DE4218479A1 - Gasentladungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungsschal­ ter, bei dem wenigstens zwei im Abstand d voneinander an­ geordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentla­ dung vorgesehen sind, die in einer Schaltkammer mit Abstand zur Schaltkammerwand angeordnet sind und eine Kathode und eine Anode einer Entladungsstrecke für die Niederdruck-Gasentladung bilden.

Gasentladungsschalter in der Bezeichnung als sogenannte Pseudofunkenschalter sind beispielsweise aus der DE-PS 28 04 391 oder der WO-A-89/00354 bekannt. Derartige Gas­ entladungsschalter bestehen im wesentlichen aus zwei ein­ ander gegenüberliegenden Hohlelektroden, die dort zwei zu­ einander axial fluchtende Öffnungen mit kreisförmigem Querschnitt aufweisen. Zur Realisierung des Pseudofunken- Prinzips sind der Abstand d der Elektroden und der Druck p des umgebenden Gases, beispielsweise Wasserstoff oder Deu­ terium, so gewählt, daß das Produkt pxd einen Punkt auf dem linken Ast der Durchbruchskennlinie des Systems (soge­ nannte Paschenkurve) definiert. Letzteres impliziert, daß eine Gasentladung, die durch Anlegen einer hinreichend hohen Spannung an die Elektroden oder durch Triggerung ausgelöst wird, im Bereich der Öffnungen beginnt und auch im weiteren Verlauf dort brennt.

Ein Gasentladungsschalter in praxisgerechter Ausbildung ist weiterhin in der EP-A-0 433 480 beschrieben. Dieser Schalter ist so aufgebaut, daß die im wesentlichen zylind­ rischen Elektroden in einem aus einem Isolierstoff wie Glas oder Keramik bestehenden Hohlzylinder konzentrisch angeordnet sind, derart, daß ihre einander zugewandten Stirnflächen einen Abstand d von höchstens einigen mm haben. Dabei besitzen in diesem Fall die Kathode und die Anode fluchtende Elektrodenöffnungen. Alternativ dazu kann auch gemäß der EP-A-0 473 813 durch Aussparungen zwischen den einander zugewandten Flächen von Kathode und Anode eine Entladungskammer gebildet sein, wobei in diesem Fall nur die Kathode Elektrodenöffnungen besitzen muß.

Für die von obigen Gasentladungsschaltern geforderte hohe Spannungsfestigkeit ist es notwendig, daß Entladungen im Randbereich der Elektroden verhindert werden. Solche Ent­ ladungen treten bevorzugt dort auf, wo der Elektrodenspalt auf den Spalt zwischen Elektroden und Isolator, d. h. der Gehäuseinnenwand, trifft. Diese Entladungen können unter ungünstigen Umständen sowohl beim Schalten als auch spontan bei an liegender Hochspannung auftreten. Die Ur­ sache für die unerwünschten Entladungen im Randbereich der Elektroden liegt darin, daß dort eine lange Strecke zur Ladungsträgervermehrung im überwiegend axial, d. h. tangential zur Isolatoroberfläche, gerichteten elektri­ schen Feld zur Verfügung steht. Insbesondere führt die Tangentialkomponente des elektrischen Feldes an der Isolatoroberfläche zu Elektronenlawinen, die Funkenent­ ladungen entlang der Isolatoroberfläche zur Folge haben können.

Bei den erwähnten Gasentladungsschaltern des Standes der Technik soll das Problem der Zündungen im Randbereich der Elektroden dadurch beseitigt werden, daß der radiale Abstand a der Elektroden zur Isolatorinnenwand gemäß der weiter unten im einzelnen beschriebenen Fig. 1 so klein gehalten wird, daß die Ladungsträgerverluste durch Diffu­ sion zur Wand den Ladungsträgerzuwachs durch Stoßionisa­ tion im elektrischen Feld im Wandbereich überwiegen. Trotzdem ist auch dort der weiterhin vorhandene Bereich hoher elektrischer Feldstärken parallel zur Isolatorober­ fläche ein Schwachpunkt bezüglich der Spannungsfestigkeit des Schalters.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, letzteren Schwachpunkt bezüglich der Spannungsfestigkeit von Gasent­ ladungsschaltern zu beseitigen.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Verbesserung der Spannungsfestigkeit zwischen den Haupt­ elektroden das elektrische Feld im Elektrodenrandbereich zur Schaltkammerwand durch wenigstens eine Hilfselektrode überwiegend radial ausgerichtet wird. Vorzugsweise ist die Hilfselektrode entweder von außen auf die Schaltkammerwand aufgebracht oder Teil der Schaltkammerwand selbst oder aber am inneren Umfang der Schaltkammer an der Gehäusewan­ dung angebracht.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch die über­ wiegend radiale Ausrichtung des elektrischen Feldes im kritischen Bereich die störenden Tangentialkomponenten des elektrischen Feldes an der Isolatoroberfläche nahezu voll­ ständig zu vermeiden. Unabhangig von der konkreten Reali­ sierung der Hilfselektrode ist es dabei vorteilhaft, diese vorzugsweise symmetrisch bezüglich der Mittelebene des Elektrodenzwischenraums zu positionieren, so daß symmetri­ sche Feldverteilungen vorliegen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Aus­ führungsbeispielen. Es zeigen in schematischer Darstel­ lung.

Fig. 1 die elektrische Feldverteilung bei herkömmlichen Gasentladungsschaltern,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen Gasentladungsschalters in Schnittdarstellung,

Fig. 3 und Fig. 4 zwei Alternativen zu Fig. 2 in entspre­ chender Darstellung und

Fig. 5 eine zu Fig. 1 entsprechende Darstellung des elek­ trischen Feldes bei erfindungsgemäßen Gasentladungs­ schaltern nach einer der Fig. 2 bis 4.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben:

In Fig. 1 sind die Elektroden eines Gasentladungsschalters im Randbereich zu einem Isolator als Schaltkammerwand an­ gedeutet. Beide Elektroden sind mit dem Abstand d einander zugewandt. Ihr Rand ist vom Isolator um die Strecke a ent­ fernt. Die Symmetrieebene zwischen den einander gegenüber­ stehenden Elektroden ist mit AA bezeichnet.

Bei Anliegen einer Hochspannung zwischen den beiden Elek­ troden verlaufen die elektrischen Feldlinien zwischen den Elektrodenflächen in axialer Richtung. Im Randbereich entsteht ein überwiegend axiales Feld zwischen der unteren und der oberen Elektrode. Dies bedeutet im einzelnen, daß in diesem Bereich die Feldlinien tangential zur Isolator­ oberfläche verlaufen.

Durch die vergleichsweise lange Strecke des überwiegend axial gerichteten elektrischen Feldes im Randbereich kann es zu unerwünschten Entladungen kommen. Diese Entladungen beeinträchtigen die Hochspannungsfestigkeit des Hohlelek­ trodenschalters.

In Fig. 2 ist ein Gasentladungsschalter 1 dargestellt, in dem zwei Elektroden 2 und 4 innerhalb eines hohlzylindri­ schen Isolatorkörpers 6 gegeneinander isoliert angeordnet sind. Dabei ist die Anode mit 2 und die Kathode mit 4 be­ zeichnet. Im beschriebenen Fall haben Anode 2 und Kathode 4 einander gegenüberliegende, fluchtende Öffnungen 3 und 5, die zusammen eine Entladungsstrecke bilden. Der Gas­ entladungsschalter 1 enthält weiterhin ein Triggersystem 16, das im wesentlichen aus einer hutartig ausgebildeten Elektrode besteht, welche einen Glimmentladungsraum um­ schließt. Weiterhin ist ein Gasspeicher 18 in bekannter Weise vorhanden.

Bei einem solchen Gasentladungsschalter 1, wie er vom Stand der Technik bekannt ist, wird durch geeignete elek­ trische Ansteuerung in dem von der Triggereinrichtung 16 umschlossenen Raum eine Glimmentladung gezündet, von der Ladungsträger in den Entladungsraum zwischen den Elektro­ denöffnungen 3 und 5 injiziert werden können. Dadurch kann in geeigneter Weise die elektrische Entladung getriggert werden, wobei ein Strom großer Stromstärke fließt. Insge­ samt können mit einem derartigen Schalter große Spannungen und große Ströme mit großer Wiederholfrequenz geschaltet werden.

In Fig. 2 ist der Isolatorkörper 6 von einer außen ange­ brachten Hilfselektrode 8 umschlossen. Die Hilfselektrode 8 kann ein metallischer Hohlzylinder sein, der von außen auf die durch den Isolatorkörper 6 gebildete Schaltkammer aufgebracht ist. Die Hilfselektrode 8 ist insbesondere ein Metallring, der die Schaltkammer ringförmig umschließt. Die Hilfselektrode 8 kann auch aus einer auf den Isolator 6 aufgebrachten Metallfolie bestehen oder eine durch Auf­ dampfen oder ein anderes geeignetes Verfahren erzeugte leitfähige Beschichtung sein.

Alternativ dazu kann die Hilfselektrode 8 auch durch einen ringförmigen Magneten gebildet sein. Insbesondere bei ei­ ner solchen Ausbildung ist es vorteilhaft, daß die Hilfs­ elektrode nicht fest mit dem Isolator 6 der Schaltkammer verbunden ist und an diesem nicht anliegt. Dies ist bei­ spielsweise der Fall, wenn die gesamte Vorrichtung, in die der Gasentladungsschalter 1 eingebaut wird, bereits eine derartige Hilfselektrode enthält. Dabei können beispiels­ weise auch mehrere Hilfselektroden der beschriebenen Art verwendet werden. Ebenso kann eine metallische Hilfselek­ trode entlang ihrem Umfang gelocht, geschlitzt oder in Segmente unterteilt werden.

Zur Optimierung des gewünschten Effektes kann die Hilfs­ elektrode 8 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden. Das Potential der Hilfselektrode 8 kann durch ge­ eignete Mittel gesteuert werden, welche beispielsweise durch einen aus Widerständen 20 und 22 bestehenden Span­ nungsteiler oder durch ein Hochspannungsgerät gebildet sein können.

In Fig. 2 ist die Hilfselektrode 8 symmetrisch bezüglich der Mittelebene AA des Zwischenraumes zwischen den Elek­ troden 2 und 4 mit Abstand d positioniert. Dies bedeutet, daß jeweils eine Hälfte der Hilfselektrode 8 unterhalb und eine Hälfte oberhalb der Mittelebene AA liegt. Die Breite b der Hilfselektrode 8 wird vorteilhafterweise so gewählt, daß sie größer als der Abstand d der Elektroden 2 und 4 ist. Sie kann ein Mehrfaches von d, beispielsweise das Dreifache, betragen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform eines Gas­ entladungsschalters 1 wird eine Hilfselektrode durch einen Hohlzylinder 12 aus einem leitfähigen Material, beispiels­ weise Metall, gebildet, der selbst ein Teil des Gehäuses des Gasentladungsschalters 1 ist. In diesem Fall ist ein anodenseitiger Isolator 10 an seiner der Anode 2 abge­ wandten Seite mit dem Hohlzylinder 12 verbunden, der sei­ nerseits an einen kathodenseitigen Isolator 14 anschließt, wobei die drei Zylinder zusammen die gasdichte Schaltkam­ mer bilden. Hinsichtlich der Breite b des Hohlzylinders 12 und seiner Lage bezüglich der Mittelebene AA des Elektro­ denzwischenraumes gelten die gleichen Bedingungen wie in Fig. 2.

Die Innen- und Außendurchmesser der Isolatoren 10 und 14 sowie des Hohlzylinders 12 sind bei Fig. 3 jeweils gleich. Die Isolatoren 10 und 14 und der Hohlzylinder 12 können aber auch voneinander verschiedene Innen- und Außendurchmesser haben. Damit können unterschiedliche Ab­ stände a2 und a4 der Anode 2 und der Kathode 4 von der Innenwand der Isolatoren 10 bzw. 14 realisiert werden. Weiterhin kann bei dieser Ausführungsform die als Teil des Gehäuses aus geführte Hilfselektrode 12 von einer Hohl­ zylinderform abweichen.

In Fig. 4 wird eine Hilfselektrode 9 aus einer auf der Innenseite des Isolators 6 aufgedampften oder durch andere geeignete Verfahren aufgebrachten leitfähigen Schicht 9 gebildet. Hinsichtlich der Breite b der leitfähigen Schicht und ihrer Lage bezüglich der Mittelebene AA des Elektrodenzwischenraumes gelten die gleichen Bedingungen wie bei Fig. 2 und Fig. 3. Wesentlicher Vorteil der Hilfselektrode 9 gemäß Fig. 4 ist, daß durch die leit­ fähige Beschichtung des Isolators 6 an der Innenseite eine Belegung mit aus den Elektroden verdampften Material vorweggenommen wird. Dadurch treten während des späteren Schaltbetriebes keine weiteren Veränderungen der Span­ nungsfestigkeit durch Bedampfen des Isolators 6 ein.

Bei Fig. 4 braucht die Dicke der leitfähigen Schicht als Hilfselektrode 9 über ihre axiale Länge nicht konstant zu sein. Sie kann vielmehr zu den Enden des Isolators 6 hin zu- oder abnehmen. Weiterhin kann die Schicht selbst strukturiert sein.

In Fig. 5 ist die Wirkung speziell der Hilfselektrode 9 gemäß Fig. 4 dargestellt, die im wesentlichen gleich der Wirkung der Hilfselektroden 8 und 12 der Ausführungsbei­ spiele gemäß Fig. 2 und Fig. 3 ist. Es wird nunmehr er­ reicht, daß im gesamten kritischen Bereich die elektri­ schen Feldlinien überwiegend radial ausgerichtet sind. Dadurch steht in Feldrichtung nur der kurze Abstand a zur Ladungsträgervermehrung zur Verfügung, der aber, bedingt durch den niedrigen Gasdruck, nicht zu einer Zündung aus­ reicht. Damit ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik ein erheblicher Vorteil.

In allen Beispielen der in Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 beschriebenen Gasentladungsschalter werden aufgrund der gering gehaltenen Tangentialkomponente des elektrischen Feldes am Isolator 6 bzw. an den Isolatoren 10 und 14 unerwünschte Überschläge entlang der Isolatorinnenflächen vermieden. Damit wird die Spannungsfestigkeit der Gasent­ ladungsschalter erhöht.

Claims (13)

1. Gasentladungsschalter, bei dem wenigstens zwei im Abstand d voneinander angeordnete Hauptelektroden für eine Niederdruck-Gasentladung vorhanden sind, die in einer Schaltkammer mit Abstand zur Schaltkammerwand angeordnet sind und eine Kathode und eine Anode einer Entladungs­ strecke für die Niederdruck-Gasentladung bilden, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Ver­ besserung der Spannungsfestigkeit zwischen den Hauptelek­ troden das elektrische Feld im Elektrodenrandbereich zur Schaltkammerwand (6, 10, 14) durch wenigstens eine Hilfs­ elektrode (8, 9, 12) überwiegend radial ausgerichtet wird.

2. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (8) von außen auf die Schaltkammerwand (6) aufgebracht ist.

3. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (8) ringförmig ausgebildet ist und den Gasentladungsschalter (1) ringförmig umschließt.

4. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (12) Teil der Schaltkammerwand (10, 14) ist.

5. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (9) am inneren Umfang der Schaltkammerwand (6) an der Gehäusewandung angebracht ist.

6. Gasentladungsschalter nach Anspruch 2 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode eine Metallbedampfung an der Schaltkammer­ wand (6) ist.

7. Gasentladungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (8, 9, 12) symmetrisch zur Mittel­ ebene des Zwischenraums der Hauptelektroden (2, 4) posi­ tioniert ist.

8. Gasentladungsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe (b) der Hilfselektrode (8, 9, 12) etwa der dreifache Abstand (d) der beiden Hauptelektroden ist.

9. Gasentladungsschalter nach einem der Ansprüche 2, 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (8, 9, 12) mit ihrer wirksamen Fläche struk­ turiert, beispielsweise gelocht und/oder geschlitzt ist.

10. Gasentladungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode ein ringförmiger, an der Schaltkammer (8) montierbarer bzw. demontierbarer Magnet ist.

11. Gasentladungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfselektrode (8, 9, 12) geeignete Mittel (20, 22) zur Steuerung des elektrischen Potentials zugeordnet sind.

12. Gasentladungsschalter nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Steuerung des elektrischen Potentials ein Spannungs­ teiler (20, 22) vorhanden ist.

13. Gasentladungsschalter nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Steuerung des elektrischen Potentials ein Steuerung des elektrischen Potentials ein Hochspan­ nungsgerät vorhanden ist.