aus der Betriebsspannung eines elektrischen Systems, in welches die Mehrfach-Funkenstrecke als Überspannungsableiter eingebunden ist, verwendet wird. Beispielsweise können als Energiespeicher kurz- oder langfristige Energiespeicher wie Akkumulatoren, Batterien oder Kondensatoren eingesetzt werden.
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Das Gewinnen der Energie aus dem Überspannungsereignis selbst ist oftmals zu bevorzugen, aber alternative Energiequellen sind gleichwohl denkbar. Auch zum Gewinnen von Energie aus Teilströmen des Überspannungsereignisses sind eine Vielzahl von elektronischen Schaltungen mit mehreren Bauelementen denkbar. In einer Ausführungsform der Erfindung sind beispielsweise zwei Anschlussseiten der MehrfachFunkenstrecke parallel zu dieser über einen elektrischen Pfad miteinander verbunden. Der Strom in diesem Pfad wird durch eine Impedanz begrenzt, die insbesondere ein Kondensator, ein nicht-linearer Widerstand oder eine sonstige Impedanz sein kann. Ab einem definierten Schwellenwert für den Strom lässt ein der Impedanz nachgeschalteter Überspannungsableiter einen Strom durch einen Transformator fließen, der dann eine Hochspannung erzeugt, die einer oder beiden Triggerelektroden zugeführt wird.
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Insgesamt kann mit der erfindungsgemäßen Mehrfach-Funkenstrecke ein Überspannungsableiter bereitgestellt werden, der netzfolgestromfrei ausgebildet werden kann. Die Vorteile einer Mehrfach-Funkenstrecke können genutzt werden, wobei die Anzahl der erforderlichen Bauelemente für eine geeignete Triggerung der Mehrfach-Funkenstrecke jedoch gering ist. Dennoch kann die Mehrfach-Funkenstrecke verlässlich gezündet und mit ausreichend niedriger Ansprechspannung, d.h. niedrigen Schutzpegeln betrieben werden. Insbesondere kann die Mehrfach-Funkenstrecke in Gleichstromnetzen eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
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Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Mehrfach-Funkenstrecke mit einer ersten Ausführungsform einer Hochspannungs-Triggerschaltung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Mehrfach-Funkenstrecke mit einer zweiten Ausführungsform einer Hochspannungs-Triggerschaltung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Mehrfach-Funkenstrecke mit einer dritten Ausführungsform einer Hochspannungs-Triggerschaltung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Mehrfach-Funkenstrecke mit einer vierten Ausführungsform einer Hochspannungs-Triggerschaltung;
- 5 eine schematische Darstellung einer Mehrfach-Funkenstrecke mit einer fünften Ausführungsform einer Hochspannungs-Triggerschaltung; und
- 6 eine schematische Darstellung einer Mehrfach-Funkenstrecke mit einer sechsten Ausführungsform einer Hochspannungs-Triggerschaltung.
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1 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Mehrfach-Funkenstrecke 10 mit einer Hochspannungs-Triggerschaltung 40 in einer ersten Ausführungsform. Die Mehrfach-Funkenstrecke 10 wird im Wesentlichen durch mehrere scheibenförmige Elektroden gebildet, die jeweils durch dünne Isolierstoffelemente voneinander beabstandet sind. Die Isolierstoffelemente haben die Form von Scheiben oder Folien mit einer mittigen Öffnung und sind zwischen zwei Elektroden fixiert, so dass sich jeweils im Spalt zwischen zwei Elektroden eine Einzelfunkenstrecke bildet. Die Isolierstoffelemente bilden durch die mittige Ausnehmung die benötigte Distanz zwischen zwei Elektroden für eine entsprechende Einzelfunkenstrecke. Eine so gebildete Einzelfunkenstrecke ist in 1 exemplarisch mit der Bezugsziffer 26 versehen.
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Die Elektroden und Isolierstoffelemente sind geeignet miteinander verbunden und es können weitere nicht explizit dargestellte Verbindungsmittel, Halterungen, Dichtungen, Gehäuse, etc. vorgesehen sein. Insgesamt ist die Mehrfach-Funkenstrecke als Überspannungsableiter in ein elektrisches System integriert (nicht dargestellt). Bei 1 handelt es sich somit lediglich um eine schematische Darstellung der wesentlichen Funktionskomponenten einer Mehrfach-Funkenstrecke, um daran ihre Funktionsweise und Ansteuerung durch eine Hochspannungs-Triggerschaltung zu erläutern. Die spezifische Ausbildung der Mehrfach-Funkenstrecke ist daher nur beispielhaft zu verstehen und sie kann auf jede geeignete Weise ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere auch für Anzahl, Abmessungen, Form und Anordnung von Elementen der Mehrfach-Funkenstrecke.
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Die Ausführungsformen der Mehrfach-Funkenstrecken der 2 bis 6 unterscheiden sich von der Ausführungsform der 1 nur in der Ausgestaltung der jeweiligen Hochspannungs-Triggerschaltung, so dass die Beschreibung des wesentlichen Aufbaus der Mehrfach-Funkenstrecke analog für alle Figuren gilt.
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In 1 sind exemplarisch vier Elektroden mit den Bezugszeichen 20, 21, 22 und 23 versehen, während drei Isolierstoffelemente exemplarisch mit den Bezugsziffern 30, 31 und 32 versehen sind. Die Gesamtanzahl der Elektroden ist in dieser Ausführungsform gerade, wodurch sich zwei aneinandergrenzende Teilstapel mit einer jeweils gleichen Anzahl an Elektroden ergeben. Ein erster Teilstapel aus mehreren Elektroden ist in 1 mit A gekennzeichnet, während ein zweiter Teilstapel mit B gekennzeichnet ist. Jeder dieser Teilstapel A und B weist jeweils eine Elektrode auf, die zur Triggerung der Mehrfach-Funkenstrecke verwendet wird (Triggerelektrode). Im Teilstapel A handelt es sich um die Triggerelektrode 20, während es sich im Teilstapel B um die Triggerelektrode 21 handelt. Hierbei handelt es sich um zwei benachbarte Elektroden, so dass sie zusammen mit dem dazwischen liegenden Isolierstoffelement 30 eine Einzelfunkenstrecke bilden. Die übrigen Elektroden sind nicht kontaktiert und werden nicht als Triggerelektroden verwendet, wobei die nicht-kontaktierte Elektrode 22 beispielsweise über ein weiteres Isolierstoffelement 31 mit der Triggerelektrode 21 eine Einzelfunkenstrecke bildet. Die nicht-kontaktierte Elektrode 23 bildet über das Isolierstoffelement 32 eine Einzelfunkenstrecke, usw.
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Die Mehrfach-Funkenstrecke 10 wird bei einem Überspannungsereignis von einer Hochspannungs-Triggerschaltung durch Vorionisation durchgezündet, indem die Hochspannungs-Triggerschaltung durch direkte Kontaktierung der beiden Triggerelektroden 20, 21 wenigstens einen Hochspannungsimpuls in die Mehrfach-Funkenstrecke 10 einspeist. Und zwar wird der wenigstens eine Hochspannungsimpuls aufgrund der geraden Gesamtanzahl an Elektroden und der mittigen Anordnung der Triggerelektroden symmetrisch in der Mitte der Mehrfach-Funkenstrecke 10 eingespeist, d.h. zwischen einer Triggerelektrode 20, 21 und der jeweiligen Anschlussseite 24, 25 ist jeweils die gleiche Anzahl an Einzelfunkenstrecken ausgebildet. Die Einspeisung kann jedoch auch leicht versetzt zur Mitte erfolgen, was bei einer geraden oder ungeraden Gesamtanzahl an Elektroden der Fall sein kann. Anzustreben ist jedoch eine möglichst mittige Einspeisung, so dass die Anzahl an Einzelfunkenstrecken, die zwischen einer Triggerelektrode 20, 21 und der jeweiligen Anschlussseite 24, 25 ausgebildet sind, nicht zu stark voneinander abweichen. Insbesondere wird eine Abweichung um nur eine Einzelfunkenstrecke bevorzugt. Die 2 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele mit einer geraden Gesamtanzahl an Elektroden, diese sind analog jedoch auch mit einer ungeraden Gesamtanzahl an Elektroden möglich.
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Die Einspeisung des Hochspannungsimpulses kann auf verschiedene Arten erfolgen, wobei 1 eine erste mögliche Ausführungsform einer solchen Hochspannungs-Triggerschaltung zeigt. Die Hochspannungs-Triggerschaltung der 1 weist eine Hochspannungsimpulsquelle 40 auf. Diese Hochspannungsimpulsquelle 40 ist wenigstens zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses ausgebildet, sie kann aber gleichzeitig auch für andere Funktionen wie die Überwachung der an der Mehrfach-Funkenstrecke anliegenden Spannung ausgebildet sein. Alternativ erfolgt die Überwachung der an der Mehrfach-Funkenstrecke anliegenden Spannung über eine weitere Überwachungseinheit (nicht dargestellt), die in Verbindung mit der Hochspannungsimpulsquelle 40 steht.
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Die Hochspannungsimpulsquelle 40 ist in einen Pfad 60 eingebunden, der zwei Anschlussseiten 24 und 25 der Mehrfach-Funkenstrecke 10 parallel zu dieser miteinander verbindet. Die Hochspannungsimpulsquelle 40 ist über zwei Impedanzen 41 und 42 mit den beiden Triggerelektroden 20 und 21 kontaktiert. Dabei sind die beiden Impedanzen 41, 42 parallel geschaltet. Die Kontaktierung der beiden Triggerelektroden 20, 21 erfolgt vorzugsweise über flexible Kontaktierungen wie beispielsweise zwei Federkontakte 50 und 51. Andere geeignete Kontaktierungen können jedoch ebenfalls zur Anwendung kommen.
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Tritt ein Überspannungsereignis auf, bei welchem die Mehrfach-Funkenstrecke 10 eine Überspannung ableiten soll, erzeugt die Hochspannungsimpulsquelle 40 einen Hochspannungsimpuls, der über die beiden Impedanzen 41, 42 an die Triggerelektroden 20, 21 geleitet wird. Der Hochspannungsimpuls auf die erste Triggerelektrode 20 bewirkt ein Zünden des ersten Teilstapels A aus Elektroden und damit aus Einzelfunkenstrecken in Richtung eines Pfeils nach links. Der Hochspannungsimpuls auf die zweite Triggerelektrode 21 bewirkt ein Zünden des zweiten Teilstapels B aus Elektroden und damit aus Einzelfunkenstrecken in Richtung eines Pfeils nach rechts. Auf diese Weise zündet die Mehrfach-Funkenstrecke 10 aus der Mitte heraus in entgegengesetzte Richtungen. Die beiden Teilstapel A, B werden dabei unabhängig voneinander gezündet.
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Dabei kann die Hochspannungsimpulsquelle 40 den Hochspannungsimpuls auf verschiedene Arten erzeugen. Sie kann insbesondere piezoelektrische Elemente, Transformatoren oder andere geeignete Bauelemente verwenden. 2 zeigt beispielsweise eine zweite Ausführungsform einer Mehrfach-Funkenstrecke 11 mit einer Hochspannungsimpulsquelle 40 im Pfad 60, die eine Triggereinheit 70 und einen Transformator 71 umfasst, durch die ein Hochspannungsimpuls erzeugt und zu den beiden Impedanzen 41, 42 geleitet werden kann. Die Triggereinheit 70 triggert den Transformator 71 an, einen Hochspannungsimpuls zu erzeugen.
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3 zeigt hingegen eine Ausführungsform einer Mehrfach-Funkenstrecke 12, bei der zwei separate Hochspannungsimpulsquellen 40 und 40' vorgesehen sind, die jeweils eine Hälfte der Mehrfach-Funkenstrecke 12 zünden. Beide Hochspannungsimpulsquellen 40 und 40' sind jeweils über eine optionale Impedanz 41, 42 und Federkontakte 50, 51 mit den Triggerelektroden 20, 21 kontaktiert. Ferner sind die beiden Hochspannungsimpulsquellen 40, 40' im Pfad 60 über einen Zwischenpfad 61 miteinander verbunden.
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In der Ausführungsform der 4 umfasst eine Hochspannungsimpulsquelle 40 im Pfad 60 einer Mehrfach-Funkenstrecke 13 erneut eine Triggereinheit 70 und einen Transformator 72, der jedoch so ausgebildet ist, dass zwei getrennte Hochspannungsimpulse erzeugt und über optionale Impedanzen 41, 42 an die beiden Triggerelektroden 20, 21 geleitet werden.
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Insbesondere können Teilströme des Überspannungsereignisses zum Betrieb einer Hochspannungs-Triggerschaltung genutzt werden. 5 zeigt beispielhaft eine solche Ausführungsform einer Mehrfach-Funkenstrecke 14. Im Pfad 60 ist eine Impedanz 73 vorgesehen, die beispielsweise ein Kondensator, ein nicht-linearer Widerstand oder eine sonstige Impedanz sein kann. Diese Impedanz 73 begrenzt den Strom im Pfad 60. Der Impedanz 73 nachgeschaltet ist ein Überspannungsableiter 75, welcher ab einem definierten Schwellenwert einen Strom durch einen Transformator 71 fließen lässt. Hierzu ist parallel zu dem Überspannungsableiter 75 ein Kondensator 74 geschaltet. Der Transformator 71 erzeugt einen Hochspannungsimpuls, der wiederum über die beiden Impedanzen 41, 42 an die Triggerelektroden 20, 21 geführt wird.
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Der Überspannungsableiter 75 steht in der Ausführungsform der 5 jedoch lediglich als Synonym für beliebige Schaltelemente, die ab einem definierten Schwellenwert einen Strom durch den Transformator 71 zur Erzeugung einer Hochspannung fließen lassen. Weitere elektronische Schaltungen zur Erzeugung impulsförmiger oder repetierender Zündungen sind ebenfalls möglich.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Mehrfach-Funkenstrecke 15, bei welcher die beiden Triggerelektroden 20 und 21 nicht benachbart zueinander liegen, d.h. sie bilden zwischen sich keine Einzelfunkenstrecke aus. Vielmehr liegen zwischen den beiden Triggerelektroden 20, 21 weitere Elektroden 20' und 20'. Diese Zwischenelektroden 20', 20” können nur untereinander (nur Impedanz 63) oder mit einer der Zündelektroden 20 und /oder 21 verbunden sein. Es bildet sich so ein Block aus innenliegenden, kontaktierten Elektroden 20, 20', 20", 21, die benachbart zueinander liegen. Zwischen diesen Elektroden sind jeweils Einzelfunkenstrecken ausgebildet. Über die geeignete Wahl der Impedanzen 62, 63 sowie die mögliche Kontaktierung zu einer oder beider der Elektroden 20, 21, kann das Zündverhalten optimiert werden. Insbesondere kann die Ausbreitung des Zündimpulses in den entgegengesetzte Richtungen in den Blöcken A und B sichergestellt werden, ohne das Zündverhalten der Gesamtanordnung relevant zu verschlechtern.
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Die Anzahl an Zwischenelektroden ist auch hier nur beispielhaft zu verstehen und kann größer oder kleiner sein. Insbesondere kann es sich bei einer ungeraden Gesamtanzahl an Elektroden um nur eine Zwischenelektrode handeln. Ferner sind vorzugsweise so viele äußere, nicht-kontaktierte Elektroden vorgesehen, dass die Anzahl n an Einzelfunkenstrecken zwischen den beiden Triggerelektroden 20, 21 kleiner ist als die Anzahl N an Einzelfunkenstrecken zwischen den Triggerelektroden 20, 21 und den Anschlussseiten 24, 25. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist n=3, während N=4 ist. Vorzugsweise ist n kleiner als 1/2 N, so dass die Anzahl an Einzelfunkenstrecken zwischen der jeweiligen Triggerelektrode 20, 21 und einer Anschlussseite 24, 25 weiter erhöht oder die Anzahl an Einzelfunkenstrecken zwischen den beiden Triggerelektroden 20, 21 geringer sein kann.
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Die Elektroden an den Außenseiten dieses Blocks aus kontaktierten Elektroden werden als Trigger- oder Zündelektroden 20, 21 ausgebildet. Somit ist eine Triggerelektrode eine von der Hochspannungs-Triggerschaltung kontaktierte Elektrode, die auch mit einer nicht-kontaktierten Elektrode 22, 23 eine Einzelfunkenstrecke bildet. Über diese Triggerelektroden 20, 21 wird jeweils ein Hochspannungsimpuls in die Mehrfachfunkenstrecke 15 eingeleitet, wobei hierfür eine Anordnung mit einer Hochspannungsquelle 40 und einer Parallelschaltung aus zwei Impedanzen 41, 42 wie in der Ausführungsform der 1 verwendet wird. Die diesbezüglich ausgeführten alternativen Ausführungen können jedoch ebenfalls zur Anwendung kommen.
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Die Zwischenelektroden 20', 20" sind vorzugsweise wie die Triggerelektroden 20, 21 über einen jeweiligen Federkontakt 50', 50" kontaktiert. Ferner sind sie über eine impedanzbehaftete Verbindung 62, 63 mit der Triggerelektrode 20 verbunden. Sie können aber auch über eine solche Verbindung mit der Triggerelektrode 21 verbunden sein, oder die Zwischenelektrode 20' ist über eine impedanzbehaftete Verbindung mit der Triggerelektrode 20 verbunden, während die Zwischenelektrode 20" über eine impedanzbehaftete Verbindung mit der Triggerelektrode 21 verbunden ist. Bei mehr als zwei Zwischenelektroden können weitere Verbindungsvarianten gewählt werden.
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In der Ausführungsform der 6 weisen die Verbindungen 62, 63 jeweils einen Kondensator auf. Alternativ können beispielsweise Bauelemente aus der Gruppe der Widerstände, Varistoren, Spulen und Halbleiterbauelemente mit nichtlinearen Kennlinien gewählt werden. Ein Teilstapel A umfasst dann mehrere nicht-kontaktierte Elektroden 23, die Triggerelektrode 20 und die beiden Zwischenelektroden 20', 20". Ein weiterer Teilstapel B umfasst die Triggerelektrode 21 und mehrere nicht-kontaktierte Elektroden 22. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Teilstapel A, B unabhängig voneinander gezündet. Die Triggerelektrode 21 zündet den Teilstapel B in Richtung des gestrichelten Pfeils, während die Triggerelektrode 20 zusammen mit den Zwischenelektroden 20', 20" den Teilstapel A in Richtung der beiden durchgehenden Pfeile zündet.
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Bezugszeichenliste
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- 10,11,12,13,14,15
- Mehrfach-Funkenstrecke, MAFS
- 20,20`,20”,21
- Elektrode, kontaktiert
- 22,23
- Elektrode, nicht-kontaktiert
- 24,25
- Anschlussseite
- 26
- Einzelfunkenstrecke
- 30,31,32
- Isolierstoffelement
- 40,40'
- Hochspannungsimpulsquelle
- 41,42
- Impedanz (Z)
- 50,50`,50”,51
- Kontaktierung, Federkontakt
- 60
- Pfad
- 61
- Zwischenpfad
- 62,63
- Verbindung, impedanzbehaftet
- 70
- Triggereinheit
- 71,72
- Transformator
- 73
- Impedanz (Z)
- 74
- Kondensator
- 75
- Überspannungsableiter
- A,B
- Teilstapel
