JP2016532260A - スパークギャップ装置 - Google Patents

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Abstract

トリガー可能なスパークギャップ(TF)とトリガー回路(TRG)とを備えるスパークギャップ装置(FSA)が提供される。 このスパークギャップ装置(FSA)は、さらに、第1および第2の電荷貯蔵器(C1,C2)と、電圧リミッタ部品(SBK)と、トリガーダイオード(DI)と、トリガー可能な避雷素子(TH)と、トランス(TR)と、を備える。この電圧リミッタ部品(SBK)およびこのトリガーダイオード(DI)は、入力インパルスを所定の電圧範囲で導通させ、上記の第1の電荷貯蔵器(C1)を充電するように設定されている。さらにこのトリガー回路(TRG)は、トリガー可能な避雷器(TH)が、第1の電荷貯蔵器(C1)にかかる電圧に依存して導通して、第2の電荷貯蔵器(C2)をトランス(TR)の一次側(T1)を介して放電するように構成されている。【選択図】 図1

Description

本発明は、トリガー可能なスパークギャップ(Funkenstrecke)を有するスパークギャップ装置に関する。
従来のトリガー可能なスパークギャップは、通常少なくとも3つの電極を備えている。たとえばこれらの電極は、ガス充填された1つの空間に配設され、ここで適切な電圧が電極の1つに、好ましくは1つのトリガー電極に印加することによって、これらの電極の間のスパークギャップが点火される。この際たとえばガス充填された空間においてイオン化されたギャップが生成され、このイオン化されたギャップを介してこれらの電極の間に電流が流れる。
このようなトリガー可能なスパークギャップは、たとえば、電子部品、具体的には直流で駆動される電子部品を、過電圧から保護するような、サージ電圧避雷器の構成部品であってよい。この目的のため、このトリガー可能なスパークギャップは、それぞれの電子部品の1つの動作電圧に接続されていてよい。たとえば突然の電圧上昇に際して、このトリガー可能なスパークギャップは、印加される動作電圧を短絡することができる。さらにこのトリガー可能なスパークギャップは、好適に1つのヒューズ(Sicherung)と接続されており、このトリガー可能なスパークギャップの電極間を電流が流れると直に、すなわちこのトリガー可能なスパークギャップが点火または動作開始すると、このヒューズが動作し、これらの電子部品の電流回路が遮断される。
本発明が解決すべき課題は、上記のトリガー可能なスパークギャップが1つの所定の電圧範囲において点火するスパークギャップ装置を提示することである。
この課題は請求項1の特徴を有するスパークギャップにより解決される。有利な構成および派生例は従属請求項に示されている。
本発明が提案するスパークギャップ装置は、1つのトリガー可能なスパークギャップと,1つの第1の電荷貯蔵器および1つの第2の電荷貯蔵器,1つの電圧リミッタ部品,1つのトリガーダイオード,1つのトリガー可能な避雷素子,および1つのトランスを備える1つのトリガー回路とを備える。この電圧リミッタ部品は、たとえば1つ以上の半導体ダイオードを備えてよい。この電圧リミッタ部品およびこのトリガーダイオードは、入力インパルスを所定の電圧範囲で導通させ、上記の第1の電荷貯蔵器を充電するように設定されている。
この入力インパルスは、望ましくない電圧インパルス、具体的には他の回路接続された電子部品に対し損傷を与える電圧インパルスであり得る。この電圧インパルスは、たとえば回路の部品の誤動作または破損によってもたらされる。
このトリガー可能なスパークギャップは、トリガー可能な避雷素子が、上記の第1の電荷貯蔵器にかかる電圧に依存して導通して、上記の第2の電荷貯蔵器を上記のトランスの一次側を介して放電する。このトランスの2次側は、このトリガー可能なスパークギャップと接続されている。このトリガー可能なスパークギャップの利点は、たとえば電気的に制御された、電圧に弱いデバイスまたは部品を備えた電圧変換器または電圧コンバータで、過電圧保護として機能することができるということである。上記のトリガー回路は、このスパークギャップ装置と協働して所定の条件を満足する電圧許容誤差を達成するために設けられており、これは1つのトリガー可能なスパークギャップのみでは達成することができないものである。
1つの好ましい実施形態においては、上記の所定の電圧範囲は、420V〜480Vである。この実施形態により、まさに上述の電圧範囲において電圧リミッタ部品によって入力インパルスが通電されるということが好適に達成される。これはトリガー可能なスパークギャップが動作開始あるいは点火することを可能とする。好適には、上記の所定の電圧範囲は、上記の電気部品の最大電圧よりも小さく、これらの部品が過電圧に対して保護されることになる。
1つの好ましい実施形態においては、上記のトリガー回路に動作電圧として1つの直流電圧が印加されている。
1つの好ましい実施形態においては、上記のトリガー回路に380V〜420Vの動作電圧が印加されている。この実施形態により、本発明によるスパークギャップ装置は、たとえばこの動作電圧で駆動される、電子制御された電圧変換器におけるアプリケーションに適合することができる。
1つの好ましい実施形態においては、上記の電圧リミッタ部品が入力インパルスを通電する電圧は、上記のトリガー回路の動作温度に依存する。この依存性は、たとえば上記の電圧リミッタ部品の特性電圧の熱的ドリフト特性からもたらされ得る。
1つの好ましい実施形態においては、上記の電圧リミッタ部品は、複数のツェナーダイオードを備える。この実施形態によって、上記の所定の電圧範囲に適合する電圧リミッタ部品をとりわけ好適に提供することができる。これらのツェナーダイオードは、好ましくは上記のトリガー回路において直列に接続されており、上記の駆動電圧はこれらのツェナーダイオードに渡って均等に降下するようになっている。これらのツェナーダイオードまたはこれらのダイオードの数は、上記の入力インパルスが上記の所定の電圧範囲においてこれらのツェナーダイオードによって通電されるような程度とすることができ、すなわち調整することができる。これらのツェナーダイオードの総数またはこれらのツェナーダイオード自体は、好ましくは、上記の電圧リミッタ部品が上記の入力インパルスが、この入力インパルスの電圧が上記の所定の電圧範囲にある場合のみ通電されるように調整され、またはこのようにスケーリングされている。
上記のトリガー回路は、代替として上記のツェナーダイオード(複数)と直列に接続された1つの直列抵抗を備えてよく、これはこれらのツェナーダイオードによって降下する電圧を、この直列抵抗により降下する分の電圧だけ上記の駆動電圧に対して抑えるためである。
1つの好ましい実施形態においては、上記の電圧リミッタ部品は、上記のツェナーダイオードの降伏電圧(複数)の許容範囲、またはこれらの降伏電圧自体を所定の電圧範囲に規定するように設定されている。これらのツェナーダイオードの降伏電圧あるいはツェナー電圧は、温度依存であってよい。これらのツェナーダイオードの降伏電圧の許容範囲は、好ましくは温度で決まる許容範囲である。
1つの好ましい実施形態においては、上記の電圧リミッタ部品は、それぞれ33ボルトの降伏電圧を有する13個のツェナーダイオードを備える。この構成により、この電圧リミッタ部品が上記の所定の電圧範囲の限界値内で上記の入力インパルスを通電するように、この降伏電圧の温度ドリフトを所定の電圧に規定することを可能とすることができ、有利である。さらにこの電圧リミッタ部品の通電電圧はたとえば約420ボルトまたは他の電圧に設定することができる。
これらのツェナーダイオードの降伏電圧の正の温度係数によって、この降伏電圧が1つの電圧範囲に渡って温度によって決まり、特に上記の所定の電圧範囲にあるかまたは分布しており、これよりこの所定の電圧範囲において上記の入力インパルスの通電が上記の電圧リミッタ部品によって行われることが好適に達成される。
1つの好ましい実施形態においては、上記のツェナーダイオード(複数)の降伏電圧(複数)の和が、上記の所定の電圧範囲の下限値を規定する。
1つの好ましい実施形態においては、上記のトリガー回路の動作の際の降伏電圧の最大温度ドリフトが、上記の所定の電圧範囲の上限値を規定する。具体的には、この際上記の所定の電圧範囲の上限値は、上記のトリガー回路の動作の際の上記のツェナーダイオード(複数)の最大通電電圧によって規定され得る。
1つの好ましい実施形態においては、上記のトリガー可能な避雷素子は1つのサイリスタを備え、ここで上記のトリガーダイオードは、上記の電圧リミッタ部品に対し直列に接続され、かつこのサイリスタを上記の第1の電荷貯蔵器にかかる電圧に依存して導通するように接続する。もしこの第1の電荷貯蔵器の電圧が上記の導通電圧に達すると、このトリガーダイオードは導通状態に変更され、このサイリスタの制御電極に制御電流が与えられ、このサイリスタは点火すなわち導通するようにスイッチングされる。この際このサイリスタは第2の電荷貯蔵器によって、トランスの一次側を介して放電を起こすようにスイッチングされる。
1つの好ましい実施形態においては、上記のトリガー回路は、1つの第1の抵抗を備え、ここでこの第1の抵抗は、上記の第2の電荷貯蔵器がこのトリガー回路の動作中に280ボルト〜320ボルトの電圧、好ましくは300ボルトの電圧に充電されるように構成されている。
1つの好ましい実施形態においては、上記のトリガー回路は、1つの第2の抵抗を備え、ここでこのトリガー回路は、上記の第1の電荷貯蔵器を、この第2の抵抗を介して、上記の入力インパルスによって充電するように構成されている。この第1の電荷貯蔵器は、コンデンサ、具体的には、上記のサイリスタの望ましくない通電を抑止するためのデカップリングコンデンサであってよい。
1つの好ましい実施形態においては、上記のトリガー回路はもう1つの電圧リミッタ部品を備え、この電圧リミッタ部品は、上記のトランスの一次側への電圧を1つの所定値に制限するように構成されている。この制限とは、好ましくはこのトランスの一次側の過電圧保護のことである。この所定値は、このトランスの一次側の所定の最大電圧であってよい。
1つの好ましい実施形態においては、上記のトリガー回路は、1つの第3の抵抗を備え、ここでこのトリガー回路は、上記の第1の抵抗およびこの第3の抵抗が、このトリガー回路および/または上記のトランスの動作電圧または一次側電圧に対する電圧分割器を形成するように構成されている。この第1の抵抗および第3の抵抗の抵抗値によって、すなわちこの電圧分割器のスケーリングによって、上記の第2の電荷貯蔵器が上記のトリガー回路の動作中に充電される電圧が有利に決定される。
1つの好ましい実施形態においては、本発明によるスパークギャップ装置は、上記のトリガー可能なスパークギャップと接続された1つのヒューズを備え、ここでこのヒューズは1つの電子部品を上記の動作電圧から切り離すように構成されている。 この電子部品は、本発明によるスパークギャップ装置によって過電圧に対して保護されるべき電子デバイスであってよい。
1つの好ましい実施形態においては、上記のトリガー回路は、1つのハウジング内に上記のトリガー可能なスパークギャップと共に組み込まれている。
1つの好ましい実施形態においては、このトリガー可能なスパークギャップは、ガス放電スパークギャップまたはガス充填された電気的なサージ電圧避雷器である。
本発明のもう1つの態様は、本発明によるスパークギャップ装置を有する電子デバイスに関する。 この電子デバイスは、上記の電子部品を備え、ここでこの電子デバイスは、この電子部品に動作電圧を印加するように構成されている。この実施形態により、本発明によるスパークギャップ装置は、この電子部品がこのスパークギャップ装置によって、この電子部品を損傷しかねない過電圧から保護され得るように、この電子部品の動作電圧に調整することができ有利である。
1つの好ましい実施形態においては、上記の電子部品は、500ボルトの最大電圧を有する1つのスーパーキャパシタである。このスーパーキャパシタは、動作電圧の安定化、たとえば電圧変換器(複数)におけるスパークギャップ装置のアプリケーション対して使用することができる。
この電子部品の1つの好ましい実施形態においては、この電子部品は、1つの、好ましくは電子制御された、直流電圧変換器である。
本発明のさらなる利点,有利な実施形態,および有用性が、以下に説明する、図に関連した実施例で示される。
1つのトリガー回路を有する1つのスパークギャップ装置の最小限の部品を概略的に示す。
スパークギャップ装置FSAは、1つのトリガー回路TRGおよび1つのトリガー可能なスパークギャップTFを備える。このトリガー可能なスパークギャップは、たとえばガス放電スパークギャップすなわちガス充填された電気式サージ電圧避雷器である。トリガー回路TRGは、このトリガー可能なスパークギャップTFと接続されている。このトリガー可能なスパークギャップは、好ましくはさらに1つのヒューズ(不図示)と接続されており、このヒューズは、このトリガー可能なスパークギャップが動作開始され、あるいは点火されると直ぐに応答するように構成されている。このヒューズは、好ましくは、このトリガー回路に回路接続され得る、過電圧に対して保護されるべき電子部品を動作電圧から分離するために設けられている。
トリガー回路TRGは1つのトランスTRを備える。 このトランスTRは、高圧トランスであってよい。このトランスの一次巻き線T1は、二次巻き線T2より小さく示されているが、これは好ましくはこのトランスTRによってこのトランスTRの一次側T1と二次側T2との間の電圧変換がこのトランスTRによって行われることを示すためである。
トリガー回路TRGは、図1に示すように、ツェナーダイオード(複数)、好ましくは13個のツェナーダイオードの直列回路を備える。これらのツェナーダイオードは、好ましくはそれぞれ33Vの降伏電圧すなわちツェナー電圧を有する。このようにして、電圧リミッタ部品SBKは、この電圧リミッタ部品SBKのツェナーダイオード(複数)の降伏電圧の許容値が所定の電圧範囲に規定されるように設定されている。
これらのツェナーダイオードの降伏電圧は、温度依存であってよい。これらのツェナーダイオードの降伏電圧は、雪崩降伏によって引き起こされ得る。これに対応して、これらのツェナーダイオードの降伏電圧の温度係数は、正であり得る。これらのツェナーダイオードの降伏電圧の許容範囲は、好ましくは温度で決まる許容範囲である。
さらにこれらのツェナーダイオードと直列に、1つの直列抵抗R1が接続されている。図1に示すツェナーダイオード(複数)は、スパークギャップ装置FSAの電圧リミッタ部品SBKを例示的に表すものである。この抵抗R1のスケーリングにより、たとえばこの電圧リミッタ部品SBKによる電圧降下を調整することができる。
さらにトリガー回路TRGは、1つのトリガーダイオードすなわち1つのダイアックDIを備える。このトリガーダイオードDIは、電圧リミッタ部品SBKと直列に接続されている。
さらにトリガー回路TRGは、1つの第1の抵抗R3および1つの第2の抵抗R2を備える。
この第1の抵抗R3は、たとえば6.8MΩの抵抗値を有する。さらにこのトリガー回路TRGは、1つの第1の電荷貯蔵器C1を備える。さらにこのトリガー回路TRGは、1つの第2の電荷貯蔵器C2を備える。第2の電荷貯蔵器C2は、1つの端子で上記の抵抗R3およびR4と接続されており、1つの第2の端子でトランスTRの一次巻線T1と接続されている。この第2の電荷貯蔵器の静電容量は、47μFであってよい。
第2の抵抗R2は、1つの第1の電荷貯蔵器C1と直列に接続されている。この第2の抵抗R2および第1の電荷貯蔵器C1は、上記の抵抗R1と並列に接続されている。さらにこの第2の抵抗R2を介して、この第1の電荷貯蔵器C1が充電される。
さらに電圧リミッタ部品SBKおよびトリガーダイオードDIは、たとえば過電圧で引き起こされる、所定の電圧範囲の入力インパルスを導通させ、かつ第2の抵抗R2を介して第1の電荷貯蔵器C1を充電するように構成あるいは設定されている。
このような過電圧による入力インパルスは、たとえば回路の部品またはアプリケーションの故障または破損の原因となり得るが、このようなものにスパークギャップ装置FSAが使用される。このスパークギャップ装置FSAは、たとえば上述の直流電圧変換器に使用することができる。上記のような部品は、たとえば上述の直流電圧変換器の出力トランジスタであってよい。
さらに上記のトリガー回路は、第3の抵抗R4を備え、この第3の抵抗は第1の抵抗R3と共に、印加される動作電圧の電圧分割器を形成する。第2の電荷貯蔵器C2はこの第3の抵抗R4に対し並列に接続されている。
この第3の抵抗R4は、たとえば20MΩの抵抗値を有する。上記の電圧分割器すなわち第1の抵抗R3および第3の抵抗R4のスケーリングによって、第2の電荷貯蔵器C2がトリガー回路TRGの動作中に充電される電圧が決定される。このトリガー回路TRGは、好ましくは1つの直流電圧動作に対して設定されている。好ましくは380ボルト〜420ボルトの動作電圧、好ましくは400ボルトがこのトリガー回路TRGに印加される。
さらにこのトリガー回路TRGは1つのサイリスタTHを備える。動作中は、第2の電荷貯蔵器C2には、好ましくは、このサイリスタTHを介した短絡の際に高圧トランスTRでの充分な電圧インパルスを生成するのに十分な電荷量あるいは電圧が残ったままとなっている。
さらにこのトリガー回路TRGは、もう1つの電圧リミッタ部品を備え、この部品はツェナーダイオードD4およびD5で表されている。このもう1つの電圧リミッタ部品は、第3の抵抗R4に対し並列に接続されている。さらにこのもう1つの電圧リミッタ部品は、トランスTRの一次側T1での電圧を過電圧から保護するために構成されている。
スパークギャップ装置FSAの動作中では、たとえば電荷貯蔵器C2は第1の抵抗R3を介して280ボルト〜320ボルトの電圧、好ましくは約300ボルトの電圧に充電される。第1の電圧リミッタ部品SBKは、好ましくは、この部品が420〜480ボルトの所定の電圧範囲における入力インパルスを導通するように形成されている。
入力インパルスを導通した後に、第1の電荷貯蔵器C1が、第2の抵抗R2を介して充電される。これに対応してサイリスタTHは、第1の電荷貯蔵器C1の充電電圧によって点火され、これより、第2の電荷貯蔵器C2と一次巻線T1の下側の接続端子との間に低抵抗の接続が生成される。言い換えれば、この第2の電荷貯蔵器は、このサイリスタTHおよび一次巻線T11を介して短絡される。この結果、トランスTRの一次巻線T1において1つの電圧パルスが生成され、この電圧パルスは二次側T2で、1つの電圧インパルスに高圧変換されてトリガー可能なスパークギャップTFに伝えられる。ここでもこの電圧インパルスは、この時トリガー可能なスパークギャップTFのトリガー動作開始、すなわち点火をもたらす。
本発明によるスパークギャップ装置は、1つの電子デバイスに設けられてよく、または1つの電子回路用に設けられてよい。この電子デバイスまたはこの回路(不図示)は、1つの回路、たとえば1つのスーパーキャパシタ(不図示)を備えてよく、このスーパーキャパシタが、このスパークギャップ装置によって、主にトリガー回路の動作電圧に対応する過電圧に対して保護される。このようなスーパーキャパシタの最大電圧は、好ましくは500ボルトである。
代替として、上記の電子部品の最大電圧は別の1つの電圧値であってよい。
顕わには記載されていないが、上述の説明はここででは顕わには言及されていない、上記のトリガー回路の部品のスケーリングも同様に含むものである。特に上記の所定の電圧範囲は、別に選択されていてよく、および/または上述の動作電圧または最大電圧とは別の電圧に調整されていてよい。
本発明は上記の実施例を参照した説明によって限定されない。むしろ本発明は、特に請求項中の特徴の組み合わせそれぞれが含むいかなる新規な特徴、並びにいかなる新規な特徴の組み合わせをも、たとえその特徴またはその組み合わせがそれ自体として請求項または実施例に明示されていなくとも、含むものである。
TF : トリガー可能なスパークギャップ
TRG : トリガー回路
TR : トランジスタ
T1 : 一次側
T2 : 二次側
SBK : 電圧リミッタ部品
D4,D5 : ツェナーダイオード
R1,R2,R3,R4,R5 : 抵抗
C1,C2 : 電荷貯蔵器
DI : トリガーダイオード,Diac
TH : サイリスタ

Claims (14)

  1. トリガー可能なスパークギャップ(TF)とトリガー回路(TRG)とを有するスパークギャップ装置であって、
    前記トリガー回路は、第1および第2の電荷貯蔵器(C1,C2)と、電圧リミッタ部品(SBK)と、トリガーダイオード(DI)と、トリガー可能な避雷素子(TH)と、トランス(TR)と、を備え、
    前記電圧リミッタ部品(SBK)および前記トリガーダイオード(DI)は、入力インパルスを所定の電圧範囲で導通させ、前記第1の電荷貯蔵器(C1)を充電するように設定されており、
    前記トリガー回路(TRG)は、前記トリガー可能な避雷器(TH)が、前記第1の電荷貯蔵器(C1)にかかる電圧に依存して導通して、前記第2の電荷貯蔵器(C2)を前記トランス(TR)の一次側(T1)を介して放電し、
    前記トランス(TR)の二次側(T2)は、前記トリガー可能なスパークギャップ(TF)に接続されている、
    ことを特徴とするスパークギャップ装置。
  2. 前記所定の電圧範囲は、420ボルト〜480ボルトであることを特徴とする、請求項1に記載のスパークギャップ装置。
  3. 前記トリガー回路(TRG)の入力に380ボルト〜420ボルトの動作電圧が印加されていることを特徴とする、請求項1または2に記載のスパークギャップ装置。
  4. 前記電圧リミッタ部品(SBK)は、複数のツェナーダイオードを備えることを特徴とする、請求項1乃至3のいすれか1項に記載のスパークギャップ装置。
  5. 前記電圧リミッタ部品(SBK)は、前記ツェナーダイオードの降伏電圧が前記所定の電圧範囲を規定することを特徴とする、請求項4に記載のスパークギャップ装置。
  6. 前記電圧リミッタ部品(SBK)は、それぞれ33ボルトの降伏電圧を有する13個のツェナーダイオードを備えることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のスパークギャップ装置。
  7. 前記トリガー可能な避雷素子(TH)は1つのサイリスタ(TH)を備え、前記トリガーダイオード(DI)は、前記電圧リミッタ部品(SBK)に対し直列に接続され、かつ当該サイリスタ(TH)を前記第1の電荷貯蔵器にかかる電圧に依存して導通するように接続することを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のスパークギャップ装置。
  8. 前記トリガー回路(TRG)は、第1の抵抗(R3)を備え、当該第1の抵抗(R3)は、前記第2の電荷貯蔵器(C2)が前記トリガー回路(TRG)の動作中に280ボルト〜320ボルトの電圧に充電されるように構成されていることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか1項に記載のスパークギャップ装置。
  9. 前記トリガー回路(TRG)は、第2の抵抗(R2)を備え、前記トリガー回路(TRG)が前記第1の電荷貯蔵器(C1)を、前記第2の抵抗(R2)を介して前記入力インパルスによって充電するように構成されていることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか1項に記載のスパークギャップ装置。
  10. 前記トリガー回路(TRG)は、もう1つの電圧リミッタ部品(D4,D5)を備え、当該電圧リミッタ部品は前記トランス(TR)の一次側(T1)での電圧を所定の値の制限するように構成されていることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のスパークギャップ装置。
  11. 前記トリガー回路(TRG)は、第3の抵抗(R4)を備え、前記トリガー回路(TRG)は、前記第1の抵抗(R3)および前記第3の抵抗(R4)が前記トランス(TR)の一次側用の電圧分割器を形成するように構成されていることを特徴とする、請求項3乃至10のいずれか1項に記載のスパークギャップ装置。
  12. 前記スパークギャップ装置は、前記トリガー可能なスパークギャップ(TF)と接続された1つのヒューズを備え、当該ヒューズは1つの電子部品を前記動作電圧から切り離すように構成されていることを特徴とする、請求項1乃至11のいずれか1項に記載のスパークギャップ装置。
  13. 請求項1乃至12のいずれか1項に記載のスパークギャップ装置を有する電子デバイスであって、
    当該電子デバイスは、前記電子部品を備え、かつ前記電子部品に前記動作電圧を印加するように構成されていることを特徴とする電子デバイス。
  14. 前記電子部品は、500ボルトの最大電圧を有する1つのスーパーキャパシタであることを特徴とする、請求項13に記載の電子デバイス。
JP2016532326A 2013-08-09 2014-07-30 スパークギャップ装置 Active JP6250807B2 (ja)

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