DE2160759A1

DE2160759A1 - SPARK GENERATOR

Info

Publication number: DE2160759A1
Application number: DE19712160759
Authority: DE
Inventors: Karl Friedrich Dipl Phys Mast; Karl Dr Pfeilsticker
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 1971-12-08
Filing date: 1971-12-08
Publication date: 1973-06-14

Description

unkenereu-ger Die Erfinung bezieht sich auf einen Funkenerzeuger fUr sehr hohe Folgefrequenzen, bei dem in einem Nieder spannungs-Entladekreis ein Ladekondensator über eine Funkenstrecke, deren Durchbruchspannung größer als die Ladespannung am Kondensator ist, und eine Induktivität entladen wird, insbesondere als Lichtquelle für die Emissions-Spektralanalyse.unrepentant The invention relates to a spark generator for very high repetition rates with a charging capacitor in a low-voltage discharge circuit via a spark gap whose breakdown voltage is greater than the charging voltage on Is a capacitor, and an inductance is discharged, especially as a light source for emission spectral analysis.

Bei derartigen Funkenerzeugern als Lichtquelle für die Emissions-Spektralanalyse werden die zu untersuchenden Proben in einer Analysenfunkenstrecke durch elektrische Entladungen verdampft und angeregt. Die elektrischen Parameter der Entladung müssen dabei reproduzierbar und in einem weiten Bereich variierbar sein, um die bei verschiedenen Substanzen nötigen Anregungsbedingungen zu erhalten.With such spark generators as a light source for emission spectral analysis are the samples to be examined in an analysis spark gap by electrical Discharges evaporated and excited. The electrical parameters of the discharge must be reproducible and be varied over a wide range in order to achieve the different To obtain substances necessary excitation conditions.

Neben den heute bekannten selbstzündenden Hochspannungsfunken und den fremdgezündeten Niederspannungsfunken, die mit ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz bis maximal 1 kHz als Folgefrequenz arbeiten, hat K. Pfeilsticker (Zeitschrift für analytische Chemie, 231. Band, 6. Heft 1967, S. 401) einen fremdgezündeten Niederspannungsfunken mit kontinuierlich einstellbaren Folgefrequenzen bis 20 kHz beschrieben, bei dem die Folgefrequenz und die Dauer der Einzelentladung in gewissen Grenzen unabhängig voneinander variiert werden kann.In addition to the self-igniting high-voltage sparks and the externally ignited low-voltage sparks with integer multiples of the network frequency work up to a maximum of 1 kHz as repetition frequency, K. Pfeilsticker (magazine for analytische Chemie, 231st Volume, 6th Issue 1967, p. 401) an externally ignited low-voltage spark described with continuously adjustable repetition frequencies up to 20 kHz, at which the repetition frequency and the duration of the individual discharge are independent within certain limits can be varied from each other.

Hier entlädt sich ein variierbarer Ladekondensator, der über einen ohmschen Widerstand durch eine Gleichspannungsquelle aufgeladen wird, nach Zünden der Analysenfunkenstrecke durch einen Hochspannungsimpuls, über eine variierbare Induktivität und die Analysenfunkenstrecke. Die Amplitude des Entladestroms im Niederspannungs-Entladekreis wird vor allem durch die Ladespannung bestimmt, die Impulsdauer durch die Größe von Induktivität und Kapazität. Die Folgefrequenz entspricht der der Zündimpulse. Es handelt sich dabei zumeist um oszillierende Entladungen.A variable charging capacitor discharges here via a ohmic resistance is charged by a DC voltage source after ignition the analysis spark gap by a high voltage pulse, via a variable Inductance and the analysis spark gap. The amplitude of the discharge current in the low voltage discharge circuit is mainly determined by the charging voltage, the pulse duration by the size of inductance and capacitance. The repetition frequency corresponds to that of the ignition pulses. Most of the time it is about oscillating discharges.

Mit dieser Lichtquelle für die Emissions-Spektralanalyse erhält man eine universell anwendbare Anregungsart, die eine hohe Empfindlichkeit mit einer guten Genauigkeit verbindet. Da hier die Aufladung des Ladekondensators im Niederspannungs-Entladekreis über einen ohmschen Widerstand erfolgt, ist die Energie einer Einze3-entladung bei hohen Folgefrequenzen freguenzabhängig. Außerdem begrenzt der Ladewiderstand, bei einer bestimmten Frequenz, die maximal umsetzbare Leistung im Niederspannungs-Entladekreis, bei der noch eine Böschung der Analysenfunkenstrecke stattfindet und ein nicht gewünschter Dauerbogen verhindert wird.With this light source for emission spectral analysis one obtains a universally applicable type of excitation that has a high sensitivity with a good accuracy connects. Because here the charging of the charging capacitor in the low-voltage discharge circuit takes place via an ohmic resistor, the energy is a single discharge high repetition frequencies depending on frequency. In addition, the charging resistance limits a certain frequency, the maximum convertible power in the low-voltage discharge circuit, in which there is still a slope in the analysis spark gap and an undesired one Continuous arc is prevented.

Der Erfindung liegt die Auf gabe zugrunde, einen Nieder spannungs-Entladekreis der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei Folgefrequenzen bis 20 kHz und höher reproduzierbare, unipolare Entladungen, bei vervielfachter umgesetzter Leistung, erzeugt.The invention is based on the task of a low-voltage discharge circuit of the type mentioned at the outset, with repetition frequencies of up to 20 kHz and higher reproducible, unipolar discharges, with multiplied converted power, generated.

Dabei soll die Impulsform, bei unveränderten Schaltungsparametern, von der Folgefreguenz unabhängig sein.The pulse shape, with unchanged circuit parameters, should be independent of the repetition frequency.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß in den -eingangs genaneten Niederspannangs-Entladekreis, in Serie zur Analysenfunkenstrecke, eine Löschfunkenstrecke unter vermindertem Druck und zusätzlich ein oder mehrere Gleichrichter geschaltet werden.According to the invention, this object is achieved in that the input called low-voltage discharge circuit, in series with the analysis spark gap, a Extinguishing spark gap under reduced pressure and one or more rectifiers be switched.

Usa die Aufladung des Ladekondensators unabhängig von der Folgefrequenz zu machen und us die Löschung der Analysenfunkenstrecke zu erleichtern, erfolgt nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Auf ladung des Ladekondensators über einen unterkritisch gedämpften Serienschwingkreis mit einem oder mehreren in Serie geschalteten Gleichrichtern durch eine Gleichspannungsquelle.Usa the charging of the charging capacitor regardless of the repetition frequency to make it easier for us to extinguish the analysis spark gap According to a further embodiment of the invention, the charge of the charging capacitor via a sub-critically damped series resonant circuit with one or more in Series connected rectifiers by a DC voltage source.

Hohe Stromstärken und kurze Entladungsdauern bei gleicher mittlerer Leistung im Niederspannungs-Entladekreis, die oft bei Analysen benötigt werden, erzielt man durch eine Verkleinerung der Induktivität im Niederspannungs-Entladekreis. Um mit der gleichen Leistung des Zündgenerators, bei verkleinerter Induktivität, eine Zündung der Analysenfunkenstrecke bis zu höchsten Folgefrequenzen zu erziel.en, wird zur Versteilerung der Zndimpu1'se nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung parallel zum Ausgang des Zündgenerators ein Zündkondensator geschaltet, der ueber eine Koppelfunkenstrecke mit den zu zündenden Funkenstrecken is Nieder spannungs-Entladekreis gekoppelt ist.High currents and short discharge times with the same average Performance in the low-voltage discharge circuit, which is often required for analyzes, is achieved by reducing the inductance in the low-voltage discharge circuit. In order to use the same output of the ignition generator with reduced inductance, to achieve an ignition of the analysis spark gap up to the highest repetition frequencies, is used to steepen the ignition pulse after another education According to the invention, an ignition capacitor is connected in parallel to the output of the ignition generator, the over a coupling spark gap with the spark gaps to be ignited is low voltage discharge circuit is coupled.

Eine reproduzierbare und synchrone Zündung der Koppelfunkenstrecke und der Funkenstrecken im Niederspannungs-Entladekreis bi: zu höchsten Folgefrequenzen erzielt man mit elektronisch gesteuerten Zündgeneratoren, die mit Thyristoren oder Thyratrons arbeiten, wenn nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Analysenfunkenstrecke, die Löschfunkenstrecke und die Koppelfunkenstrecke zur Zündhilfe mit Zündstiften versehen sind, die über Hochohmwiderstände mit einer gesteuerten Hochspannungsquelle derart verbunden sind, daß vor-Erscheinen eines jeden Zündimpulses eine positive Hochspannung an den Zündstiften anliegt,-die nach erfolgter ZÜndung aller Funkenstrecken verschwindet, um die Löschung der Funkenstrecken zu erleichtern.A reproducible and synchronous ignition of the coupling spark gap and the spark gaps in the low-voltage discharge circuit bi: to the highest repetition frequencies can be achieved with electronically controlled ignition generators with thyristors or Thyratrons work if, according to a further embodiment of the invention, the analysis spark gap, the quenching spark gap and the coupling spark gap for ignition aid with ignition pins are provided, which are connected to a controlled high-voltage source via high-ohmic resistors are connected in such a way that before the appearance of each ignition pulse a positive High voltage is applied to the ignition pins, -that after all spark gaps have been ignited disappears to make it easier to extinguish the spark gaps.

Um eine hohe Lebensdauer zu erzielen, bestehen nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Elektroden der Löschfunkenstrecke aus Spektralkohle.In order to achieve a long service life, there are another Formation of the invention, the electrodes of the quenching spark gap made of spectral carbon.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung-ka-nn die Aufladung des Ladekondensators durch einen oder mehrere Thyristoren oder Thyratrons erfolgen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind.According to a further embodiment of the invention, the charging of the Charging capacitor take place through one or more thyristors or thyratrons, which are connected in series or in parallel.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung können die Gleichrichter im Niederspannungs-Entladekreis durch einen oder mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Thyristoren ersetzt werden.According to a further embodiment of the invention, the rectifier in the low-voltage discharge circuit by one or more in series or in parallel switched thyristors are replaced.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Ldschfunkenstrecke durch einen oder meirere in Reihe oder parallel geschaltete Thyristoren ersetzt werden.According to a further embodiment of the invention, the extinguishing spark gap replaced by one or more thyristors connected in series or in parallel will.

Ein wesentlicher Vorteil des Funkenerzeugers nach der Erfindung liegt darin, daß bis zu hachsten 1?olgefreguenzen, bei gleichzeitig umgesetzten großen Leistungen, unipolare, reproduzierbare Stromimpulse im Niederspannungs-Entladekreis erzeugt werden, deren Impulsform unabhängig von der Folgefrequenz ist und daß die Folgefrequenz bis 20 kHz und darüber kontinuierlich eingestellt werden kann.A major advantage of the spark generator according to the invention is in the fact that up to the highest 1? olgefrequenzen, with simultaneously implemented large Power, unipolar, reproducible current pulses in the low-voltage discharge circuit are generated whose Pulse shape independent of the repetition frequency and that the repetition frequency is set continuously up to 20 kHz and above can be.

Ferner kann die Zündung des Niederspannungs-Entladekreises durch elektronisch gesteuerte Zündgeneratoren kleiner Leistung erfolgen, dadurch ist es möglich, eine definierte Anzahl von Entladungen bei vorgegebener Folgefrequenz zu erzeugen. Bei einem nach der Erfindung ausgebildeten Funkenerzeuger wurden ohne Beeinträchtigung der Wirkungsweise der Schaltung Folgefrequenzen von 10 kHz bei einer umgesetzten Leistung von 2,7 kW erreicht. Bei einer Verringerung der Leistung werden Folgefrequenzen bis 20 kHz und darüber möglich. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Verwendung von hohen Folgefrequenzen in der kurzen Integrations- und Vorfunkzeit.Furthermore, the ignition of the low-voltage discharge circuit can be carried out electronically Controlled ignition generators are made of low power, which makes it possible to use a to generate a defined number of discharges at a given repetition frequency. at a spark generator designed according to the invention were without impairment the mode of operation of the circuit repetition frequencies of 10 kHz with a converted Achieved a power of 2.7 kW. When the power is reduced, repetition frequencies are generated up to 20 kHz and above possible. Another advantage arises in the use of high repetition frequencies in the short integration and pre-broadcast time.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der'Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Schaltungsausführung des Funkenerzeugers, Fig. 2 ein Zeitdiagramm der an verschiedenen Schaltungspunkten von Fig. 1 auftretenden Ströme bzw. Spannungen.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. 1 shows a circuit design of the spark generator, FIG. 2 is a timing diagram of the various circuit points of Fig. 1 occurring currents or voltages.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt einen Zündgenerator 1 mit einem inneren Widerstand I, der an den erdfreien Ausgangsklemmen 4 und 5 Hochspannungszündimpulse U1liefert, die den Zündkondensator C2über einen Koppelkondensator C+aufladen. Der Wert von C>liegt zwischen 20 und 50 pF, während der von C10,1/tF beträgt.The embodiment of FIG. 1 shows an ignition generator 1 with an internal resistance I, the high-voltage ignition pulses at the floating output terminals 4 and 5 U1 supplies, which charge the ignition capacitor C2 via a coupling capacitor C +. Of the The value of C> is between 20 and 50 pF, while that of C is 10.1 / tF.

Clsoll verhindern, daß ein merklicher.Teil des Niederspannungs-Entladestroms ivüber 4 in die ausgangsklemmen 4 und 5 des Zündgenerators fließt.Cl is intended to prevent a noticeable part of the low-voltage discharge current iv flows through 4 into output terminals 4 and 5 of the ignition generator.

Nach Erreichen der Durchbruchsspannung von 4 entlädt sich Cüber dabei wird ein steiler Kochspannungsimpuls an 2 und F3 erzeugt.After reaching the breakdown voltage of 4, Cüber discharges a steep cooking voltage pulse is generated at 2 and F3.

Die Funkenstrecken F1, F2 und F3 sind mit Wolfram-Zündstiften versehen, die über die Hochohmwiderstände Rg, R6 und RXmit einer gesteuerten Hochspannungsquelle 2 mit dem inneren Widerstand RX verbunden sind. Die Steuerung der Hochspannungsquelle 2 erfolgt so, daß sich U2 vor und während des Erscheinens eines jeden Zündimpulses an den Klemmen 4 und 5 auf einem hohen Potential befindet.The spark gaps F1, F2 and F3 are provided with tungsten ignition pins, via the high-ohmic resistors Rg, R6 and RX with a controlled high-voltage source 2 are connected to the internal resistor RX. The control of the high voltage source 2 takes place in such a way that U2 is before and during the appearance of each ignition pulse at terminals 4 and 5 is at a high potential.

Damit wird eine synchrone Zündung von F4 , FÆ und F3 bis-zu höchsten Folgefrequenzen erreicht, unabhängig vom Elektrodenmaterial der Analysenfunkenstrecke F3 . Die benötigte Leistung des Zündgenerators wird durch die obige Maßnahme stark verringert, sie beträgt bei einer Folgefrequenz von 10 kHz nur 400 W. Dabei kann die Induktivität Lt, einschließlich der Zuleitungsinduktivitäten, auf 38 H verringert werden.This results in a synchronous ignition of F4, FÆ and F3 up to the highest Repetition frequencies achieved, regardless of the electrode material of the analysis spark gap F3. The required power of the ignition generator becomes strong through the above measure reduced, it amounts to only 400 W at a repetition frequency of 10 kHz the inductance Lt, including the lead inductances, is reduced to 38 H. will.

Nach dem Zünden von F1 , F2 und F3 befindet sich Ut nahe dem Nullpotential. Mit dieser Maßnahme wird die Löschung von Ft und F3 zwischen zwei Niederspannungs-Entladungen erleichtert. Der Niederspannungs-Entladekreis besteht aus dem Ladekondensator Cy der Analysenfunkenstrecke F3, der Niederdruck-Löschfunkenstrecke FL , dem Gleichrichter D mit parallel geschaltetemSchutzkondensator CF und einer Induktivität L1 . Für Dv und Dz wurden Gleichrichter mit einem Spitzenstrom von 200 A bei einer Sperrerholzeit von 200 nsec verwendet.After F1, F2 and F3 have been triggered, Ut is close to zero potential. This action will erase Ft and F3 between two low voltage discharges relieved. The low voltage discharge circuit consists of the charging capacitor Cy the analysis spark gap F3, the low-pressure quenching spark gap FL, the rectifier D with a protective capacitor CF connected in parallel and an inductance L1. For Dv and Dz became rectifiers with a peak current of 200 A with a reverse recovery time of 200 nsec is used.

F z ist als wassergekühlte Niederdruck-Funkenstrecke mit Luftfüllung bei einem Druck von 20 Torr ausgeführt, die Elektroden bestehen aus Spektralkohle. F2 und D1 zusammen bewirken die Löschung von F3 Die Aufladung von Cs-erfolgt durch eine Gleichspannungsquelle 3 mit einem inneren Widerstand R3, deren Spannung U3 zur Zündung von F3 oder Fw nicht ausreicht, über eine Induktivität L2 und den Gleichrichter D2 mit parallel geschaltetem Kondensator C6, dessen Wert wie der von C4 500 pF beträgt; C5, L2 und R3 bilden einen unterkritisch gedämpften Serienschwingkreis, DZ hält dabei die Spannung Uc am Ladekondensator. C5 auf ihrem Maximalwert fest.F z is a water-cooled low-pressure spark gap with air filling carried out at a pressure of 20 torr, the electrodes are made of spectral carbon. F2 and D1 together cause F3 to be extinguished. Cs-is charged by a DC voltage source 3 with an internal resistor R3, the voltage of which is U3 to ignite F3 or Fw is not sufficient, via an inductance L2 and the rectifier D2 with capacitor C6 connected in parallel, the value of which, like that of C4, is 500 pF; C5, L2 and R3 form a sub-critically damped series resonant circuit, DZ holds the voltage Uc at the charging capacitor. C5 at its maximum value.

In Fig. 2 sind die Zeitdiagramme von iN und U@ dargestellt.In Fig. 2, the timing diagrams of iN and U @ are shown.

Claims

1. Spark generator for very high repetition frequencies, in which in one Low-voltage discharge circuit a charging capacitor via a spark gap, whose Breakdown voltage is greater than the charging voltage on the capacitor, and an inductance is discharged, in particular as a light source for emission spectral analysis, thereby characterized that in the low-voltage discharge circuit, in series with the analysis spark gap, an extinguishing spark extinguisher under reduced pressure and additionally one or more Rectifier switched '.

2. Spark generator according to claim 1, characterized in that the Charging of the charging capacitor via a subcritically damped series resonant circuit with one or more rectifiers connected in series by a DC voltage source he follows.

3. Spark generator according to claim 1, characterized in that parallel An ignition capacitor is switched to the output of the ignition generator, which is connected via a Coupling spark gap with the spark gaps to be ignited in the low-voltage discharge circuit is coupled.

4. Spark generator according to claim 1, characterized in that the Analysis spark gap, the quenching spark gap and the coupling spark gap for ignition aid are provided with ignition pins, which are controlled via Hochohmwidexstands with a High voltage source are connected in such a way that before the appearance of each ignition pulse a positive high voltage is applied to the ignition pins after ignition of all spark gaps disappears in order to quench the Spark gaps to facilitate.

5. Spark generator according to claim 1, characterized in that the Electrodes of the extinguishing spark gap consist of spectral carbon.

6. Spark generator according to claim 1, characterized in that the Charging of the charging capacitor by one or more thyristors or thyratrons can be done, which are connected in series or in parallel.

7. spark generator according to claim 1, characterized in that the Rectifiers in the low-voltage discharge circuit by one or more in series or thyristors connected in parallel can be replaced.

8. Spark generator according to claim 1, characterized in that the Extinguishing spark gap through one or more thyristors connected in series or in parallel can be replaced.

L e r s e i t e