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Elektrische Zündvorrichtung Die Erfindung betrifft elektrische Zündvorrichtungen,
die zur Verwendung in Kohlenbergwerken geeignet sind. Die Verwendung elektrischer
Zünder in Kohlenbergwerken hat sich allgemein durchgesetzt, jedoch ist ihr Anwendungsbereich
wegen der Gefahr der Zündung von Methan-Luft-Kohlenstaub in der Atmosphäre durch
Vorschriften streng kontrolliert. Gegenwärtig ist die Maximalzahl von Sprengladungen,
die in Kohle in einer Serie gezündet werden können, auf sechs beschränkt. Diese
aus Sicherheitsgründen bestimmte Grenze richtet sich nach der Art der Zündvorrichtung.
Jeder Zünder in einer Reihe benötigt zu seiner Zündung wenigstens 5 mJ (Milli-Juoles),
während 1 mJ zur Zündung einer empfindlichen Methan-Luft-Mischung ausreicht. Eine
geeignete 6-Schuß-Zündvorrichtung muß daher dem Zündstromkreis 30 mJ zuführen, ohne
1 mJ in einen Leitungsbruch oder Kurzschluß austreten zu lassen. In der Praxis gibt
es eine Verzögerung, bevor Kurzschlüsse oder Brüche der Leitung auftreten können.
Diese Zeitspanne ergibt sich aus der Verzögerung zwischen der Zündung des Zünders
und vor einer merklichen Erdbewegung. Bei Schnellzeitzündern wurde diese Verzögerung
mit etwas mehr als 4 Millisekunden gefunden, wenn jedoch zwischen der anfänglichen
Energiezuführung zum Zünder und der Zündung der Sprengladung eine Verzögerung eintritt,
ist das Eintreten der Felsbewegung entsprechend verzögert. Eine Zündvorrichtung,
die ihre Energie innerhalb 4 Millisekunden liefert, ist daher sicherer als eine,
welche eine längere Zeit benötigt.
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Es ist bekannt, daß durch Unterbrechung induktiver Stromkreise erzeugte
Funken gefährlicher sind als solche von kapazitiven oder Widerstandsstromkreisen.
Das beruht darauf, daß die in dem magnetischen Feld enthaltende induktive Energie
vernichtet werden muß und kurzzeitige Spitzen hoher Spannung und Stromstärke entstehen
läßt, wenn der Widerstand des Stromkreises plötzlich geändert wird. Die gegenwärtig
in Kohlenbergwerken in Großbritannien zugelassene 6-Schuß-Zündvorrichtung ist daher
für eine kapazitive Entladung, die in ihrer Anwendungszeit durch mechanische Mittel
auf 4 Millisekunden begrenzt ist, konstruiert. Die von einer Zündvorrichtung dieser
Art gelieferte Energie ändert sich mit der Zeit, wobei die Amplitude exponentiell
nach der Beziehung
abfällt, worin E die zur Zeit t in dem Kondensator vorhandene Energie, E, die Anfangsenergie,
C die Kapazität der Zündvorrichtung und R der Widerstand der Zündleitung sind.
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Bei einer bekannten Zündvorrichtung ist bereits ein Zeitschalter zur
Begrenzung der Dauer des Ausgangsstromes vorgesehen. Zu diesem Zweck ist ein Relais
mit einem Schalter gekuppelt und so betrieben, daß ein zur Energieabgabe verwendeter
geladener Kondensator nur während der vorgeschriebenen Zeit von 4 Millisekunden
mittels des Schalters an die Ausgangsklemmen der Zündvorrichtung angeschaltet wird.
Vor und nach der Zündung kann die Schießleitung durch einen mit dem Schalter verbundenen
Kurzschlußschalter kurzgeschlossen werden. Zur Einstellung der Schließzeit des Schalters
wird das Relais durch bekannte Abfallverzögerungseinrichtungen oder durch die begrenzte
Entladungszeit eines Kondensators für die Stromstoßerregung des Relais eingestellt.
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie sehr hohe Stromstärken abgeben kann,
wenn der Zündkreis unbeabsichtigterweise kurzgeschlossen wird. Im übrigen zeigt
diese Zündvorrichtung auch das in dem vorhergehenden Absatz beschriebene Verhalten,
daß der Strom mit zunehmender Entladungszeit exponentiell abnimmt. Zur Abgabe einer
bestimmten Energie E müssen die Anfangsspannung an der Schießleitung und der Strom
durch dieselbe viel
höher sein als die Mittelwerte von Spannung
und Strom. Während des Beginns der Stromabgabe ist daher die Gefahr für Grubengasentzündungen
viel größer, als wenn die betreffenden Werte auf den Mittelwerten gehalten würden,
da die in eine Schadenstelle, z. B. eine Leitungsunterbrechung oder einen Kurzschluß,
austretende Energie mit der- zur Zeit des Schadens herrschenden höheren Stromstärke
und Spannung wächst. Wenn die Energieabgabe während der gesamten Zündzeit auf der-mittleren
Amplitude gehalten werden könnten, wäre die abgegebene Gesamtenergie die gleiche,
die Sicherheit der Zündvorrichtung jedoch erhöht. Das kann durch Verwendung einer
Vorrichtung erreicht werden, die ihre Energie in Rechteckimpulsen abgibt, d. h.
bei der Spannung und Stromstärke plötzlich auf konstante Amplituden ansteigen und
nach einer Zeitspanne wiederum scharf abfallen. Um eine größtmögliche Sicherheit
zu erreichen, sollten die Werte für Spannung und Stromstärke auf die Mindestwerte
eingestellt werden, die zur Abgabe der nötigen Zündenergie innerhalb der Zeit zwischen
,dem Zünden des Zünders und einer durch die Explosion hervorgerufenen merklichen
Felsbewegung erforderlich sind.
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Eine Zündvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art ist im »Research
Report« , Nr. 160 (März 1959) des britischen Safety in Mines Research Establishment
beschrieben. Diese bekannte Zündvorrichtung verwendet als * Energiespeicher eine
übertragungsleitung mit punktförmig verteilten Parametern, die dauernd geladen ist,
bis sie auf den Zündstromkreis geschaltet wird. Es hat sich herausgestellt, daß
diese Zündvorrichtung bei Gaszünd= versuchen eine größere Sicherheit gegenüber den
bisher verwendeten Zündvorrichtungen bietet. Sie hat jedoch den Nachteil, daß bei
unbeabsichtigten Kurzschlüssen eine hohe Stromstärke auftreten kann und daß ein
unterbrochener Stromkreis eine hohe Spannung entwickeln würde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung zu
schaffen, die die Nachteile der bekannten Vorrichtung vermeidet.
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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Zündvorrichtung für
Grubenanlagen mit geregelter Energieabgabe von einer Gleichspannungssquelle an einen
an die Ausgangsklemmen der Vornehtung angeschlossenen Sprengzünderkreis.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe liegt erfindungsgemäß parallel zu
den Ausgangsklemmen ein Transistor, welcher in Abhängigkeit von der Differenz zwischen
der Spannung eines Konstantspannungselementes und dem Spannungsabfall an einem in
Reihe mit der .einen Ausgangsklemme und hinter dem Transistor liegenden Widerstand
derart gesteuert wird, daß der Ausgangsstrom auf einen konstanten Wert begrenzt
wird. Durch diese Schaltung ist erreicht, daß unabhängig von Widerstandsänderungen
des Zündleitungskreises während der Zünddauer immer der gleiche Strom fließt.
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Vorzugsweise wird als Gleichspannungsquelle für die Zündenergie in
an sich bekannter Weise ein geladener Kondensator verwendet. Dies hat den Vorteil,
daß auch bei erschöpfter Batterie noch eine genügend große Zündenergie zur Verfügung
steht.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird der parallel zu den Ausgangsklemmen
liegende Transistor über einen Verstärkertransistor gesteuert. Um-das Ansteigen
der Spannung über einen .vorbestimmten Wert bei einer Leitungsunterbrechung zu verhindern,
ist vorzugsweise parallel zu den Ausgangsklemmen .ein spannungsbegrenzendes Element
geschaltet. Hierfür kann eine Zenerdiode vorgesehen sein.
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Es kann auch ein Zeitschalter zur Steuerung der Dauer des Ausgangsstromes
vorgesehen sein, um die Wirkungszeit der Ausgangsenergie zu begrenzen und um die
Beendigung des Energieflusses sicherzustellen; bevor Leitungsunterbrechungen durch
Felsbewegung eintreten können.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann der Zeitschalter -einen
RC-Zeitkreis und .einen von diesem gesteuerten Schalttransistor umfassen, welcher
nach Ablauf der -durch den RC-Kreis gegebenen Zeit den zu den parallel zu den Ausgangsklemmen
liegenden Transistor auf volle Durchlässigkeit steuert, so daß der Ausgang kurzgeschlossen
wird.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung
an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.
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Die einzige Figur zeigt ein Schaltschema einer Zündvorrichtung gemäß
der Erfindung, wobei ein Nebenschluß-Stromregler mit einem Ausgangsspannungsregler
und einer Vorrichtung zum Abschalten der Ausgangsleistung nach einer vorbestimmten
Zeit verwendet ist.
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An die Anschlüsse 1 und 2 der Vorrichtung ist eine geeignete Spannungsquelle
angeschlossen, z. B. kleine Batterien der für Hörgeräte verwendeten Art. Der Anschluß
1 ist mit dem positiven Pol der Spannungsquelle über einen Umschalter 4 verbindbar.
Durch Umlegen des Umschalters 4 läßt sich der Kondensator 3 an die eigentliche Zündvorrichtung
anschalten und dient sodann als Spannungsquelle für diese. Die Zündvorrichtung umfaßt
einen Steuertransistor 5, der ein n-p-n-Legierungstransistor sein kann. Der Kollektor
des Steuertransistors ist mit einem Widerstand 6 und der Emitter mit einem Widerstand
7 verbunden, und die anderen Enden dieser Widerstände 6 und 7 sind mit den an den
Kondensator 3 anschaltbaren Speisespannungsleitungen verbunden. Zwischen dem Ernitter
und dem Kollektor des Steuertransistors 5 wird über einen Bezugswiderstand 8 ein
Ausgangssignal an die Ausgangsklemmen 9 und 10 geleitet. Diese dienen zum Anschluß
der Zündleitung. Ein in dem Zündleitungskreis über die Klemmen 9 und 10 fließender
Strom fließt auch durch den Bezugswiderstand 8 und läßt an diesem einen Spannungsabfall
mit solcher Polarität auftreten, daß das kollektorseitige Ende gegenüber der Ausgangsklemme
9 positiv ist. Es ist ferner ein p n-p-Verstärkertransistor 12 vorgesehen, dessen
Emitter mit dem Kollektor des Steuertransistors 5, dessen Kollektor mit der Basis
des Steuertransistors und dessen Basis mit dem positiven Pol einer spannungsregelnden
Halbleiterdiode 11 verbunden ist, die mit ihrem anderen Pol an die Ausgangsklemme
9 angeschaltet ist. Der Zündvorrichtung umfaßt noch einen Zeitschaltkreis mit den
Halbleiterdioden 11 und 14, wobei die Diode 14 ebenfalls als spannungsregulierende
Diode ausgebildet :ist, deren negativer Pol mit dem positiven Pol der spannungsregulierenden
Diode 11 verbunden ist. Der positive Pol der Diode 14 ist mit einem an der positiven
Speisespannungsleitung endenden Widerstand 15 sowie mit dem einen Pol eines Kondensators
16
verbunden, dessen anderer Pol mit der Basis eines Schalttransistors 18 sowie mit
einem Widerstand 17 verbunden ist, dessen anderes Ende an die Ausgangsklemme 9 geführt
ist. Der Emitter des Schalttransistors 18 ist mit der Basis des Verstärkertransistors
12 verbunden und der Kollektor des Schalttransistors 18 mit dem Kollektor des Verstärkertransistors
12. Von dem Kollektor dieses Transistors führt ein Kondensator 19 an die positive
Speisespannungsleitung und ein Widerstand 13 an den Emitter des Steuertransistors
5. Parallel zu den Ausgangsklemmen 9 und 10 ist noch eine spannungsregelnde Diode
20 geschaltet.
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Bei der in der Figur dargestellten Stellung des Umschalters 4 wird
der Kondensator 3 durch die Speisespannungsquelle .aufgeladen. Beim Umlegen des
Umschalters 4 wird der geladene Kondensator 3 an die Speisespannungsleitungen der
Zündvorrichtung angeschaltet. Es sei angenommen, daß an die Ausgangsklemmen 9 und
10 eine Zündleitung (Schließleitung) angeschaltet ist. Dabei fließt ein Strom über
den Bezugswiderstand B. Wenn der durch diesen hervorgerufene Spannungsabfall größer
ist als die Spannung der spannungsregulierenden Halbleiterdiode 11, fließt ein Basisstrom
in den Verstärkertransistor 12 und bewirkt, daß in dessen Kollektor ein verstärkter
Strom fließt, der in die Basis des Steuertransistors 5 gelangt. Dies führt wiederum
zu einem verstärkten Kollektorstrom des Steuertransistors 5, und dieser Strom fließt
durch die Widerstände 6 und 7 und führt zu einer Herabsetzung der Spannung zwischen
Emitter und Kollektor des Steuertransistors 5, welcher auf die Ausgangsklemmen gegeben
wird. Auf diese Weise wird der Kollektorstrom in dem Steuertransistor 5 in der Weise
kontinuierlich eingestellt, daß der Spannnungsabfall an dem Bezugswiderstand 8 und
daher die Stromstärke in dem Zündleitungskreis konstant bleibt, wobei der Spannungsabfall
an dem Bezugswiderstand 8 ungefähr gleich der Spannung der selbstregulierenden Halbleiterdiode
11 gehalten wird. Der Widerstand 13 dient als Basisableitwiderstand, durch den ein
Anteil des Kollektorstromes des Verstärkertransistors 12 fließt, so daß die Impedanz
des Basiseinganges des Steuertransistors 5 erniedrigt ist.
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Sobald der Kondensator 3 durch den Umschalter 4 an die Transistorschaltung
angeschaltet ist, stellt die soeben beschriebene stromregelnde Wirkung schnell die
konstanten Betriebsbedingungen ein, und es entsteht ein gewisser Spannungsabfall
an dem Widerstand 15 und den mit diesem in Reihe liegenden spannungsregelnden Halbleiterdioden
14 und 11. Diese beiden Dioden bewirken, daß an ihnen während der Entladung des
Kondensators 3 ein im wesentlichen konstanter Spannungsabfall auftritt. Anfänglich
wird der zeitregelnde Kondensator 16 entladen, so daß die Basis des Schalttransistors
18 gegenüber dem Emitter desselben positiv wird. Daher bleibt der Schalttransistor
18 gesperrt und es fließt kein Kollektorstrom in diesem. Der Kondensator 16 bildet
mit dem Widerstand 17 ein RC-Glied und wird über den Widerstand aufgeladen. Wenn
die Spannung an dem Kondensator so groß ist, daß die Basis des Schalttransistors
18 gegenüber dessen Emitter negativ wird, dann fließt ein Kollektorstrom durch den
Schalttransistor 18, der als Steuerstrom an die Basis des Steuertransistors 5 gelangt
und diesen voll leitend macht und so die Ausgangsleitung, die an den Ausgangsklemmen
9 und 10 entnommen werden kann, auf Null herabgesetzt.
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Der Kondensator 19 bewirkt, daß der Steuertransistor 5 unmittelbar
nach der Umschaltung des Umschalters 4 einen außerordentlich starken Basisstrom
erhält, der den Steuertransistor 5 schnell in den leitenden Zustand steuert. Durch
den Kondensator 19 wird auch verhindert, daß der anfängliche Ausgangsstrom den gewünschten
Wert überschreitet.
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Die spannungsregelnde Halbleiterdiode20 bewirkt, daß die zwischen
den Ausgangsklemmen 9 und 10 bei der Unterbrechung des an diese angeschlossenen
Zündleitungskraises auftretende Spannung keinen zu hohen Wert erreicht. Solange
die zwischen den Ausgangsklemmen 9 und 10 auftretende Spannung geringer ist als
die Betriebsspannung der spannungsregulierenden Halbleiterdiode 20; wird durch diese
kein Strom fließen. Wenn diese Spannung jedoch überschritten wird, wird ein Teil
des Stromes durch die Halbleiterdiode 20 umgeleitet und ein überschreiten der Regelspannung
derselben verhindert.
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Da die Spannung an der Emitter-Basisstrecke des Steuertransistors
5 relativ klein ist und die Spannung an dem Bezugswiderstand 8 konstant gehalten
wird, steht die Spannung zwischen dem Kollektor und der Basis des Steuertransistors
5 in Beziehung zur Ausgangsspannung an den Klemmen 9 und 10. Daher kann die
spannungsregelnde Halbleiterdiode 20 statt dessen an diese Elektroden angeschaltet
werden. In diesem Fall muß sie jedoch eine Betriebsspannung haben, welche die gewünschte
maximale Ausgangsspannung um die Höhe des Spannungsabfalles an dem Bezugswiderstand
8 überschreitet. Beim überschreiten dieser Betriebsspannung leitet die spannungsregelende
Halbleiterdiode 20 sodann einen Strom zur Basis des Steuertransistors 5, der zu
einem verstärkten Kollektorstrom desselben führt, welcher jeden weiteren Anstieg
der Ausgangsspannung verhindert.
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Eine andere spannungsbegrenzende Vorrichtung, welche bei beiden Schaltungsvarianten
verwendet werden kann, ist eine p-n-p-n-Halbleiterschaltdiode. Diese hat die Eigenschaft,
daß sie bei einer anliegenden Spannung unterhalb einer kritischen Höhe nicht leitet,
jedoch rasch in den leitenden Zustand überführt wird, wenn die anliegende Spannung
den kritischen Wert überschreitet. Der Spannungsabfall an der Diode beträgt im leitenden
Zustand einen Bruchteil eines Volts. Verwendet man eine derartige Diode an Stelle
der Halbleiterdiode 20, so werden die Ausgangsklemmen 9 und 10 im wesentlichen kurzgeschlossen
und die Ausgangsspannung auf den Wert Null herabgesetzt, wenn die an den Ausgangsklemmen
9 und 10 herrschende Ausgangsspannung einen bestimmten Wert überschreitet.
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Die Spannung der Speisespannungsquelle und die Kapazität :des Kondensators
3 sind ein Kompromiß zwischen den Forderungen, die Spannung U der Speisespannungsquelle
ziemlich hoch zu wählen, da die in dem Kondensator 3 gespeicherte Energie proportional
dem Quadrat der Spannung ist, und andererseits die Änderung der Spannung beim Entladen
des Kondensators während :des Zündvorganges klein zu halten, um die Ansprüche an
die von der Schaltungsanordnung geforderte regelnde Wirkung zu vermindern. Bei einer
besonderen Zündvorrichtung, die einen Strom von 1,35 A in einem Außenkreis
mit
Widerständen bis zu 33 Ohm während 4 Millisekunden fließen läßt, waren eine Speisespannung
von 100 V und eine Kapazität des Kondensators 3 von 500 MF angemessen.
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Die Größe des Bezugswiderstandes 8 kann aus der Betriebsspannung der
spannungsregelnden Halbleiterdiode 11 und dem Wert des benötigten Stromes berechnet
werden. In dem oben angegebenen Beispiel hat die spannungsregelende Halbleiterdiode
11 eine Nennbetriebsspannung von 6,2 Volt und der Bezugswiderstand 8 einen Widerstandswert
von etwas unterhalb 5 Ohm. Die Werte des die Entladezeit bestimmenden Kondensators
16 und des Widerstandes 17 können annähernd nach der Formel T = C - R berechnet
werden, worin T
die geforderte Zeit in Millisekunden, C der Wert des Kondensators
16 in Mikrofarad und R der Wert des Widerstandes 17 in Kiloohm sind. Der maximal
zulässige Wert für den Widerstand 17 ist jedoch durch die Notwendigkeit begrenzt,
der Basis des Schalttransistors 18 genügend Strom zuzuführen, damit der Steuertransistor
5 voll leitend wird. In den oben angegebenen Beispielen hat der Kondensator 16 eine
Größe von 5 MF und der Widerstand 17 einen Wert etwas unterhalb ein Kiloohm.