EP0425736A1 - Triggerbare Schaltfunkenstrecke - Google Patents

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EP0425736A1 EP89250072A EP89250072A EP0425736A1 EP 0425736 A1 EP0425736 A1 EP 0425736A1 EP 89250072 A EP89250072 A EP 89250072A EP 89250072 A EP89250072 A EP 89250072A EP 0425736 A1 EP0425736 A1 EP 0425736A1
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main
main electrode
trigger electrode
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap

Definitions

  • the invention is in the field of electrical components and is to be used in the structural design of a triggerable switching spark gap, in which a galvanically triggerable electrode is arranged centrally within an electrode of the main discharge gap.
  • Such components are used, among other things. used as a controllable high voltage switch in ignitors.
  • the high-voltage switch transfers the energy stored in a capacitor quickly and with little loss to a load, for example to an ohmic resistor for converting electrical energy into thermal energy or to the primary winding of an ignition coil. This energy transfer must be low-loss and fast, i.e. in particular with high steepness of the current and voltage pulses.
  • a known triggerable switching spark gap essentially consists of a gas discharge space and a trigger electrode; the gas discharge space is delimited by a cylindrical insulator, for example a ceramic or glass tube, and by a first and a second main electrode, which are arranged at the ends of the insulator and are connected to the latter in a vacuum-tight manner.
  • the main electrodes each have a flat discharge surface, the two discharge surfaces are axially opposed.
  • a cylindrical trigger electrode is arranged inside the first main electrode and insulated from it; it is located in the center of a circular opening in the first main electrode.
  • the discharge surface of the trigger electrode is arranged flush with the discharge surface of the first main electrode, as is a cylindrical insulating body with which the trigger electrode is insulated from the first main electrode (brochure "EEV Spark Gaps" from EEV).
  • a high-frequency high-voltage pulse is applied to the trigger electrode during the operation of such a known switching spark gap, the ignition of the discharge gap between the two main electrodes is initiated via a pre-discharge.
  • the period from the ignition of the pre-discharge to the actual switching process is defined as the delay time or ignition delay time. In the case of switching spark gaps which have been customary to date, this is approximately 0.7 to 2 ⁇ s at a voltage of 2 kV to be switched and at an intrinsic breakdown voltage of approximately 3 kV.
  • the on-time of the main discharge path is approximately 0.2 ⁇ s.
  • the invention is based on the object of designing the switching spark gap so that it has a delay time of less than 0.5 microseconds. This should apply in particular under the boundary conditions of a voltage to be switched of approximately 2 kV and an intrinsic breakdown voltage of approximately 5 kV.
  • the distance between the discharge surfaces of the two main electrodes is greater by a factor of 1.1 to 2.3 than the width of the annular gap between the trigger electrode and the first main electrode, that the peripheral edge of the trigger electrode one Has a radius of curvature less than or equal to 0.1 mm and that the trigger electrode and the first main electrode are coated with a silver-containing activation compound.
  • an ignition delay time of approximately 0.01 to 0.5 microseconds and a switching time of approximately 0.01 microseconds are achieved.
  • the distance factor relating to the distance between the two main electrodes and the width of the annular gap is between 1.25 and 2.0, preferably between 1.4 and 1.7.
  • silver is used as the activation mass layer or a melted layer of a eutectic silver-aluminum compound with an aluminum content of about 10 to 40% by weight.
  • the main discharge gap of the new switching spark gap is formed by the first, disc-shaped main electrode 3 and the second, cup-shaped main electrode 2, which are each inserted in a vacuum-tight manner into one end of the tubular ceramic insulator 1. These three components form a discharge space 4 which is provided with a gas filling, in particular with a pure nitrogen filling.
  • the disk-shaped main electrode 3 is provided with an annular opening 5, in the center of which the trigger electrode 6 is arranged.
  • This consists of a cylindrical base part 7 and the actual rod-shaped electrode part 8 and is connected to the main electrode 3 in a vacuum-tight manner with the interposition of a tubular ceramic insulator 9.
  • the circumferential edge of the rod-shaped electrode part 8 is sharp, i.e. the radius of curvature is less than or equal to 0.1 mm. It is essential that the end face of the control electrode 8 is flush with the discharge surface of the main electrode 3.
  • the annular gap 10 which results between the control electrode 8 and the annular opening 5 forms the pre-discharge path.
  • the axial distance between the discharge areas of the two main electrodes electrodes 2 and 3 are designated by a, the width of the annular gap between the trigger electrode 6 and the annular opening 5 of the main electrode 3 by b.
  • the distance a is 1.1 mm ⁇ 0.15 mm
  • the gap width b is 0.7 mm ⁇ 0.15 mm.
  • the trigger electrode 6 and the disk-shaped main electrode 3 are coated with an activation compound 11, which in the present case is silver, at least in the area that is essential for the gas discharge.
  • the coating expediently covers the entire surface of the two electrodes.
  • the switching spark gap shown has a minimum operating voltage of 1.3 kV and an intrinsic breakdown voltage of approximately 5 kV; With an operating voltage of 2 kV and trigger pulse amplitudes of 2 to 4 kV, ignition delay times of 0.01 to 0.5 ⁇ s and switching times of about 10 ns were determined.

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Abstract

Die triggerbare Schaltfunkenstrecke besteht aus zwei gegeneinander isolierten Hauptelektroden und einer galvanisch ansteuerbaren Triggerelektrode, die im Zentrum einer kreisförmigen Öffnung der einen Hauptelektrode angeordnet ist. Gemäß der Erfindung ist der Abstand (a) der beiden Hauptelektroden (2,3) um den Faktor 1,1 bis 2,3, vorzugsweise um den Faktor 1,4 bis 1,7, größer als die Breite (b) des Ringspaltes (10) zwischen der Triggerelektrode (6) und der zugehörigen Hauptelektrode (3); weiterhin weist die umlaufende Kante der bündig mit der Entladungsfläche der zugehörigen Hauptelektrode angeordneten Triggerelektrode einen Krümmungsradius kleiner/gleich 0,1 mm auf und die Triggerelektrode (6) und die zugehörige Hauptelektrode (3) sind mit einer silberhaltigen Aktivierungsmasse (11) beschichtet. Durch die Kombination dieser Maßnahmen läßt sich die Verzögerungszeit der Schaltfunkenstrecke auf Werte kleiner/gleich 0,5 µs vermindern.

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauelemente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung einer triggerbaren Schaltfunkenstrecke anzuwenden, bei der eine galvanisch trigger­bare Elektrode zentrisch innerhalb einer Elektrode der Hauptent­ladungsstrecke angeordnet ist. Derartige Bauelemente werden u.a. als steuerbare Hochspannungsschalter in Zündgeräten verwendet. Dabei überträgt der Hochspannungsschalter die in einem Konden­sator gespeicherte Energie schnell und verlustarm auf eine Last, beispielsweise auf einen ohmschen Widerstand zur Umwand­lung elektrischer Energie in thermische Energie oder auf die Primärwicklung einer Zündspule. Diese Energieübertragung muß verlustarm und schnell, d.h. insbesondere mit hoher Steilheit der Strom- und Spannungsimpulse erfolgen.
  • Eine bekannte triggerbare Schaltfunkenstrecke besteht im wesent­lichen aus einem Gasentladungsraum und einer Triggerelektrode; dabei wird der Gasentladungsraum von einem zylindrischen Isola­tor, beispielsweise einem Keramik- oder Glasröhrchen, und von einer ersten und einer zweiten Hauptelektrode begrenzt, die an den Enden des Isolators angeordnet und mit diesem vakuumdicht verbunden sind. Die Hauptelektroden haben jeweils eine ebene Entladungsfläche, beide Entladungsflächen stehen sich axial gegenüber. Innerhalb der ersten Hauptelektrode und gegen diese isoliert ist eine zylindrische Triggerelektrode angeordnet; sie befindet sich dabei im Zentrum einer kreisförmigen Öffnung der ersten Hauptelektrode. Die Entladungsfläche der Triggerelektro­de ist bündig mit der Entladungsfläche der ersten Hauptelektro­de angeordnet, ebenso ein zylindrischer Isolierkörper, mit dem die Triggerelektrode gegen die erste Hauptelektrode isoliert ist (Prospekt "EEV Spark Gaps" der Fa. EEV).
  • Wird beim Betrieb einer solchen bekannten Schaltfunkenstrecke an die Triggerelektrode ein hochfrequenter Hochspannungsimpuls angelegt, so wird über eine Vorentladung die Zündung der Ent­ladungsstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden eingeleitet. Der Zeitraum vom Zünden der Vorentladung bis zum eigentlichen Schaltvorgang wird als Verzögerungszeit oder Zündverzugszeit definiert. Dieser beträgt bei bisher üblichen Schaltfunken­strecken etwa 0,7 bis 2 µs bei einer zu schaltenden Spannung von 2 kV und bei einer Eigendurchbruchsspannung von etwa 3 kV. Die Durchschaltzeit der Hauptentladungsstrecke beträgt etwa 0,2 µs.
  • Ausgehend von einer triggerbaren Schaltfunkenstrecke mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Er­findung die Aufgabe zugrunde, die Schaltfunkenstrecke so auszu­gestalten, daß sie eine Verzögerungszeit von weniger als 0,5 µs aufweist. Dies soll insbesondere unter den Randbedingungen einer zu schaltenden Spannung von etwa 2 kV und einer Eigendurchbruchs­spannung von etwa 5 kV gelten.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Abstand der Entladungsflächen der beiden Hauptelektro­den um den Faktor 1,1 bis 2,3 größer ist als die Breite des Ringspaltes zwischen der Triggerelektrode und der ersten Haupt­elektrode, daß die umlaufende Kante der Triggerelektrode einen Krümmungsradius kleiner/gleich 0,1 mm aufweist und daß die Triggerelektrode und die erste Hauptelektrode mit einer silber­haltigen Aktivierungsmasse beschichtet sind.
  • Bei einer derartigen Ausgestaltung der Schaltfunkenstrecke er­zielt man eine Zündverzugszeit von etwa 0,01 bis 0,5 µs und eine Durchschaltzeit von etwa 0,01 µs. Dies läßt sich insbeson­dere dann erzielen, wenn der Abstandsfaktor betreffend den Ab­stand der beiden Hauptelektroden zueinander und die Breite des Ringspaltes zwischen 1,25 und 2,0, am besten zwischen 1,4 und 1,7 liegt. Als Aktivierungsmasse kommt insbesondere eine Silber­ schicht oder eine aufgeschmolzene Schicht aus einer eutektischen Silber-Aluminium-Verbindung mit einem Aluminiumanteil von etwa 10 bis 40 Gew.% in Betracht.
  • Beim Betrieb der neuen Schaltfunkenstrecke ist darauf zu achten, daß die Polarität des Triggerimpulses entgegengesetzt zur Pola­rität der zu schaltenden Spannung ist. In diesem Fall treten in der Hauptentladungsstrecke im Zeitpunkt der Triggerung hohe Feldstärken auf, die zum schnellen Durchzünden der Hauptentla­dungsstrecke führen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der neuen Schaltfunkenstrecke ist in der Figur dargestellt.
  • Die Hauptentladungsstrecke der neuen Schaltfunkenstrecke wird von der ersten, scheibenförmig ausgebildeten Hauptelektrode 3 und der zweiten, napfförmig ausgebildeten Hauptelektrode 2 ge­bildet, die jeweils vakuumdicht in ein Ende des rohrförmigen Keramikisolator 1 eingesetzt sind. Diese drei Bauteile bilden einen Entladungsraum 4, der mit einer Gasfüllung versehen ist, insbesondere mit einer reinen Stickstoffüllung.
  • Die scheibenförmige Hauptelektrode 3 ist mit einer ringförmigen Öffnung 5 versehen, in deren Zentrum die Triggerelektrode 6 an­geordnet ist. Diese besteht aus einem zylindrischen Fußteil 7 und dem eigentlichen, stabförmigen Elektrodenteil 8 und ist unter Zwischenschaltung eines rohrförmigen Keramikisolators 9 vakuumdicht mit der Hauptelektrode 3 verbunden. Die umlaufende Kante des stabförmigen Elektrodenteiles 8 ist scharf ausgebil­det, d.h. der Krümmungsradius ist kleiner/gleich 0,1 mm. Dabei ist wesentlich, daß die Stirnfläche der Steuerelektrode 8 bündig mit der Entladungsfläche der Hauptelektrode 3 abschließt. Der zwischen der Steuerelektrode 8 und der ringförmigen Öffnung 5 sich ergebende Ringspalt 10 bildet die Vorentladungsstrecke.
  • Der axiale Abstand der Entladungsflächen der beiden Hauptelek­ troden 2 und 3 ist mit a bezeichnet, die Breite des Ringspaltes zwischen der Triggerelektrode 6 und der ringförmigen Öffnung 5 der Hauptelektrode 3 mit b. Der Abstand a beträgt im vorliegen­den Fall 1,1 mm ± 0,15 mm, die Spaltbreite b 0,7 mm ± 0,15 mm.
  • Weiterhin sind die Triggerelektrode 6 und die scheibenförmige Hauptelektrode 3 wenigstens in dem jeweils für die Gasentladung wesentlichen Bereich mit einer Aktivierungsmasse 11 beschichtet, bei der es sich im vorliegenden Fall um Silber handelt. Zweck­mäßig erfaßt die Beschichtung die gesamte Oberfläche der beiden Elektroden.
  • Die dargestellten Schaltfunkenstrecke weist eine minimale Be­triebsspannung von 1,3 kV und eine Eigendurchbruchsspannung von etwa 5 kV auf; bei einer Betriebsspannung von 2 kV und Trigger­pulsamplituden von 2 bis 4 kV wurden Zündverzugszeiten von 0,01 bis 0,5 µs und Durchschaltzeiten von etwa 10 ns ermittelt.

Claims (5)

1. Triggerbare Schaltfunkenstrecke,
bestehend aus einem Gasentladungsraum, der durch einen Isolator und eine erste sowie eine zweite Hauptelektrode mit jeweils ebener Entladungsfläche begrenzt ist,
und aus einer innerhalb der ersten Hauptelektrode angeordneten zylindrischen Triggerelektrode,
wobei die erste Hauptelektrode eine kreisförmige Öffnung auf­weist, in deren Zentrum die Triggerelektrode bündig mit der Entladungsfläche der ersten Hauptelektrode angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Entladungsflächen der beiden Hauptelektro­den (2,3) um dem Faktor 1,1 bis 2,3 größer ist als die Breite des Ringspaltes (10) zwischen der Triggerelektrode (6) und der ersten Hauptelektrode (3),
daß die umlaufende Kante der Triggerelektrode (6) einen Krümmungsradius kleiner/gleich 0,1 mm aufweist und daß die Triggerelektrode (6) und die erste Hauptelektrode (3) mit einer silberhaltigen Aktivierungsmasse (11) beschichtet sind.
2. Triggerbare Schaltfunkenstrecke nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstands­faktor zwischen 1,25 und 2,0, insbesondere zwischen 1,4 und 1,7 liegt.
3. Schaltfunkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand (a) zwischen den beiden Hauptelektroden (2,3) 1,1 mm ± 0,15 mm beträgt und daß der Ringspalt (10) zwischen der Triggerelektrode (6) und der ersten Hauptelektrode (3) eine Breite (b) von 0,7 mm ± 0,15 mm aufweist.
4. Triggerbare Schaltfunkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungsmasse (11) aus einer Silberschicht oder aus einer aufgeschmolzenen Schicht aus einer eutektischen Silber-Alumi­nium-Verbindung mit einem Aluminiumanteil von etwa 10 bis 40 Gew.% besteht.
5. Triggerbare Schaltfunkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum (4) mit einer reinen Stickstoffatmosphäre gefüllt ist.
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