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Einrichtung zur periodischen Lichtbogenzündung mittels Hilfslichtbogens
bei Lichtbogenstromrichtern Zusatz zum Patent 715 o80 Gegenstand des Patents 715
080 ist ein Verfahren zur periodischen Lichtbogenzürndung mittels Hilfslichtbogens
.bei Lichtbogenstromrichtern (Marx-Stromrichtern), bei denen die Zündspannung des
Hilfslichtbogens vor dem Zündüberschlag steil ansteigt. Für die Überschlagszündung
des Hilfslichtbogens und zur Speisung während der Brenndauer des Hilfslichtbogens
bzw. für beide Vorgänge gemeinsam werden gemäß dem Hauptpatent periodisch auftretende
Einschaltvorgänge in Schwingungskreisen verwendet, die aus einer Stromquelle, einem
Ventil, insbesondere einem :gesteuerten Ventil, .der Primärwicklung des Zündtransformators
und einem zur Stromquelle parallel geschalteten Kondensator bestehen, wobei gegebenenfalls
zwischen Stromquelle und Primärwicklung des Zündtransformators ein Strombegrenzungswiderstand
und parallel zur Stromquelle in Reihe mit dem Kondensator ein weiterer Widerstand
eingeschaltet werden kann.
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Die Erfindung verbessert diesen Stromkreis in der Weise, daB in ihn
zusätzlich Drosselspulen oder Kondensatoren, oder beide gerneinsam eingeschaltet
sind.
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In der bisher bekannten Zündschaltung erfolgt die Entladung des Zündkreiskondensators
über einen Stromkreis, in dem zur Strombegrenzung Widerstände vorgesehen sind. Der
zeitliche Verlauf des Entladestromes,-der über den Zündtransformator geleitet wird
und in bekannter Weise die Zündung des Hauptlichtbogens im Lichtbogenstromrichter
bewirkt, wird also im wesentlichen nach einer Expon:en tialfunktion vor
sich
gehen. Der Exponentialkurve des Kondensatorstromes überlagert sich ein aus dem Netz
nachfließender Strom, der aber wegen der in diesem Kreis stets vorhandenen Induktivitäten
nur viel langsamer als der Entladestrom des Kondensators ansteigen kann.
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Dieser Stromverlauf ist aus verschiedenen Gründen nicht der für die
Zündung des Hauptlichtbogens günstigste.
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r. Der sehr steil ansteigende Entladestrom des Kondensators, der,
wie bereits erwähnt; auf der Oberspannungsseite des Zündtransformators den Zündspalt
des Lichtbogenstromrichters überbrückt, wird von der dort bestehenden Gasströmung
erfaßt und zur gegenüberliegenden Elektrode hinübergeblasen. Die Geschwindigkeit
des Gasstromes kann immer nur klein sein im Verhältnis zur Anstiegsgeschwindigkeit
des Entladestromes im Zündlichtbogen. Der Strom wird also schon auf einem mehr oder
weniger großen Bruchteil des Weges zur anderen Elektrode, stets aber vor Berühren
dieser seinen Höchstwert erreichen und dann wieder exponentiell abnehmen. Dieser
Umstand ist für die sichere Zündung des Hauptlichtbogens ungünstig. Erstens erfolgt
die Einleitung des Hauptlichtbogens um so sicherer, je größer die Stromstärke des
Zündlichtbogens in dem Augenblick ist, in dem er die andere Elektrode des Lichtbogenstromrichters
berührt; der Höchstwert des Stromes, also der Zustand der besten Zündfähigkeit,
liegt hier aber stets früher. Zweitens ist bekanntlich die zur Aufrechterhaltung
eines Lichtbogens nötige Spannung um so größer, je kleiner die Stromstärke des Lichtbogens
ist und je größer seine Länge.
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,Tun wird aber im vorliegenden Fall, wie schon ausgeführt, der Lichtbogen
beblasen, also von seinem Entstehungsort fortgetrieben und damit verlängert. Die
Lichtbogenspannung wird demnach einmal wegen der sinkenden Stromstärke des Zündlichtbogens,
ferner wegen seiner wachsenden Länge stark zunehmen. Hieraus entsteht die Gefahr,
daß der Zündlichtbogen überhaupt vor der sicheren Einleitung des Hauptlichtbogens
erlischt, weil ja die treibende Spannung des Zündkreiskondensators ebenfalls nach
einer Exponentialkurve abnimmt.
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Ein erheblicher Anteil der im Zündkreiskondensator aufgespeicherten
elektrischen Energie kann für den Zündvorgang selbst nicht ausgenutzt werden, da
er sich erst im langsam abklingenden Teil der exponentiellen Stromkurve entlädt,
wenn der Hauptlichtbogen schon gezündet ist.
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3. Der aus dem Netz nachfließende Strom steigt, wie schon erwähnt,
langsam an im Verhältnis zum Entladestrom des Zündkreiskondensators. Er wird daher
den Verlauf der ersten Spitze des Entladestromes nicht merklich beeinflussen können,
so daß die unter r. angeführten Nachteile dieses zeitlichen Verlaufs in vollem Umfange
bestehen bleiben. Der aus dem Netz nachfließende Strom verursacht aber einen für
den eigentlichen Zündvorgang nicht verwertbaren und daher schädlichen Energieaufwand.
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Ein weiterer Nachteil der Strombegrenzung mit Widerständen liegt darin,
daß erhebliche Energieverluste durch Stromwärme entstehen.
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Durch die Erfindung werden die geschilderten Nachteile vermieden und
weitere Vorteile dadurch gewonnen, daß der zeitliche Verlauf des Stromes im Zündlichtbogen
grundsätzlich anders gestaltet wird. Dies geschieht durch Einschalten einer Drosselspule,
deren Induktivität beim Stromdurchgang nicht abnimmt, in den aus Zündkreiskondensator,
Schaltvorrichtung (Ventil) und Primärwicklung des Zündtransformators gebildeten
Stromkreis, in dem zusätzliche Widerstände nicht mehr vorhanden zu sein brauchen.
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Damit bewirkt die Erfindung, daß in dem beschriebenen Stromkreis bei
Betätigung der Schaltvorrichtung eine elektrische Schwingung entstehen kann. Die
Schwingung ist wegen des Energieumsatzes im Zündlichtbogen gedämpft und- kann bei
der Eigenart des Schwingungskreises, in dem sich eine Schaltvorrichtung oder ein
Ventil befindet, nur so lange bestehen, als der Entladestrom in der Durchlaßrichtung
des Ventils fließt. Strom .und Spannung sind bei einer elektrischen Schwingung bekanntlich
um eine Viertelperiode phasenverschoben. Der Strom beginnt in der vorliegenden Zündschaltung,
wenn der Stromkreis geschlossen wird, von Null bei einem Höchstwert der Kondensatorspannung,
erreicht seinen Scheitelwert beim Nulldurchgang der Spannung und wird zu Null bei
einem negativen Höchstwert der Kondensatorspannung, da er jetzt seine Richtung ändern
müßte, was wegen des vorhandenen Ventils nicht möglich ist. Der zeitliche Verlauf
des Entladestromes folgt mit guter Annäherung dem Sinusgesetz. Die Frequenz der
Schwingung wird bestimmt durch die elektrischen Größen des Entladekreises und kann
auf einfache Weise durch deren gegenseitige Abstimmung auf den für die Einleitung
des Hauptlichtbogens günstigsten Wert gebracht werden. Dabei beträgt die Brenndauer
des Zündlichtbogens, wie bereits erörtert. eine halbe Periode der Schwingung.
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Mit dem durch die Erfindung erzielten annähernd sinusförmigen Verlauf
des Zündstromes werden die Bedingungen für eine sichere Zündung des I-Tauptlichtbogens
wesentlich verbessert.
Während der Zündlichtbogen vom Gasstrom aus
dem Zündspalt des Lichtbogenstromrichters zur gegenpoligen Elektrode hinübergeblasen
wird, nimmt seine Stromstärke fortwährend zu, so daß trotz vergrößerter Lichtbogenlänge
die Lichtbogenspannung klein bleibt oder sogar-noch abnimmt. Der Zündlichtbogen,
ist darum sehr widerstandsfähig gegen Erlöschen. Es läßt sich weiter durch geeignete
Bemessung des Schwingungskreises-ein solcher Stromverlauf erzwingen, daß der Strom
im Zündlichtbogen beim Berühren der gegenüberliegenden Elektrode seinen Höchstwert
noch nicht erreicht hat. Der Zündstrom wird also auch vom Augenblick der Berührung
an Stärke zunehmen und den Höchstwert angenähert gemäß dem Verlauf der Sinusfunktion
in ihrem Scheitelwert eine Zeitlang beibehalten. Damit wird ein sicheres Zünden
des Hauptlichtbogens bewirkt. Nach Einleitung des Hauptlichtbogens wird der Zündlichtbogen
wieder schnell zu Null, so daß die elektrische Energie im Zündkreiskondensator wirtschaftlich
ausgenutzt wird.
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Ändern sich die Betriebsverhältnisse einer Stromrichteranlage, z.
B. die Belastung, so wird es zweckmäßig sein, auch die Drosselspule, etwa durch
selbsttätig wirkende Vorrichtungen, mit zu verändern, um stets günstigste Zündbedingungen
beizubehalten.
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Das schnelle und. sichere Nullwerden des Zündstromes nach erfolgter
Zündung des Hauptlichtbogens schafft ferner, worauf noch hingewiesen werden soll,
günstige Voraussetzungen für die Anwendung besonderer Schaltmaßnahmen, die in bekannter
Weise eine selbsttätige -Beseitigung von Störungen im Gleich- oder Wechselrichterbetrieb:
bewirken. Hierbei wird die Zündung -durch Sperrung eines im Zündkreis vorhandenen
gesteuerten Ventils während einer Periode der Hauptspannung unterbrochen. Die Sperrung
kann aber nur wirksam werden,- wenn das Ventil keinen von der vorhergegangenen Zündung
herrührenden Reststrom mehr führt. Diese Bedingung ist mit dem durch die Erfindung
erzielbaren Stromverlauf vollkommen erfüllt, während der exponentielle Stromverlauf
-in der alten Schaltung wesentlich ungünstiger ist.
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Ist es in besonderen Fällen erforderlich, einen Zündstromverlauf zu
erzielen, bei dem der Strom schneller ansteigt, als der Sinusfunktion bei gegebener
Frequenz und gegebenem Scheitelwert entspricht, so kann dies gemäß einer vorteilhaften
Ausgestaltung der Einrichtung nach der Erfindung dadurch bewirkt werden, daß man
(die vorbeschriebene Drosselspule mit einem Kern aus ferromagnetischem Material
versieht, der so bemessen ist, da-ß die--Induktivität mit ansteigendem Strom noch
zunimmt. Man wird dabei zweckmäßig solche ferromagnetischenBaustoffe verwenden,
die eine geringe Anfangspermeabilität besitzen, diese aber bei zunehmender Magnetisierung
zunächst langsam, dann sehr schnell steigern. Die Induktivität einer mit einem solchen
Kern versehenen Spule wird dabei einen ähnlichen Verlauf nehmen. Der Zündstrom steigt
infolgedessen zuerst steil an, wird .dann langsamer und fällt nach Erreichen des
Scheitelwertes wieder schnell auf Null, nähert sich also mehr der Rechteckkurve.
Dies kann beispielsweise auch dadurch erreicht werden, daß man durch ententsprechende
Wahl der Schaltung die Induktivität mit ansteigendem Strom zunehmen läßt. Dies ist
durch eine veränderliche Vormagnetisierung des Eisenkerns, beispielsweise mit einer
phasenverschobenen Wechselspannung oder einer durch besondere Gleichrichterrohre
veränderlichen Gleichspannung, möglich.
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Wie schon erwähnt, dauert die Entladung des Zündkreiskondensators
an, bis seine Spannung einen negativen Höchstwert erreicht. Es wird damit während
der Entladung für die Zündung eine elektrische Energie frei gemacht, die dem gesamten
Spannungsgefälle zwischen dem positiven und negativen Höchstwert entspricht. Ist
dieser z. B: etwa 40% des positiven, so wird, wenn der positive Höchstwert U' Volt
war, das Spannungsgefälle z,¢ U' betragen. Die abgegebene elektrische Energie ist
bekanntlich 1/2 CU2, wobei im vorliegenden Fall für U der Wert 1,4
U' einzusetzen ist. Es ergibt sich: damit für die frei gewordene elektrische
Energie 112 CU'2 - z,42, rund CU'=.. Mit einer Einrichtung nach der Erfindung wird
also für den Zündvorgang eine beträchtlich höhere Energie nutzbar, als sie bei gegebener
Größe des Zündkreiskondensators seiner vor der Zündung vorhandenen Scheitelspannung
entspricht.
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Die Entladung des Zündkreiskondensator s auf ein negatives Potential
bringt noch weitere Vorteile. Für die Aufladung zur nächsten Zündung steht jetzt
nämlich eine längere Zeit zur Verfügung, als wenn das Potential des Kondensators
etwa nur Null gewesen wäre. Die Aufladung beginnt, z. B. bei Rufladung des Kondensators
aus einem Umspanner, schon in dem Augenblick, in dem die negative Halbwelle der
Ladespannung weniger negativ ist als das Potential des Kondensators. Hierbei ist
es gleichgültig, ob der Kondensator unmittelbar an der Wechselspannung liegt oder
ob er in bekannter Weise über ein Ventil aufgeladen wird. Für die Ladung des Kondensators
ist eine bestimmte Elektrizitätsmenge, also eine bestimmte -Anzahl
Amperesekunden
erforderlich. Der Ladestrom wird dabei um so geringer sein können, .je länger die
Aufladezeit ist. Diese Verlängerung wird, wie oben bereits ausgeführt, durch die
Erfindung bewirkt. Das damit verbundene Kleinerwerden des für die Auslegung der
Ladevorrichtung maßgebenden Effektivwertes des Ladestromes ermöglicht es, die Typenleistung
der Ladevorrichtung, z. B. des Umspanners, wesentlich herabzusetzen.
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Noch ein anderer Umstand begünstigt das Kleinerw erden des Effektivwertes
des Ladestromes. Bekanntlich ist der Leerlaufstrom eines Umspanners wegen der Sättigung
in der Regel verzerrt und eilt der Spannung um fast eine Viertelperiode nach, d.
h. er hat einen negativen Höchstwert beim l,TUlldurchgang der Spannung von negativen
zu positiven Werten. An dieser Stelle ist aber auch die Spannungsänderung am größten,
und ein Kondensator, dessen Aufladung, wie im vorliegenden Fall, schon bei negativen
Werten der Spannung beginnt, wird an dieser Stelle einen Höchstbetrag an kapazitivem,
also voreilendem und demLeerlaufstrom entgegengesetzten Strom aufnehmen. Durch den
Umspanner fließt daher nur die Differenz der beiden Ströme, wobei sich gerade die
den quadratischen Mittelwert (Effektivwert) des Stromes stark erhöhenden Spitzen
aufheben. Es kann hierbei zweckmäßig sein, durch zusätzliche, z. B. auf der Primärseite
des Umspanners vorgeschaltete Induktivitäten den Blindstromausgleich auf günstigste
Werte zu bringen. Man kann andererseits aber auch den von einer Zündanlage aufgenommenen
kapazitiven Blindstrom zur Verbesserung des Leistungsfaktors in sonst vorwiegend
induktiv belasteten Netzen ausnutzen.
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In dem Hauptpatent ist beschrieben, wie beim Ansprechen der Schaltvorrichtung
am Zündtransformator eine steil ansteigende Einschaltschwingung entsteht. Es wird
nun möglich sein, Steilheit und Höchstwert dieser Spannungsschwingung zu vergrößern,
wenn ihr eine im gleichen Zeitpunkt beginnende schnellere Schwingung überlagert
wird. Dies bewirkt die Erfindung dadurch, daß zu der im Entladungskreis vorgesehenen
Drosselspule und zur Primärwicklung des Zündtransformators oder auch zu Teilen dieser
Schaltungsteile ein Kondensator oder eine Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand
parallel gelegt wird. Die Frequenz und die Dämpfung der in diesem zusätzlichen Schwingungskreis
entstehenden Schwingung wird dabei zweckmäßig durch geeignete Bemessung der Schaltungsteile
auf den günstigsten Wert gebracht. Die auf diese Art erzielte -vergrößerte Steilheit
der Spannungsschwingung vermindert die zeitliche Streuung des Zündeinsatzes, während
die höhere Spannung die Zündsicherheit steigert.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren
Ausführungsbeispielen veranschaulicht.
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Den grundsätzlichen Aufbau der neuen Schaltung zeigt Abb. T. Parallel
zu dem Zündkreiskondensator i liegt eine Reihenschaltung von gesteuertem Ventil
e, Drosselspule 3 und Primärwicklung des Zündtransformators .f. Falls dies zur Einstellung
der Dämpfungsverhältnisse erforderlich erscheint, kann in diesen Kreis noch ein
Ohmschcr Widerstand 5 gelegt werden.
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Es sei angenommen, daß der Kondensator i eine bestimmte Spannung U'
besitzt. Wird nun das Ventil 2 geöffnet, so entlädt sich der Kondensator i über
den angeschlossenen Stromkreis wie beschrieben in Form einer gedämpften Schwingung
(Abb. 2). Der Strom erreicht seinen Höchstwert im Nulldurchgang der Kondensatorspannung
und wird zu Null, wenn bei der schwingenden Entladung die Kondensatorspannung ihren
negativen Scheitelwert erreicht hat. In Abb. 3 ist der Verlauf des Stromes im Zündlichtbogen
über den Weg vom Zündspalt A des Lichtbogenstromrichters bis zur gegenüberliegenden
Elektrode B aufgetragen. Dabei ist angenommen, daß die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases und die Frequenz des Schwingungskreises in der Weise abgeglichen sind,
daß der Strom beim Berühren der Elektrode B durch den Zündlichtbogen seinen Höchstwert
noch nicht erreicht hat. Der Strom im Zündlichtbogen nimmt also von diesem Augenblick
an noch zu und leitet den Hauptlichtbogen sicher ein. Die gleichfalls in Abb. 3
eingetragene Lichtbogenspannung uL nimmt nach der zum Durchbruch des Zündspaltes
erforderlichen Zündspitze ZSp bis auf einen geringen Wert ab, der trotz Längung
des Lichtbogens wegen der zunehinenden Stromstärke bestehen bleibt.
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Wird die Induktivität der Drosselspule 3 in der Weise vorn Strom abhängig
gemacht, daß sie mit dem Strom zunimmt, so wird sich der Verlauf des Zündstromes
mehr der Rechteckform annähern. Der zweckmäßig für die Induktivität in Abhängigkeit
vom Strom anzustrebende Verlauf ist in Abb. q., der daraus sich für den Zündstrom
-ergebende Verlauf in Abb.5 dargestellt.
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Aus Abb.2 geht hervor, daß der Zündkreiskondensator während der Brerudauer
des Zündlichtbogens von einem positiven Spannungswert U' auf einen negativen Wert
entladen wird, der hier zu 0,4 U' angenommen ist, sich aber durch Ändern der Dämpfung
des Schwingungskreises innerhalb gewisser
Grenzen verschieberi-läßt.
Das für die Zündung -wirksame Spannungsgefälle beträgt dabei 1,4 U', so da-ß -für
den Zündvorgang eine elektrische Energie % CU'2 #-,q@-= CU'2 frei wird, doppelt
so viel; als wenn der Kondensator nur auf Null entladen würde.
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Die Aufladung des Zündkreiskondensators in der neuen Schaltung ist
in Abb. 6 veranschaulicht. Das Liniendiagramm ist für eine Zündschaltung gezeichnet,
bei. der der Zündkreiskondensator in bekanntet Weise über ein Ventil 6 aufgeladen
wird, wie in Abb.. 6 a dargestellt. Der Beginn der Entladung sei nach dem Nulldurchgang
der Wechselspannung am Umspanner 7 -gewählt. Die Kondensatorspannung uc fällt bei
der Entladung, wie bereits beschrieben, vom positiven Potential Ä auf das negative
B und behält diesen Wert so lange bei, bis in C die Wechselspannung weniger negativ
als B wird und das Ventil 6 öffnen kann. Hier beginnt die Rufladung, die in D beendet
ist. Die Ladung dauert also wesentlich länger als eine Viertelperiode. Im Liniendiagramm
der Abb.6 ist neben dem Ladestrom ic noch der verzerrte Ma@gnetisierungsstrom i0
des Umspanners 7 dargestellt. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, sind die Ströme um
18o° phasenverschoben. Daher fließt während der Rufladung des Kondensators nur der
resultierende Strom i,., dessen Effektivwert bedeutend. kleiner ist als der Effektivwert
des Stromes, der fließen würde, wenn bei Entladung des Kondensators auf Null die
Rufladung erst in C
beginnen könnte, wo kein so wirksamer Blindstromausgleich
mehr möglich ist.
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Beim Ansprechen der im primären Zündkreis vorhandenen Schaltvorrichtung,
die, wie schonbeschrieben, meist als gesteuertes Ventil 2 ausgeführt ist, entsteht
an. der Primärwicklung I des Zündtransformators 4 eine Einschaltschwingung, die
durch die Sekundärwicklung II auf den für die Zündung jeweils erforderlichen Betrag
gebracht wird. Die Frequenz der Einschaltschwingung wird stark durch die Größe der
Kapazität i beeinflußt, für die bestimmte Werte nicht unterschritten werden können.
Damit liegt auch die Frequenz der Einschaltschwingung und bei bestimmtem Scheitelwert-auch
die Steilheit des Spannungsanstiegs innerhalb gewisser Grenzen fest. Erwünscht ist
aber eine möglichst große Steilheit, um bei wechselnder Durchbruchfeldstärke im
Zündspalt die zeitliche Streuung des Zündeinsatzes möglichst klein zu halten. Man
kann aber durch Einführen eines zweiten Schwingungskreises, wie in Abb.7 gezeigt,
der langsamen Einschaltschwingung eine schnellere überlagern und so die Steilheit
des Spannungsanstiegs wesentlich vergrößern. In Abb. 7 liegt parallel zur Primärwicklung
I dies Zündtransformators q. und zur Drosselspule 3 noch ein weiterer Kondensator
8, dessen Größe sich nach den gegebenen Verhältnissen richtet, der aber immer klein
gegenüber dem Kondensator i sein kann. In dem aus den vorhandenen Induktivitäten
und dem Kondensator 8 gebildeten Schwingungskreis können daher schnellere Schwingungen
entstehen, die sich der langsamen Grundschwingung, wie in Abb. 8 dargestellt, überlagern
und ihre Steilheit und ihren ersten Scheitelwert erhöhen. Zur besseren Abstimmung
kann es vorteilhaft sein, den Kondensator 8 nur zu.. einem Teil der Drosselspule
3 und der Primärwicklung I des Zündtransformators 4 parallel zu legen oder in Reihe
mit dem Kondensator 8 noch einen Widerstand 9 zu schalten.