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Vorrichtung zur Zündung einer Arbeitsfunkenstrecke bei konstanter
Zündspannung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zündung einer an eine Wechselspannung
oder eine pulsierende Gleichspannungsquelle angeschlossenen Arbeitsfunkenstrecke
bei konstanter Zündspannung.
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Beispielsweise werden in der Spektrochemie Funken oder Bogenentladungen
zur Analyse von Stoffen verwendet, indem eine Probe des zu untersuchenden Stoffs
in einem Funken oder Bogen verdampft wird. Wenn eine genaue Analyse vorgenommen
werden soll, ist in der Regel die Konstanz der Zündspannung für die Arbeitsfunkenstrecke
von ausschlaggebender Bedeutung. Für diesen Zweck stehen daher bereits verschiedene
Ausrüstungen zur Verfügung, die jedoch, soweit bekannt, im allgemeinen sehr kostspielig
sind, insbesondere, wenn es sich um extreme Stabilisationsgeräte handelt.
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Aus diesem Grund beschäftigt sich die Erfindung mit der Schaffung
einer vergleichsweise billigen Vorrichtung zur Konstanthaltung der Zündspannung
für Funkenstrecken.
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Diese Vorrichtung, welche in bekannter Weise eine an die Arbeitsspannungsquelle
angeschaltete Meßeinrichtung aufweist, die jeweils bei Erreichen eines vorgegebenen
Potentials der Arbeitsspannung einen Auslöseimpuls an eine Einrichtung zur Einleitung
der Entladung über die Arbeitsfunkenstrecke abgibt, ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung über ein eine zeitliche Voreilung entsprechend
der Zeitverzögerung zwischen der Abgabe des Auslöseimpulses und dem tatsächlichen
Zündzeitpunkt erzeugendes passives Netzwerk an die Arbeitsspannungsquelle angeschaltet
ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das passive
Netzwerk einen über der Arbeitsspannungsquelle liegenden Spannungsteiler auf, der
aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen und zwei Kondensatoren besteht, von
denen der eine dem einen Widerstand und der andere dem anderen Widerstand parallel
geschaltet ist und mindestens der eine in seiner Kapazität veränderbar ist. In diesem
Fall ist die Meßeinrichtung an den Mittelabgriff des Spannungsteilers angeschaltet.
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In der folgenden Beschreibung ist eine Ausführungsform der Erfindung
an Hand der Zeichnung genauer erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische
Darstellung des ansteigenden Teils einer Folge von Spannungshalbwellen gleicher
Frequenz, aber unterschiedlicher Amplitude, welche die grundlegende Aufgabe der
Erfindung verdeutlicht, F i g. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer
Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung, F i g. 3 ein Schaltbild einer
Ausführungsform einer Meßeinrichtung zur Verwendung bei der Schaltung gemäß F i
g. 2 und F i g. 4 ein Schaltbild einer Zündeinrichtung zur Verwendung
bei der Schaltung gemäß F i g. 2.
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Die Zündspannung einer Arbeitsfunkenstrecke zwischen zwei Elektroden
ist je nach der Zeitverzögerung, mit welcher die Entladung beim Auftreten
einer bestimmten Arbeitsspannung durch eine Vorrichtung ausgelöst wird, mehr oder
weniger abhängig von der Anstiegsgeschwindigkeit der Arbeitsspannung (Speisespannung)
und damit von Spannungsschwankungen der als Arbeitsspannung dienenden Wechselspannung
oder pulsierenden Gleichspannung. Bei einer hochwertigen Vorrichtung ist die Zeitverzögerung
gering und bewegt sich die Schwankung der eigentlichen Zündspannung für die Arbeitsfunkenstrecke
innerhalb annehmbarer Grenzen. Bei einer einfachen Vorrichtung mit größerer Zeitver7ögerung
kann dagegen die Schwankung der eigentlichen Zündspannung beträchtliche Ausmaße
annehmen. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß die Speisespannung häufig um etwa
+5 % gegenüber einem Mittelwert schwankt. F i g. 1 erläutert,
welchen Einfluß diese Schwankung auf das Spannungspotential haben kann,
bei
welchem die Entladung über die Arbeitsfunkenstrecke erfolgt.
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In F i g. 1 sind Teile von drei mit den Buchstaben
X, Y und Z bezeichneten Spannungshalbwellen dargestellt, die sich dadurch
unterscheiden, daß sie je-
weils dieselbe Frequenz, aber unterschiedliche
Amplitude besitzen. Die mittlere Kurve Y stellt den mittleren Spannungsverlauf an
der Arbeitsfunkenstrecke dar, während die zu beiden Seiten daneben eingezeichneten
Kurven X und Z die angenommenen größten und kleinsten Abweichspannungen von diesem
Mittelwert darstellen sollen. Die Spitzenspannung der Kurve X liegt höher als diejenige
der mittleren Kurve Y, während die Spitzenspannung der Kurve Z unterhalb derjenigen
der mittleren Kurve liegt. Wenn angenommen wird, daß sich die Arbeitsfunkenstrecke
bei einer Spannung Y entladen soll, dann bildet eine durch die Punkte
A, B und C auf den Kurven X, Y
und Z gehende Linie
eine gerade Grundlinie Vv, auf welcher die Punkte A, B und
C die Spannung V darstellen. Bei Verwendung einer Vorrichtung, die praktisch
keine Zeitverzögerung aufweist, würde die Entladung praktisch gleichzeitig mit dem
Erreichen der gewählten Zündspannung V ausgelöst werden. Unter diesen Umständen
treten die der Erfindung zugrunde liegenden Schwierigkeiten kaum auf, doch ermöglichte
die Erkenntnis dieser Schwierigkeiten erfindungsgemäß die Verwendung einer wesentlich
weniger aufwendigen Ausrüstung.
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Wenn jedoch die Einrichtung zur Messung der augenblicklichen Höhe
der Spannung und die die Entladung auslösende Vorrichtung eine ins Gewicht fallende
Zeitverzögerung besitzen, ehe das gewünschte Ergebnis, nämlich das eigentliche Zünden
der Arbeitsfunkenstrecke eintritt, dann steigt die Spannung an den Elektroden der
Arbeitsfunkenstrecke gegenüber der vorgegebenen Einstellung der Spannungsmeßeinrichtung
während einer konstanten Verzögerungszeitspanne d an, bevor die Zündeinrichtung
die Entladung tatsächlich auslöst. In der Darstellung der F i g. 1
bedeutet
dies, daß die Spannung im Fall der Kurve X auf den bei a angedeuteten Wert ansteigt,
bevor eine Zündung erfolgt, während für die Kurven Y und Z die entsprechenden Punkte
mit b und c bezeichnet sind. Die Punkte a, b und c liegen auf
der abfallenden Linie e. Der mit d bezeichnete waagerechte Ab-
stand
ist die Zeitverzögerung zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Potentials der Arbeitsspannung,
nämlich der Spannung V, und dem Ansprechen der Arbeitsfunkenstrecke. Die tatsächliche
Spannung, bei welcher die Entladung erfolgt, hängt also von der Größe dieser Verzögerung,
die einen festen Wert darstellt, und dem Anstieg der Spannungshalbwelle ab, der
sich entsprechend den Netzschwankungen ändert.
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Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Meßeinrichtung
spricht an, wenn auf den Kurven X, Y und Z liegende, den Punkten
a" bl bzw. ei auf der abfallenden Linie f entsprechende Spannungen
auftreten, und leitet dann die Entladung bei dem durch die Linie Vv angedeuteten
Potential, d. h. bei V Volt, im Punkt A, B bzw.
C ein.
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In F i g. 2 ist eine geeignete Schaltung zur Gewährleistung
konstanter Zündbedingungen für eine Arbeitsfunkenstrecke dargestellt, welche von
den Merkmalen der Erfindung Gebrauch macht. Ein sekundärseitig in der Spannung einstellbarer
Spartransformator 7
ist primärseitig bei 6 an das Netz angeschlossen
und dient zur künstlichen Erzeugung von Netzschwankungen zum Zweck der überprüfung
der Arbeitsweise des Zündgenerators, obwohl selbstverständlich für diesen Zweck
auch eine beliebige andere Vorrichtung 5 verwendet werden könnte, welche
die künstlich eingeleitete Nachahmung von Betriebsbedingungen über den Bereich der
gemäß F i g. 1 durch die Kurven X bis Z dargestellten Spannungswellen hinweg
ermöglicht.
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An die Sekundärseite dieser Spannungsquelle ist ein Hochspannungstransformator
8 mit einer normalen Spitzenspannung von beispielsweise 17 kV angeschlossen,
welcher eine Gleichrichterröhre 9 speist, deren Heizspannung vom Transformator
8 abgegriffen wird. Die Röhre 9 ist so geschaltet, daß sie nur die
negativen Halbwellen der Speisespannung hindurchläßt. Soll die Schaltung für positive
Halbwellen benutzt werden, muß der Gleichrichter umgepolt werden. Entsprechende
Änderungen müssen dann in der nachfolgenden Schaltung angebracht werden.
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Von der Anode der Gleichrichterröhre 9 fließt der Strom über
einen Widerstand 10 auf einen Kondensator 11. Die beiden Schaltelemente
10 und 11 legen eine Zeitkonstante fest, durch welche ein zu schnelles
Wiederaufladen des Kondensators 11 in den Fällen verhindert wird, in welchen
die Entladung an einem sehr frühen Punkt der Spannungshalbwelle erfolgt ist. Je
größer außerdem die Kapazität des Kondensators 11 ist, um so größer ist die
Energie des Arbeitsfunkens und umgekehrt. Für die Praxis empfiehlt sich eine Kombination
von Widerstand 10 und Kondensator 11, die einer Zeitkonstante von
etwa 2,5 ms entspricht.
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Parallel zum Kondensator 11 liegt ein aus einem Widerstand
12, einem Kondensator 13, einem Widerstand 14 und einem einstellbaren Kondensator
15 bestehendes passives Netzwerk als Spannungsteiler, das für sich eine bekannte
Kompensationssehaltung darstellt, da durch entsprechende Abstimmung der Kondensatoren
gewährleistet werden könnte, daß keine Phasenverzögerung oder Phasenvoreilung zwischen
dem Eingang und dem Ausgang dieses Netzwerkes vorhanden wäre, wozu die durch den
Widerstand 12 und den Kondensator 13 festgelegte Zeitkonstante gleich der
durch den Widerstand 14 und den Kondensator 15 festgelegten Zeitkonstanten
gemacht werden müßte. Dagegen ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Netzwerk
derart außer Abstimmung gebracht, beispielsweise durch Verstellen des veränderbaren
Kondensators 15, daß eine zeitliche Voreilung der Ausgangsspannung des Netzwerks
gegenüber seiner Eingangspannung auftritt, die gleich der Zeitverzögerung zwischen
der Abgabe des Auslöseimpulses und dem tatsächlichen Zündzeitpunkt ist. Mit Hilfe
der Einstellung des Kondensators 15 wird diese Zeitverzögerung aufgehoben
und eine konstante Zündspannung unabhängig von Schwankungen der Speisespannung erreicht.
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Da das vorgenannte Netzwerk nur aus massiven Schaltelementen besteht,
ist nach einmal erfolgter Justierung eine höhere Stabilität als bei aktiven Schaltelementen
zu erwarten. Diese Annahme beruht auf der Voraussetzung, daß die verwendeten passiven
Bauteile in bezug auf Stabilität und Hochspannungsleistung die entsprechende Güte
besitzen.
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Parallel zum Kondensator 11 liegt weiterhin ein aus einem Widerstand
16, einem Kondensator 17,
einem Widerstand 18 und einem Kondensator
19 bestehender
Kreis, mit dessen Hilfe die Arbeitsweise
der Schaltung überprüft werden kann, d. h. mit dessen Hilfe festgestellt
werden kann, ob tatsächlich in bezug auf die Entladung konstante Zündspannungsbedingungen
vorliegen. Dieser zusätzliche Kreis ist auf die Phasenverzögerung Null abgestimmt,
und sein Ausgang ist an eine beliebige überwachungsvorrichtung 20 angeschlossen.
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Über dem Kondensator 11 liegen in Reihe zwei Funkenstrecken
21 und 22. Die Funkenstrecke 21 ist eine Steuerfunkenstrecke, die eine lonisationsspitze
aufweist, welche mit einer Zündspule 24 verbunden ist. Parallel zur Funkenstrecke22
liegt ein Widerstand 23 von beispielsweise 0,1 bis 1 MQ, welcher
dem Auslösefunken ein Erdpotential bietet, auf das dieser überspringen kann. Die
Funkenstrecke 22 ist die eigentliche Arbeitsfunkenstrecke, auf deren geerdete Elektrode
die zu analysierende Probe aufgebracht ist.
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Das Überspringen eies Funkens über die Arbeitsfunkenstrecke 22 läßt
sieh an sich auch auf zahlreiche ähnliche Weisen erreichen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung dient die Steuerfunkenstrecke
21 jedoch gleichzeitig als Schalter zum Überführen der im Kondensator
11 gespeicherten Energie an die Arbeitsfunkenstrecke 22. Die Zündung der
Steuerfunkenstrecke 21 erfolgt mittels einer an den Mittelabgriff des Spannungsteilers
12 bis 15 angeschlossenen Meßvorrichtung 25 und einer von dieser gesteuerten
Auslösevorrichtung 26 in Verbindung mit der Zündspule 24.
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F i g. 3 zeigt die Schaltung der bei der beschriebenen Ausführungsform
der Erfindung verwendeten Meßeinrichtung 25, deren Aufgabe darin besteht,
das Erreichen eines vorbestimmten Spannungspotentials zum Zweck des Einleitens der
Entladung in der Steuerfunkenstrecke 21 festzustellen. Das passive Netzwerk 12,
13, 14 und 15 erzeugt an seiner Ausgangsseite eine seinem Teilungsfaktor
proportionale Spannung, die der Basis eines Transistors 27 zugeführt wird
und sich entsprechend der Wellenform der an den Kondensator 11 angelegten
Spannung beispielsweise von 0 auf 10 V erhöht, während sich die Spannung
am Kondensator 11 von 0 auf 10 kV ändert. Die Arbeitsweise
des Kondensators 15 gemäß F i g. 3
ist bereits in Verbindung mit F
i g. 2 beschrieben worden.
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Der Transistor 27 arbeitet in Emitter-Folge-Schaltung und stellt
dadurch eine Stromquelle mit geringem Ausgangswiderstand für den Meßkreis dar. Zwischen
dem Emitter des Transistors 27 und Erde ist ein Widerstand 28 eingeschaltet.
Transistoren 29
und 30 sowie Widerstände 31, 32, 33, 34 und
35
bilden zusammen eine sogenannte Schmitt-Schaltung. Wenn die angelegte Spannung
an der Basis des Transistors 29 einen bestimmten Wert erreicht hat, ändert
die Schmitt-Schaltung am Kollektor des Transistors 30 ihr Potential plötzlich.
Der Transistor 30 ist normalerweise, d. h. vor dem Auftreten einer
bestimmten Spannung an der Basis des Transistors 29, in leitendem Zustand,
während der Transistor 29 in gesperrtem Zustand ist. Wenn die kritische Spannung
an der Basis des Transistors 29 erreicht ist, kippen beide Transistoren infolge
ihrer Emitterkopplung um, so daß nunmehr der Transistor 29 leitend und der
Transistor 30 nicht leitend ist. In dieser Weise wird das Potential am Punkt
36 sprunghaft von Nähe Erdpotential auf das der Speisespannung angehoben.
Wenn die Spannung an der Basis des Transistors 29 wieder abfällt, kehrt das
Potential am Punkt 36
zwischen Widerstand 37 und Kondensator
38 in den ursprünglichen Zustand zurück. Bei sich ändernder Eingangsspannung,
und zwar sowohl bei Sinusspannungen als auch bei pulsierendem Gleichstrom, erzeugt
der Ausgang der Schmitt-Schaltung somit eine Rechteckwellenform.
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Der Kondensator 38 koppelt den Ausgang der Schmitt-Schaltung
an einen aus einem Transistor 39,
Widerständen 40, 41, 42 und 43 sowie
einem Kondensator 44 bestehenden Verstärker. Diese Stufe ist eine normale Verstärkerstufe
in der Weise, daß am Kollektor des Transistors 39 ein inverses Signal erzeugt
wird. Ein Widerstand 46 und ein Kondensator 45 bilden ein Differenzierglied zur
Erzeugung eines scharfen Impulses für den folgenden, in F i g. 4 näher erläuterten
Zündkreis. Da nur die positiven Impulse des Differenzierkreises verwendet werden,
werden die negativen Impulse über eine Diode 47 an Erde abgeleitet. Der Ausgang
des ganzen Meßkreises wird über eine Klemme 65 an die Auslösevorrichtung
angelegt.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Meßvorrichtung
über Klemmen 66 und 67 beispielsweise durch eine negative 15-V-Stromquelle
gespeist, wenn es sich um negative Wellenformen und PNP-Transistoren handelt. Falls
positive Wellenformen verwendet werden sollen, muß die Vorrichtung mit NPN-Transistoren
und mit einer positiven Stromquelle versehen werden. Die Amplitude der Ausgangsimpulse
beträgt in diesem Fall etwa 8 V. In allen Fällen muß die zur Speisung der
Meßvorrichtung dienende Stromquelle einwandfrei stabilisiert sein.
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Die vom Ausgang 65 der Meßvorrichtung erhaltenen Impulse werden
gemäß F i g. 4 über die Eingangsklemmen 64 des Zündkreises und einen Kondensator
48 dem Gitter eines Thyratrons 49 zugeführt, das bei Empfang eines derartigen Impulses
zündet und durch die Primärwicklung der Zündspule 24 einen starken Strom fließen
läßt. Die Spannung am Ausgang der Zündspule wird dann zur Auslösung der Entladung
in der Steuerfunkenstrecke 21 verwendet. Als Spannungsquelle für den über das Thyratron
49 fließenden Strom dienen ein Transformator 50, zwei Gleichrichter
51 und 52, ein Widerstand 53 und ein Kondensator 54. Der Gitterwiderstand
55 des Thyratrons ist bei der verwendeten Ausführungsform normalerweise ein
Festwertwiderstand. Der Widerstand 53 und der Kondensator 54 legen eine Zeitkonstante
fest, welche die Frequenz bestimmt, mit welcher das Thyratron 49 erneut gezündet
werden kann. Bei höheren Frequenzen muß daher die Zeitkonstante verringert werden.
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Die negative Gittervorspannung für das Thyratron 49 wird durch eine
Diode 56, Widerstände 57, 58,
59 und 60 und Kondensatoren
61, 62 und 63 geliefert. Der von der Meßvorrichtung kommende positive
Impuls übersteuert diese Vorspannung und bringt die Röhre 49 zum Zünden.
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Die Zündspule 24 kann eine herkömmliche Kraftfahrzeugzündspule oder
eine noch kleinere Spule sein, wie sie in verschiedenen Krafträdern Verwendung findet.
Der von dieser Spule abgegebene Impuls besitzt eine Amplitude von etwa 20 kV oder
mehr. Es empfiehlt sich, dem Zündkreis eine kleine Kapazität von etwa
100 Picofarad parallel zu schalten, um die Energie des Zündfunkens zu erhöhen.
Hierfür kann ein abgeschirmtes Hochspannungskabel verwendet
werden,
das vom Ausgang der Zündspule 24 zur Steuerfunkenstrecke 21 führt.
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Der Transformator 50 kann gleichzeitig zur Speisung
sowohl der Meßvorrichtung als auch des Auslösers verwendet werden, indem beispielsweise
eine zusätzliche Wicklung 68 mit den Klemmen 69, 70
über einen Gleichrichter
an die Klemmen 66 und 67
der Meßvorrichtung angeschlossen wird. Außerdem
kann an, Stelle des Thyratrons 49 ein gesteuerter Siliziumgleichrichter oder eine
ähnliche Vorrichtung verwendet werden.
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Nachstehend werden noch die Daten der beim beschriebenen Ausführungsbeispiel
im passiven Netzwerk verwendeten Teile angegeben: 11 Kondensator
6 Nanofarad, Spitzenspannung 40 kV, 12 Widerstand 15 MQ, hochstabilisiert,
in Aralditfassung, 13 Kondensator 25 Picofarad, in Aralditfassung,
14 Widerstand, 6,5 kQ, hochstabilisiert, 15 Kondensator,
38 bis 40 Nanofarad, veränderlich.