DE4026248C1

DE4026248C1 - Pulse voltage generation circuit - incorporates load capacitance units and resistors

Info

Publication number: DE4026248C1
Application number: DE19904026248
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-Ing. 8601 Gundelsheim De Strauss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-08-20
Filing date: 1990-08-20
Publication date: 1992-05-27
Anticipated expiration: 2010-08-21

Abstract

The circuit arrangment has an inpulse voltage circuit for genration of impulse voltages having large times to half-value or a small power content, and comprises a network with load capacitance (Cb:Cb1) elements, damping resistance elements (Rd:Rd1) and a discharge resistance (Re:Re1), as well as an impulse capacitance (Cs) which is discharged by means of a spark-gap (SF) onto the network. During charging of the impulse generator, capacitor (Ck), in addition to capacitor (Cs) is charged up to a voltage (Uo) via elements (Rk) and (Re). During release of the impulse, capacitor (Cs) is discharged via the spark-gap (SE) with current (i1) onto the impulse circuit made up of the discharge resistance (Re), damping resistance (Rd) and load capacitance (Cb) elements, to generate the impulse voltage a(E). USE - High-voltage reserach engineering.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.The invention relates to a circuit arrangement in the Preamble of claim 1 specified type.

Eine solche Schaltungsanordnung ist durch die im Oberbegriff berücksichtigten Entgegenhaltungen 1) und 2) bekannt:
Entgegenhaltung 1) DE-B: Kind, Einführung in die Hochspannungs-Versuchstechnik, Vieweg Verlag, Braunschweig, 2. Auflage 1978, Seite 30/31, vgl. Bild 1.3-3, zeigt die üblichen Grundschaltungen für Stoßspannungskreise, die auch der Erfindung zugrundegelegt werden.
Entgegenhaltung 2) DE-PS 8 92 787, Fig. 1, zeigt einen Stoßspannungskreis nach Grundschaltung "b", wobei der Prüfling P die Belastungskapazität Cb repräsentiert. Zusätzlich ist parallel zur Funkenstrecke Fs und zum Dämpfungswiderstand Rd ein zusätzlicher Kondensator K geschaltet. Obgleich somit Ähnlichkeiten zwischen der Schaltung der Erfindung und der Entgegenhaltung 2) bestehen, ist der Zweck des Zusatzkondensators Ck bzw. K ein unterschiedlicher: Bei der Entgegenhaltung 2) soll damit der zeitliche Stoßstromverlauf beeinflußt werden, während bei der Erfindung dies nicht erfolgen soll, da sich hier ein vom Stoßstrom i1 unabhängiger Superpositionsstrom i2 einstellt.Such a circuit arrangement is known from documents 1) and 2) considered in the preamble:
Document 1) DE-B: Kind, introduction to high-voltage test technology, Vieweg Verlag, Braunschweig, 2nd edition 1978, pages 30/31, cf. Figure 1.3-3 shows the usual basic circuits for surge voltage circuits, which are also the basis of the invention.
Document 2) DE-PS 8 92 787, Fig. 1, shows a surge voltage circuit according to the basic circuit "b", the device under test P representing the load capacitance Cb. In addition, an additional capacitor K is connected in parallel with the spark gap Fs and the damping resistor Rd. Although there are similarities between the circuit of the invention and document 2), the purpose of the additional capacitor Ck or K is different: In document 2), the temporal surge current curve is intended to be influenced, whereas in the invention this should not be done because here a set of surge current i 1 independent superposition current i. 2

Die bekannten Grundschaltungen von Stoßspannungskreisen zur Erzeugung und die Definitionen und Bestimmungsgrößen von Stoßspannungen sind, neben der Entgegenhaltung 1), in einschlägigen Normen wie VDE 0433 Teil 3, IEC-Publ. 60-1, IEC-Publ. 60-2 und VDE 0432 Teil 1, 2 und 3 beschrieben. The known basic circuits of surge voltage circuits Generation and the definitions and determinants of In addition to document 1), surge voltages are in relevant standards such as VDE 0433 part 3, IEC Publ. 60-1, IEC publ. 60-2 and VDE 0432 part 1, 2 and 3 described.

Unter Stoßspannung versteht man einen einzigen, unipolaren oder auch gedämpft schwingenden Spannungsverlauf. Eine volle Stoßspannung steigt rasch auf einen Maximalwert an und fällt dann in einer längeren Zeit wieder auf Null ab. Eine abgeschnittene Stoßspannung bricht durch einen beabsichtigten oder unbeabsichtigten Durchschlag oder Überschlag im Hochspannungskreis plötzlich zusammen, ein Abschneiden in der Stirn, im Scheitel oder im Rücken ist möglich.Surge voltage is a single, unipolar or also damped oscillating voltage curve. A full surge voltage quickly rises to a maximum value and then falls into after a long time again to zero. A cut off surge voltage breaks through an intended or unintentional Breakdown or flashover in the high-voltage circuit suddenly together, a cut off in the forehead, in the crown or in the back is possible.

Bei den Schaltungen für Stoßgeneratoren unterscheidet man einstufige oder mehrstufige Ausführungen, wobei mehrstufige Stoßkreise durch Kaskadierung mehrerer einstufiger Stoßkreise aufgebaut werden.A distinction is made in the circuits for surge generators single-stage or multi-stage versions, whereby multi-stage Bump circles by cascading several single-level bump circles being constructed.

Fig. 1 zeigt beispielsweise die Grundschaltung "b" eines einstufigen Stoßspannungskreises nach VDE 0433, die folgenden Beschreibungen sind jedoch universell auf alle bekannten Schaltungen ein- oder mehrstufiger Stoßspannungskreise anwendbar. Fig. 1, for example the basic circuit "b" shows a one-stage surge voltage circuit in accordance with VDE 0433, the following descriptions, however, are universally applicable to all known circuits single or multistage impulse voltage circuits applicable.

Der Stoßkondensator Cs wird mit Hilfe eines Gleichspannungsgenerators (nicht dargestellt) auf den Wert der Ladespannung U0 aufgeladen.The surge capacitor Cs is charged to the value of the charging voltage U 0 using a DC voltage generator (not shown).

Zur Auslösung des Stoßes wird die Schaltfunkenstrecke SF in bekannter Weise gezündet. Der Stoßkondensator Cs entlädt sich nun mit dem Strom i1 über die Schaltfunkenstrecke SF auf den Stoßkreis aus den Elementen Entladewiderstand Re, Dämpfungswiderstand Rd und Belastungskapazität Cb und erzeugt so den Stoßspannungsverlauf u(t).To trigger the shock, the switching spark gap SF is ignited in a known manner. The surge capacitor Cs now discharges with the current i 1 via the switching spark gap SF onto the surge circuit comprising the elements discharge resistor Re, damping resistor Rd and load capacitance Cb and thus generates the surge voltage curve u (t).

Als Schaltfunkenstrecken für Stoßgeneratoren werden üblicherweise Luftfunkenstrecken, Druckgasfunkenstrecken, gasgefüllte Schaltröhren, Krytrons, Vakuumschaltröhren usw. eingesetzt, deren Schlagweiten sind fest eingestellt oder langsam motorisch beweglich.As switching spark gaps for shock generators are usually Air spark gaps, compressed gas spark gaps, gas-filled switching tubes, Krytrons, vacuum interrupters, etc. used, their Shot lengths are fixed or slow motor movable.

Die Stirnzeit der Stoßspannung ist proportional zu den Elementen Rd und Cb, die Rückenhaltwertzeit ist proportional zu den Elementen Cs und Re, der Energieinhalt ist proportional zu Cs und zum Quadrat der Ladespannung U0.The face time of the surge voltage is proportional to the elements Rd and Cb, the back-hold value time is proportional to the elements Cs and Re, the energy content is proportional to Cs and the square of the charging voltage U 0 .

Eine Vergrößerung der Rückenhalbwertzeit kann erwünscht sein, wenn die Beanspruchungsdauer des mit der Stoßspannung beaufschlagten Prüflings vergrößert werden soll. An increase in back half-life may be desirable if the duration of exposure to the impulse voltage DUT should be enlarged.

Die Rückenhalbwertzeit kann durch Vergrößern von Re oder von Cs vergrößert werden.The back half-life can be increased by increasing Re or Cs be enlarged.

Für eine bestimmte Höhe der Ladespannung U0 und konstanten Energieinhalt kann die Rückenhalbwertzeit nur durch Vergrößern von Re vergrößert werden. Hierdurch wird jedoch der Strom i1 durch die Schaltfunkenstrecke SF kleiner, was zum Abreißen oder Löschen des Lichtbogens in SF und somit zum Öffnen von SF führen kann.For a certain level of charging voltage U 0 and constant energy content, the back half-life can only be increased by increasing Re. As a result, however, the current i 1 through the switching spark gap SF becomes smaller, which can lead to the arc being broken or extinguished in SF and thus to the opening of SF.

Der gleiche Effekt tritt auf, wenn für eine bestimmte Höhe der Ladespannung U0 und eine bestimmte Rückenhalbwertzeit der Energieinhalt verkleinert werden soll, was nur durch Verkleinern von Cs bei gleichzeitigem Vergrößern von Re erfolgen kann.The same effect occurs if the energy content is to be reduced for a certain amount of charging voltage U 0 and a certain back half-life, which can only be done by reducing Cs while increasing Re.

Eine Reduzierung des Energieinhaltes bei unveränderter Kurvenform kann erwünscht sein, um die im Falle eines Überschlages oder Durchschlages im Prüfling umgesetzte Energie und damit den Umfang der hieraus resultierenden Zerstörungen des Prüflinges zu reduzieren.A reduction in the energy content with unchanged curve shape may be desirable in the event of a rollover or Breakdown in the device under test and thus the scope the resulting destruction of the test object to reduce.

Die Höhe des Stromes i1, bei dem der Lichtbogen gerade noch sicher brennt und nicht abreißt, wird oft als Haltestrom bezeichnet und hängt von Art und Konstruktion der Schaltfunkenstrecke ab.The level of the current i 1 , at which the arc is still burning safely and does not break off, is often referred to as the holding current and depends on the type and design of the switching spark gap.

Dieser Vorgang von Zünden und Löschen der Schaltfunkenstrecke SF kann sich intermittierend wiederholen, wodurch ein ungewollt unstetiger Verlauf der Stoßspannung u(t) nach Fig. 4 resultiert.This process of firing and extinguishing the switching spark gap SF can be repeated intermittently, which results in an unintentionally discontinuous course of the surge voltage u (t) according to FIG. 4.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorzeitiges Abreißen des Schaltlichtbogens zu vermeiden.The object of the invention is a premature Tear off the switching arc to avoid.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.This task is done with a circuit arrangement of the type mentioned at the beginning by the characteristic features in Claim 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are marked in the subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in den Fig. 2, 3, 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen erläutert.The invention is explained below with reference to the embodiments shown in FIGS. 2, 3, 5 and 6.

Gegenüber den bekannten Schaltungen wird während des Ladens des Stoßgenerators zusätzlich zu Cs der Kondensator Ck über die Elemente Rk und Re auf die Spannung U0 aufgeladen.Compared to the known circuits, the capacitor Ck is charged to the voltage U 0 via the elements Rk and Re in addition to Cs during the charging of the surge generator.

Zur Auslösung des Stoßes wird wieder die Schaltfunkenstrecke SF in bekannter Weise gezündet. Der Stoßkondensator Cs entlädt sich ebenfalls mit dem Strom i1 über die Schaltfunkenstrecke SF auf den Stoßkreis aus den Elementen Entladewiderstand Re, Dämpfungswiderstand Rd und Belastungskapazität Cb und erzeugt so den Stoßspannungsverlauf u(t).To trigger the shock, the switching spark gap SF is ignited again in a known manner. The surge capacitor Cs likewise discharges with the current i 1 via the switching spark gap SF onto the surge circuit comprising the elements discharge resistor Re, damping resistor Rd and load capacitance Cb and thus generates the surge voltage curve u (t).

Zusätzlich fließt ein Strom i2 in dem zusätzlichen Stromkreis Ck, Rk und SF, der bei gezündeter Schaltfunkenstrecke SF nach dem Superpositionsprinzip keinen Einfluß auf den Stromverlauf i1 und somit den Stoßspannungsverlauf u(t) ausübt.In addition, a current i 2 flows in the additional circuit Ck, Rk and SF, which has no influence on the current profile i 1 and thus the surge voltage profile u (t) when the switching spark gap SF is ignited according to the superposition principle.

Hierdurch erhöht sich der Strom durch die Schaltfunkenstrecke SF um den Strom i2, wodurch die Ionisierungsbedingungen für den Schaltlichtbogen aufgrund von Thermoionisation verbessert werden und somit einem Abreißen oder Löschen des Lichtbogens in SF entgegengewirkt wird.As a result, the current through the switching spark gap SF is increased by the current i 2 , as a result of which the ionization conditions for the switching arc are improved on account of thermal ionization and thus counteracting the breaking or extinguishing of the arc in SF.

Fig. 6 zeigt den gemessenen Stoßspannungsverlauf u(t) einer solchen Schaltungsanordnung nach Fig. 2. FIG. 6 shows the measured surge voltage curve u (t) of such a circuit arrangement according to FIG. 2.

Die Dimensionierung der Elemente Rk und Ck ergibt sich abhängig von der jeweiligen Anwendung, wobei während der interessierenden Zeitdauer von u(t) der für die Speisung des Schaltlichtbogens erforderliche Haltestrom nicht unterschritten werden darf.The dimensions of the elements Rk and Ck are dependent of the particular application, being during the interest Duration of u (t) for the supply of the switching arc required holding current must not be fallen below.

Allgemein wird die Zeitkonstante Rk_*Ck in der gleichen Größenordnung wie die für die Rückenhalbwertzeit verantwortliche Zeitkonstante Re_*Cs liegen.In general, the time constant Rk _* Ck will be of the same order of magnitude as the time constant Re _* Cs responsible for the back half-life.

Für Ck»Cs kann die Zeitkonstante Rk_*Ck auch kleiner als Re_*Cs gewählt werden. In diesem Fall übernimmt die Schaltfunkenstrecke SF nur das Entladen von Ck, danach fließt der Strom i1 über Rk und Ck in den Stoßkreis. Die für die Rückenhalbwertzeit verantwortliche Zeitkonstante ändert sich in diesem Fall von Re_*Cs in (Re+Rk)_*(Cs_*Ck)/(Cs+Ck), wegen Ck»Cs sowie Rk«Re ändert sie sich jedoch nur unwesentlich.For Ck »Cs the time constant Rk _* Ck can also be chosen smaller than Re _* Cs. In this case, the switching spark gap SF only takes over the discharge of Ck, then the current i 1 flows via Rk and Ck into the surge circuit. The time constant responsible for the back half-life changes in this case from Re _* Cs to (Re + Rk) _* (Cs _* Ck) / (Cs + Ck), but changes only insignificantly because of Ck »Cs and Rk« Re.

Bei mehrstufigen Stoßspannungskreisen wird in Analogie zu den gemachten Ausführungen in jeder Stufe parallel zur Schaltfunkenstrecke SF dieser Stufe ein zusätzlicher Stromkreis aus den Elementen Rk und Ck angeordnet.In the case of multi-stage surge voltage circuits, the analogy to the made in each stage parallel to the switching spark gap SF this stage an additional circuit from the Arranged elements Rk and Ck.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann eine Elektrode der Schaltfunkenstrecke SF als schnell bewegliches Schaltstück ausgeführt werden, welches in irgend einer Weise elektromagnetisch, hydraulisch, pneumatisch oder von Hand betätigt wird. Zur Auslösung des Stoßgenerators wird hier bei die Schlagweite der Schaltfunkenstrecke stetig mit möglichst großer Geschwindigkeit bis zum Zünden des Lichtbogens und weiter bis zur direkten Kontaktgabe verkleinert, wodurch auch der erforderliche Haltestrom für den Lichtbogen stetig kleiner wird. In a further embodiment of the invention, an electrode can Switching spark gap SF as a fast moving contact which are electromagnetic in some way, is operated hydraulically, pneumatically or by hand. To trigger the shock generator, the stroke length of the Switching spark gap constantly at the highest possible speed until the arc is ignited and further to the direct one Reduced contact, which also means the required holding current for the arc is getting smaller.

Fig. 5 zeigt den gemessenen Stoßspannungsverlauf u(t) einer solchen Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit einer Schaltfunkenstrecke SF mit einem schnell beweglichen Schaltstück. FIG. 5 shows the measured surge voltage curve u (t) of such a circuit arrangement according to FIG. 1 with a switching spark gap SF with a rapidly moving switching element.

Durch die im Moment der SF bereits verkleinerte Schlagweite gegenüber der fest eingestellten Schlagweite in Fig. 4 ergibt sich ein ingesamt geringerer Haltestrombedarf, was einen weniger unsteten Stoßabspannungsverlauf zur Folge hat. Nach etwa 500 us Zeitdauer erfolgte die direkte Kontaktgabe des beweglichen Schaltstückes mit dem Gegenpol der SF mit einem hieraus resultierenden stetigen weiteren Stoßspannungsverlauf.Due to the fact that the stroke length is already reduced at the moment of the SF compared to the fixed stroke distance in FIG. 4, there is an overall lower holding current requirement, which results in a less unstable surge tension curve. After a period of about 500 us, the moving contact piece was made direct contact with the opposite pole of the SF with a resulting continuous surge voltage curve.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 mit einer Schaltfunkenstrecke SF mit beweglichem Kontaktstück ausgestattet werden. Da der Haltestrombedarf einer derartigen Anordnung geringer ist als bei einer Schaltfunkenstrecke mit fest eingestellter Schlagweite, ergibt sich eine Kosteneinsparung bei der Auslegung der Zusatzelemente Rk und Ck nach Fig. 2.In a further embodiment of the invention, the circuit arrangement according to FIG. 2 can be equipped with a switching spark gap SF with a movable contact piece. Since the holding current requirement of such an arrangement is lower than in the case of a switching spark gap with a fixed pitch, there is a cost saving in the design of the additional elements Rk and Ck according to FIG. 2.

Der gemessene Stoßspannungsverlauf u(t) einer solchen Anordnung entspricht dem in Fig. 6 dargestellten Verlauf.The measured surge voltage curve u (t) of such an arrangement corresponds to the curve shown in FIG. 6.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 durch je einen Schalter S1 und S2 in Fig. 3 erweitert werden, wodurch eine kostengünstige Umschaltmöglichkeit des Energieinhaltes bei unveränderter Rückenhalbwertzeit entsteht.In a further embodiment of the invention, the circuit arrangement according to FIG. 2 can be expanded by one switch S 1 and one S 2 in FIG. 3, as a result of which the energy content can be switched over inexpensively while the back half-life remains unchanged.

Für S1 in Position 1 und S2 geöffnet sind die Verhältnisse für den Stoßkreis mit SF1, Re1, Rd1 und Cb1 wie zuvor beschrieben.For S 1 in position 1 and S 2 the conditions for the shock circuit with SF 1 , Re 1 , R d 1 and Cb 1 are as previously described.

Für S1 in Position 2 wird der Kondensator Ck parallel zum Stoßkondensator Cs geschaltet und somit der Energieinhalt entsprechend erhöht. Zur Korrektur der Rückenhalbwertzeit wird S2 geschlossen und somit Re1′ parallel zu Re1 geschaltet. Für den Fall Cs · Re1= (Cs+Ck) · Re1 · Re1′)/(Re1+Re1′) bleibt die Rückenhalbwertzeit unverändert.For S 1 in position 2, the capacitor Ck is connected in parallel to the surge capacitor Cs and the energy content is accordingly increased. To correct the back half-life, S 2 is closed and thus Re 1 'is connected in parallel with Re 1 . In the case Cs · Re 1 = (Cs + Ck) · Re 1 · Re 1 ′ ) / (Re 1 + Re 1 ′ ) the back half-life remains unchanged.

Durch diese Umschaltmöglichkeit kann der Stoßgenerator sowohl für übliche Prüfungen mit hohem Energieinhalt als auch für zerstörungsfreie Prüfungen mit geringem Energieinhalt verwendet werden.With this switchover option, the shock generator can be used for usual tests with high energy content as well as non-destructive Low energy tests can be used.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 kostengünstig durch einen Stoßkreis aus den Elementen SF2, Re2, Rd2 und Cb2 zur Erzeugung eines weiteren Stoßspannungsverlaufes u2(t) erweitert werden. Der Schalter S2 kann hierbei zur Erzielung eines hohen Energieinhaltes in Position 2 geschaltet werden, die Stoßkreiselemente mit Index 2 können in bekannter Weise frei dimensioniert werden.In a further embodiment of the invention, the circuit arrangement according to FIG. 3 can be inexpensively expanded by a shock circuit comprising the elements SF 2 , Re 2 , Rd 2 and Cb 2 to generate a further surge voltage curve u 2 (t). The switch S 2 can be switched to position 2 in order to achieve a high energy content, the shock circle elements with index 2 can be freely dimensioned in a known manner.

Claims

1.Circuit arrangement with a surge voltage circuit for generating surge voltages with long back half-lives or small energy content, consisting of a network with the elements load capacity (Cb; Cb 1 ), damping resistance (Rd; Rd 1 ) and discharge resistance (Re; Re 1 ), as well as one surge capacity (Cs), by means of a switching spark gap, is discharged to the network, characterized in that parallel to the switching spark gap (SF SF 1) (SF SF 1), an additional circuit comprising a series circuit of a resistor (Rk) and a capacitor (Ck ) is arranged so that after ignition of the switching spark gap (SF; SF 1 ) superposed to the surge current (i 1 ) an additional and independent current (i 2 ) flows through the switching spark gap (SF; SF 1 ) and the ionization conditions for the switching arc improved that tearing of the switching arc is avoided.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that in the case of multi-stage surge voltage circuits, an additional circuit comprising a resistor (Rk) and a capacitor (Ck) is arranged in each stage parallel to the switching spark gap (SF; SF 1 ).

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that an electrode of the switching spark gap (SF; SF 1 ) is designed as a rapidly moving electrode.

4. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that by a switch (S 1 ) the capacitor (Ck) can optionally be connected in parallel to the surge capacitor (Cs).

5. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a resistor (Re 1 ' ) can be connected in parallel to the discharge resistor (Re 1 ) by a switch (S 2 ).

6. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an additional surge voltage circuit from the elements switching spark gap (SF 2 ), discharge resistance (Re 2 ), damping resistor (Rd 2 ) and load capacitor (Cb 2 ) connected in parallel to the surge capacitor (Cs) becomes.