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Schaltungsanordnung zur zeitlich definierten Abgabe von Spannungsstößen
hoher Spannung und großer Leistung, insbesondere für die Verwendung als Prüfspannungsstöße
bei nach der Reflexionsmethode arbeitenden Meßverfahren, vorzugsweise zur Überprüfung
von Freileitungen, Kabeln od. dgl.
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In der elektrischen Meß- oder Nachrichtentechnik benötigt man, um
z. B. elektrische Leitungen nach derReflexionsmethode zu prüfen, insbesondere, wenn
diese Leitungen, wie z. B. Freileitungen, einen hohen Störpegel aufweisen, oder
um Funkmeßverfahren, z. B. Funkortung, Flugsicherung usw., nach dem Rückstrahlprinzip
durchzuführen, zeitlich definierte Spannungsstöße hoher Spannung und großer Leistung.
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Benutzt man zur Erzeugung derartiger Spannungsstöße Schaltungsanordnungen
mit gasgefüllten Entladungsröhren, so ist in bezug auf Spannungshöhe und Leistungsgröße
den von derartigen Schaltungsanordnungen abgegebenen Spannungsstößen mit Rücksicht
auf den wirtschaftlich vertretbaren Aufwand eine Grenze gesetzt. Außerdem sind die
verwendeten gasgefüllten Entladungsröhren in ihrer Arbeitsweise stark von äußeren
Temperaturschwankungen abhängig, so daß besondere Klimaanlagen notwendig werden.
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In weitaus einfacherer Weise kann man Spannungsstöße hoher Spannung
und großer Leistung durch Kondensatorentladungen über Funkenstrecken erzeugen. Die
Zündung der Funkenstrecke erfolgt dabei durch im gewünschten Zeitpunkt an die Funkenstrecke
herangeführte Hilfselektroden. Hierzu werden z. B. mechanisch arbeitende Elemente
benötigt, welche nicht die erforderliche Zeitgenauigkeit besitzen.
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Weiterhin ist es bekannt, die Funkenstrecke aufzuteilen, nämlich
in eine zur Spannungsstoßabgabe dienende Funkenstrecke und in eine Hilfsfunkenstrecke,
welche in Reihe geschaltet sind. Der Durchbruch der zur Spannungsstoßabgabe dienenden
Funkenstrecke erfolgt dann durch Anlegen einer diesen Durchbruch herbeiführenden
Spannung über die Hilfsfunkenstrecke, deren Durchbruch durch einen zu dem gewünschten
Zeitpunkt an sie angelegten Steuerimpuls erzielt wird. Die Wirkungsweise einer solchen
Funkenstreckenaufteilung sei am Schaltbild der Fig. 1 erläutert: Mit 1 ist darin
der Verbraucher bezeichnet, an den ein zeitlich definierter Spannungsstoß hoher
Spannung und großer Leistung abgegeben werden soll. Unter dem Verbraucher 1 ist
beispielsweise bei der Ausmessung von elektrischen Leitungen die auszumessende Leitung
einschließlich der Zuleitungen und der gegebenenfalls erforderlichen Schaltelemente
zu verstehen. In Reihe mit dem Verbraucher 1 liegen die zur Spannungs stoß abgabe
dienende Funkenstrecke 2, deren Durchbruch den Spannungsstoß am Verbraucher 1 auftreten
läßt, und die Hilfsfunkenstrecke 3, deren Durchbruch durch einen.zu dem gewünschten
Zeitpunkt
an sie angelegten Steuerimpuls erzielt wird.
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Parallel zu dieser aus dem Verbraucher 1 und den Funkenstrecken 2
und 3 bestehenden Reihenschaltung liegt der Kondensator 4, dessen Entladung den
Spannungsstoß auf den Verbraucher 1 liefert. Der Kondensator 4 wird nämlich von
einer nicht gezeigten Hochspannungsquelle derart aufgeladen, daß gegenüber der oberen
Platte des Kondensators 4, welche Nullpotential 0 aufweisen mag, die untere Platte
des Kondensators 4 das negative Potential U besitzt.
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Dann herrscht an den Funkenstrecken 2 und 3 folgende Potentialverteilung:
Die obere Elektrode der Funkenstrecke 2 hat das Potential 0, die mit dem Kondensator
4 verbundene untere Elektrode der Hilfsfunkenstrecke 3 hat das Potential - U, während
sich an dem zwischen den miteinander verbundenen Elektroden der Funkenstrecken 2
und 3 liegenden Punkt P ein Potential zwischen 0 und - U einstellt, welches bei
dem gewählten Abstand der Elektroden noch keinen Durchbruch veranlaßt.
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Wird jetzt über die Leitung 5 dem Punkt P ein Steuerimpuls von der
Größe Us zugeführt, so zündet die Hilfsfunkenstrecke 3, da sich an ihren Elektroden
eine
Potentialdifferenz von der Größe Us+ U gegenübersteht. Dann nimmt der Punkt P mit
diesem Durchbruch das Potential - U an, so daß an der Funkenstrecke 2 die zu deren
Durchbruch ausreichende Potentialdifferenz U 1wiegt. Infolge des Durchbruches der
Funkenstrecke 2 entlädt sich der Kondensator 4 über die Funkenstrecken 2 und 3 und
gibt damit einen Spannungs stoß von der Größe U zu der durch den Steuerimpuls +
Us definierten Zeit auf den Verbraucher 1 ab.
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Zweckmäßig wird der Punkt P durch einen oder mehrere hochohmige Widerstände
bis zum Anlegen des Steuerimpulses auf einem definierten Potential, z. B. Nullpotential,
gehalten. Ein entsprechender Widerstand 6 ist in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet.
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Um bei einer derartigen Funkenstrecken anordnung ein Optimum an Zündsicherheit
der Funkenstrecken zu erzielen, muß der Betrag des Steuerimpulses + Us ungefähr
halb so groß wie der Betrag der Spannung - U sein. Mit der Höhe der zu schaltenden
Spannung U steigt somit auch die Höhe des zu verwendenden Steuerimpulses + U5. Um
dessen Erzeugung in wirtschaftlichen Grenzen zu halten, kann die Höhe dieses Spannungsstoßes
nicht beliebig gesteigert werden, so daß mit dem demzufolge niedrigeren Steuerimpuls
das Optimum an Zündsicherheit und zeitlicher Genauigkeit bei hohen zu schaltenden
Spannungen - etwa über 10 kV - mit den bekannten Funkenstrecken nicht eingehalten
werden kann.
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Die Erfindung schafft diesbezüglich dadurch Abhilfe, daß erfindungsgemäß
die Hilfsfunkenstrecke, deren Durchbruch eine zur Zündung der zur Spannungs stoß
abgabe dienenden Funkenstrecke ausreichende Spannung an diese anlegt, aus in Reihe
geschalteten, nacheinander durchbrechenden Teilfunken strecken aufgebaut ist. Hierdurch
wird erreicht, daß der zur Zündung erforderliche Steuerimpuls nicht mehr halb so
groß wie die zu schaltende Spannung zu sein braucht, sondern nur noch einen wesentlich
kleineren, der Aufteilung der Hilfsfunkenstrecke entsprechenden Bruchteil dieser
Spannung zu betragen braucht. Überdies wird durch die erfindungsgemäße Aufteilung
der Hilfsfunkenstrecke in Teilfunkenstrecken die Möglichkeit geschaffen, die Abstände
dieser Teilfunkenstrecken, an denen nur noch ein der Aufteilung der Hilfsfunkenstrecke
entsprechender Bruchteil der zu schaltenden Spannung liegt, relativ klein zu halten,
so daß infolge der kleinen Luftstrecke zwischen den Elektroden eine weitere Erhöhung
der Zündsicherheit und der zeitlichen Genauigkeit erzielt ist.
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Es empfiehlt sich, die zuerst durchbrechende Teilfunkenstrecke beispielsweise
durch Belegung ihrer Elektroden mit radioaktiven Substanzen vorzuionisieren. Ferner
ist es zweckmäßig, die Funkenstrecken räumlich so anzuordnen, daß die noch nicht
durchgebrochenen Teilfunkenstrecken durch die Ausstrahlung der bereits durchgebrochenen
Teilfunkenstrecke vorionisiert werden.
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Damit der gesamte Durchbruchsvorgang der Hilfsfunkenstrecke 3 möglichst
günstig verläuft, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine entsprechende
Potentialverteilung an den Elektroden der Teilfunkenstrecken a bis e dadurch geschaffen,
daß die Potentiale derselben bis auf das Potential der mit der zur Spannungsstoßabgabe
dienenden Funkenstrecke 2 verbundenen Elektrode an einem ohmschen Spannungsteiler
abgegriffen werden.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt. In sämtlichen Figuren sind gleiche Teile mit der gleichen Bezeichnung
gekennzeichnet.
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In der Fig. 2 ist, wie schon erwähnt, die Hilfsfunkenstrecke 3 aus
den in Reihe geschalteten fünf Teilfunkenstrecken a bis e aufgebaut. Die Potentiale
Ul, U,, UO, U, der jeweils miteinander verbundenen Elektroden der Teilfunkenstrecken
a bis e werden an dem aus den Widerständen 7 bis 11 bestehenden ohmschen Spannungsteiler
abgegriffen, so daß diese Potentiale durch die Beziehung O<Ul<U2<U3<U,,<U
miteinander verknüpft sind. Es empfiehlt sich dabei, die an jeder Teilfunkenstrecke
liegende Potentialdifferenz nicht gleichzuhalten, sondern die Widerstände 7 bis
11 derart zu bemessen, daß die Potentialdifferenzen an den zuerst durchbrechenden
Teilfunkenstrecken größer als an den später durchbrechenden Teilfunkenstrecken sind,
also z. B.
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UI>U2UJ>U3U2>U4U3>UU4 An das Nullpotential sind ferner
die Kondensatoren 12 bis 15 parallel angeschlossen, die jeweils über eine Drosselspule
mit den zwischen zwei Widerständen des ohmschen Spannungsteilers liegenden Verbindungspunkten
verbunden sind. So liegen zwischen Nullpotential und dem Verbindungspunkt zwischen
den Widerständen 7 und 8 der Kondensator 12 und die Drosselspule 16, zwischen Nullpotential
und dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 8 und 9 der Kondensator 13 und
die Drosselspule 17 usf.
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Wird jetzt über den Kondensator 20 und die Leitung 5 dem Punkt P
ein Steuerimpuls von der Größe + U5 zugeführt, so liegt an den Elektroden der Teilfunkenstrecke
a die Potentialdifferenz Us+ Uf, so daß die Teilfunkenstrecke a, welche durch Belegung
ihrer Elektroden mit radioaktiven Substanzen vorionisiert ist, durchbricht. Die
zur Aufrechterhaltung des Durchbruchs notwendige Energie liefert der Kondensator
12, wobei diese Energieabgabe durch die Drosselspule 16 verlangsamt und in Zusammenwirken
mit dem Kondensator 12 vergrößert wird.
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Nach dem Durchbruch der Teilfunkenstrecke a liegt an der Teilfunkenstrecke
b eine Potentialdifferenz U5+ U2. Diese Potentialdifferenz reicht aus, um die Teilfunkenstrecke
b durchbrechen zu lassen, wobei die zur Aufrechterhaltung des Durchbruchs notwendige
Energie vom Kondensator 13 geliefert und diese Energieabgabe durch die Drosselspule
17 verlangsamt und in Zusammenwirken mit dem Kondensator 13 vergrößert wird. Dieser
Vorgang wiederholt sich bei den Teilfunkenstrecken c, d und e. Das Potential des
Punktes P ist dann praktisch gleich -da der innere Widerstand der durchgebrochenen
Hilfsfunkenstrecke 3 niederohmig ist. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Spannungsquelle
des Steuerimpulses + U5 einen inneren Widerstand besitzt.
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Die Teilfunkenstrecken a bis e sind zweckmäßig räumlich so angeordnet,
daß die noch nicht durchgebrochenen Teilfunkenstrecken durch die Ausstrahlung der
bereits durchgebrochenen Teilfunkenstrecken vorionisiert werden.
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Nach dem Durchbruch der Hilfsfunkenstrecke 3 liegt somit an der Funkenstrecke
2 die zu deren Durchbruch ausreichende Potentialdifferenz U. Nach
dem
Durchbruch der Funkenstrecke 2 entlädt sich der Kondensator 4 über die Funkenstrecken
2 und 3 und gibt damit einen Spannungsstoß von der Größe U zu der durch den Steuerimpuls
+ U2 definierten Zeit auf den Verbraucher 1 ab.
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Die Schaltungsanordnung der Fig. 3 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung
der Fig. 2 lediglich dadurch, daß außer den Kondensatoren 12 bis 15 noch Kondensatoren
21 bis 24 vorgesehen sind, welche gemäß der Darstellung in der Fig. 3 auf der einen
Seite mit den Verbindungspunkten zwischen dem Kondensatorl2 und der Drosselspule
16 usw. und auf der anderen Seite in Parallelschaltung mit dem Potential - U verbunden
sind. Die Kondensatorpaare 12/21, 13/22, 14/23 und 15/24 bilden jeweils einen kapazitiven
Spannungsteiler. Wie in der Fig. 3 durch abweichende Abmessung angedeutet, sind
dabei die Kondensatoren 12 bis 15 und 21 bis 24 in ihrer Größe so bemessen, daß
die an dem kapazitiven Spannungsteiler abgegriffenen Potentiale - U1 bis -U, der
Elektroden der Teilfunkenstrecken a bis e mit den am ohmschen Spannungsteiler abgegriffenen
Potentialen übereinstimmen.
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Durch diese Anordnung der Kondensatoren 12 bis 15 und 21 bis 24 wird
erreicht, daß beim Anlegen des Potentials - U die Potentialverteilung an den Elektroden
der Teilfunkenstrecken a bis e in kürzerer Zeit und mit geringerem Leistungsaufwand
ausgebildet wird, als dies bei der Schaltungsanordnung der Fig. 2 der Fall ist.
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Sofern der Steuerimpuls + U5 periodisch angelegt wird, liefert die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch die zeitlich definierten Spannungsstöße
hoher Spannung und großer Leistung in periodischer Folge. Eine solche periodische
Abgabe der Spannungsstöße hoher Spannung und großer Leistung ist beispielsweise
wünschenswert, wenn die Spannungsstöße als Prüfspannungsstöße bei nach der Refiexionsmethode
arbeitenden Meßverfahren dienen. Um ein solches Meßverfahren handelt es sich z.
B. bei der Überprüfung von Freileitungen, Kabeln od. dgl.
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In der Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung einer derartigen Verwendung
gezeigt, bei welcher das Prinzipschaltbild der Fig. 1 zu Grunde gelegt ist. Der
Verbraucher 1 der Fig. 1 bis 3 setzt sich hier aus den mit den Bezugszeichen R1
bis R5 bezeichneten Schaltelementen und der an die Klemmen 1 und II angeschlossenen
Leitung (Freileitung, Kabel od. dgl.) zusammen.
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Die Widerstände Rl bis R3 und die Potentiometer R4 und R5 bilden
eine Brückenanordnung, bei der an dem den Mittelzweig bildenden Potentiometer RA
über einen Verstärker V die Spannung für die MeßplattenMP einer Braunschen Röhre
abgegriffen wird. Die Brückenanordnung ist dabei mittels des Potentiometers RS derart
abgeglichen, daß sie für den durch die Zündung der Funkenstrecken 2 und 3 hervorgerufenen
Spannungsstoß, welcher über die Klemmen I und II auf die Leitung gegeben wird, im
Gleichgewicht ist. Durch diesen Spannungsstoß wird also an den Meßplatten MP keine
Spannung hervorgerufen; dagegen rufen die nach der Spannungsstoßaussendung eintreffenden
Reflexionsspannungen der Leitung, die am Widerstand R1, als nur an einem Brückenglied,
auftreten, über den Verstärker V an den Meßplatten MP eine meßbare Spannung hervor,
deren Größe mit Hilfe des Potentiometers R4 regelbar ist.