DE2233830A1 - Steuerbare elektronische hochspannungsschalteinrichtung - Google Patents
Steuerbare elektronische hochspannungsschalteinrichtungInfo
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Description
26.6.1972 Li/Hö
Anlage zur
Patent- und
Gebrauchsmusterhilfsanmeldung
ROBERT BOSCH GHBH, Stuttgart
5teuerbare elektronische Hochspannungsschalteinr.ichtunq
Die Erfindung bezieht sich auf eine steuerbare elektronische
Hochspannungssehalteinrichtung, die zur Zuteilung von Hochspannungsimpulsen an wenigstens einen Verbraucher bestimmt ist und
mindestens einen mit Gas gefüllten Hohlkörper aus Isolierstoff aufweist, in den eine Kathodenelektrode und eine Anodenelektrode
ragen, wobei mit Hilfe einer benachbarten Steuerelektrode eine die Zuteilung des Hochspannungsimpulses bewirkende Entladung
zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode herbeiführbar ist.
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Robert Bosch GmbH R." 9 5 ς Li/Hö
Stuttgart
Eine derartige Schalteinrichtung zeichnet sich besonders durch hohe
Spannungsfestigkeit und geeignete Verwendung bei robustem Detrieb
aus.
Es ist bereits eine Schalteinrichtung dieser Art bekannt, bei der aber die Steuerung einen relativ hohen Aufwand erfordert, weil
hierzu eine besondere Steuerenergiequelle benötigt wird. Außerdem muß dort die Hochspannungsenergie in einem Kondensator gespeichert
werden, bevor mittels dieser Schalteinrichtung dem Verbraucher ein Hochspannungsimpuls zugeteilt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schalteinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche aber die Nach-·
teile der bekannten Ausführung nicht aufweist und darüber hinaus einfach in ihrem Aufbau und sicher in ihrer Funktionsweise ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathodenelektrode
eine seitliche Erweiterung besitzt, die wenigstens nahezu bis an die Wand des Hohlkörpers reicht und von der Anodenelektrode
einen größeren Abstand hat als das gegenüberliegende Ende der Kathodenelektrode und daß ferner die die Zuteilung des
Hochspannungsimpulses an den Verbraucher bewirkende Entladung durch die benachbarte Lage der Steuerelektrode im Dereich 'der
mindestens teilweise gedachten Fortsetzung dieser seitlichen Erweiterung
und durch ein mindestens beim Eintreffen dieses Hochspannungsimpulses bereits an der Steuerelektrode wirksames Steuerpotential
herbeiführbar ist.
Einzelheiten und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand des in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles"" näher erläutert
und beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 den konstruktiven Aufbau einer Schalteinrichtung nach der Erfindung,
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1J* _ bevorzugte Ausführungen der zu dieser Schalteinrichtung'
gehörenden Steuerelektrode in der Draufsicht und Fig. 4' die praktische Anwendung dieser Schalteinrichtung in
einer Zündanlage für Brennkraftmaschinen.
ι Die elektronische Hochspannungsschalteinrichtung nach Fig. 1
weist einen vornehmlich mit Edelgas gefüllten, aus Isolierstoff bestehenden Hohlkörper 1 Huf, in den eine KathorienelRktrode 2
.und eine Anodcnelektrode 3 ragen. Mit Hilfe einer benachbarten Steuerelektrode 4 ist eine elektrische Entladung in dem zwischen
der Kathodenelektrode 2 und der Anodenelektrode 3 liegenden Raum horbeiführbar.
Im einfachster) Fall kann die Schalteinrichtung dazu Verwendung
finden, daß aus einer mittels eines Impulsgenerators G zur Verfugung gestellten Folge von Hochspannungsimpulsen 5 jeweils
ein bestimmter Impuls 51 durch eine zwischen der -Kathodenelektrodü
2 und der Anodenelektrode 3 bewirkte Entladung ausgewählt und einem Ve-rbrauchcr 6 zugeteilt wird. Der Verbraucher
kann beispielsweise eine Blitzlampe sein, die bei photographischen
Zeitrafferaufnahmen Verwendung findet.
Eine einfache und funktionssichere Steuerung ergibt sich, wenn
die Kathodenelektrode 2 eine seitliche Erweiterung 7 besitzt, die wenigstens nahezu bis an die Seitenwand des Hohlkörpers 1
reicht und von der Anodenelektrode 3 einen größeren Abstand hat als das gegenüberliegende Ende der Kathodenelektrode 2, und wenn
ferner die die Zuteilung des Hochspannungsimpulses 51 an den
Verbraucher 6 bewirkende Entladung durch die benachbarte.Lage der
Steuerelektrode 4 im Bereich der mindestens teilweise gedachten Fortsetzung dieser seitlichen Erweiterung 7 und durch ein mindestens
beim Eintreffen des Hochspannungsimpulses 5' bereits an der Steuerelektrode 4 wirksames Steuerpotential herbeiführbar
ist.
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Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn die Kathodenelektrode
2 durch den Hochspannungsimpuls ein auf Nullpotential bezogenes negatives Hochspannungspotential erhalt, dessen
Anstiegsgeschwindigkeit größer als 10 Volt pro MikroSekunde, vorzugsweise größer als 100 Volt pro Mikrosekunde, ist.
Das an der Steuerelektrode 4 zur Wirkung kommende Steuerpotential
ist positiver zu wählen als das an der Kathodenelektrode 2 zur Wirkung kommende negative Hochspannungspotential. Es kann demzufolge
durchaus im Dereich des Nullpotentials liegen* Im bevorzugten Fall wird man daher das Nullpatential als Steuerpotential
verwenden, wie das auch bei der dargestellten Ausführung geschieht, indem diü Steuerelektrode 4 ebenso wie der positive Ausgang des Impulsgenerator G an Masse B gelegt ist.
Befriedigende Versuchsergebnisse haben sich gezeigt, wenn das negative Hochspannungspotential an der Kathodenelektrode 2 wenigstens
annähernd bis zu 10% desjenigen Potentials gewählt ist, das
dort für eine Entladung ohne Steuerelektrode 4 im Mittel erforderlich
wäre.
Unter Berücksichtigung dieser Tatsache ist die Schalteinrichtung für praktisch vorkommende Änwendungsfalle hinreichend geeignet,
wenn die Kathödenelektrode 2 und die Anödenelektröde 3 je durch
einen metallischen Elektrodenkörper 9 beziehungsweise 10 gebildet
slnci) der vorzugsweise aus einer Eisen-Köbalt-Wickel-Legierung b©*·
steht« Ais zweckmäßig hat es sich dabei erwiesen, den Elektrodenkörper
9 beziehungsweise 10 wenigstens im Bereich des freien Endes
noch mit einem beispielsweise durch Plasmaspritzen aufgebrachten Überzug 11 beziehungsweise 12 zu versehen, wofür ein schwer zerstäubbares Metallnitrid mit hohem Schmelzpunkt, vorzugsweise
Zirkoniumnitrid, besonders geeignet ist. Die Kathodenelektrode und die Anodeneiäktröde 3 stehen sich in einöm Abstand £ gegenüber,
der 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 bis 3,5 mm$beträgt. Als
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Elektrodenkörper 9 beziehungsweise 10 ist ein gestrecktes Drahtstück vorgesehen, dessen Durchmesser b, 0,5 bis 2 mm beträgt. Der
Überzug 11 beziehungsweise 12 hat einen Durchmesser c. van 1 bis 4 mm und am freien Ende einen Krümmungsradius r von 0,5 bis 2 mm.
Die seitliche Erweiterung 7 besteht mindestens an der Oberfläche aus einem elektrisch leitfähigen Material mit relativ niedriger
Austrittsarbeit für die.Elektronen, vorzugsweise aus Kupfer. Die
seitliche Erweiterung 7 ist zweckmäßig durch eine Scheibe 13 kreisförmigen Querschnitts gebildet, durch deren Zentrum der Elektrodenkörper
9 ragt. Dabei ist der Durchmesser d_ der Scheibe 13 etwa 4 bis 8 mm, deren Stärke e_ etwa 0,2 .bis 20 mm und das Maß f,
um welches das freie Ende der Kathodenelektrode 2 aus dieser
Scheibe 13 herausragt, .1 bis 4 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm, gewählt. Als Gasfüllung enthält der Hohlkörper 1 ein sich aus Edelgas,
vorzugsweise Argon;und Stickstoff im Verhältnis 1:1 bis 20:1, vorzugsweise 4:1 bis 6:13zusammensetzendes Gemisch, dessen
Verunreinigung an Sauerstoff und Wasser geringer als 1Ü~ % ist.
Der Fülldruck des Gasgemisches beträgt 0,5 bis 10 Bar, vorzugsweise 3 bis 5 Bar. Der Hohlkörper 1 ist ein aus Material mit
niedriger Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise aus Glas ,beziehungsweise
Quarz, bestehendes Röhrchen 14, bei dem an je einer der beiden Stirnseiten 15', 16 die Kathodenelektrode 2 beziehungsweise
Anodenelektrode 3 eingeschmolzen ist.
Die ,Steuerelektrode 4 kann beispielsweise ein fest angeordneter
Körper oder auch ein auf den Hohlkörper 1 aufgebrachter Belag sein, wobei die Steuerbereitschaft durch Anlegen des Steuerpotentials
hergestellt wird. j
Im dargestellten bevorzugten Beispielsfall ist die an Nullpotential (Masse 8) liegende Steuerelektrode 4 außerhalb des
Hohlkörpers 1 beweglich angeordnet, und zwar derart, daß diese Steuerelektrode 4 bei ihrer Bewegung der seitlichen Erweiterung
7 vorübergehend benachbart ist. Dabei ist die Steuerelek-
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trode 4 dann der seitlichen Erweiterung benachbart, wenn der dem
Verbraucher 6 zuzuteilende Hochspannungsirnpuls 5' auftritt. Dies läßt sich in einfacher Weise dadurch realisieren, daß, wie auch
Fig. 2 zeigt, die Steuerelektrode 4 durch einen an einer in Rotation
versetzbaren Welle 17 wenigstens annähernd,radial abstehenden
Finger 18 gebildet wird, der bei Rotation dieser Welle 17
vorübergehend auf die seitliche Erweiterung 7 weist.
Die Steuerelektrode 4 besteht aus einem Material, das elektrisch
gut leitfähig ist, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Stahl oder dergleichen. Gute Ergebnisse sind aber auch erreichbar, wenn, wie
Fig. 3 zeigt, die Steuerelektrode 4 wenigstens einen Abschnitt aus elektrisch schlecht leitendem Material aufweist, das jedoch
eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die größer als 10 ist, wie zum Beispiel gesondertes Bariumtitanat. Eine befriedigende
Steuerwirkung ist durchaus noch erzielbar, wenn der aus elektrisch leitfähigem Material bestehende Teil 18' der Steuerelektrode 4 lediglich die Halterungsfassung für den aus elektrisch
schlecht leitendem Material bestehenden Abschnitt 19 bildet.
Als zweckmäßig hat es sich herausgestellt, den Hohlkörper 1 mit einem dünnwandigen Isolierrohr 20 zu umgeben (Fig. 1), das wenigstens
über die die Kathodenelektrode 2 aufnehmende Stirnseite 15 hinausragt und der Steuerelektrode 4 vorgelagert ist,
wenn diese Steuerelektrode 4 der seitlichen Erweiterung 7 gegenübersteht.
Durch Anwendung dieser Maßnahme können unerwünschte Entladungen zwischen der Steuerelektrode 4 und dem aus dem Hohlkörper
1 ragenden Teil der Kathodenelektrode 2 vermieden werden. Über die die Anodenelektrode 3 aufnehmende Stirnseite 16 des
Hohlkörpers 1 wird man das Isolierrohr 20 dann hinausragen lassen,
wenn ein relativ hoher Potentialunterschied zwischen der Anodenelektrode 3 und der Steuerelektrode 4 gewählt ist.
Die Schalteinrichtung kann aber auch, wie Fig. 4 zeigt, mehrere
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Hohlkörper 1 aufweisen, die je eine Anodenelektrode 3 und eine mit einer seitlichen Erweiterung 7 versehene Kathodenelektrode
2 enthalten. Die Steuerelektrode 4. nimmt dann bei ihrer Bewegung nacheinander vorübergehend eine benachbarte Stellung
zu den einzelnen seitlichen Erweiterungen 7 der Kathodenelek—
troden 2 ein. Hierdurch lassen sich Hochspannungsimpulse mehreren Stromkreisen in einer bestimmten Reihenfolge zuteilen. Einevsolche
Schalteinrichtung ist besonders geeignet als Zündverteiler in Zündanlagen für Brennkraftmaschinen. Als Beispielsfall ist
in Fig. 4 eine für eine Zweizylinder-Brennkraftmaschine bestimmte Zündanlage gewählt, die zwei Zündkerzen 2-1 enthält, an denen
abwechselnd ein elektrischer Überschlag (Zündfunke) herbeizuführen ist. Zwecks Erzeugung der dafür notwendigen Hochsponnungsimpulse
ist der die Primärwicklung 22 einer Zündspule 23 sowie einen dazu in Serie liegenden Unterbrecherschalter 24
enthaltende Primürstromkreis mit seinen Anschlüssen 25 an eine nicht' dargestellte Gleichstromquelle, beispielsweise an die Batterie
eines Kraftfahrzeuges, angeschlossen. Jedesmal, wenn der
Primärkreis durch das Öffnen des Unterbrecherschalters 24 unterbrochen wird, tritt in der Sekundärwicklung 26 der Zündspule 23
ein Hochspannungsimpuls auf. Der Unterbrecherscharter 24 und die
die Steuerelektrode 4 tragende Welle 17 sind nun untereinander und mit der Brennkraftmaschine so gekuppelt, daß der Unterbrecherschalter
24 jeweils dann geöffnet wird, wenn die Steuerelektrode 4 einer der beiden seitlichen Erweiterungen 7 benachbart
ist. Zwischen der Kathodenelektrode 2, deren seitliche Erweiterung ,7 gerade unter dem Einfluß der Steuerelektrode 4 steht»
und der zugehörigen Anodenelek-trode 3 wird dann beim Eintreffen
des Hochspannungsimpulses eine Entladung bewirkt, die an der zugehörigen
Zündkerze 21 einen Zündfunke zur Entflammung des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem zugehörigen Zylinder der
Brennkraftmaschine zur Folge hat. Ein dem Untesbreeherschalter
parallelgeschalteter Kondensator 27 dient zum Schutz des Unterbrecherschalters
24 gegen Kontaktabrand«
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Es wird als im Rahmen der Erfindung liegend angesehen, wenn bei der Ausführung nach Fig. 4 die Hohlkörper 1 zu einem einzigen
Aufnahmegefäß zusammengefaßt und die Bereiche der einzelnen
Entladungsstrecken wenigstens teilweise durch isolierende Barrieren gegen eine gegenseitige Beeinflussung geschützt sind.
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Claims (22)
1. Steuerbare elektronische Hochspannungsschalteinrichtung, die zur Zuteilung von Hochspannungsimpulsen an wenigsten einen
Verbraucher bestimmt ist und mindestens, einen mit Gas gefüllten Hohlkörper aus,Isolierstoff aufweist, in den eine Kathodenelektrode
und eine Anodenelektrode ragen, wobei mit Hilfe einer benachbarten Steuerelektrode.eine.die Zuteilung des
Hochspannungsimpulses bewirkende Entladung zwischen der Kathodenelektrode
und der Anodenelektrode herbeiführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die.Kathodenelektrode (2) eine
seitliche Erweiterung (7) besitzt, die wenigstens nahezu bis an die Wand des Hohlkörpers (1) reicht und von der Anodenelektrode
(3) einen größeren Abstand hat als das gegenüberliegende Ende der Kathodenelektrode (2), und. daB ferner die
die Zuteilung des Hochspannungsimpulses an den Verbraucher bewirkende Entladung durch die benachbarte Lage der Steuerelektrode
(4) im Bereich dex mindestens teilweise gedachten Fortsetzung dieser seitlichen Erweiterung (7) und durch ein
mindestens beim Eintreffen dieses Hochspannungsimpulses bereits an der Steuerelektrode (4) wirksames Steuerpotential
herbeiführbar ist.
2. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-
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original inspects)
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kennzeichnet, daß die Kathodenelektrode (2) durch den Hochspannungsimpuls
ein auf Nullpotential bezogenes negatives Hochspannungspotential erhält und zwar mit einer Anstiegsgeschwindigkeit, die größer als 10 Volt pro Mikrosekunde,
vorzugsweise größer als 1OD Volt pro Mikrosekunde, ist.
3. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Steuerelektrode (4)
wirksame Steuerpotential höher als des negative Hochspannungspotential an der Kathodenelektrode (2), vorzugsweise im
Bereich des Nullpotentials, liegt.
4. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das negative Hochspannungspotential an der Kathodenelektrode (2) wenigstens annähernd bis zu 1D% desjenigen
Potentials gewählt ist, das dort für eine Entladung ohne Steuerelektrode (4) im Mittel erforderlich wäre.
5. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathodenelektrode (2) und die Anodenelektrode (3) je durch einen metallischen Elektrodenkörper
(9 beziehungsweise 10) gebildet sind, der vorzugsweise aus einer Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung besteht.
6. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektrodenkörper (9 beziehungsweise 10)
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wenigstens im Bereich des freien Endes einen'Überzug (11 beziehungsweise
12) aufweist, wobei als Material für den Überzug ein schwer zerstäubbares Metallnitrid mit hohem Schmelzpunkt,
vorzugsweise Zirkoniumnitrid, Verwendung findet*
7. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Kathodenelektrode (2) und die
Anodenelektrode (3) in einem Abstand (aj von 1 bis 5 min, vorzugsweise
von 2 bis 3,5 mm, einander gegenüberstehen.
0. Hochspannungsnchalteinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5
und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkörper (9 beziehungsweise 10) ein gestrecktes Drahtstück ist, dessen
Durchmesser (bj 0,5 bis 2 mm betragt.
9. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Überzug (11 beziehungsweise 12) einen Außendurchmesser (c.) von 1 bis 4 mm und am freien Ende einen
Krümmungsradius (r.) von 0,5 bis 2 mm hat.
10. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ' kennzeichnet, daß die seitliche Erweiterung (7) der Kathodenelektrode
(2) mindestens an der Oberfläche aus einem elektrisch leitfähigen Material mit relativ niedriger Austrittsarbeit für die Elektronen, vorzugsweise aus Kupfer, besteht.
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11. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1,5 und 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Erweiterung (7) der Kathodenelektrode (2) eine Scheibe (13) kreisförmigen
Querschnitts ist und der Elektrodenkörper (9) durch das Zentrum dieser Scheibe (13) ragt.
12. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5,
7, 0, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende
der Kathodenelektrode (2) um ein Maß (f) von 1 bis 4 mm, vorzugsweise von 2 bis 3 mm, über die die seitliche Erweiterung
(7) bildende Scheibe (13) vorsteht und daß ferner diese Scheibe (13) einen Durchmesser (d_) von 4 bis 8 mm und eine
Stärke (_§_) von 0,2 bis 20 mm hat.
13. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlkörper (1) als Gasfüllung ein sich aus Edelgas, vorzugsweise Argon^und Stickstoff im Verhältnis
1:1 bis 20:1, vorzugsweise 4:1 bis 6:1, zusammensetzendes
Gemisch enthält, dessen Verunreinigung an Sauerstoff und Wasser geringer als 10~ % ist.
14. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der Fülldruck des Gases 0,5 bis 10 Bar, vorzugsweise 3 bis 5 Bar, beträgt.
15. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch..
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Stuttgart , " '
gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) ein' aus Material
mit niedriger Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise aus Glas beziehungsweise Quarz, bestehendes Röhrchen (1'4) ist,
bei dem an je einer der beiden Stirnseiten (15, 16) die
Kathodenelektrode (2) beziehungsweise Anodenelektrode (3)
eingeschmolzen ist. ■
16. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise an Nullpotential
liegende Steuerelektrode (4) außerhalb des Hohlkörpers (1) beweglich angeordnet und bei ihrer Bewegung
der seitlichen Erweiterung (?) vorübergehend benachbart ist. '
17. Hochspannüngsschalteinrichtung nach Anspruch 1,3 und 16, dadurch gekennzeichnet, .,daß die Steuerelektrode (4) ein
an einer in Rotation versetzbaren Welle (17) wenigstens, annähernd radial abstehender Finger (18) ist, der bei Rotation
dieser Welle (17) vorübergehend auf die seitliche Erweiterung (7) weist.
18. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1,3. und 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (4) aus elektrisch leitfähigem Material besteht.
19. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1,3,16 und 18,
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dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode wenigstens einen Abschnitt aus Material aufweist, dessen Dielektrizitätskonstante
größer als 10 ist.
20. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, 3, 15 und 16,
dadurch gekennzeichnet, daß den Hohlkörper ein Isolierrohr (20) umgibt, doo wenigstens über die die Kathodenelektrode
(2) aufnehmende Stirnseite (15) dieses Hohlkörpers (1) hinausragt und der Steuerelektrode (4) vorgelagert
ist.
21. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, 3 und 16, gekennzeichnet durch mehrere Hohlkörper (1), die je eine
Anodenelektrode (3) und eine mit einer seitlichen Erweiterung
(7) versehene Kathodenelektrode (2) enthalten, wobei die Steuerelektrode (4) bei ihrer Bewegung den einzelnen
seitlichen Erweiterungen (7) nacheinander vorübergehend benachbart ist.
22. Hochspannungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, 3, 16 und 21,
gekennzeichnet durch die Anwendung als Zündverteiler in Zündanlagen für Brennkraftmaschinen, wobei von mehreren, je eine
Zündkerze (21) enthaltenden Stromkreisen jeder dieser Stromkreise über eine zwischen Kathodenelektrode (2) und Anodenelektrode
(3) liegende Entladungsstrecke verläuft und der Antrieb für die Steuerelektrode (4) von der Brennkraftmaschine
abgeleitet ist.
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