Triggerbare Funkenstrecke mit flacher Bauform und Verwendung einer Funkenstrecke

Die Erfindung betrifft triggerbare Funkenstrecken, insbesondere solche mit flacher Bauform, und mögliche Verwendungen solcher Funkenstrecken. Triggerbare Funkenstrecken (auch getriggerte Funkenstrecken genannt) stellen eine Möglichkeit dar, kurzzeitige elektri ^¬ sche Ströme hoher elektrischer Leistung zu schalten. Damit bieten sie technische Alternativlösungen zu Halbleiterschal ^¬ tern und mechanischen Schaltern.

Es gibt Funkenstrecken für hohe Ströme im Kiloampere-Bereich für Spannungen im Kilovolt-Bereich, die dazu einen zylindrischen Aufbau aufweisen. Funkenstrecken sind z. B. aus dem Beitrag „A planar micro spark gap switch with a triggering electrode" von H. Shen, Z. Yang, G. Ding, Z. Zhou und X. Zhao (Micro and Nano-Systems , 2011, 3, Seiten 354 - 359) bekannt. Ferner sind Funkenstrecken aus der Veröffentlichungsschrift CN 101814701 A bekannt. Allerdings besteht der Wunsch, Funkenstrecken mit kleinerer Bauform zu haben, die dennoch notwendigerweise hohe elektrische Leistungen, z. B. hohe elektrische Ströme bei hohen elektrischen Spannungen, in kurzer Zeit schalten können. Dabei sollen Funkenstrecken eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen und eine Vielzahl an Schaltvorgängen ermöglichen. Insbesondere für den transportablen Betrieb elektrischer Vorrichtungen werden sehr kleine und raumsparende Funkenstrecken benötigt . Dafür wird eine Funkenstrecke gemäß Anspruch 1 angegeben. Ab ^¬ hängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.

Die triggerbare Funkenstrecke umfasst eine Bodenplatte, eine Kappe, eine Kathode, eine Anode und eine Triggerelektrode.

Die Bodenplatte und die Kappe umschließen einen Hohlraum. Die Kathode, die Anode und die Triggerelektrode sind im Hohlraum auf der Bodenplatte angeordnet. Die Kathode, die Anode und die Triggerelektrode sind als leitfähige Beschichtung auf der Bodenplatte ausgeführt.

Im Gegensatz zu bekannten triggerbaren Funkenstrecken, die für hohe elektrische Leistungen große Bauformen benötigen, wird somit eine flächenhaft ausgestaltete, zweidimensionale Konstruktion mit flächenhaft ausgestalteten, im Wesentlichen zweidimensional strukturierten Elektroden angegeben, so dass eine deutlich reduzierte Bauhöhe der Funkenstrecke erhalten werden kann, ohne elektrische Eigenschaften und die Zuverläs ^¬ sigkeit zu verschlechtern. Durch die im Wesentlichen zweidi- mensionale Konstruktion der Elektroden, die dadurch erhalten wird, dass die Elektroden als leitfähige Beschichtung ausge ^¬ führt sind, sind Entladungen möglich, die sowohl einen

Gasentladungsanteil als auch einen Gleitentladungsanteil auf ^¬ weisen können.

Vorteilhafte Geometrien für die zweidimensionalen Elektrodenstrukturen sind weiter unten aufgeführt.

Es ist möglich, dass die Bodenplatte und/oder die Kappe aus Materialien bestehen, die ausgewählt sind aus: Einer Keramik, einer ein Aluminiumoxid umfassenden Keramik, einer AI ₂ O ₃ umfassenden Keramik, AI ₂ O ₃ . Die Verwendung von Aluminiumoxid als Material für die Boden ^¬ platte oder die Kappe ermöglicht eine hermetische Abdichtung des Hohlraums. Die Bodenplatte und die Kappe können durch eine Lotverbindung mechanisch fest und hermetisch dicht mit- einander verbunden sein. Aluminiumoxid ist ein guter Isolator und chemisch inert, so dass eine hohe Zuverlässigkeit und gute elektrische Eigenschaften erhalten werden können. Es ist somit möglich, dass die triggerbare Funkenstrecke einige hun ^¬ derttausend Schaltvorgänge bei im Wesentlichen gleichbleiben- der Schaltqualität ermöglicht.

Durch die hermetische Abkapselung wird, z.B. im Vergleich zu Funkenstrecken aus dem o.g. Beitrag, ein verbessertes

Bauelement erhalten.

Ein Lotmaterial zwischen Bodenplatte und Kappe kann eine eu- tektische Legierung, z. B. mit Silber (Ag) und Kupfer (Cu) sein. Die Legierung kann einen Silberanteil von 72 At . % Silber und 18 At . % Kupfer haben.

Andere Materialien für das Lot, die Bodenplatte und die Kappe sind ebenfalls möglich. Vorzugsweise besteht die Bodenplatte dabei aus einem isolierenden Material. Bodenplatte und Kappe sind vorzugsweise gasdicht.

Die leitfähige Beschichtung kann aus einer einzigen Lage bestehen oder mehrere Lagen umfassen.

Entsprechend ist es möglich, dass die leitfähige Beschichtung eine erste Lage hat, die Molybdän (Mo) , Mangan (Mn) , eine Mo ^¬ lybdän-Mangan-Legierung und/oder Nickel (Ni) umfasst. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die leitfähige Beschichtung eine zweite Lage haben, die Nickel umfasst oder aus Ni ^¬ ckel besteht. Insbesondere ist es möglich, dass die leitfähige Beschichtung ein Lagensystem aus zwei Lagen ist, wobei die untere Lage die oben genannte erste Lage sein kann und die obere Lage die oben genannte zweite Lage sein kann. Damit hat die leitfähige Beschichtung eine nickelenthaltende Schicht auf einer Molyb- dän-Mangan-haltigen Metallisierung.

Die erste Lage der leitfähigen Beschichtung kann eine Dicke zwischen 5 und 25 ym aufweisen. Die zweite Lage der leitfähigen Beschichtung kann eine Dicke zwischen 3 ym und 8 ym ha- ben. Eine bevorzugte Dicke der ersten Lage liegt zwischen 10 und 20 ym. Eine bevorzugte Dicke der zweiten Lage liegt bei etwa 5 ym.

Es ist ferner möglich, dass die Funkenstrecke einen Pumpstut- zen umfasst. Der Pumpstutzen ist durch eine Quetschung verschlossen .

Über den Pumpstutzen, der während der Herstellung der Funkenstrecke den Hohlraum mit seiner Umgebung verbinden kann, kann der Hohlraum evakuiert und/oder mit einer gewünschten Atmosphäre gefüllt werden. Die Atmosphäre kann dabei N ₂ (Stick ^¬ stoff), H ₂ (Wasserstoff) und/oder ein Edelgas umfassen. Das Edelgas kann dabei ausgewählt sein aus Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon. Das Gas im Hohlraum kann auch verschiedene Edelgase oder Mischungen aus verschiedenen Edelgasen, Stickstoff und Wasserstoff umfassen.

Ein mögliches Gemisch enthält H ₂ , N ₂ und Argon. Die Zusammensetzung des Gases im Hohlraum und der Druck des Gases im Hohlraum sind dabei so gewählt, dass gewünschte Zündspannungen bei einer vorgegebenen Elektrodengeometrie er- halten werden.

So kann der Befülldruck im Hohlraum z.B. 0,5 bar bis 3 bar betragen. Ein möglicher Druck beträgt beispielsweise 2 bar. Es ist möglich, dass die zweidimensionale Konstruktion der

Kathode zwei parallele, geradlinige Kanten umfasst. Die bei ^¬ den Kanten sind jeweils auf beiden Seiten durch Bögen, z. B. durch runde Bögen verbunden. Es ist möglich, dass die zweidimensionale Konstruktion der Triggerelektrode einen ersten, runden Abschnitt und einen zweiten, länglichen Abschnitt umfasst. Der längliche Ab ^¬ schnitt ist durch eine Rundung auf der dem runden Abschnitt gegenüberliegenden Ende abgeschlossen.

Es ist möglich, dass die zweidimensionale Konstruktion der Anode einen halbkreisförmigen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt mit zwei Teilbereichen umfasst. Jeder der beiden Teilbereiche des zweiten Abschnitts ist jeweils über einen länglichen Abschnitt mit dem ersten Abschnitt der Anode verbunden .

Es ist möglich, dass der längliche Abschnitt der Trigger ^¬ elektrode zwischen den beiden Teilbereichen des zweiten Ab- Schnitts der Anode angeordnet ist. Die Anode umschließt den halbkreisförmigen ersten Abschnitt der Triggerelektrode im Wesentlichen beinahe vollständig, wobei sich die Trigger ^¬ elektrode und die Anode nicht berühren dürfen, um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden. Es ist möglich, dass der Abstand zwischen Kathode und Anode zwischen 1 mm und 3 mm beträgt. Der Abstand zwischen Anode und Triggerelektrode kann 0,5 mm betragen. Der Abstand zwi ^¬ schen Kathode und Triggerelektrode ist vorzugsweise kleiner als der Abstand zwischen Kathode und Anode.

Derartig geformte zweidimensionale Strukturen der Elektroden ermöglichen den oben genannten Gleitladungsanteil , so dass eine Funkenstrecke mit niedriger Bauhöhe erhalten werden kann, obwohl die Funkenstrecke gute elektrische Eigenschaften und eine hohe Zuverlässigkeit bietet. So kann die Funkenstre ^¬ cke dazu vorgesehen und geeignet sein, bei einem Schaltvorgang eine elektrische Energie zwischen 2 J und 20 J ohne De ^¬ fekt einige hunderttausend Male zu übertragen. Ferner ist es möglich, dass die Funkenstrecke einen im We ^¬ sentlichen quaderförmigen Körper aufweist, der eine Länge zwischen 50 und 70 mm, eine Breite zwischen 25 und 35 mm und eine Höhe zwischen 15 und 25 mm hat. Kanten und/oder Ecken des im Wesentlichen quaderförmigen Körpers können eine Fase aufweisen oder abgerundet sein.

Verglichen mit konventionellen Funkenstrecken wird somit eine Funkenstrecke angegeben, die Ströme im Ampere-Bereich bei Spannungen im Kilovolt-Bereich zuverlässig verarbeiten kann und dabei eine kleine Bauform, besonders eine niedrige Bau ^¬ form, ermöglicht. Insbesondere ist es möglich, dass die Funkenstrecke eine Höhe von 20 mm oder weniger aufweist.

Eine bevorzugte Breite beträgt 30 mm und eine bevorzugte Länge beträgt 60 mm.

Die Arbeitsspannung der triggerbaren Funkenstrecke, d.h. die Spannung zwischen Kathode und Anode vor dem Auslösen, kann bei einigen kV, z.B. bei 1 kV, 5 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 25 kV oder höher liegen. Bevorzugte Spannungen liegen bei oder in der Nähe von 5 kV, 10 kV und 15 kV. Die Schaltspannung, d.h. die Spannung zwischen Kathode und Triggerelektrode kann im Bereich um 50% bis 75% der Schaltspannung liegen. Es ist möglich, eine solche triggerbare Funkenstrecke zum

Entladen der elektrischen Energie eines geladenen Kondensators in einen elektrischen Schwingkreis zu verwenden.

Es ist ferner möglich, eine solche Funkenstrecke in einer tragbaren elektrischen Vorrichtung zu verwenden.

Eine Kombination aus Kondensator mit hoher Kapazität und der Funkenstrecke ergibt eine geeignete Energiequelle für elekt ^¬ rische Vorrichtungen zur Erzeugung von Ultraschallwellen. Entsprechende Ultraschallwellen können dazu verwendet werden, Nierensteine zu verkleinern (z.B. im Rahmen einer

Lithotripsie) . Das Funktionsprinzip der Funkenstrecke und Details möglicher Ausführungsformen sind in den schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Funkenstrecke.

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Funkenstrecke.

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Elektrodenstrukturen auf der Bodenplatte.

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Bodenplatte mit

Elektrodenstrukturen .

Fig. 5 typische charakteristische Abmessungen der Funken ^¬ strecke .

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der triggerbaren Funkenstrecke TFS, wobei der Begriff „Funkenstrecke" synonym zum Begriff Funkenstrecken-Bauelement verwendet wird. Die Funkenstrecke TFS hat eine Bodenplatte BP und eine Kappe KP. An der Unterseite der Bodenplatte sind ein Einfüllstutzen ES, ein Kathodenanschluss KA, ein Triggeranschluss TA und ein Anodenanschluss AA angeordnet. Über den Kathodenanschluss KA, den Triggeranschluss TA und den Anodenanschluss AA kann die Funkenstrecke mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltet werden. Über den Einfüllstutzen ES kann der Hohlraum zwischen Kappe KP und Bodenplatte BP evakuiert, d.h. ein darin befindliches Gas abgepumpt, und gegebenenfalls anschließend mit einer gewünschten atmosphärischen Zusammensetzung gefüllt werden. Anschließend kann durch Umknicken und Quetschen des Einfüllstutzens ES der Hohlraum im Inneren von der Umgebung der Funkenstrecke hermetisch isoliert werden. Das Material der Kappe KP, der Bodenplatte BP und einer Lotverbindung zwischen Kappe und Bodenplatte sind vorzugsweise so gewählt, dass eine hermetisch dichte Abkapselung des Hohlraums

erhalten wird.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die triggerbare Funken- strecke TFS . Die Lotverbindung LV verbinden die Bodenplatte BP mit der Kappe KP luftdicht und mechanisch fest. Der Ein ^¬ füllstutzen ES ragt durch die Bodenplatte BP, so dass ein Gasaustausch möglich ist, so lange der Einfüllstutzen ES noch nicht durch Abknicken oder Quetschen verschlossen ist. Der Kathodenanschluss KA ist mit der flächig ausgestalteten

Elektrodenbeschichtung an der Oberseite der Bodenplatte BP verbunden. Der Triggeranschluss ist mit der ebenfalls flächig ausgestalteten Metallisierung der Triggerelektrode verbunden. Der Anodenanschluss AA ist mit der ebenfalls flächig ausge- stalteten Metallisierung der Anode verbunden.

Während des Betriebs der Funkenstrecke TFS können der Katho ^¬ denanschluss KA und der Anodenanschluss AA mit Elektroden ei ^¬ nes Kondensators verschaltet sein. An den Elektroden des Kon- densators kann im geladenen Zustand eine Spannung von einigen Kilovolt anliegen. Je nach elektrischem Potential, das am Triggeranschluss TA anliegt, findet kein Ladungstransport von der Kathode zur Anode statt bzw. wird eine elektrische Fun ^¬ kenentladung von der Kathode zur Anode getriggert. Diese Ak- tivierung der Funkenstrecke geschieht dabei bei einem

elektrischen Potential, mit dem die Triggerelektrode beauf ^¬ schlagt ist, wobei der Wert des Potentials von der Elektro ^¬ dengeometrie, insbesondere den Elektrodenabständen und der Form der zweidimensionalen Elektrodenstruktur sowie vom Druck und von der Zusammensetzung der Atmosphäre im Hohlraum H abhängt . Figur 3 zeigt eine mögliche Geometrie der Kathode K, der Anode A und der Triggerelektrode TE . Die Kathode K kann eine erste Kante Kl und eine zweite Kante K2 aufweisen. Die erste Kante Kl und die zweite Kante K2 sind dabei an ihren jeweils in die gleiche Richtung weisenden Enden durch Bögen KB verbunden. Die zweite Kante K2 zeigt in Richtung der Anode A und in Richtung der Triggerelektrode TE . Die erste Kante Kl ist an der Seite, die von der Anode A wegweist, angeordnet. Die Triggerelektrode TE hat einen ersten, runden Abschnitt

TE1 und einen zweiten, länglichen Abschnitt TE2. Der längliche Abschnitt ist durch eine Rundung TER auf dem dem runden Abschnitt TE1 gegenüberliegenden Ende abgeschlossen. Die Anode hat einen halbkreisförmigen ersten Abschnitt AI und einen zweiten Abschnitt A2 mit zwei Teilbereichen TB1, TB2 (vgl. Fig. 5) . Jeder der beiden Teilbereiche ist durch einen länglichen Abschnitt ALA1, ALA2 mit dem ersten runden Abschnitt AI der Anode verbunden. Die beiden Teilbereiche TB1, TB2 weisen ebenfalls geradlinige Kanten an dem zur Kathode K gerichteten Ende der Anode A auf.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Bodenplatte BP mit darauf angeordneten Metallisierungen, die die lötfähige Verbindung LV und die Elektrodenstrukturen beinhalten.

Figur 5 illustriert charakteristische Abstände, die die

Schaltspannung der Funkenstrecke beeinflussen. Der Abstand dl zwischen Kathode K und Anode A liegt vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm und kann beispielsweise 2 mm betragen. Der Ab ^¬ stand d2 zwischen der Triggerelektrode TE und der Anode A kann etwa 0,5 mm betragen. Der Abstand zwischen Kathode und der Triggerelektrode d3 ist vorzugsweise kleiner als der Ab ^¬ stand zwischen Kathode und Anode.

Die triggerbare Funkenstrecke ist dabei nicht auf die gezeig- ten technischen Details und Ausführungsformen beschränkt. Funkenstrecken mit zusätzlichen Anschlüssen, z. B. Masseanschlüssen und dergleichen, werden ebenfalls umfasst.

Bezugs zeichenliste

A Anode

AI halbkreisförmiger erster Abschnitt der Anode A2 zweiter Abschnitt der Anode

AA Anodenanschluss

ALA1, ALA2 längliche Abschnitte, die Teilbereiche des zweiten Abschnitts der Anode mit dem ersten Abschnitt der Anode verbinden

BP Bodenplatte

dl Abstand zwischen Kathode und Anode

d2 Abstand zwischen Triggerelektrode und Anode d3 Abstand zwischen Kathode und Triggerelektrode

ES Einfüllstutzen/Pumpstutzen

H Hohlraum

KP Kappe

K Kathode

Kl erste Kante der Kathode

K2 zweite Kante der Kathode

KA Kathodenanschluss

KB Kathodenbogen

LV Lotverbindung

TA Triggeranschluss

TB1, TB2 erster, zweiter Teilbereich des zweiten Ab- Schnitts der Anode

TE Triggerelektrode

TE1 erster, runder Abschnitt der Triggerelektrode

TE2 zweiter, länglicher Abschnitt der Triggerelektrode

TER Rundung der Triggerelektrode, die den länglichen Abschnitt abschließt

TFS triggerbare Funkenstrecke