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Die Erfindung bezieht sich auf Funkenstrecken und insbesondere auf eine
Festkörperfunkenstrecke zum Entladen, beispielsweise eines auf eine hohe Spannung
aufgeladenen Kondensators zum Zünden von Munitionssicherung.
Hintergrund der Erfindung
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Bei bestimmten Anwendungsbereichen von Sicherungen werden
Munitionskörper durch schnelles Entladen eines auf eine hohe Spannung aufgeladenen
Kondensators und Zuführung dieser Energie zu der Sicherung gezündet. Die Schnelle
Entladung des Kondensators verursacht einen hohen Stromfluß zu einer Sicherung.
Manchmal wird eine als Funkenstrecke bezeichnete Einrichtung verwendet zum
Zuführen einer größeren Strommenge, wenn eine spezifische Spannung erforderlich ist.
Die Funkenstrecke muß Strom mit einer bestimmten Schwellenspannung leiten, muß
aber Strom mit einer niedrigeren Betriebsspannung sperren. Es werden zur Zeit zwei
Arten von Funkenstreckenanordnungen verwendet zum Zünden von Munition, und zwar
einen Thyristor (steuerbaren Siliziumgleichrichter = SCR) und eine
Gasentladungsröhre. Der SCR ist eine Festkörperanordnung mit einer Anode, einer Kathode und
einem Gate. Wenn eine geeignete Spannung an das Gate angelegt wird, fließt zwischen
der Anode und der Kathode ein Strom. Ein SCR kann aber nicht den hohen Strom
liefern, der erforderlich ist zum Schalten einer hohen Spannung. Deswegen ist er nicht
für manche Anwendungsgebiete nicht geeignet.
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Die Gasentladungsröhre wurde in denjenigen Fällen verwendet, in denen
höhere Ströme auftreten. Gasentladungsröhren sind nur zu hohen Gestehungspreisen
anzufertigen. Sie sind in Form einer gasgefüllten, zugeschmolzenen Röhre mit einer
Anode, einer Kathode und mit Triggerelektroden innerhalb der Röhre. Die Röhre ist
derart entworfen, daß eine zwischen die Anode und die Kathode angelegte hohe
Spannung unzureichend ist den Spalt zwischen der Anode und der Kathode zu
Überbrücken. Wenn aber eine niedrigere Spannung zu der Triggerelektrode zugeführt wird,
wird die Zündspannung zwischen der Anode und der Kathode bis unter die zugeführte
Spannung zurückgebracht und es tritt eine schnelle Entladung auf. Eine Triggerenergie
von beispielsweise 0,5 Millijoule kann beispielsweise die Entladung von 2 Millijoule
oder mehr zum Zünden einer Munitionssicherung, wie einer
Explosionsfolien-Auslösebrücke, steuern.
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Moderne Munitionskörper haben eine elektronische
Festkörper-Scharfschaltungs- und Zündschaltung. Die Gesamt-Schaltungszuverlässigkeit wird verringert
und die Herstellungskosten werden erhöht, wenn in Kombination mit der
Scharfschaltungs- und Zündschaltung eine Gasentladungsröhre verwendet wird. Die
Gasentladungsröhre ist teuer in ihrer Herstellung und teuer in der Anordnung in der
Zündschaltung. Für eine herkömmliche Gasentladungsröhre sind mehr als 6 elektrische
Anschlüsse vorzusehen und die Röhre muß wirklich auf der Printplatte vorgesehen
werden, beispielsweise mittels Klemmen oder durch Verlötung oder aber mit Hilfe eines
Epoxyklebers. Weiterhin soll zum Anordnen der Röhre, die relativ groß sein kann,
genügend Raum vorgesehen werden.
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Aus einer Veröffentlichung in: "Journal of Physics E Scientific
Instruments" Heft L5, Nr. 2 Februar 1982, Seiten 243-247 von
H.M. Von Bergmann:"Triggered multichannel surface spark gaps" ist eine
Funkenstreckenanordnung mit einem dielektrischen Substrat bekannt, wobei eine erste
elektrisch leitende Schicht auf dem genannten Substrat eine Triggerelektrode bildet, wobei
eine zweite dielektrische Schicht auf dem Substrat die genannte Triggerelektrode und ein
vorbestimmtes Gebiet des genannten Substrats bedeckt, wobei eine dritte elektrisch
leitende Schicht auf vorbestimmten Teilen der genannten dielektrischen Schicht eine
einzelne Anode und Kathode bildet, wobei diese Anode und Kathode in einem
vorbestimmten Abstand voneinander liegen und eine Funkenstrecke definieren, die sich
über die genannte dielektrische Schicht gegenüber der genannten Triggerelektrode
erstreckt. Die in diesem Bezugsmaterial beschriebene Anordnung ist für wiederholte
Entladungen gemeint, in einem Beispiel sogar 10&sup5; Stück, da sie zum Gebrauch bei
einem Laser gemeint ist. Diese bekannten Anordnungen sind Übertragungsanordnungen
und die das Bezugsmaterial beschreibt eine beispielsweise 350 mm breite Strecke (d.h.
die Länge, über welche die Elektroden parallel sind) mit Strecken von 2,5, 5 und 10
mm. Aus Fig. 1 und 2 des Bezugsmaterials dürfte hervorgehen, daß die Kathode und
die Anode so breit sind, daß sie die Triggerelektrode weitgehend überlappen.
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Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Funkenstreckenanordnung der
eingangs erwahnten Art zu schaffen, die eine zuverlässige und durchaus regelbare
Entladung von Energie aus einem mit Hochspannung aufgeladenen Kondensator mittels
einer relativ niedrigen Triggerspannung ermöglicht.
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Die Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf, daß diese Anode und die
Kathode die Triggerelektrode nicht überlappen.
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Die Erfindung schafft ebenfalls eine Funkenstreckenanordnung mit einem
dielektrischen Substrat, einer ersten elektrisch leitenden Schicht auf dem genannten
Substrat, die eine Anode und eine Kathode bildet, die in einem vorbestimmten, eine
Funkenstrecke bildenden Abstand voneinander liegen, einer Triggerelektrode und einer
die genannte Triggereleketrode bedeckenden dielektrischen Schicht, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Schicht ebenfalls diejenige Triggerelektrode auf dem genannten
Substrat bildet, die in der Funkenstrecke zwischen der Anode und der Kathode in einem
Abstand von jeder derselben liegt.
Beschreibung
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Nach der Erfindung wird eine Festkörper-Funkenstrecke geschafft,
insbesondere eine Funkenstrecke für eine Scharfschaltungs- und Zündschaltung zur
Steuerung der Entladung von Energie aus einem mit Hochspannung aufgeladenen
Kondensator zu einer Sicherungssprengkapsel, wie einer schlaffen Folien-Sprengkapsel.
Die Funkenstrecke kann auf demselben Substrat gebildet werden, auf dem die
Scharfschaltungs- und Zündschaltung gebildet ist und beide können gleichzeitig gebildet
werden. Die Funkenstrecke besteht aus einer Anode, einer Kathode und einer
Triggerelektrode, die beispielsweise mit Hilfe von herkömmlicher Dickfilmtechnologie gebildet
werden. Die Triggerelektrode wird als erste Schicht auf einem dielektrischen Substrat
gebildet. Die Triggerelektrode und das anliegende Substrat werden mit einem genau
gesteuerten dielektrischen Muster als zweiter Schicht bedeckt. Eine dritte genau
gesteuerte Schicht bildet eine einzelne Kathode und Anode. Die Kathode und Anode
haben zwischen ihnen eine gesteuerte Funkenstrecke und überlappen nicht die
Triggerelektrode. Gegebenenfalls kann eine dielektrische vierte Schicht einen Teil der Kathode
und der Anode bedecken, solange sie der Funkenstrecke ausgesetzt sind. In manchen
Anwendungsbereichen kann die oben beschriebene Funkenstrecke unter
Umgebungsatmosphäre arbeiten. Für andere Anwendungsbereiche ist die Funkenstrecke in einer
hermetisch abgedichteten Struktur vorgesehen, die mit einem Inertgas, wie Stickstoff,
gefüllt sein kann. Die abgedichtete Struktur kann beispielsweise eine festgeschmolzene,
festgelötete oder auf andere Art und Weise auf dem Substrat und den Elektroden
befestigte keramische Abdeckung sein.
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Die Festkörperfunkenstrecke funktioniert entsprechend einer
Gasentladungsröhre. Die Anode und Kathode werden auf demselben Potential gehalten wie die
Ladung eines Energiespeicherkondensators. Die Spannung an der Anode und Kathode
reicht nicht aus um die Funkenstrecke auszulösen, Wenn aber der Triggerelektrode ein
Triggerimpuls zugeführt wird, ionisieren die Gasatome über der Triggerelektrode zum
Senken der Funkenstrecken-Auslösespannung bis unter die zugführte Spannung. Zu dem
Zeitpunkt wird die Energie über die Funkenstrecke schnell entladen um die
Sprengkapsel zu zünden.
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Wenn die Funkenstrecke integral auf demselben Substrat wie die
Scharfschaltungs- und Zündschaltung gebildet wird, werden die Herstellungskosten reduziert.
Die Funkenstrecke laßt sich preisgünstiger herstellen als eine Gasentladungsröhre.
Herkömmliche Schaltungsfertigungstechnologie ermöglicht eine genaue Ausrichtung der
Elektroden zum Erzielen genauer Triggerspannungen. Zum Schluß werden die Kosten
zum Montieren der Gasentladungsröhre und zum Herstellen der erforderlichen
elektrischen Anschlüsse ausgeglichen.
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Demnach ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte
Funkenstreckenanordnung zu schaffen zum Gebrauch beispielsweise beim Zünden von
Munition.
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Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung hervorgehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Fig. 1 ist eine Draufsicht einer verbesserten Funkenstrecke nach der
Erfindung;
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Fig. 2 ist ein Schnitt gemäß der Linie 2-2 in Fig. 1; und
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Fig. 3 ist ein Schnitt gemäß Fig. 2, wobei aber eine geänderte
Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
Die beste Art und Weise zum Durchführen der Erfindung
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In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist eine
Festkörperfunkenstreckenanordnung
10 nach der Erfindung dargestellt. Diese Funkenstreckenanordnung 10 ist auf
einem dielektrischen Substrat 11 gebildet, das ein keramisches Substrat oder die Basis
ist, die normalerweise bei der Dickfilmschaltungstechnologie verwendet wird. Bei der
bevorzugten Ausführungsform besteht die Funkenstreckenanordnung 10 aus mehreren
Schichten, die nacheinander als Dickfilme auf dem Substrat 11 vorgesehen sind. Die
Triggerelektrode besteht aus einem elektrisch leitenden Material. In der dargestellten
Funkenstrecke 10 hat die Triggerelektrode 12 einen allgemein rechteckigen Körper 13,
der mit einem Anschluß 14 verbunden ist. Es dürfte jedoch einleuchten, daß der Körper
13 andere Formen aufweisen kann.
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Die dielektrische zweite Schicht 15 liegt über den Triggerkörper 13, einen
benachbarten Teil des Anschlusses 14 und ein vorbestimmtes angrenzendes Gebiet auf
dem Substrat 11. Die zweite Schicht 15 ist groß genug zum Schaffen von Raum für eine
Anode 16 und einer Kathode 17. Die dielektrische zweite Schicht 15 hat eine im
wesentlichen einheitliche Dicke. Folglich wird die Schicht 15 einen erhabenen Teil 18
aufweisen an der Stelle, wo sie sich über den Dickfilm erstreckt, der die
Triggerelektrode 12 bildet. Die Anode 16 und die Kathode 17 sind als einzelne Teile einer dritten
Schicht auf der dielektrischen zweiten Schicht 15 angebracht. Die Anode 16 und die
Kathode 17 sind elektrisch leitende Schichten auf der zweiten Schicht 15, so daß sie
gegenüber dem Substrat 11 liegen und nicht gegenüber der Triggerelektrode 12. Die
Anode 16 und die Kathode 17 können von derselben Konstruktion sein und sind in
elektrischen Verbindungen zu der angrenzenden Schaltung austauschbar. Die Anode hat
einen Endteil 22 und die Kathode hat einen Endteil 23. Die Endteile 22 und 23 können
sich auf der zweiten Schicht 15 befinden, wie dargestellt, oder sie können sich über die
Ränder 24 bzw. 25 der zweiten Schicht 15 in Richtung des Substrats 11 erstrecken zur
unmittelbaren Verbindung mit der weiteren (nicht dargestellten) Schaltung auf dem
Substrat 11.
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Zwischen den Rändern 20 und 21 ist eine Funkenstrecke 19 der Anode 16
bzw. der Kathode 17 gebildet. Die Funkenstrecke 19 erstreckt sich über den erhabenen
Teil 18 der dielektrischen Schicht 15 und erstreckt sich folglich gegenüber der
Triggerelektrode 12. In einigen Anwendungsbereichen wird die
Festkörperfunkenstreckenanordnung 10 ohne zusätzliche Elemente oder Schichten einwandfrei funktionieren. Die
Anordnung 10 soll aber dort angeordnet werden, wo die Funkenstrecke 19 gegen Staub,
Feuchte und anderen Verunreinigungen geschützt ist, welche die Spannung zum
Auslösen der Funkenstrecke 19 senken oder ändern könnten. Wenn die Zündspannung
sich senkt, kann sich die Funkenstrecke vorzeitig entladen.
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Wenn ein zusätzlicher Schutz der Funkenstrecke 19 erwünscht oder durch
die Umgebungsverhältnissen erforderlich ist, kann eine Abdeckung 26 die
Funkenstrecke 19 einschließen. Eine etwaige vierte dielektrische Schicht 27 kann vorgesehen
werden, die sich über einen Teil der Anode 16 und einen Teil der angrenzenden zweiten
Schicht 15 erstreckt. Aber die Schicht 27 bedeckt nicht den Funkenstreckenrand 20 oder
den Endteil 22 der Anode 16. Auf ähnliche Weise kann eine etwaige vierte dielektrische
Schicht 28 vorgesehen werden, die sich über einen teil der Kathode 17 und einen Teil
der angrenzenden zweiten Schicht 15 erstreckt. Die Schicht 28 bedeckt nicht den
Funkenstreckenrand 21 oder den Endteil 23 der Kathode 17. Die Abdeckung 26 kann an
der vierten Schicht 27 und 28, der zweiten Schicht 15 und dem Substrat 11 mit
beispielsweise einem Dichtungsglas festgeschmolzen oder festgeklebt sein zum Bilden
einer abgeschlossenen Kammer 29 um die Funkenstrecke 19 herum. Selbstverständlich
kann die Abdeckung 26 durch andere Mittel an ihrem Platz befestigt sein, wie mit Hilfe
von Epoxyharz. Die Kammer 29 kann mit trockner Luft oder mit einem Inertgas, wie
Stickstoff, gefüllt sein zum Beibehalten geregelter Verhältnisse bei der Funkenstrecke
19.
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Zur Wirkung der Funkenstreckenanordnung 10 in einer (nicht
dargestellten) Zündschaltung wird zwischen der Anode 16 und der Kathode 17 durch einen
aufgeladenen Kondensator ein Potential aufrechterhalten. Zur bestimmten Zeit und unter
bestimmten Verhältnissen wird der Triggerelektrode 12 ein Triggerimpuls zugeführt.
Der Impuls an der Triggerelektrode 12 erzeugt eine Ionisierung einiger Gasatome in der
Funkenstrecke 19, wodurch die Zündspannung an der Funkenstrecke 19 das zwischen
der Anode 16 und der Kathode 17 anliegende Potential unterschreitet. Wenn an der
Funkenstrecke 19 eine Entladung erfolgt, wird die in dem Kondensator gespeicherte
Energie als hoher Stromimpuls kurzer Dauer einer Belastung zugeführt. Es sei bemerkt,
daß die Anordnung 10 sich insbesondere für Einweggebrauch eignet, wie zum Zünden
oder Auslösen von Munition. Die Festkörperfunkenstreckenanordnung 10 ist nicht
entworfen zum Bestehen von Funkenerosion, die unter ständiger
Hochstrombogenbildung auftreten würde.
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Obenstehend wurde erwähnt, daß die Anode 16 und die Kathode 17 auf
der zweiten Schicht 15 gebildet sind, so daß sie nicht gegenüber der Triggerelektrode 12
liegen und daß die Funkenstrecke 19 gegenüber der Triggerelektrode 12 liegt. Wenn die
Anode 16 und/oder die Kathode 17 die Triggerelektrode 12 überlappen, wird das
elektrische Feld in den teilen der zweiten Schicht 15 zwischen der überlappenden Anode
16 und/oder der Kathode 17 und der Triggerelektrode 12 konzentriert sein. Dadurch
wird eine höhere Triggerspannung erforderlich sein um die Zündspannung an der
Funkenstrecke 19 auszulösen, weil jede gelieferte Triggerspannung zu einer geringeren
Ionisierung an der Funkenstrecke führen wird.
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Es dürfte einleuchten, daß die Festkörperfunkenstreckenanordnung 10
unter Anwendung bekannter Technologien gefertigt werden kann. So kann
beispielsweise die Anordnung 10 in bekannten herkömmlichen Dickfilmfertigungstechniken, wie
im Siebdruckverfahren, Trockenverfahren und Brennverfahren hergestellt werden. Oder
die Anordnung kann unter Anwendung bekannter Prozesse hergestellt werden, wobei die
Verwendung von Photorestist und die Anwendung selektiver Ätzverfahren erforderlich
sind. Weiterhin kann die Funkenstreckenanordnung 10 als integrales Element auf einem
Substrat mit anderen Schaltungselementen geformt werden, oder sie kann als
Einzelelement ausgebildet sein, das mit anderen Schaltungselementen verbunden ist.
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Eine etwaige Konstruktion ist in Fig. 3 dargestellt, wobei eine erste
leitende Schicht die Triggerelektrode 30, die Anode 31 und die Kathode 32 aufweist,
die auf dem gemeinsamen Substrat 34 gebildet sind. Diese drei Elektroden liegen
elektrisch getrennt voneinander, sind aber gleichzeitig als eine einzige Schicht auf dem
Substrat gebildet. Ein genau geregeltes Dielektrikum 33 bedeckt nur die
Triggerelektrode als zweite Schicht. Die weitere Konstruktion wäre wie oben erwähnt, wobei aber
die Funkenstreckenanordnung nach Fig. 3 von der der Figuren 1 und 2 in dem Sinne
abweicht, daß die drei Elektroden 30, 3l und 32 im wesentlichen koplanar sind,
wodurch einer der Schichtbildungsschritte in dem Prozeß fortgelassen werden kann.
Dadurch sind die etwaigen dielektrischen Schichten 35 und 36 (die der vierten Schicht
27 und 28 in Fig. 2 entsprechen) die dritte Schicht in Fig. 3.