DE2263201A1 - Zuendmaschine - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DlpWng. P. WIRTH - Dr. V. SCHMIEEKKOWARZIK DIpL-Ing. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD - Dr. D. GUDEL

281134 β FRANKFURT AM MAIN

TELEFON (ΟβΙΙΪ

287014 GR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

21.12.1972 . ^2263201

Frank Joseph Digney,Jr. . und Earl Myron Phinney 1 Long Pond Road 10 Coper ley Avenue

Hewitt,New Jersey 07421 Oneonta,New York,13820 USA USA

Zündmaschine

Die Erfindung "betrifft eine Zündmaschihe mit kapazitiver Entladung, d.h. eine Vorrichtung zum Einleiten der Zündung von Sprengvorrichtungen, beispielsweise elektrischen Sprengkapseln, wobei auch eine große Anzanl derartiger Kapseln normalerweise parallel zueinander als eine Zündanlage oder Zündanordnung angeordnet sein können, und zwar normalerweise mit Verzögerungen über die Entladung öiiies Kondensators.

Das kommerzielle Sprengen wird in großem Ausmaß durchgeführt. Sicherheit ist dabei sehr wichtig. Es ist sehr erwünscht, daß die Sprengstoffe nur dann gezündet wurden, wenn dies gewünscht wird. Sie sollen aber dann auch wirklich zünden. Es soll also keine vorzeitigen Sprengungen oder Fehlzündungen geben.

309828/0369

7263201

Zündvorrichtungen mit kapazitiver Entladung sind beispielsweise in den USA-Patentschriften 3 275 884 und 3 417 306 beschrieben. Sie enthalten normalerweise eine Wechselspannungsquelle, beispielsweise ein Wechselspannungsnetz oder eine Gleichstrombatterie mit einem Oszillator, ferner mit einem Transformator, um die Spannung heraufzusetzen, einen Kondensator, der vom Transformator geladen wird, und einer Triggerschal tung, die von Hand oder automatisch betätigt werden kann, so daß die im Kondensator gespeicherte Energie durch die Schaltung der elektrischen Sprengkapseln entladen wird und dabei die Zündung einleitet.

Es wurde gefunden, daß bekannte Zündvorrichtungen mit kapazitiver Entladung nicht ausreichen und insbesondere nicht immer alle in sie gesetzten Erwartungen erfüllt haben, weil die Arbeitsbedingungen, beispielsweise die Temperaturen, die Feuchtigkeit und eine korrosionsfördernde Umgebung dem entgegenstehen. Das Risiko wächst also, weil die elektrische Energie nicht ausreicht, um alle Kapseln zu zünden-. Es besteht somit ein Bedürfnis nach einer Zündmaschine, 'die die- folgenden Merkmale aufweist:

Ein sicheres Zünden einer großen Anzahl von Kapseln durch eine einzige Entladung; das Zünden von einer noch größeren Anzahl von Kapseln, als dies bisher möglich war; das Entladen nur dann, wenn ausreichend Energie verfügbar ist, um alle Kapseln der Schaltung zu zünden; das Arbeiten mit einer herkömmlichen Energiequelle, beispielsweise Wechselspannungsnetz oder Normalbatterie; die Einfachheit, d.h. Eignung zur Verwendung durch verhältnismäßig unerfahrene Personen; die Fähigkeit, wiederholt zuverlässig zu arbeiten, und zwar normaler Betriebsbedingungen; leichtes Gewicht; kurze Verbindungsleitungen zur Zündschaltung, während die Bedienungsperson in ausreichender Entfernung aich aufhalten kann, um das Verletzungsrisiko zu vermeiden.

Gemäß der Erfindung wird eine Zündmaschine mit kapazitiver Entladung vorgeschlagen, die einen nicht elektrolytischen

.- 2 309 8 28/0 369

?263201

Kondensator aufweist, dessen einer Anschluß direkt ip.it einer Ausgangsklemme der Maschine verbunden ist, und dessen anderer Anschluß mit einem elektronischen Zündschalter verbunden ist. Dies sind die einzigen Mittel, um den Kondensator mit der anderen Ausgangskletmne der Maschine zu verbinden. Der Schalter kann den Kondensator mit dem anderen Anschluß nur dann verbinden, wenn der Kondensator bei' einer vorbestimmten Spannung von mehr als 1500 Volt entlädt. Diese hohe Spannungskapazität von mehr als 1500 Volt ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung. Ferner ist es wichtig, daß der Kondensator eine große Stromstärke entladen kann, beispielsweise mehr als 1000 Ampöre, und daß der elektronische Zündschalter als Sicherheitsverriegelung wirkt, die eine Vervollständigung der Triggerschaltung verhindert, bevor die Spannung im Kondensator einen vorbestimmten Wert über 1500 Volt erreicht.

Der Kondensator kann beispielsweise von einem mit einer Handkurbel versehenen Wechselstromgenerator geladen werden, oder über das Weehselspannungsnetz (beispielsweise 110 bis 440 Volt), wobei die Spannungsquelle über eine normalerweise offene Schließschaltungssteuerung mit der Primärwindung eines Aufwärtstransformators verbunden ist. Oder eine Batterie ist an einen Oszillatorkreis über eine normalerweise offene Schließschaltungssteuerung angeschlossen, die Wechselspannung der Primärwindung eines Aufwärtstransforraators mit einer Gleichrichterschaltung zuführt.

Der elektronische Zündschalter hat entweder einen Lichtbogen (arc gap) mit zwei unter Abstand voneinander angeordneten Elementen oder einen triggerbaren Lichtbogen mit drei unter Abstand voneinander angeordneten Elementen, die in einem Gehäuse mit ionisierbarem Gas eingeschlossen sind. Die elektronische Zündschaltung hat vorzugsweise eine nicht getriggerte Lichtbogen-Kurzschlußspannung, die wesentlich höher ist als die vorbeschriebene Zündspannung der Zündmaschine, und die getriggert werden kann, um eine Hauptentladungsspannung zu zünden,

- 3 309828/0369

7263201

die wesentlich unter der vorgeschrisfccneE Züi'/l spannung liegt, wobei der Eingang des Lichtbogens mit den drei Elementen mit einem Anschluß des Haupt-Speicherkondensators verbunden ist. Der Ausgang des Lichtbogens mit den drei Elementen ist mit der ersten von zwei Ausgangsklemmen für die Energie verbunden und die andere Seite des Haupt-Speicherkondensators ist direkt mit dem zweiten Anschluß für den Energieausgang verbunden. Der elektronische Zündschalter arbeitet mit folgenden Bauelementen zusammen:

a) mit einem Impulse triggernden Transformator, dessen Sekundärwicklung in Serie mit einem Widerstand zwischen dem Eingang des Lichtbogens mit den drei Elementen und mit dem"Triggerelement dieses Lichtbogens geschaltet ist;

b) mit einer Impulsformerschaltung, die einen Widerstand und einen Kondensator in Parallelschaltung aufweist, wobei die Impulsformerechaltung in Serie zu der Primärwicklung des die Impulse triggernden Transformators und zu einem Lichtbogen mit zwei Elementen geschaltet ist, wobei die Serienschaltung parallel zum Haupt-Speicherkondensator geschaltet ist. Der Lichtbogen mit den zwei Elementen hat einen derartigen Elektrodenabstand, daß die Leitung automatisch sichergestellt wird» wenn der Haupt-Speicherkondensator die vorgeschriebene Zündspannung erreicht, wobei ein Trigger-. signal geeigneter Polarität und Stärke erzeugt wird, welches den Lichtbogen mit den drei Elementen leitend macht.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß eine Seite des Haupt-Speicherkondensators direkt mit einem von zwei Zündausgängen für den Energieausgang verbunden ist, während die andere Seite mit dem anderen Energieausgang über einen hermetisch abgedichteten, elektronischen Zündschalter langer Lebensdauer und über eine Schaltung entweder desjenigen Type verbunden ist, der automatisch bei einer bestimmten Zündspannung zündet, oder der nur dann zündet, wenn er entweder automatisch im vorgeschriebenen Zündspannungsbereich der Maschine oder von Hand bei dieser vorbeschriebenen Mindest-Zimdspannung der Maschine oder bei

- 4 309828/0369

einem höheren Spannungswert sendet. BIe Maschina hat einen Kurzschluß- oder Überbrückungswiderstand für einen Anschluß, dessen Wert unter Berücksichtigung des Wertes des Haupt-Speicherkondensators ausgewählt ist, so daß eine konstante Entladezeit erreicht wird. Dadurch wird sichergestellt, daß die Kondensatorentladung durch den elektronischen Zündschalter zu einer sicheren Endspannung In einer erforderten Zeit ohne eine externe Anschlußschaltung erfolgt«, Der Wert dieses Widerstandes ist andererseits nicht so niedrig, daß unnötigerweise ein fühlbarer Bruchteil der zur Yerfügung stehenden gespeicherten Energie absorbiert wird, die notwendig ist, um die Kapseln beim größten äußeren Kapselwiäerstaiid, für den .der Kreis ausgelegt ist, verlässlich zu zünden» Ein Aufwärtstransformator und/oder Gleichrichter sind mit äem Haupt-Speicherlcondensator der Zündmaschine verbunden. Dieser Haupt-Speiclierkondensator wird bei Anlegen einer Wechselspannung auf eine vorgeschriebene Gleichspannung geladen«, Es kann auch ein Kurbellndnictoi? mit einem Gleichrichter verwendet werden, um den Speicherkondensator zu laden. Ein innerer Entladewiderstand für den Haupt-Speicherkondensator ist entweder über den Eontakt eines normalerweise geschlossenen, von Hand oder elektromagnetisch betätigten Relais mit dem Haupt-Speicherkondensator verbunden. In welches» Fall der Wert des Entladewlderstandes so ausgewählt ist, daß sich eine konstante Entladezeit von 0,5 bis 5 Sekunden ergibt, oder er ist direkt mit dem Hauptspeicherkondensator verbunden, wobei dann sein Wert so ausgewählt wird, daß er lediglich groß genug ist, um das Laden des Haupt-Speicherkondensators über den Aufwärtstransformator und den Gleichrichter mit der zur Verfügung stehenden Wechselspannungsquelle innerhalb einer bestimmten Maschine bei einer Ladezeit von 5 bis 30 Sekunden zu ermöglichen. Eine geeignete Wechselspannungsquelle_} beispielsweise herkömmliche Netzspannung oder die Kombination einer Gleichspannungsbatterie mit einer Oszillatorschaltung, liefert Strom an den Aufwärtstransformator. Die Zündmaschine enthält fernerhin eine normalerweise offene und vorzugsweise fern-bedienbare Schließanordnung für den Leistungskreis, des weiteren Isolierte Ausgangs-Anschlußverbinder zum Anschluß der Ausgangsklemmen an

■ - 5 309828/0383

eine elektrische Zündschaltung für Kapseln, sowie eine Anzeigevorrichtung, die angibt, daß entweder die Maschine lädt und innerhalb einer bestimmten Zeit bei einer vorgeschriebenen Mindest-Zündspannung zündet, wenn sie weiterhin auflädt, oder daß die Maschine teilweise geladen ist und automatisch bei der vorgeschriebenen Mindest-Zündspannung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne zündet, wenn sie weiterhin geladen wird, oder daß die Maschine auf die vorgeschriebene Mindestspannung geladen ist und zündet, sobald sie von Hand getriggert oder ausgelöst wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläuter» aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 das Diagramm einer Zündmaschine für 25 Joule, die eine ■ Entlade-Steuerschaltung zum Sperren einer vorbestimmten Mindestspannung hat;

Fig. 2 eine Zündmaschine mit kapazitiver Entladung für 4OÖ Joule und Fernbedienung mit einer Blockierung, die die Verfügbarkeit der gewünschten Mindestspannung im Haupt-Zündkondensator herstellt, bevor der elektronische Zündschalter ausgelöst ist;

Fig. 3 eine Zündmaschine nach Fig. 2, die für Handsteuerung abgeändert ist.

In den Figuren sind dieselben Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen. In Fig. 1 ist eine Zündmaschine mit kapazitiver Entladung gezeigt, die für 25 Joule gespeicherter Energie ausgelegt ist. Ein Haupt-Speicherkondensator 10, der vorzugsweise 12,5 U F hat, und der auf mehr als 1500 Volt aufgeladen werden kann, vorzugsweise auf über 2050 YoIt, ist ferner vorgesehen. Pos. 11 ist ein Widerstand mit 5000 Ohm, der in Serie mit einem normalerweise geschlossenen Kontakt eines Schalters 24 liegt, der den Kondensator 10 kurzschließt oder überbrückt. Pos. 13" zeigt allgemein eine Wechselspannungsquelle, die beispielsweise entweder eine wieder aufladbare Batterie für 12 Volt,

- 6 - ■ 309828/0369

Pos. 13-1, oder vorzugsweise eine BlitzliehtDabterie für 9 Volt, 13-2 rait Batter ieansclilüssen 13-3 hat, die in den geeigneten Batterieanschluß passen. Ein Widerstand 13-4 hat einen Widerstandswert von 3,9 Ohm. Er ist für 5 Watt ausgelegt und liegt in Serie mit aera Anschluß der 12 Volt-Batterie, und einen gepolten Anschluß 13-5. Zum Anschluß eines Ladegerätes für die 12 Volt-Batterie hat ein Kondensator 13-6 eine Kapazität von '160 U F, um die Batteriespannung zu filtern, so daß nur geringe Spitzenströrae durchkommen,· ist eine Diode 13-7 vorgesehen, die den Stromfluß der Batterie verhindert, wenn deren Polarität umgekehrt wird. Widerstände 13-8 mit vorzugsweise 2200 Ohm, 13-9 mit vorzugsweise 1000 Ohm und 13-10 mit vorzugsweise 47 Ohm, sowie Dioden 13-11 und 13-1-2, ein Transistor 13-13 sind ferner vorgesehen. Alle Bauelemente 13-1 his 13-13 "bilden zusammen einen batteriebetriebenen Oszillator, der durch Schließen eines Schalters, beispielsweise eines federbelasteten Schalters 14, der normalerweise geöffnet ist, aktiviert wird ♦ Der Schalter kann bezüglich des G-ehäuses 20 entfernt angeordnet sein, oder er befindet sich auch im Gehäuse 20 der Maschine. Dieser batteriebetriebene Oszillator liefert Wechselspannung an die Primärwindung eines Transformators 21, in dem die Spannung erhöht wird. Der Strom wird von der Sekundärwicklung des Transformators axt einer Potentialdifferenz abgegeben, die größer als beispielsweise 2000 Volt ist. Diese Wechselspannung wird vom Gleichrichter 22 in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt·. Der Gleichrihcter 22 kann durch die Parallelkombination eines Neon-Anzeigelichtes 19 und eines Widerstandes -13 verbunden sein, und ist dann mit der Anode eines Zündschalters 15 verbunden, der als Lichtbogen (arc gap) mit zwei Elementen ausgebildet ist» Die Kathode dieser Zündstrecke 15 ist mit einem Ausgangsanschluß 16 für den Strom verbunden. Die andere Seite des Aufwärtstransformator ist mit dem Anschluß 12 verbunden. Der Ausgang des Gleichrichters ist mit dem Haupt-Speicherkondensator 10 verbunden» Dessen andere Seite ist mit dem Anschluß 12 für den Energieausgang verbunden. Der Überbrückungswiderstand 1.1 für den Kondensator

- 7 309828/0369

ist mit seiner anderen Seite über einen normalerweise geschlossenen Kontakt des Schalters 24 roit dem Anschluß 12 verbunden. Die Ausgangsanschlüsse 12 und 16 sind mit Buchsen 18 und 18-1 jeweils verbunden. Diese Buchsen sind so ausgelegt, daß sie nicht gezeigte Stecker aufnehmen können, die ein Verbindungskabel tragen, das zu einer externen Zündschaltung für elektrische Kapseln führt. Mit den Ausgangsanschlüssen 12 und 16 ist ein innerer Überbrückungswiderstand 17 verbunden.

Im Betrieb werden die federbelasteten Schalter 14 und 24 gedrückt, wodurch die Endladeschaltung geöffnet wird und die 12-Volt-Batterie 13-1» der Widerstand 13-41 bzw. alternativ die neu η Volt-Batterie 13-2 mit den Bauelementen der Oszillatorachaltung verbunden werden, die Wechselspannung an die Primärwindung des Transformators 21 abgibt. Dieser Transformator transformiert die Spannung auf einen Wert, der größer als 2000 Volt ist. Diese Hochspannung wird dann über den Gleichrichter 22 in eine pulsierende Gleichspannung geändert, so daß das Anzeigelämpchen 19 aufleuchtet, während der Haupt-Zündkondensator 10 geladen wird. Der Widerstand 11 überbrückt den Kondensator 10 und entlädt automatisch den Kondensator 10, wenn der federbelastete Schalter 24 los gelassen wird, bevor das Aufladen zu Ende ist. Wird der federbelastete Schalter 14 geschlossen und ist der federbelastete Schalter 24 offen, so wird Jer Kondensator 10 auf beispielsweise 2050 Volt in etwa 10 bis 12 Sekunden aufgeladen. Wenn dieser Kondensator 10 die gewünschte Spannung erreicht, die auf den Zündschalter 15 abgestimmt ist, so wird die Zündstrecke durch Ionisierung des Gases überbrückt und der Kondensator 10 wird mit den Ausgangsanechlüssen 12 und 16 verbunden. Der Widerstandswert des ineeren überbrückungswiderstandes 17 ist klein genug, um den Schalter 15 im ionisierten,leitenden Zustand zu halten, bis alle verwendbare, im Kondensator 10 gespeicherte Energie in die äußere Zündschaltung abgegeben ist. Der überbrückungswiderstand 17 hat einen Widerstandswert, der hoch genug ist (vorzugsweise etwa 20 mal größer als der der Zündschaltung für die Kapseln) bo daß er dieser Zündschaltung für die Kapseln keine wesentliche

- 8 309828/0369

Energie entzieht, die vom Kondensator IC abgegeben wild. Nach dem Zünden der Kapseln und nach der Sprengung werden die Schalter 14 und 24 vom Sprengmeister losgelassen. Das Gas im Schalter 15 leutet nicht mehr und eine etwa noch im Kondensator 10 verbliebene Energie wird über den Kurzschlußwiderstand 11 abgeleitet, wodurch die Schaltungsanordnung vollständig entladen wird, so daß keine ungewollten Hochspannungsentladungen mehr vorkommen können.

Eine so konstruierte Zündmaschine wird zum Zünden von elektrischen, in Serie geschalteten Zündkapseln verwendet. Sie kann auch so angepaßt werden, daß mehrfache Serien von Zündkapseln gezündet werden, die zueinander parallel geschaltet sind. Zum Zünden von sehr langen Runden mit Schaltungen, bei denen alle Kapseln zueinander parallel geschaltet sind, wird eine Abänderung des elektronischen Schalters verwendet, wie sie im folgenden beschrieben wird, wenn Energien wesentlich größer als 25 Joule für den Zündvorgang notwendig sind.

Als Spannungsquelle zum Betreiben des Transformators 21 kann auch eine handelsübliche elektrische Spannungsquelle, beispielsweise ein Beleuchtungsgenerator, verwendet werden. Es werden jedoch Batterien als Spannungsquelle bevorzugt, um die Anlage möglichst weitgehend an die verschiedenen Bedingungen anpassen zu können, und auch um die Zündmaschine tragen zu können. Die in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Spannungsquelle liefert eine im wesentlich konstante Spannung an den Kondensator und ladet diesen somit mit jeweils praktisch gleichbleibender Zeit auf. Der Sprengmeister weiß dann, daß prakr tisch immer dieselbe Zeit benötigt wird, bis die Schaltung betriebsbereit ist, nachdem der Schalter 14 geschlossen worden ist. Der elektronische Schalter 15 in der Schaltung stellt

sicher, daß der Schaltungsausgang für die Zündkapseln erst dann an Energie gelegt wird, wenn ausreichend Energie im Haupt-Speicherkondensator 10 angesammelt ist, um alle Kapseln zünden zu können. Dies ist eine gewünschte Reserve für die Betriebssicherheit.

3098 2 8/0369

Weil der elektronische Zündschalter 1* mit den zvei Elementen wiederholte Entladungen großer Energiebeträge nicht aushält, wird beim Zünden einer großen Anzahl von Kapseln, die sehr lange Leitungen und eine gespeicherte Energie von mehr als 25 Joule benötigen, eine Abänderung der Zündmaschine nach Fig.

bevorzugt.

Pig. 2 zeigt schematisch eine Zündmaschine nach der Erfindung, die speziell zur Verwendung bei einer großen Anzahl von Zündungen, beispielsweise 200 Zündungen oder mehr, konstruiert ist, die in einem parallelen Kreis angeordnet sind. Bevorzugt werden Kapseln in einer umgekehrten Parallelanordnung. Der Haupt-Zündkondensator 10 dieser Maschine hat eine derartige Kapazität, daß er bei einer Aufladung mit 2000 Volt wenigstens 400 Joule speichert. Der elektronische Haupt-Zündschalter 24 ist eine getriggerte Zündstrecke mit drei Elementen, die von einer Triggerschaltung aktiviert wird, die eine ZUndstrecke 25 mit zwei Elementen einschließt, welche über die Parallelkombination des Kondensators 26 und des Widerstandes 27 mit der Primärseite des Triggertransformators 28 verbunden ist. Dessen Sekundärwindung ist mit der Anode der Zündstrecke mit den drei Elementen verbunden (Schalter 24), und über den Widerstand 31 mit dem dritten oder triggernden Element des Schalters 24. Die Kathode des Zündstreckenschalters 24 ist mit dem Ausgangsanschluß 16 der Zündmaschine verbunden (Energieausgang). Über die Kabelanschlüsse 34 und 35 aufgenommene Wechselspannung wird der Primärwindung des Aufwärtstransformators 21 zugeführt, dessen Sekundärwindung mit einem als Ganzes mit Pos. 22 angedeuteten Gleichrichter für positive und negative Wellen niedriger Impedanz verbunden ist. Dessen Hochspannungs-Ausgangsanschlüsse sind mit Poa. 32 und 33 bezeichnet. Ein Ausgangsanschluß 33 für Hochspannung ist über einen Widerstand 30 mit dem Kondensator 10 verbunden, der parallel zum Widerstand 11 ist, sowie zu der Triggerschaltung, die Elemente 25, 26, 27, 28 und 31 aufweist, die vorstehend erläutert wurden. Der zweite Ausgangsanschluß 32 für Hochspannung (mehr als 2000 Volt) ist mit der anderen Seite des Kondensators 10, mit dem Widerstand 11, dem

- 10 309828/0369

erwähnten Triggerkreis und rait deiß zweiten AusgangsaaSchluß 12 der Maschine verbunden. Ein Überbrückungswiderstand 17 verbindet die Ausgangsanschlüsse 12 und 16 der Maschine. Die miteinander verbundenen Bauelemente zwischen den Verbindungskabelanschlttssen 34 und 35 und den Ausgangsanschlüssen 12 und der Maschine werden zusammen als Leistungsbaustein bei dieser

Ausführungsform der Erfindung bezeichnet.

Ein isoliertes Verbindungskabel aus Kupfer mit zwei Drähten, das nur eine Drahtstärke Nr. 14 haben muß, ist bei Pos. 36 und 37 angedeutet. Dieses Zabel kann bis zu 5000 Fuß lang sein. Es verbindet -die Anschlüsse 34 und 35 des Leistungsbausteins von Fig. 2 mit einem Fernsteuerungsbaustein, der in einer Entfernung bis zu 5000 Fuß vom Sprenggebiet angeordnet sein kann, sofern dies zur Sicherheit der Bedienungsmannschaft gewünscht ■ wird.

Die weitere Schaltung der Ausführungsform nach Fig. 2 wird als Fernsteuerungsbaustein bezeichnet. Dabei ist eine herkömmliche Wechselspannungsquelle von beispielsweise 110 bis 115 Volt mit der Fernsteuerungseinheit bei den Anschlüssen 49 und 50 verbunden. Der Anschluß 49 ist über einen Schalter 48 mit einer Sicherung 47, ferner über einen Widerstand 46 und Widerstände 38 bis 42, und zwar abhängig von der Position eines kompensierenden Schalters 51, mit einem Verbindungskabel 56 und dem Anschluß 35 des Leistungsbausteins verbunden. Die Widerstände 38 bis 42 kompensieren die Widerstandsänderungen, die sich aus den endenden Kabellängen der Kabel 36 und 37 ergeben. Die Primärwindung des Transformators 44 wird vom Spannungsabfall am Widerstand 46 versorgt, welcher Spannungsabfall in Phase mit der Summe der Spannungsabfälle steht, die an den Widerständen 38 bis 42 anfallen, und zwar abhängig von der Stellung des Schalters 51, dem Spannungsabfall in den Kabeln 36 und 37 und dem Spannungsabfal in der Primärwindung des Transformators 21. Die Sekundärwicklung des Transformators 44 liefert eine Wechselspannung, die um 180° außer Phase mit den Eingangsspannungen steht, die an den Kompensationswiderständen 38-42

- 11 309828/0369

anfallen, und zwar abhängig von der Position des Schalters 51, der die Kabel 36, 37 verbindet, und der Pritnärwindung des Transformators 21. Wird der Haupt-Speicherkondensator geladen, so wird dessen Spannung zur Primärwicklung des Transformators 21 reflektiert, und zwar mit einem Wert, der gleich der Kondensatorspannung geteilt durch das Verhältnis der Transformatorwindungen ist. Der Kondensator 45» die Gleichrichter 52 und 54, der Kondensator 53 und der veränderliche Widerstand 55 mit der Neonlampe 67 ergibt eine Spannungsnachweisschaltung, die so justiert werden kann, daß das Licht 67 bei etwa 32 Volt aufleuchtet.

Die Detektorschaltung wird mit Wechselspannungen versorgt, die einschließen:

1. Den Eingangs-Spannungsabfall an den Kompensationswiderständen 42 bis 38 (abhängig von der Stellung des Schalters 51) plus Eingangs-Spannungsabfall an den verbindenden Kabeln plus Eingangs-Spannungsabfall an der Primärwicklung des Transformators 21, welche Summe als V₁ bezeichnet werden kann.

2. Die an der Primärwindung des Transformators 21 reflektierte Spannung des Haupt-Speicherkondensators.

3. Die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators 44, die als V₂ bezeichnet werden kann und die 180° außer Phase

mit V. ist. Durch Auswählen des Widerstandswertes des Widerstandes 46 kann Vp gleich V₁ gemacht werden. Weil V₂ und V₁ um 180° phasenverschoben sind, summieren sie sich zu Null am Eingang der Detektorschaltung, die dadurch nur die reflektierte Kondensatorspannung anzeigt. Der variable Widerstand 55 ist so justiert, daß das Neonlicht 67 bei einem vorgeschriebenen Spannungsniveau, das der in etwa zwei Drittel der Gesamtzeit, die notwendig ist, um die Entladungsspannung (2050 Volt) im Leistungsbaustein zu erreichen, entspricht.

- 12 -

3 0 9828/0369

Im Betrieb der Zündmaschine nach Fig. 2 wird, der Sulialter 51 auf einen der Kontakte 38' bis 42' und 43 gesetzt, um die um jeweils 1000 Fuß anwachsende Länge der Verbindungskabel 36 und 37 zu kompensieren. Die parallel angeordneten Sprengkapseln, die auch bevorzugt in einer parallelen Umkehranordnung angeordnet sein können, werden mit den Energie-Ausgangsanschlüssen 12 und 16 verbunden. Bei Schließen des Schalters 48 durch den Sprengmeister beginnt der Kondensator 10 sich aufzuladen. Nach etwa 8 Sekunden blinkt das Anzeigegerät 67 und gibt daher dem Sprengmeister ein Signal, daß der Haupt-Speicherkondensator 10 nach weiteren 4 Sekunden voll geladen sein wird (auf 2050 Volt). Bei voller Ladung des Kondensators 10, und nur dann, wird die Zündstrecke 25 leitend und ein kleiner Impuls wird durch die Priraärwindung des Aufwärtstransformators 28 geleitet, wodurch ein Spannungsimpuls erzeugt wird, der am Triggereleroent der Hauptzündstrecke 24 über den Widerstand 31 erscheint. Dieser Impuls bewirkt eine teilweise Ionisierung des Gases im Hauptschalter 24 (Zündstrecke), welches Gas bei der Zündspannung (2050 Volt) voll leitend wird. Diese Zündspannung würde selbst nicht ausreichen, die Zündstrecke 24 zu ionisieren und leitend zu werden. Die Zündstrecke bzw. der Schalter 24 entlädt den Kondensator 10 weiterhin, bis alle zur Verfügung stehende Energie in diesem Kondensator 10 von den Ausgängen 12 und 16 für die Energie der Zündmaschine an die Zündkapseln abgegeben sind. Der Schalter 24 wird also nicht aktiviert, bis der Kondensator die vorgeschriebene Mindestspannung erreicht hat, um sicherzustellen, daß die vorgeschriebene Mindestenergie im Kondensator 10 gespeichert ist. Dadurch wird sichergestellt, daß mehr als die Mindest-Zündenergie über die Anschlüsse 12 und an den äußeren Zündkreis abgegeben wird, der mit dieser speziellen Zündmaschine gezündet werden soll. Der Schalter 48 wird nach dem Zünden des Kreises los gelassen, d.h. geöffnet. Der Kondensator 10 wird nicht geladen und jede Restladung des Kondensators 10 wird im Überbrückungswiderstand 11 vernichtet. Die Zündmaschine ist daher gegen zufällige Hoeh-

- 13 309828/0369

Spannungsentladungen gesichert.

Die getriggerte ZUndstrecke 24 kann wiederholten Stromentladungen von mehr als 1000 Ampe"re zum Zünden einer großen Anzahl von parallel geschalteten elektrischen Zündkapseln 66 im äußeren Zündkreis aushalten. Um dies bei wiederholter Inbetriebnahme sicherzustellen, wird ein getriggerter Schalter 24 mit einer Zündstrecke verwendet. Der Schalter 24 ist vorzugsweise ein abgedichtetes zylindrisches Glasgefäß, das einander gegenüberliegend angeordnete Barium-Alurainatelektroden und eine Mischung von Wasserstoff-Kryptongas als Füllung enthält. Dieser Schalter hat die folgenden Spezifikationen: Die dielektrische Stärke bei ungeerdetem Trigger ist größer "als 3000 Volt. Ist der Trigger mit der Anode kurz geschlossen, so ist die Stärke größer als 2950 Volt. Die maximale Löschspannung Anode/Kathode von einem. 200 U P beträgt 150 Volt in einen Verbraucher von 2 Ohm. Die Mindestspannung Anode/ Kathode, die notwendig ist, um das Gas vollständig zu ionisieren,wenn getriggert wird, beträgt 1800 Volt. Die Lebenserwartung dieses Schalters ist größer als 30 000 Entladungen von einem Kondensator mit 200 U Έ bei 2050 Volt in einen Verbraucher von 2 Ohm.

Die augenblickliche Spannung im Zeitpunkt der Entladung wird durch eine Zündstrecke 25 kontrolliert, die genau derart ausgelegt ist, daß sie bei 2000 Volt (minus 0,0; plus 100 Volt) bei einer Zündmaschine von 400 Joule leitend wird. Die Zündstrecke 25 wird von der Bendix Corporation, Electrical Components Division, Sidney, N.Y., unter der Teile-Nr. 10-374121-14 hergestellt. Derartige Zündstrerken sind so ausgelegt, daß sie zuverlässig mindestens 30 OQO Impulse auch bei höheren Spannungen aushalten, sofern dies für größere Maschinen notwendig iat.

Der Kondensator 10, die Zündstrecke 25 und der Hauptentladungsechalter 24 sind kritische Bauteile der Zündmaschine nach der Erfindung. Mit diesen Bauteilen sind alle mechanischen Schalter

- 14 309828/0369

Relais und dergleichen eliminier*. Die Bautsile vor den Eingangsanschlüssen 34 und 35 für den Strom bis zu den Ausgangsanschlüssen 12 und 16 für den Strom können durch Eingießen in ein aushärtendes Material, beispielsweise Kunstharz, vollständig von Wasser, korrosiven Gasen und anderen nachteiligen Einflüssen, ferngehalten werden. Zündvorrichtungen mit kapazitiver Entladung nach der Erfindung, die mit den angegebenen kritischen Bauelementen ausgerüstet waren, haben im Test mehr als 30 000 Zyklen bestanden. Das Eingießen der Bauelemente ist praktisch. Die Bausteine brauchen für ein periodisches Austauschen kritischer Bauelemente mit kürzerer Lebensdauer nicht geöffnet zu werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Gegenstands der Erfindung ist schematisch in Fig. 3 gezeigt.

Diese leicht tragbare Zündmaschine mit kapazitiver Entladung für hohe Energie ist allgemein für 50 bis mehr als 400 Joule Zündenergie ausgelegt. Maschinen mit variabler Zündenergie unterscheiden sich nur in der Größe des Hauptkondensators 10 und in der Auswahl der Komponenten 13» 21 und 22 im Leistungszufuhr(Oszillator)-Baustein, um von 10 bis 30 Sekunden Ladezeit abzugeben. Diese Konstruktion verwendet eine Ladung von Hand und Zündschalter 56 bzw. 57, von denen jeder einen normalerweise geschlossenen Kontakt in Serie mit dem Entlade-Überbrückungswiderstand 1 hat. Das Schließen des normalerweise offenen Kontaktes des Ladeschalters 56 vervollständigt die Batterieverbindung zum Leistungsoszillator und der normalerweise offene Kontakt des Zündschalters 57 liefert einen Triggerimpuls zu der Hauptzündstrecke 24 mit drei Elementen,und zwar durch eine Yerriegelungsschaltung für eine Mindestspannung, die die Zündstrecke 25 mit zwei Elementen hat.

Wird der erste Zündschalter 57 gedrückt, so wird die Abschalt-Schaltung geöffnet (wobei der Überbrückungswiderstand 11 vom Kondensator 10 entfernt wird). Die wieder aufladbare Batterie 13-1 wird mit dem Hauptoszillator (20 Watt) verbunden, so daß

- 15 309828/0369

der Aufwärtstransformator 21 mit Strom beliefert wird. Der Hochspannungsausgang des Transformators 21 wird über den Halbwellen-Gleichrichter 22 (Diode 22) gleichgerichtet. Der Abfall-Shuntwiderstand 11 wird vom Kondensator 10 und von den Zündschaltern 56 bzw. 57 gelöst.

Der Hauptkondensator 10 ist ausgewählt, um Energie bei hoher Spannung mit niedriger Kapazität zu speichern, um die Zündungswirksamkeit der Zündtnaschine zu optimalisieren. Die Mindest-Zündspannung wird also in der Größenordnung von 2000 Volt gewählt. Die Kapazität des Kondensators 10 wird dann durch den gesamten Zünöenergiebedarf der Maschine bestimmt. Ist einmal die Mindest-Zündspannung ausgewählt, so wird die Größe der Zündstrecken 62 und 25 mit zwei Elementen und der Zündstrecke 24 mit drei Elementen folgenderraaßen bestimmt.

Die Haupt-Zünd3trecke 24 (Entlade-Zündstrecke für den Kondensator), die den Kondensator 10 mit den Zündanschlüssen 12 und 16 verbindet, wird so eingesetzt daß sie beim Triggern bei einer Kondensatorspannung unter der vorgeschriebenen Mindest-Zündspannung ionisiert, und daß sie nicht ohne einen Triggerimpuls ionisiert, bis die Zündstreckenspannung bedeutend höher ist als die maximal mögliche Kondensatorspannung. Ist also die Mindest-Zündspannung 2000 Volt, so muß die Zündstrecke 24 bei beispielsweise 1800 Volt zünden, wenn sie getriggert ist. Die Zündstrecke 25 mit zwei Elementen ist so konstruiert, daß sie bei keinem niedrigeren Niveau als die Mindest-Zündspannung ionisiert, und so nahe wie möglich an dieser Spannung. Wenn die Spannung am Kondensator 10 also den Bereich von 2000 bis 2050 Volt erreicht, so entlädt die Zündstrecke 25 über den Widerstand 58, den Kondensator 59 und die Widerstände 60 und 61. Die Neon-Anzeigelampe 19 zeigten, daß die Maschine das Zündspannungsniveau erreicht hat. Nur unter dieser Bedingung kann ein Triggerimpuls mit der Triggerschaltung durch Betätigen des Zündschalters 57 verbunden werden. Wird der Zündschalter 57 betätigt, so verursacht ein Impuls von der Zündstrecke 25 einen Spannungsabfall am Wider-

- 16 309828/0369

stand 58 und Kondensator 59» der durch Betätigen des Zündschalters 57 über den Widerstand 27 und den Kondensator 36 rait der Primärseite des Irigger-ImpulstransfortDators 28 verbunden ist. Dieser Impuls erzeugt dann einen Triggerimpuls in der Sekundärwindung des Transformators 28, der verwendet wird, um die Zündstrecke 24 mit den drei Elementen über den Widerstand 31 zu triggern.

Ein anderer Hauptkondensator 65 zum Kurzschließen des Kreises schließt eine Zündstrecke 62 mit zwei Elementen ein, die in Reihe mit einem Widerstand 63 und der Kombination eines Widerstandes .64 und eines Kondensators 65 liegt. Die Zündstrecke zündet bei einer Spannung oberhalb der Mindestzündspannung der Zündstrecke 25 und oberhalb der triggerbaren Zündspannung der Zündstrecke 24, jedoch unterhalb der nicht getriggerten Zündspannung der Zündstrecke 24. Diese Zündstrecke 62 begrenzt die maximale Spannung, auf die der Kondensator 10 geladen werden kann, so daß dieser gegen Überspannungen geschützt wird. Die Kombination der Zündstrecke 62, des Widerstandes 63 und des Widerstandes 64 vernichtet die Energie, wenn die Spannung am Kondensator 10 den Grenzwert, Beispielsweise 2200 YoIt, erreicht.

Der Widerstand des inneren Anschluß-Shuntwiderstandes 17 ist klein genug, um sicherzustellen, daß die Haupt-Zündstrecke 24 fortwährend ionisiert wird, bis alle nutzbare, im Kondensator 10 gespeicherte Energie der Zündschaltung für die Kapseln zugeführt ist. Er ist jedoch groß genug, um eine bedeutende Vernichtung nützlicher Energie im Widerstand 17 zu vermelden, der beispielsweise einen Widerstandswert von etwa 10 000 Ohm hat.

Die Haupt-Zündstrecke 24, die den Hauptkondensator 10 mit den Zündanschlüssen 12 und 16 verbindet, kann 30 000 oder mehr · Zyklen lang Spitzenströme von mehr als 2000 Ampe're bei Spannungen in der Größenordnung von 2,0 bis 2,5 Kilovolt entladen,

- 17 -309828/0369

un fl zwar mit extrem niedrigem Inneriwider stand, and ο line claß ein Zündbogen vorzeitig ' (bevor ein Triggerimpuls ansteht) entsteht. Die Zündstrecke ist klein (verglichen mit vergleichbaren mechanischen oder elektromechanischen Schaltern mit gleichen Eigenschaften), und sie ist in den Herstellungskosten und im Gewicht niedrig. Ist sie einmal entionisiert (beim Erreichen der Löschspannung), so muß die Zündstrecke 24 auf das Niveau der Mlndest-Zündspannung zurückgebracht werden, und sie muß vor der nächsten Zündung wieder getriggert werden. Hierzu können mit einem Thyratron und Silicium gesteuerte Gleichrichter verwendet werden. Diese Bauelemente können jedoch hohe Spitzenströme und/oder -Spannungen nicht aushalten. Sie sind weniger gut verfügbar, und im Fall von parallel geschalteten oder hochbelastbaren siliciumgesteuerten Gleichrichtern auch erheblich teurer.

Die Zündmaschine nach Fig. 3 kann nicht in Steuer- und Leistungsbausteine getrennt werden. Statt dessen wird die ganze MaBchine an eine Stelle fern vom Sprenggebiet installiert, wo der Bedienungsmann sicher ist. Die Maschine ist des weiteren so konstruiert, daß nach dem Zünden durch Betätigen des Zündschalters 57 beide Schalter 56 und 57 los gelassen werden. Eine restliche Energie in den Kondensatoren 10» 26, 59 und 65 wird durch die Widerstände abgeleitet, so daß die Maschine inaktiviert wird, Sie ist dann gegen zufällige Entladungen über die Anschlußleiter 18 und 18a oder über die Verbindungskabel, die mit den Ausgangaanschlüssen 12 und 16 verbunden sind, sicher. Die elektrischen Elemente für die Stromzuführungsschaltung und die Entladeschaltung können in stoßfestes Kunstharz eingegossen werden. Dabei können für einen allfälligen Austausch die Batterie 15-1 und mechanisch verbundene Lade- und Zündschalter 56 bzw. 57 leicht zugänglich sein, falls dies notwendig ist. Wenn die Zündkapseln richtig mit den Sammeldrähten verbunden sind, können keine Fehlzündungen auch beim Zünden großer Kreise erfolgen, sofern die Zündmaschine nach Fig. 3 verwendet wird, weil die Maschine nicht entlädt, auch wenn der Zündschalter vorzeitig betätigt wird, weil der elektronische Zündstrecken-

- 18 309828/0369

Entlade schalter 24 niclit aktiviert wird, ToIb dei? Haupt*- Zündkondensator 10 vollständig auf die maximale Zündspannung aufgeladen ist, die von der Zündstrecke 25 gesteuert wird.

- Anspruch -

- 19 -

309828/0369

Claims (1)

1. 21.12.1972 Oß Digney ^nd Fbimiey

   Gu/ki *^v

   Anspruch

   Zündmaschiiie mit kapazitiver Entladung mit einer Wechselspannungsquelle oder einem Anschluß für eine Wechselspannungsquelle, ferner mit einem Transformator, einem Kondensator, und einer Triggerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator auf mehr als 1500 Volt aufgeladen werden kann und einen Strom über 1000 Ampe*re abgeben kann, und daß die Triggerschaltung einen Sicherheits-Verriegelungsstrotn— kreis aufweint» der die Vervollständigung der Trigger-"TSchaltung verhindert, bevor die Kondensatorspannung einen vorbestimmten Wert erreicht.

   Der Patentanwalt:

   309828/0369