КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ПОДЖИГА ИСКРОВЫХ РАЗРЯДНИКОВ
STRUCTURE FOR IGNITION OF SPARK ARRESTERS

Область техники
Изобретение относится к устройству для зажигания искровых разрядников с пусковым электродом, находящимся в одном из или на одном из основных электродов и изолированным относительно этого основного электрода, причем пусковой электрод электрически соединен с другим основным электродом посредством по меньшей мере одного элемента, переключающего напряжение или контролирующего напряжение, и между пусковым электродом и этим другим основным электродом имеется воздушный зазор, согласно пункту 1 формулы.
Уровень техники
Искровые разрядники по своим характеристикам подразделяются на искровые разрядники, рассчитанные на пробой, и на искровые разрядники поверхностного разряда. Такие искровые разрядники выполняются как в виде управляемых, так и в виде неуправляемых разрядников. В управляемых искровых разрядниках наряду с основными электродами имеется по меньшей мере один пусковой электрод. Зажигание в управляемых искровых разрядниках происходит, например, с применением трансформатора зажигания, из чего следует высокое напряжение срабатывания пускового электрода, соответственно хорошо изолированного.
В альтернативном варианте существует возможность инициировать зажигание без трансформатора зажигания благодаря особому расположению пускового электрода относительно основного электрода. При этом во многих случаях обеспечивается электропроводное соединение между пусковым электродом и основным электродом.
В принципе считается, что управляемые искровые разрядники имеют регулируемый уровень срабатывания.
В герметично капсулированном устройстве искрового разрядника для отведения вредных помех, вызванных перенапряжениями, по патентному документу DE 20020771 U1, для образования частичного искрового разрядника в пространстве, предусмотренном для разряда, напряжение срабатывания триггера прикладывается непосредственно к имеющемуся там электропроводному корпусу. После этого от частичного искрового разрядника зажигается основной искровой разрядник между основными электродами. В дополнение к этому используется трансформатор зажигания, который является составной частью пускового устройства.
Однако применение трансформатора зажигания обуславливает существенную потребность в монтажном пространстве. Кроме того, величина производимого в трансформаторе вторичного напряжения зажигания зависит от скорости изменения первичного электрического тока, di/dt. Если крутизна этого импульса тока недостаточна, то появляющегося на вторичной обмотке напряжения не хватает для зажигания искрового разрядника. Это означает, что устройство защиты от перенапряжения остается неактивным, несмотря на появившееся перенапряжение.
Альтернативная возможность управления искровыми разрядниками состоит в том, что пусковой электрод соединен с одним из основных электродов. Здесь можно обойтись без трансформатора. При этих решениях уровня техники во время процесса зажигания между основным электродом и пусковым электродом вызывается скользящий разряд, который по прошествии определенного времени достигает второго основного электрода.
Такое решение раскрыто в патентном документе DE 10146728 В4. В этом устройстве защиты от перенапряжения к обоим основным электродам присоединены последовательно включенные элемент, переключающий напряжение и элемент зажигания. Напряжение срабатывания переключающего элемента ниже напряжения срабатывания искрового разрядника /промежутка/, работающего на пробой. В месте контакта между элементом зажигания и присоединенным к элементу зажигания электродом имеется переходное сопротивление. При срабатывании переключающего элемента напряжения через элемент зажигания первоначально проходит ток утечки, причем элемент зажигания там выполнен таким образом, что при больших токах утечки из-за переходного сопротивления в месте соприкосновения возникают разряды, которые приводят к предварительной ионизации области контакта вокруг места соприкосновения.
Такие пусковые электроды имеют постоянный электрический контакт с одним из обоих основных электродов. Это означает, что гальванического разделения основных потенциалов не существует. По этой причине в цепь триггера должна включаться деталь, переключающая напряжение - например, в форме газового разрядника. Вариант усовершенствования изобретения относительно решений с пусковым электродом, находящимся в непосредственном электрическом контакте с одним или несколькими основными электродами, показан в патентных документах DE 10245144 В3 или DE 102004006988 А1.
Устройство защиты от перенапряжения на основе искрового разрядника по патентному документу DE 102004006988 А1 включает в себя по меньшей мере два основных электрода, находящихся в герметичном корпусе, а также по меньшей мере один вспомогательный электрод зажигания. В пространстве корпуса помещен функциональный узел для понижения напряжения срабатывания искрового разрядника, который соединен с одним из основных электродов и со вспомогательным электродом зажигания.
Функциональный узел для понижения напряжения срабатывания искрового разрядника состоит из находящихся вне камеры горения электрической дуги последовательного включенных элементов - элемента, переключающего напряжение, резистора и разделительного перехода, причем разделительный переход образован промежутком между вспомогательным электродом зажигания и ближайшим к нему основным электродом. При возникновении перенапряжения, которое превосходит сумму напряжений срабатывания переключающего элемента и разделительного перехода, от первого основного электрода ко второму основному электроду проходит электрический ток, вследствие чего электрическая дуга, перемыкающая разделительный переход, становится носителем заряда, служащим для немедленной ионизации разделительного перехода между основными электродами.
Устройство для зажигания по патентному документу DE 10245144 В3 имеет вспомогательный электрод, который связан с устройством для зажигания. Это устройство для зажигания обладает сопротивлением, имеющим нелинейную зависимость от температуры с положительным температурным коэффициентом. При нагрузке, воздействующей на искровой разрядник, повышение сопротивления этого температурно-зависимого сопротивления воздействует на характеристики и зажигания и гашения разряда.
В представленном выше искровом разряднике с пусковым электродом в области зажигания имеет место минимизация длины искрового промежутка, вследствие чего зажигающий импульс мощности оказывается слабым. Поэтому длина электрической дуги на практике составляет лишь несколько десятых миллиметра. Зажженная электрическая дуга должна продолжать горение в области зажигания искрового разрядника до тех пор, пока пространство между основными электродами не ионизируется полностью и пока электрическая дуга не сможет перейти на второй основной электрод. В результате этого пусковой электрод нагружается очень долго и получает большой запас энергии. Кроме того, имеется риск того, что во время процесса зажигания весь ток утечки в течение относительно длинного периода потечет через вспомогательный электрод зажигания. Это влечет за собой необходимость применения особенно стойких к обгоранию и соответственно дорогих материалов. В конечном счете, падение напряжения в цепи триггера с имеющимися в ней элементами, переключающими напряжение и ограничивающими напряжение, во многих случаях настолько велико, что требуемый на практике максимальный уровень защиты не осуществим.
Раскрытие изобретения
Исходя из вышесказанного, задача изобретения состоит в создании усовершенствованного устройства для зажигания искровых разрядников с пусковым электродом, находящимся в одном из или на одном из основных электродов и изолированным относительно этого основного электрода, причем имеется возможность задавать характеристики срабатывания в широких пределах и применяются экономичные материалы, без ущерба для эксплуатационной надежности и долговременной стабильности оборудованного таким образом искрового разрядника.
Решение задачи изобретения достигнуто устройством для зажигания искровых разрядников с признаками согласно пункту 1 формулы, причем зависимые пункты формулы изобретения представляют по меньшей мере целесообразные варианты осуществления и усовершенствования изобретения.
В соответствии с этим, изобретение предлагает устройство для зажигания искровых разрядников с пусковым электродом T, находящимся в одном из или на одном из основных электродов H2 и изолированным относительно этого основного электрода H2, причем пусковой электрод T электрически соединен с другим основным электродом H1 посредством по меньшей мере одного элемента, переключающего напряжение или контролирующего напряжение, и между пусковым электродом T и этим другим основным электродом H1 имеется воздушный зазор.
Согласно изобретению пусковой электрод T совместно с изоляционным переходом I и со слоем материала M, имеющего более низкую проводимость, чем материал одного из основных электродов H1, H2, образуют слоистую структуру, представляющую собой слоистый диэлектрик в виде последовательно включенных первой частичной емкости Cj с диэлектриком I изоляционного перехода и второй частичной емкости Cm с материалом M в качестве диэлектрика. Значения частичных емкостей Cj и Cm должны выбираться особенно малыми, в результате чего образование искры в искровом разряднике достигается сразу.
В одном из вариантов осуществления изобретения изоляционный переход выполнен как тонкий слой пленки или слой лака.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения толщина изоляционного перехода составляет несколько сотых миллиметра.
Материал M многослойной структуры имеет во много раз меньшую проводимость, чем материал одного из основных электродов, и состоит, например, из пластмассы, содержащей электропроводные частицы, например частицы углерода или металлические частицы.
Согласно изобретению электрическая дуга удлиняется за счет толщины слоя материала M. В качестве дополнения или альтернативы возможно также выполнение слоя материала M с напуском по отношению к соседним слоям, так что путь от пускового электрода к ближайшему основному электроду еще больше удлиняется, и количество носителей заряда в плазме электрической дуги зажигания увеличивается.
В этом смысле возможна ступенчатая конструкция слоистой структуры, в которой за пусковым электродом T следует более широкий изоляционный переход I, а за ним - в свою очередь более широкий по сравнению с изоляционным переходом I слой материала M.
Для этой слоистой структуры возможна также симметричная ступенчатая конструкция.
В предпочтительном варианте возможна трехслойная структура, состоящая из печатной платы, изолированной при помощи лака, или включающая в себя элементы такой печатной платы. При этом может подразумеваться печатная плата на пленке или печатная плата на основе из жесткого материала.
Краткое описание графических материалов
Ниже изобретение более подробно разъясняется на примере варианта осуществления с привлечением фигур. При этом показаны:
фиг.1 - схематичное изображение устройства для зажигания искрового разрядника, включающего в себя два основных электрода, а также пусковой электрод;
фиг.2 - изображение получающегося емкостного делителя напряжения устройства по фиг.1;
фиг.3 - изображение слоя диэлектрика устройства для зажигания;
фиг.4 - горизонтальная проекция, а также вид сбоку специальной геометрической формы устройства для зажигания с желательным удлинением электрической дуги зажигания для получения усиленной плазмы электрической дуги в конструкции между основными электродами;
фиг.5 - изображение реализованного варианта исполнения устройства согласно изобретению с основными электродами в форме рогов и с деионной камерой, показанной без закрывающей детали, и
фиг.6 - детальное изображение устройства согласно изобретению для зажигания рогового искрового разрядника.
Осуществление изобретения
В изображении на фиг.1 показаны два основных электрода H1 и H2, расположенных по существу напротив друг друга, с находящимся между ними воздушным диэлектриком.
Сильно увеличенное изображение устройства зажигания содержит электропроводный пусковой электрод T, который со стороны основного электрода H2 закрыт изоляционным переходом I. За изоляционным переходом I следует слой материала M с низкой проводимостью. Слой материала M лежит на поверхности второго основного электрода H2.
Через соединение A возможно включение внешних элементов между пусковым электродом T и основным электродом H1. Предусмотренные для этого средства - например, газовые разрядники, варисторы, диоды или аналогичные элементы.
Согласно изображению на фиг.1 конструкция в целом выполнена таким образом, что сначала происходит пробой или поверхностное перекрытие между пусковым электродом T и основным электродом H2. Пробой к основному электроду H1 в этом состоянии еще не наступает. Чтобы обеспечивать описанное выше положение, между пусковым электродом T и поверхностью основного электрода H1 имеется воздушный зазор. Для действия, в частности, для быстрого срабатывания устройства зажигания и тем самым для работы искрового разрядника, очень существенно распределение имеющихся паразитных емкостей компонентов, участвующих в процессе зажигания.
Как представлено на фиг.2, получается емкостной делитель напряжения, который подразделяется сначала на две основные емкости.
Емкость Ca, т.е. емкость управляющих компонентов в соединении A, и емкость Cp, для компонентов собственно устройства зажигания, включены последовательно.
Согласно изображению с фиг.3 устройство зажигания образует слоистый диэлектрик, т.е. диэлектрик из материалов с разными сопротивлениями изоляции, из изоляционного перехода I и материала M с низкой электропроводностью.
Таким образом, согласно фиг.2 емкость CP получается в результате последовательного включения частичных емкостей Ci и Cm с фиг.3.
Емкость Ca больше, чем частичная емкость Cm или чем частичная емкость Ci. Согласно изобретению изолирующий слой выполняется очень тонким.
Чем тоньше толщина слоя или пленки диэлектрика изоляционного перехода I, тем больше его емкость и тем больше падение напряжения на Cm.
В устройстве согласно изобретению, описываемом как "устройство для плазмотронного зажигания", изолирующий слой I выполняется в виде пленки или слоя лака на пусковом электроде Т, и, таким образом, возможно выдерживать очень малую его толщину, предпочтительно несколько сотых миллиметра. Следовательно, в первую очередь этот изолирующий слой определяет пороговое значение срабатывания конструкции в целом.
Выбор материала для слоя M непосредственно влияет на скорость зажигания и на получающуюся в результате этого характеристику всего искрового разрядника.
Толщина материала M с низкой электропроводностью воздействует конкретно на продление зажигания электрической дуги за счет непосредственного увеличения длины разрядного промежутка между пусковым электродом T и основным электродом H2.
В результате удлинения электрической дуги зажигания в конструкцию с электродами вводится большее количество плазмы электрической дуги, так что пробой между основными электродами H1 и H2 происходит за очень короткое время.
Плазмотрон, или поток плазмы, возникает при электрических дугах в области основания дуги на обоих электродах. Этот поток приводит к сильному и быстрому направленному движению ионизированных газов и носителей заряда. Согласно изобретению этот перенос используется для того, чтобы существенно ускорить зажигание основного участка между электродами H1 и H2, вследствие чего сокращается нагрузка на пусковой электрод T, на слои I и M, а также на детали соединения A, и понижается остаточное напряжение искрового разрядника.
Эффект плазмотрона, кроме того, характеризуется выраженным предпочтительным направлением потока ионизируемого газа. Согласно изобретению возможно принятие мер, которые влияют, с одной стороны, на возникновение потока, но также и воздействуют на его направление, чтобы достигался эффект быстрого зажигания основного участка. Предлагаемый поток с его очень эффективной ионизацией воздуха особенно хорошо подходит для преодоления воздушного промежутка между H1 и H2, что обеспечивает в свою очередь эффективную эксплуатацию рогового искрового разрядника.
В то время как в устройствах уровня техники после зажигания основных электродов по возможности не должны возникать плазмотроны, чтобы электрическая дуга импульса фиксировалась, согласно данному изобретению образование целенаправленного плазмотронного потока желательно для зажигания основного участка.
Для образования эффективного потока плазмы применяются материалы электродов, которые хорошо охлаждают электрическую дугу в области основания. Это способствует уменьшению размера основания электрической дуги. Сильно суженные основания - это оптимальная предпосылка для ярко выраженных плазмотронов. Путем существенного ограничения возможностей распространения основания электрической дуги или всей электрической дуги в целом достигается воздействие на сжатие электрической дуги и на ее фиксацию. Посредством сильного сжатия основания электрической дуги удается эффективно и целенаправленно изменять движение электрической дуги под действием собственных магнитных сил.
Благодаря конструкции электродов, а также прокладок I и M, получено предпочтительное выравнивание плазмотронов, в других случаях очень произвольных. Выбор материалов, в том числе и материала прокладок, например, подходящего для газоотдачи, не только влияет на выравнивание плазмотронного потока возникающим посторонним потоком, но и непосредственно изменяет общую интенсивность потока и газовый состав плазмотрона и сопровождающего его потока.
Пусковой электрод в данном варианте исполнения образован из медного материала, что обуславливает интенсивное охлаждение основания. При этом создается возможность выполнять пусковой электрод очень тонким по соответствующему размеру, вследствие чего ограничивается диаметр основания электрической дуги и ее движение.
Возможно такое выполнение слоев I и M в сочетании с электродами T и H2, что материал влияет на принципиальные возможности выравнивания и на поток газа плазмотрона. Посредством геометрических параметров, наряду с влиянием на плазмотронный поток, варьируется также движение основания электрической дуги. Вследствие вызванного этим увеличения длины электрической дуги зажигания между T и H2, а также изгиба электрической дуги зажигания при его наличии вследствие отклонения в желаемое направление движения, возможно использование теплового напора и действия сил собственного магнетизма для целенаправленного образования завихрений за счет расширения электрической дуги или также для ее целенаправленного движения после соответствующего времени фиксации, с движением основания.
Поскольку плазмотроны возникают на обоих электродах, при интенсивном образовании потоков в случае коротких или же изогнутых под углом конструкций это ведет к столкновениям отдельных потоков. При непосредственно сталкивающихся одинаково сильных потоках на одной оси это приводит к образованию так называемой плазменной тарелки, которая сильно выгибается наружу в обе стороны и ионизирует все окружающее пространство, т.е. также зазор к H2. В случае изогнутых осей потоки плазмы пытаются уклоняться в стороны, чтобы проходить рядом друг с другом. Однако это состояние очень неустойчиво, так что направление такого уклонения постоянно меняется. При наличии бокового ограничения стенками камеры этот эффект усиливается. В конечном счете и здесь также имеет место лучшая и более быстрая ионизация зазора.
Как схематично представлено на фиг.4, путем варьирования геометрического варианта исполнения возможно дальнейшее воздействие на образование и поведение электрической дуги зажигания.
При этом не только повышается толщина слоя материала M с низкой электропроводностью, но и имеется возможность образования слоя с наложением или реализации ступенчатой слоистой конструкции. В результате этого путь от пускового электрода T к основному электроду еще больше удлиняется, и увеличивается количество носителей заряда, попадающих в искровой разрядник. В изображении на фиг.4 (горизонтальная проекция) видна слоистая структура и ее ступенчатая конструкция. Собственно пусковой электрод T покрывается по сторонам тонким изоляционным переходом I и здесь подходит к закрытому с передней стороны окончанию /перемычке/. Ступенькой дальше на каждом из слоев изоляционного перехода I находится в свою очередь слой материала M с низкой электропроводностью.
Вид сбоку на фиг.4 позволяет видеть ступенчатую последовательность слоев - основной электрод H2, слой материала M с низкой электропроводностью, изоляционный переход I и пусковой электрод T. Заделывание пускового электрода T и его ограничение по сторонам материалом изолирующего слоя I представляет собой необязательный альтернативный вариант усовершенствования изобретения устройства зажигания.
Тонкий изоляционный переход I между пусковым электродом T и слоем материала M с низкой электропроводностью в предпочтительном случае реализуется печатными платами. Тогда пусковой электрод T соответствует нанесенному печатному проводнику, а изолирующий слой I - находящемуся сверху слою лака, причем участок с торцевой стороны остается свободным от слоя лака. При этом может подразумеваться гибкая печатная плата с пленкой в качестве материала основания или же жесткая печатная плата, причем материал основания печатной платы может быть материалом M с более низкой электропроводностью.
По поводу признаков материала с низкой электропроводностью надо указать, что здесь речь идет о материалах, которые проводят электрический ток хуже, чем медь. Допустимы электропроводные пластмассы или электропроводная керамика. Идеально здесь подходит для применения материал с высокой поверхностной проводимостью и высоким объемным сопротивлением. Материалы с высоким объемным сопротивлением предрасположены к тому, что токи скорее образуются на их поверхности, чем протекают сквозь их объем. По причине требуемой незначительной гибкости материала с низкой электропроводностью вариант осуществления обращается к электропроводной пластмассе, электрическое сопротивление которой области зажигания составляет от 10 Ω до 100 kΩ. Оптимальным воздействие зажигания оказывается при сопротивлении 1 kΩ на материале толщиной 2/10 миллиметра. Значение сопротивления этой плоскости изменяется в зависимости от используемого материала, причем длина электрической дуги управляется толщиной материала с низкой электропроводностью.
На фиг.5 показан реализованный на практике вариант исполнения решения согласно изобретению с электродами в виде рогов и специальной областью зажигания, которая подробно представлена на фиг.6. Для одних и тех же или одинаково действующих элементов в вышеприведенном описании использовались одни и те же обозначения.