DE1638977C3 - Hochstromimpulsgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochstromimpulsgenerator für Stromimpulse mit einer Stromstärke in der Größenordnung von 1000 A mit einem Speicherkondensator und mit einem im Ruhezustand sehr hochohmigen, im gezündeten Zustand sehr niederohmigen Entladeglied mit zwei Anschlüssen, das mit seinen beiden Anschlüssen zum einen über eine pn-Flächendiode an den Speicherkondensator und zum anderen an eine Einrichtung zur Erzeugung von Zündspannungsimpulsen derart angeschlossen ist, daß die pn-Flächendiode die Einrichtung zur Erzeugung von Zündspannungsimpulsen von dem Speicherkondensator trennt und daß das Entladeglied durch Anlegen eines Zündspannungsimpulses zündbar ist. Ein derartiger Hochstromimpulsgenerator ist aus den »ISA Transactions«, Vol. 5, 1966, Nr. 1, S. 32, bekannt.

Ein weiterer Hochstromimpulsgenerator dieser Art ist in der österreichischen Patentschrift 239 375 beschrieben. Bei diesem bekannten Hochstromimpulsgenerator ist an eine Funkenstrecke mit zwei Elektrodenanschlüssen ein Speicherkondensator und eine Steuerstufe zum Erzeugen von Zündimpulsen angeschlossen. In die Verbindung zwischen der Funkenstrecke und dem Speicherkondcnsator ist eine induktive Sperre in Form von auf die Verbindungsleitung aufgeschobenen Ferntnngen eingefugt die als Hindernis für die Zündimpulse auf dem Wege zum Soeicherkondensator wirken soll, damit diese Zündimpulse nur über die Funkenstrecke laufen. Die Funkenstrecke selbst hat im Ruhezustand einen extrem hohen, in gezündetem Zustand dagegen einen extrem niedrigen Widerstand.

AuTderdeutschen Patentschrift 928 309 ist weiter eine elektrische Kondensatorenbattene bekannt, die mittels Stromstößen entladen werden kann. Diese bekannte Kondensatorenbatterie besteht aus mehreren parallelgeschalteten Teilkondensatoren und enthält vor jedem Teilkondensator einen Gleichrichter, der bei Kurzschluß eines Teilkondensators die Entladung der anderen Teilkondensatoren über den kurzgeschlossenen Teilkondensator verhindern soll. Durch diese Einfügung von Gleichrichtern soll ein Stromfluß verhindert weiden, der die Zerstörung eines be-Teits beschädigten Teilkondensators der Kondensatorenbatterie zur Folge haben könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochstromimpulsgenerator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die zulässige Zündfolge für die Entladung des Speicherkondensators über das Enüadeglied erheblich gesteigert, also der Abstand zwischen den einzelnen Entladungen verkürzt und damit die mögliche Blitzfolge bei einer elektronisch betriebenen Blitzlichtlampe erhöht werden kann, ohne daß die Gefahr einer ständigen Zündung oder eines ständigen Brennens der Blitzlichtlampe besteht

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die pn-Flächendiode einen maximal zulässigen Spitzenstoßstrom von höchstens einem Viertel der Stromstärke der von dem Speicherkondensator gelieferten Stromimpulse hat und daß die Stromimpulse eine maximale Dauer von lOMikrosekunden haben.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe besteht also im wesentlichen aus der besonderen Auswahl des in die Verbindung zwischen das Entladeglied und dem Speicherkondensator für die darüber zu entladene Energie eingefügten Bauelementes mit richtungsabhängiger Stromdurchlässigkeit.

Zu Halbleitern mit einer Grenzschicht, wie z.B. pn-FIächendioden, werden in den Datenblättern Angaben über die Stoßströme und Spannungen gemacht, denen diese Bauelemente maximal ausgesetzt werden können. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß diese Art von Halbleiterelementen zum Unterschied von Punktkontakt-Halbleiterelementen bei ihrer Verwendung in erfindungsgemäßer Weise die unerwartete Eigenschaft aufweisen, daß sie kurzfristig sehr hohe Spitzenstoßströme von einigen tausend Ampere vertragen, die weit über den in den Datenblättern als maximal zulässig angegebenen Nennstoßströmen liegen. Ebenso vertragen sie kurzfristig sehr hohe Sperrspannungen von vielen tausend Volt, die weit über der angegebenen Nennsperrspannung Hegen. Schließlich haben sie sehr kleine Widerstände während der kurzfristigen Stromführung; diese sind weit geringer als die Widerstände normaler Blitzlichtröhren während des leitenden Zustandes. Zum Beispiel werden bei dem Siliziumgleichrichter mit Diffusionsgrenzschicht des Typs Sylvania IN2071 der Spitzenstrom mit 6 Ampere und die Sperrspannung mit 600 Volt angegeben. Ähnlich werden bei dem Siliziumthyristor des Typs Motorola MCR 808-1 der

Spitzenstrom 225 Ampere und die Sperrspannung mit 600 Volt angegeben, und beim Gleichrichter mit Grenzschicht des Typs Motorola 1 N 3286 wird der Rückstoßstrom mit 0,5 Ampere und der Stoßstrom mit 2,5 Ampere angegeben.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß düse Halbleitergleichrichter mit pn-Grenzschichten und alle anderen verfügbaren ähnlichen Gleichrichtet in erfindungsgemäßer Anordnung kurzfristig Spitzenstoßströme bis zu einigen tausend Ampere vertragen, wobei diese Stromimpulse bis zu 10 Mikrosekunden lang sein können, uüd daß sie Stoßspannungen bis zu mindestens 5000 Volt sperren. So wurde beispielsweise der obenerwähnte Halbleiter des Typs Motorola MCR 808-1 wiederkehrenden Stromimpulsen von 1000 Ampere, also mindestens dem Vierfachen des angegebenen Nennstoßstromes, bei einer für stroboskopisch^ Zwecke geeigneten Impulsfolgegeschwindi"keit ausgesetzt. Ebenso wurden die obenerwähnten Gleichrichter mit angegebenen Nernstoßströmen von nur wenigen Ampere wiederkehrenden Stromimpulsen von 1000 Ampere ausgesetzt. Diese riesigen, jedoch nur für Mikrosekunden fließenden Ströme reichen auch nicht aus, die Grenzschicht in einer schädigenden Weise zu erhitzen.

Es wurde ferner festgestellt, daß die Gleichrichter unter diesen Betriebsbedingungen einen geringeren Widerstand haben als bislang angenommen wurde. Der gemessene Widerstand liegt in der Größenordnung von einigen Milliohm, während in den Datenblättern für die meisten Blitzlichtröhren im leitenden Zustand ein Widerstand von mehreren Ohm angegeben ist. So wird z. B. bei dem Element Motorola 1 N 3286 für normalen Betrieb der Spannungsabfall bei 100 Milliampere mit 2,5 Volt angegeben, was einen Widerstand von 25 Ohm ergibt. Ein solcher Widerstand wäre in einem Entladungskreis mit einer Blitzlichtröhre viel zu groß, da er den größten Teil der Entladungsenergie verbrauchen würde. Die Erfindung basiert somit auf der Erkenntnis, daß eine solche pn-Flächendiode bei ihrer Verwendung in einem erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltkreis gegenüber einem kurzfristigen sehr hohen Entladungsstrom nur einen effektiven Widerstand von wenigen Milliohm aufweist und daher in Entladungskreisen mit Erfolg verwendet werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die pn-Flächendiode eine Nennsperrspannung, die viel kleiner ist als die Spannungsamplitude der Zündspannungsimpulse, und außerdem kann der Zündspannungsimpuls mindestens eine Größe von 1000 Volt haben und können der Nennstcßstrom und die Nennstoßspannung der pn-Flächendiode nicht mehr als 100 Ampere bzw. 100 Volt betragen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen; in dieser zeigt

F i g. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Hochstromimpulsgenerator, der zum Betrieb einer Gasentladungs-Blitzlichtlampe dienen soll, und

F i g. 2 Spannungsverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Blitzlichtlampe 1, die als Gasentladungsröhre ausgebildet ipt. An Stelle der Blitzlicht- ⁶S lampe 1 kommt jedes andere Schaltelement in Betracht, das im Normalzustand nicht leitend ist, aber einen sehr hohen Strom führen kann, wenn es in den leitenden Zustand übergeführt wird. Die Blitzlichtlampe 1 ist vorzugsweise mit ihrer Kathode 5 im Punkt G geerdet. Parallel zur Anode 3 und zur Kathode S liegt ein Speicherkondensator C, der über die Blitzlichtlampe 1 entladen werden kann. Dei Zeitpunkt der Entladung wird durch einen Zündinjpuls bestimmt, der von der Sekundärwicklung S eines Steuertransformators T geliefert wird und über einen Kondensator Cl zwischen Anode und Kathode der Blitzlichtlampe 1 aufgeschaltet wird. Es können auch ein oder mehrere Steuergitter 7 vorgesehen werden, um den Zusammenbruch des Widerstandes in der Gasfüllung der Blitzlichtlampe 1 beim Eintreffen eines Steuerimpulses zu erleichtern.

Der Speicherkondensator C" wird aus einer Spannungsquelle +, — über eine in Reihe geschaltete Impedanz, die in der Figur als Induktivität /?3 dargestellt ist, aufgeladen. Die Induktivität R3 kann auf Reihenresonanz bemessen werden, so daß eine unterstützende Wirkung bei Spannungen zwischen Anode 3 und Kathode 5 auftritt, die unterhalb der erforderlichen Zündspannung liegen. Ein zeitlich in gewünschter Weise vom Steuertransformator T gelieferter Zündimpuls oder eine sich wiederholende Folge von Zündimpulsen bestimmt den Zeitpunkt der Entladung, indem die Zündimpulsspannung zur Spannung am Speicherkondensator C" addiert wird und die resultierende Spannung zwischen Anode 3 und Kathode 5 die Blitzlichtlampe 1 zündet, was zur Erzeugung eines Lichtblitzes als Folge der Entladung des Speicherkondensators C über die Blitzlichtlampe 1 führt. Die Steuerimpulse ihrerseits werden durch Eingangsimpulse TP erzeugt, die über den negativen Eingang und einen Kopplungskondensator C der Steuerelektrode 2 beispielsweise eines Schaltthyristors R zugeführt werden. Die Kathode 4 des Schaltthyristors R ist an den unteren Anschluß der Primärwicklung P des Steuertransformators T angeschlossen. Ein Lastwiderstand Rl ist zwischen Steuerelektrode 2 und Kathode 4 des Schaltthyristors R geschaltet. Die Anode 6 des Schaltthyristors R ist über einen Speicherkondensator C1 an das obere Ende der Primärwicklung P angeschlossen. Der Speicherkondensator Cl wird über einen Widerstand Rl aus der Spannungsqueüe +,— aufgeladen. Die Entladung erfolgt über den Schaltthyristor R und die Primärwicklung P, wenn der Schaltthyristor R durch einen Eingangsimpuls TP in leitenden Zustand versetzt wird. Die Entladung über die Primärwicklung P erzeugt den gewünschten Zündimpuls im Steuertransformator T.

Abweichend von den bekannten Schaltkreisen der beschriebenen Art, ist zumindest eine pn-Flächendiode R' zwischen dem einen Anschluß des Speicherkondensators C und dem einen Anschluß der Blitzlichtlampe 1, z. B. der Anode 3, eingefügt. Der Gleichrichtei R' ist so beschaffen, daß er den Speicherkondensator praktisch unmittelbar, d. h. ohne nennenswerten Übergangswiderstand, auf die Blitzlichtlampe 1 schaltet. Die pn-Flächendiode R' ist derart gepolt, daß während des nichtleitenden Zusiandes der Blitzlichtlampe 1 die am Speicherkondensator C liegende, über die Induktivität R 3 angeschlossene Spannung gegenüber der Sekundärspannung des Steuertransformators T isoliert ist. Der Koppelkondensator Cl dient als Trennungskondensator, um eine gegenseitige Beeinflussung zwischen dem Steuertransformator T und dem Speicherkon-

lensator C zu verhindern. Wenn ein Steuerimpuls ion der Sekundärwicklung S zur Anode 3 geliefert vird, so wird, da das Potential des Steuerimpulses lormalerweise höher als das des oberen Anschlusses des Speicherkondensators C ist, die pn-Flächendiode R' in Sperrichtung beansprucht und verhindert somit ein Abfließen des Steuerimpulses in den Versorgungskreis C—R 3.

Durch die Verwendung von pn-Flächendioden R' mit Diffusionsgrenzschichten kann die am Speicherkondensator C erforderliche Spannung beachtlich kleiner sein, als in gewöhnlichen Blitzlichtkreisen dieser Art. Infolgedessen ergibt sich der Vorteil einer kürzeren Ladezeit und folglich die Möglichkeit, die Schaltung mit höherer Frequenz zu betreiben, und zwar ohne Gefahr eines Verharrens des Entladegliedes im gezündeten Zustand. Zugleich wird erreicht, daß bei der Herstellung von Blitzlichtröhren nicht mehr ein so hohes Maß an Sorgfalt darauf verwendet zu werden braucht, daß die Blitzlichtröhren möglichst geringe Abweichungen in ihren Eigenschaften zeigen. In Fig.2 zeigt die gestrichelte Linie den in einer herkömmlichen Schaltung an der Anode 3 auftretenden Spannungsverlauf, während die vollausgezogene Linie den Anodenspannungsverlauf (Punkt ß) in der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zeigt.

Die geringere Breite des Spannungsimpulses bedeutet, daß nach Stromführung der Röhre die Wiederaufladung des Speicherkondensators C in kürzerer Zeit erfolgen kann ohne Gefahr einer Fortsetzung der Entladung über die Röhre 1. Die maximale Wiederkehrfolge von Blitzen kann also gesteigert werden, ohne daß es zu einer uneiwünschten Selbstionisierung während der Wiederaufladung des Speicherkondensators C kommt.

Als geeignete Dimensionierung der Kondensatoren Cl und C 2 in Verbindung mit Blitzlichtröhren des Typs Edgerton, Germeshausen & Grier FX 6 A und Gleichrichtern R' des bereits erwähnten Typs IN2071 ergeben sich die Werte Cl = 0,47 nF und C2 = 10μμF. Die Zündspannung kann, ohne daß

ao dies jedoch immer erforderlich wäre, beachtlich größer als die etwa ein bis mehrere hundert Volt betragene Spannung am Kondensator C gemacht werden

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hochstromimpulsgenerator für Stromimpulse mit einer Stromstärke in der Größenordnung von 1000 A mit einem Speicherkondensator und mit einem im Ruhezustand sehr hochohmigen, im gezündeten Zustand sehr niederohmigen Entladeglied mit zwei Anschlüssen, das mit seinen beiden Anschlüssen zum einen über eine pn-Flächendiode an den Speicherkondensator und! zum anderen an eine Einrichtung zur Erzeugung von Zündspannungsimpulsen derart angeschlossen ist, daß die pn-Flächendiode die Einrichtung zur Erzeugung von Zündspannungsimpulsen von dem Speicher- _1S kondensator trennt und daß das Entladeglied durch Anlegen eines Zündspannungsimpulses zündbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Flächendiode (R¹) einen maximal zulässigen Spitzenstoßstrom von höchstens einem Viertel _ao der Stromstärke der von dem Speicherkondensator (C) gelieferten Stromimpulse hat und daß die Stromimpulse eine maximale Dauer von 10 Mikrosekunden haben.

2. Hochstromimpulsgenerator nach Anspruch 1, _a5 dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Flächendiode (Λ*) eine Nennsperrspannung hat, die viel kleiner als die Spannungsamplitude der Zündspannungsimpulse ist.

3. Hochstromimpulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündspannungsimpuls mindestens eine Größe von 1000 Volt hat und daß der Nennstoßstrom und die Nennstoßspannung der pn-Flächendiode (R') nicht mehr als 100 Ampere bzw. 100 Volt betragen.