DE2658661A1

DE2658661A1 - Gesteuerte hochleistungs-funkenstrecke

Info

Publication number: DE2658661A1
Application number: DE19762658661
Authority: DE
Inventors: Claude Agnoux; Rene Destree
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1975-12-30
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1977-07-07
Also published as: IT1066825B; JPS5917508B2; GB1514680A; JPS5285349A; NL7614506A; FR2337417A1; CA1080795A; BE849707A; US4054813A; FR2337417B1

Description

Fo ίο 222 D 23. Dez. 1976

Dipl.-Ing. Jürgen WEINMILLER

PATENTASSESSOR

SOSPI GmbH

8OOO München 8O
Zeppelinstr. 63

COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 Frankreich

GESTEUERTE HOCHLEISTUNGS-FUNKENSTRECKE

Die Erfindung betrifft Funkenstrecken, die eine Hochenergieentladung (beispielsweise zehn Joule) in einer sehr kurzen Zeitspanne (im Nanosekundenbereich) zulassen.

Es sind Funkenstrecken bekannt, zu denen außer den Hauptelektroden (Kathode und Anode), zwischen denen die Hauptentladung erfolgt, zwei Zündelektroden gehören. Eine

aerj dieser Zündelektroden wird häufig von einer/^auptelektroden gebildet.

Zwischen Kathode und Anode wird eine Gleichspannung (beispielsweise 20 kV) angelegt, beispielsweise durch Anschließen eines auf diese Spannung aufgeladenen Kondensators. Wenn die Spannung kleiner als die Durchschlagsspannung zwischen Kathode

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und Anode und größer als ein Schwellwert ist, der wie die Durchschlagsspannung von der geometrischen Ausführung der Funkenstrecken und von der Art des die Elektroden umgebenden Gases, sowie von seinem Druck abhängt, genügt eine zwischen den Zündelektroden erzeugte geeignete elektrische Entladung zur Auslösung der Hauptentladung. Hierzu legt man zwischen diesen Elektroden einen Spannungsimpuls von etwa einigen Kilovolt an. Daraufhin kommt es zwischen diesen Elektroden zu einer elektrischen Zündentladung, durch die die Hauptentladung eingeleitet wird.

Die Zundimpulsenergie kann weit unter der Energie der Hauptentladung liegen.

Häufig ist es erwünscht, die Funkenstrecke mittels eines elektrischen Impulses auszulösen, der nicht nur eine geringe Energie aufweist, sondern auch eine geringe Spannung, beispielsweise unter 2 kV.

Eine bekannte Lösung besteht darin, den Abstand zwischen den Zündelektroden zu verringern, wobei natürlich berücksichtigt wird, daß es einen optimalen Elektrodenabstand gibt, der von der Art und dem Druck des umgebenden Gases abhängt und den zu unterschreiten zwecklos und sogar nachteilig wäre. Bei Funkenstrecken unter Atmosphärendruck bewegt sich dieser Abstand in der Größenordnung von einigen zehn Mikron. Da die Zündung zeitlich gesehen mit hoher Präzision zu erfolgen hat, muß auch dieser Abstand präzise eingehalten werden. Angesichts der zwischen den züncfeLektroden vorzusehenden Isolierung ergeben sich für die Herstellung

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und die Einhaltung eines derart kleinen Abstands schwierige Konstruktionsprobleme.

Es ist außerdem bekannt, den Raum zwischen den Zündelektroden mit einem Feststoffdielektrikum zu füllen. Dann erfolgt die Zündentladung auf der Oberfläche dieses Dielektrikums. Bekanntlich verlaufen elektrische Entladungen in einem dielektrischen Milieu vorzugsweise an den Grenzflächen zwischen Dielektrika unterschiedlicher Art, im vorliegenden Fall also an der Grenzfläche zwischen dem Feststoffdielektrikum und dem gasförmigen Dielektrikum. Dies ist gleichbedeutend damit, daß die für das Durchschlagen notwendige Spannung verringert wird. Soll diese Spannung sehr klein sein, so bleibt die Notwendigkeit bestehen, dem die Zündelektroden trennenden Feststoffdielektrikum eine sehr geringe Dicke zu verleihen. Daher wurde in der FR-PS 70 33 577 vorgeschlagen, als Dielektrikum eine zwischen die Zündelektroden eingespannte dünne Folie zu verwenden, wobei die Zündelektroden mit großer Genauigkeit eingestellt werden müssen.

Ziel der Erfindung ist es, die Herstellung weiter zu vereinfachen und die Zündspannung noch weiter zu verringern, ohne die Verzögerungsstreuung ("jitter") beim Zünden, d.h. die Änderungen der Zeitdauer zwischen Zündimpuls und Hauptentladung, zu erhöhen.

Dieses Ziel wird durch die Funkenstrecke gemäß Hauptanspruch erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Funkenstrecke sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Unter Bezugnahme auf drei Figuren wird nachfolgend

die Erfindung an Hand zweier Ausführungsbeispxele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch eine erste erfindungsgemäße Funkenstrecke.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Achse durch die Funkenstrecke aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen axialen Schnitt durch eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Funkenstrecke.

Die in den Figuren 1 oder 2 dargestellte Funkenstrecke umfaßt, untergebracht in einem Metallgehäuse 2, zwei aus einer Eisen-Nickel oder Kupfer-Nickellegierung bestehende Hauptelektroden 4 und 6, die als dicke gekrümmte Metalldrähte vorliegen. Die Elektrode 4, die elektrisch mit dem Gehäuse 2 in Verbindung steht, wird "angrenzende" Elektrode genannt, während die andere Elektrode 6 eine elektrische Verbindung nach außen über eine Isolierhülle besitzt. Die Elektrode 4 wird "angrenzend" genannt, da sie an die aus zwei dünnen Kupferschichten 10 und 12, die auf die beiden Seiten einer dünnen dielektrischen Folie 14 aus einem Polyimid aufgebracht sind, gebildeten Zündelektroden angrenzt.

Es können jedoch auch andere Dielektrika in Form einer dünnen Folie verwendet werden, beispielsweise Äthylen-Polyterephtalat. Günstig ist jede organische hochpolymere, nichtporöse Verbindung mit guter dielektrischer Festigkeit in Querrichtung, höher als 50 kV/mm und vorzugsweise in der Nähe von 100 kV/mm, in Form einer dünnen Folie. Außerdem ist

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es günstig, wenn das Dielektrikum eine bestimmte Härte aufweist, damit es in Folienform glatt geschnitten werden kann.

Die Folie 14 und die Schichten 10 und 12 haben jeweils eine Dicke von etwa 50 Ai, wobei dieser Wert zwischen 10 und 200 Ai variieren kann.Je kleiner die elektrische Zündspannung sein soll, desto kleiner wird die Dicke für die Folie 14 gewählt, jedoch kann diese Spannung nicht beliebig weit gesenkt werden, da sich dann eine zu geringe Energie für die Zündentladung ergeben würde. Ferner muß die aus der mit den Schichten 10 und 12 versehenen Folie 14 gebildete Einheit eine bestimmte mechanische Festigkeit aufweisen, damit bei ihrer Befestigung auf eine Unterlage und,wenn sie über diese Unterlage hinausreicht, die Lage des überstehenden Teils trotz beispielsweise vorhandener Vibrationen genau bestimmt bleibt.

In den Figuren wird aus zeichnerischen Gründen die Stärke der Folie 14 und der Schichten 10 und 12 stark übertrieben.

Die Einheit aus der Folie und einer beidseitigen Metallisierung wird fertig vom Handel für die Herstellung von biegsamen gedruckten Schaltungen and insbesondere zur Herstellung von biegsamen elektrischen Mehrfachanschlüssen angeboten. Zur Aufbringung der Metallisierung 10 und 12 auf die Dielektrikumfolie 14 können verschiedene Verfahren angewandt werden, beispielsweise das Aufwalzen oder das chemische Aufdampfen aus der Gasphase.

Die metallisierte Folie wird von dem gekrümmten Ende

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der "angrenzenden" Elektrode 4 auf eine flache Metallplatte 16 gedrückt, die elektrisch mit einer Steuerklemme über eine Isolierhülse 18 in Verbindung steht. Die Metallschicht 10 liegt also elektrisch am Gehäuse und die Metallschicht 12 steht mit der Steuerklemme in Verbindung.

Die metallisierte Folie reicht über die Platte 16 auf der der anderen Hauptelektrode 6 zugewandten Seite hinaus, so daß einer ihrer Ränder in der Nähe der Hauptentladungszone zwischen den beiden Hauptelektroden 4 und 6 liegt, also dort, wo sich die beiden Elektroden am nächsten liegen. Dies ist der Rand, der zur Erzeugung der Zündentladung dienen soll. Die Dielektrikumfolie 14 ragt über die Metallschichten 10 und 12 auf ihrem gesamten Umfang um beispielsweise 3 mm hervor. Der nicht metallisierte Rand kann leicht durch örtliches chemisches Abätzen einer vollständig metallisierten handelsüblichen Dielektrikumfolie erhalten werden.

Im nichtmetallisierten Rand wird in der Nähe der Hauptentladungszone eine spitze Kerbe 20 ausgeschnitten, so daß die Spitze dieser Kerbe die Metallschichten 10 und 12 erreicht. Der Winkel an der Spitze dieser Kerbe 20 beträgt etwa 45 . Falls die Spitze dieses Ausschnitts über den nichtmetallisierten Rand hinaus in die Metallschichten 10 und 12 in einer Tiefe von 0,1 oder 0,2 mm eindringt, so ist dies unerheblich. An die Genauigkeit werden hier also keine extrem hohen Anforderungen gestellt, so daß die Herstellung dieses Ausschnitts keine besonderen Schwierigkeiten bereitet.

Die Atmosphäre im Gehäuse 2 kann aus trockenem Stickstoff unter Atmosphärendruck bestehen.

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Die in Fig. 3 dargestellte Funkenstrecke ähnelt der aus den Figuren 1 und 2. Jedoch weist sie um eine Achse 30 herum Rotationssymmetrie auf. Diese Funkenstrecke besitzt eine isolierende zylindrische Hülse 32, die zwei Metallscheiben 34 und 35 verbindet; diese beiden Scheiben sind an zwei kreisförmxge Hauptelektroden angeschlossen, die axial ausgerichtet sind und aus rostfreiem Stahl, Molybdän oder einer Wolfram-Kupferlegierung bestehen.

Es sind hier eine hohle "angrenzende" Elektrode und eine massive Gegenelektrode 40 vorhanden, die zwei sich gegenüberliegende ebene aktive Flächen aufweisen. Die aktive Fläche der "angrenzenden" Elektrode 38 ist mit einer axialen kreisförmigen Öffnung versehen, die mit dem Innenraum dieser Elektrode in Verbindung steht. Auf den Rändern dieser Öffnung weist diese Elektrode nach innen eine ebene Fläche auf, die als Stützfläche für eine kreisförmig zurechtgeschnittene metallisierte Folie dient. Diese Folie besitzt wie im vorhergehenden Fall eine dielektrische Folie 42, auf deren beiden Seiten jeweils eine Metallschicht 44 bzw. 46 aufgebracht ist. Die dielektrische Folie 42 reicht über den gesamten Umfang hinweg über die Metallschichten 44 und 46 hinaus. In ihrem Mittelpunkt ist sie mit einem Loch 48 versehen, dessen Durchmesser unter 0,5 mm und vorzugsweise wesentlich kleiner ist. Dieses Loch kann beispielsweise ein mit einer Nadel hergestelltes Loch sein.

Die metallisierte Folie wird mit der Schicht 46

elastisch gegen die Fläche 41 gedrückt, und zwar durch ein

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mit der Schicht 46 in Kontakt stehendes Stützelement 50; dieses Stützelement hat einem Druchmesser, der kleiner als der zylindrische Innenraum der Elektrode 38 ist. Die mit der Schicht 46 in Kontakt stehende Seite dieses Stützelements ist in der Nähe des Lochs 48 hohl. Das Stützelement 50 wird im Innenraum der Elektrode 38 durch einen isolierenden Kunststoff ring 52 geführt, der auf der inneren zylindrischen Seitenwandung dieser Elektrode ruht. Dieser Ring wird durch eine sich auf eine den Innenraum der Elektrode 38 auf der Seite der Platte 34 verschließende Isolierhülse 56 abstützende Schraubfeder 54 in Richtung auf die Auflagefläche 41 gedrückt. Durch diese Hülse läuft ein Metalldraht 58, der über einen biegsamen Draht 60 mit dem Stützelement 50 verbinden ist. Die Zündentladung entsteht hier an den Wandungen des Lochs 48 zwischen den aus den Metallschichten 44 und 46 bestehenden Zündelektroden. Hierzu wird zwischen der Platte 34 und dem Draht ein Steuerimpuls angelegt. Was den gesteuerten Kreis betrifft, so liegt dieser zwischen den Platten 34 und 36.

Hit den soeben beschriebenen Funkenstrecken konnten versuchweise folgende Leistungen erreicht werden :

Spannungen zwischen Hauptelektroden : von 1 bis 30 kV Energie der Hauptentladung : von 1 bis 12 Joule

Zündspannung : 1 kV

Energie der Zündentladung: 1 mJ

Anzahl der Entladungen : 10.000

Entladungsverzögerung s 20 ns

Schwankungsbreite der Zündverzögerung

(für eine gegebene Funkenstrecke) (Jitter) 5 ns.

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Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine kleine Zündspannung Hand in Hand mit einer geringen Zündverzogerungsstreuung bei aufeinanderfolgenden Entladungen mit ein und derselben Funkenstrecke geht. Dieser niedrige Wert erlaubt eine zeitlich äußerst genaue Zündung nach VersuchsZündungen und Einstellung des Steuerkreises.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 -) Gesteuerte Hochleistungs-Funkenstrecke mit zwei

^iauptelektroden, an die eine elektrische Gleichspannung anlegbar ist und zwei voneinander durch eine dünne dielektri sche Folie isolierte und in der Nähe der Hauptelektroden angeordnete■ Zündelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zündelektroden aus den Rändern zweier dünner Metallschichten (10, 12; 44, 46) bestehen, die auf den beiden Seiten der Folie (14; 42) haften, so daß die Zündentladung sich zwischen den beiden Metallschichten (10, 12; 44, 46) entlang der freien Oberfläche der dielektrischen Folie (14; 42) ausbreitet.

2 - Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit aus Folie und Metallschichten (10, 12, 14) zwischen einer der Hauptelektroden (4) und einer Basis (16) gehalten werden, die den Steueranschluß bildet, und daß die Einheit über den Rand der Basis hinausragt.

3 - Funkenstrecke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit aus Folie und Metallschichten (10, 12, 14, 42, 44, 46) elastisch gestaltet wird.

4 - Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Folie (14, 42) eine Dicke aufweist, die zwischen und 200 Mikron liegt.

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r -

-SL.

5 - Funkenstrecke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Folie (14, 42) aus einem organischen nichtporösen Hochpolymer besteht.

6 - Funkenstrecke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Folie (14, 42) aus einem Polyimid besteht.

7 - Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (10, 12, 44, 46) aus Kupfer bestehen.

8 - Funkenstrecke nach Snspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (10, 12, 44, 46) eine Dicke zwischen 10 bis 200 Mikron aufweisen.

9 - Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Folie über die Metallschichten (10, 12) hinausreicht, so daß ein nichtmetallisierter Rand entsteht, der an einer Stelle mit einer spitzwinkligen Kerbe (20) versehen ist, so daß seine Breite an dieser Stelle verringert wird, und die Zündentladung an dieser Stelle stattfinden muß.

10 - Funkenstrecke nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Kerbe (20) praktisch gleich der Breite des nichtmetallisierten Randes ist,

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11 - Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Folie (42) über die Metallschichten (44, 46) hinausreicht, so daß sich ein nichtmetallisierter dielektrischer Rand ergibt, der ganz um die dielektrische Folie herumläuft, und daß die Einheit aus Folie und Metallschichten (42, 44, 46) mit einem zentralen Loch (48) versehen ist, so daß die Zündentladung am Rand dieses Lochs (48) entsteht.

12 - Funkenstrecke nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daß die an die Zündelektroden angrenzende Hauptelektrode (38) hohl ist und ihre der anderen Hauptelektrode zugewandte Seite mit einer Öffnung versehen ist, wobei die Einheit aus Folie und Metallschichten (42, 44, 46) in diesem Innenraum liegt, und ihr Rand einen größeren Durchmesser als die öffnung besitzt und sie so von innen auf den Rändern dieser öffnung aufliegt, daß eine der Metallschichten mit der Innenfläche (41) der hohlen Elektrode (38) im Bereich der Öffnung in Kontakt steht.

13 - Funkenstrecke nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Lochs (48) in der metallisierten Folie (42, 44, 46) kleiner als 0,5 mm ist.

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