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Einrichtung zur Initialsteuerung von Entladungsgefäßen durch Tauchzünder
Zu einer genauen und einwandfreien Steuerung von Entladungsgefäßen mit Hilfe von
in die Kathodenflüssigkeit eintauchenden Zündelektroden ist es .erforderlich, daß
der Zünderstrom in dem gewünschten Augenblick rasch auf die zur Bildung des Kathodenfleckes
erforderliche Höhe ansteigt. Andererseits darf Strom im wesentlichen nur in Richtung
von dem Zünder zur Kathode fließen, nicht aber umgekehrt. Schließlich soll der über
den Zünder fließende Strom meist nur so lange andauern, daß der Kathodenfleck mit
Sicherheit gebildet wird, um die Beanspruchung des Zünders möglichst herabzusetzen.
Aus diesen Überlegungen ergibt sich, daß für den Zünderstrom eine Kurve günstig
ist, die im Verlauf einer -Periode eine kurze steile Spitze aufweist, im übrigen
aber in der Nähe der Nullinie verläuft. Es ist eine Schaltung bekanntgeworden, die
die Möglichkeit bietet, sich mit verhältnismäßig einfachen Mitteln einer solchen
Zünderstromkurve zu nähern. Sie besteht darin, daß der Zünder über eine gesättigte
Drossel aus der Reihenschaltung einer Wechselspannungsquelle mit einer Gleichspannungsquelle
gespeist wird.
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Auf die Wirkungsweise der bekannten Schaltung, die die Grundlage der
vorliegenden Erfindung bildet, möge an Hand der Fig. i und 2 der Zeichnung näher
eingegangen werden. In Fig. i bedeutet i das zu steuernde Entladungsgefäß, in dessen
Kathode 3 der Zünder 2, der aus einem halbleitenden oder einem Widerstandswerkstoff
bestehen möge, eintaucht. In Reihe mit dem Zünder 2 ist die Drosselspule 4 geschaltet.
Als Stromquellen sind die
Wechselspannungsque11e5 und die Gleichspannungsquelle
6 vorgesehen, die beide in Reihe geschaltet sind, so daß sich ihre Ströme in der
Drossel und dem Zünderkreis überlagern.
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Um sich die Wirkungsweise der Anordnung klar zu machen, kann man in
erster Annäherung annehmen, daß der Wechselspannungsanteil der Gesamtspannung an
der Drossel und der Gleichspannungsanteil an dem ohmschen Widerstand des Kreises
liege. Der ohmsche Widerstand wird dabei im wesentlichen durch den Widerstand des
Zünders gebildet. In Fig.2 ist die Gesamtspannung U aufgetragen. Die Spannung an
der Drossel ergibt sich dann, wenn man die die Spannung U., darstellende Gerade
als Nullinie betrachtet. Der an der Drossel liegenden Wechselspannung entspricht
der Fluß 0, dessen Nullinie um den Betrag des Gleichflusses gehoben ist. Der Einfachheit
halber ist der Maßstab so gewählt, daß die Spannung Ug und der Gleichflußanteil
in dem Schaubild die gleiche Größe besitzen. Überträgt man nun die Flußwerte punktweise
auf die rechts dargestellte magnetische Charakteristik der Drossel 0 =
f (i),
so erhält man daraus unter Berücksichtigung der Zeitteilung die Kurve
für den Stromverlauf i = f (t).
Durch die einseitige Gleichstromvormagnetisierung
des Drosselkernes erzeugen die über den Sättigungsknick herausragenden Flußwerte
einseitige Stromspitzen, die von der Schärfe des Knickes und von der Neigung der
Magnetisierungskennlinie im Sättigungsbereich abhängen. Dieser einseitig verzerrte
Strom fließt durch den Zünder und ruft an diesem, solange die Zündung noch nicht
erfolgt ist, zunächst eine entsprechende Spannung hervor. Die Verhältnisse ändern
sich etwas, wenn die Zündung eingesetzt hat, da dann durch das Ansetzen eines Lichtbogens
an dem Zündstifthalter bzw. an einer besonderen, mit dem Zünder verbundenen Hilfsanode
der Widerstand des Zünders im wesentlichen zum Verschwinden kommt.
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Die nach der beschriebenen Methode herstellbaren Stromspitzen erweisen
sich jedoch. für viele, praktische Zwecke immer noch als zu breit und als nicht
steil genug ansteigend. Aus diesem Grund schlägt die Erfindung vor, der Spannung
der Wechselstromquelle einen zeitlichen Verlauf zu geben, dem ein spitzerer Flußverlauf
entspricht als einer sinusförmigen Spannung. Eine wesentliche Verbesserung wird
bereits erreicht, wenn der Fluß anstatt einer Sinuskurve einer Dreieckskurve folgt.
Ein dreieckförmiger Flußverlauf entspricht aber einem rechteckförmigen Verlauf der
Wechselspannung. Die sich hierbei ergebenden Verhältnisse sind in Fig. 3 dargestellt.
U ist die rechteckförmige Wechselspannung, der der gestrichelt eingezeichnete Flußverlauf
0 entspricht. Greift man wiederum die zu den verschiedenen Flußwerten gehörigen
Ströme aus der Magnetisierungskennlinie der Drossel ab, so erhält man die stark
ausgezogene Stromkurve i, die bereits eine wesentlich spitzere 'Form zeigt als die
Stromkurve in Fig. 2. Einen noch spitzeren Stromverlauf, wie er durch die Kurve
i' dargestellt ist, erhält*man, wenn man für den Fluß den auf der rechten Seite
des Diagramms durch die Kurve 0' dargestellten Verlauf erzwingt. Hierzu gehört eine
Wechselspannung U', die nach einer Doppelspitzenkurve verläuft.
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Für die praktische Herstellung der Rechteck-bzw. Doppelspitzenkurve
für die Wechselspannung bedient man sich zweckmäßig einer Kombination von gesättigten
und mit Spannungen verschiedener Phasenlage gespeisten Transformatoren. Eine solche
Transformatoranordnung, auf deren Wirkungs.weise hier im einzelnen nicht näher eingegangen
werden soll, zeigt schematisch Fig. q,. Es sind hier insgesamt sechs Kerne vorgesehen,
deren Primärwicklungen so aus den drei Phasen R, S, T eines Drehstromnetzes gespeist
werden, daß in der Sekundärwicklung des einzelnen Kernes eine Spannung induziert
wird, wie sie in Fig. 5 wiedergegeben ist. Dabei sind die Sekundärspannungen der
einzelnen Kerne je um 30° gegeneinander verschoben. Durch Zusammensetzen mehrerer
solcher sekundären Teilspannungen lassen sich die gewünschten Kurvenformen unschwer
erzielen. So erhält man beispielsweise zwischen den Punkten a und b eine Rechteckspannung,
während zwischen den Punkten c und d eine Doppelspitzenspannung entsteht.
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In Fig. 6 ist das bei einem praktischen Versuch aufgenommene Oszillogramm
einer solchen Doppelspitzenspannung wiedergegeben. Fig.7 zeigt den sich bei Verwendung
der Doppelspitzenspannung nach Fig.6 ergebenden Stromverlauf, und zwar für zwei
verschiedene Zündwiderstände, wobei jede Kurve über einer besonderen Nullirnie 0
bzw. 0' aufgetragen ist. Beachtet werden - muß noch der Einfluß, den die Hysterese
des Drosselkernes hervorruft. Dadurch entstehen nämlich, wie das in Fig: 7 auch
zu erkennen ist, zwischen den Zündstromspitzen noch Stromimpulse, die hier Rückströme
darstellen, unter Umständen aber auch in Vorwärtsrichtung auftreten können. Man
kann diese manchmal störenden Impulse dadurch weitgehend unterdrücken, daß man die
Spitzen der Doppelspitzenspannung verschieden hoch macht. Diese Maßnahme wurde bei
der Herstellung des Oszillo;gramms nach Fig.7 bereits angewendet, und zwar war die
Spannungssitze, die die positive Stromspitze zur Folge hat, etwa im Verhältnis q:
: 3 größer als die folgende Spannungsspitze.
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Bis jetzt wurde angenommen, daß der gesamte Wechselspannungsanteil
an der Drossel liegt. Das wäre natürlich nur dann der Fall, wenn der Stromkreis
widerstandslos wäre. Da letzteres jedoch nie erfüllt ist, so ergeben sich in Wirklichkeit
etwas andere Flußverhältnisse. In Fig. 8 sind Spannung, Strom und Fluß unter Berücksichtigung
des endlichen Zünderwiderstandes noch einmal für den Fall aufgetragen, daß die Spannung
der Wechselspannungsquelle rechteckförmigen Verlauf hat. Zu Beginn jeder positiven
Halbwelle liegt die gesamte Spannung an der Drossel. Ein Strom beginnt praktisch
erst in dem Augenblick zu fließen, in welchem der Knickpunkt der Magnetisierungskennlinie
überschritten ist. In dem gleichen Augenblick
tritt aber auch ein
entsprechender Spannungsabfall UZ an dem Zünderwiderstand auf, so daß die an der
Drossel verbleibende Spannung Ud wesentlich herabgesetzt wird. Infolgedessen verläuft
jetzt auch der Fluß wesentlich flacher als vorher, so daß sich für den Fluß an Stelle
der reinen Dreieckkurve eine solche mit schräg abgeschnittenen Spitzen ergibt. Der
Zeitpunkt nach dem Beginn der positiven Halbwelle, in welchem der Knickpunkt der
Magnetisierungskennlinie erreicht wird, läßt sich durch Verändern des Gleichflußanteiles
beeinflussen. Damit stellt aber die Regelung des Gleichflußanteiles gleichzeitig
ein Mittel dar, um die vordere Flanke der Stromkurve, die ja allein für den Zündzeitpunkt
maßgebend ist, verschieben zu können, und zwar theoretisch um 36o°. Die hintere
Stromflanke behält dagegen ihre Phasenlage unverändert bei, was sich aus der jeweiligen
Integration der Drosselspannung ergibt.
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Die Fig. 9 und io zeigen diese Verhältnisse noch einmal an Hand aufgenommener
Oszillogramme. In Fig. 9 ist die Spannung UD an der Drossel und der Strom i dargestellt.
Man erkennt deutlich das verzögerte Einsetzen des Stromes, dem ein gleichzeitiges
Zusammenbrechen der Drosselspannung auf einen verhältnismäßig kleinen Wert entspricht.
In Fig. io ist der Stromverlauf für drei verschiedene Beträge des Gleichflußanteiles
dargestellt. Vergleicht man den Stromverlauf i3 mit dem Verlauf i1, so sieht man,
daß der Zündzeitpunkt insgesamt um i36° im Sinne der Voreilung verschoben wurde.
Die Verstellung des Zündzeitpunktes kann also bei Verwendung einer Rechteckspannung
und sinngemäß, wenn auch in etwas beschränkterem Maße, auch bei Verwendung einer
Sinusspannung lediglich durch Veränderung der Gleichspannung erzielt werden. Mit
welchen Mitteln die Regelung der Gleichspannung im einzelnen erfolgt, ist dabei
gleichgültig. Ein gewisser Nachteil der beschriebenen Regelung ist der, das die
Zünderstromkurve bei weit vorgeschobenem Zündzeitpunkt verhältnismäßig breit wird.
Diese Tatsache kann man jedoch dadurch unschädlich machen, das man parallel zu dem
Zünder eine Hilfsanode vorsieht, über die der Strom nach erfolgter Zündung weiterfließt,
so das der Zünder nicht überlastet werden kann.
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Zu der Gleichspannungsquelle wird man, wie das bereits in Fig. i punktiert
angedeutet ist, noch einen Kondensator 7 parallel schalten. Zur Unterdrückung etwa
auftretender Rückströme ist es jedoch zweckmäßig, mit dem Kondensator 7 ein Ventil
8 in Reihe zu schalten. Als Gleichstromquelle benutzt man aus dem gleichen Grund
vorteilhaft einen Gleichrichter. Zur Unterdrückung von Rückwärtsströmen kann man
aber auch, wie in Fig. i i angedeutet, so vorgehen, das man die Drosselspule d.
mit einer besonderen Vormagnetisierungswicklung 9 versieht und diese so aus der
Gleichstromquelle speist, das die von ihr herrührende Erregung der Drossel der einseitigen
Magnetisierung durch den Hauptstrom entgegenwirkt. Es muß dann zur Erzielung der
ursprünglichen Stromspitzen ein höherer Gleichstromanteil im Hauptstromkreis vorhanden
sein, was auf eine Hebung der gesamten Stromkurve hinausläuft. Man kann damit die
Stromkurve so weit heben, daß keine negativen Teile mehr übrig bleiben.
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Fig. 12 zeigt eine Anordnung, die vorteilhaft ist, sofern in einem
Gefäß mehrere Zünder angeordnet sind. Das Entladungsgefäß i enthält hier drei Zünder
2, 2' und 2". Diese einzelnen Zünder sind magnetisch miteinander gekoppelt, und
zwar mit Hilfe einer Drosselspule mit den drei Wicklungen q., 4 und q.", von denen
jede einem Zünder vorgeschaltet ist. Die Schaltung wirkt wie folgt: Sobald einer
der Zünder anspricht, steigt infolge Ansetzens des Lichtbogens an dem Zündstifthalter
der Strom in der betreffenden Drosselwicklung stark an. Wegen der notwendigen Erhaltung
des Amperewindungsgleichgewichtes müssen die Ströme in den anderen Drosselwicklungen
entsprechend zurückgehen, so daß auf diese Weise die Beanspruchung der nicht an
dem Zündvorgang beteiligten Zünder verringert wird.
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Sollen die Zünder von parallel geschalteten Entladungsgefäßen über
ein und dieselbe Drossel gespeist werden, so würde sich die soeben beschriebene
Erscheinung, die beim Vorhandensein mehrerer Zünder in einem gemeinsamen Gefäß sehr
vorteilhaft ist, störend bemerkbar machen, da sie ein gleichzeitiges Zünden aller
parallel geschalteten Gefäße verhindert. In diesem Fall kann man, wie Fig. 13 zeigt,
die Zünder 2 und 2' der parallel geschalteten Gefäße i und i' über einen besonderen
Kopplungstransformator i i miteinander koppeln. Der Kopplungstransformator ist normalerweise
unerregt; spricht jedoch ein Zünder an, so wird durch den hierdurch entstehenden
Stromstoß in der anderen Wicklung des Kopplungstransformators ein Spannungsstromstoß
erzeugt, der das Absinken des Stromes in der Zuleitung zu dem zweiten Zünder verhindert
und somit die Gleichzeitigkeit der Zündung auch bei verschiedenen Ansprechstromstärken
der Zünder gewährleistet.