Szikraköz

[Varsanyi Peter]

		Sziasztok!


Megfogadtam bár, hogy eldugulok, de hát a szakmai elkötelezettség... ;-)
Talán elnézitek nekem, de akkor most CSAK a szikraközökrõl lesz szó. Éjjel
ugyanis rájöttem, hol beszélünk el egymás mellett. Én ugyanis a gyári
szikraközökrõl, pontos nevén Gas Discharge Tube-ról beszélek, Valenta
Ferike meg valószínûleg a Marx-os honlapokról ellesett, drótból hajtogatott
kis szarvacskákról. Ezért én itt és most egyszer és mindenkorra tiszta
vizet szeretnék önteni a pohárba,  hogy vége legyen a vitának.

Szóval ha van két elektródánk, közte egy kis hézag, akkor a nyomás
függvényében 3 különbözõ üzemmódot tudunk megkülönböztetni:

Magas nyomású üzemmód - ez kb. 100 mbar/torr-tól tart a légköri nyomásig,
Alacsony nyomású üzemmódot - ez kb. 0,01 -10 mbar/torr közötti,
Nagyvákuumú üzemmódot - ez kb. a 10^-3 mbar alatti tartomány.

A magas nyomású üzemmódban nincs ködfénykisülés. (Tapsvihar a háttérben. ;-)
Helyette nagyon érdekes jelenségek zajlanak le, melyet a légköri nedvesség,
portartalom, légnyomás mind befolyásol, ezért a paraméterei jelentõs
mértékben eltérnek, tehát csak tág tartományokról lehet beszélni. Végtelen
távol lévõ, tökéletes gömb elektródák között elõször is koronakisülés
jelenik meg. Ez abból adódik, hogy a gömbök közötti nagy térerõ miatt a
Towsend-kisülések miatt a levegõ ionizálódik, így vezetni kezd, majd ezeken
a vezetõ részeken végnélküli kisülések indulnak meg. Az áram ezzel
egyidejûleg össze-vissza ugrál. Mikor növeljük a feszültséget, a kiinduló
kisülések egyszer csak elérik a másik elektródát, és kialakul egy
ívcsatorna, amelyben már annyi ionizált gázatom  van, ami alacsony
ellenállást okoz, így lavina-effektussal több nagyságrendet ugrik az áram,
jellemzõen 1-10A-es nagyságrendekre. Ez a klasszikus ívkisülés! Azonban
bizonyos inhomogén terekben ki tud alakulni villogó ívkisülés, mely rövid,
felvillanás-szerû kisülés-darabokból áll, melyek mégis akár amperes áramot
is elérhetnek, így erõsen megterhelik az elektromos rendszert, ezért  ezek
kialakulását mindenképpen igyekeznek elkerülni. A témáról nagyon sokat
lehet olvasni a közép- és nagyfeszültséggel foglalkozó könyvekben, így
többet nem írnék róla. Már csak azért sem, mert kis légrések esetén
nemlineáris jelenségek lépnek fel, melynek eredményeképpen akár 300 kV/cm
is lehet a számított átütési feszültség.

Alacsony nyomású tartományban a jelenségek sokkal tisztábbak és
markánsabbak a határai. 10^-15 A körül indul a Towsend-kisülés, e körül van
a Geiger-Müller számlálók üzeme is, hiszen itt a levegõben folyamatosan
jelen lévõ, kozmikus sugárzás okozta ionizált részecskék segítségével
zajlik a kisülés. A következõ szint úgy 10^-5A körül van, itt indul be az
abnormális vagy más néven nem önfenntartó ködfénykisülés. Ebben a már
fellépõ korlátozott mértékû ütközéses ionizáció miatt van többlet
töltéshordozó, azonban ez még nem alkalmas arra, hogy a jelenséget
fenntartsa. Tehát ehhez speciális körülményeket kell teremteni, azaz
áramgenerátorról kell hajtani a csövet. Kis mértékben növelve a
feszültséget, a kisülés átugrik normális glimmkisülésbe, amely önfenntartó,
és emiatt széles áramtartományban, egészen 10-100mA-ig változatlan formában
megy végbe, max. az elektródákon egyre nagyobb kiterjedésû területen
világít, ahogy egyre nagyobb területen lép át az abnormális glimm normális
glimmkisülésbe. Kapocsfeszültsége végig szinte állandó, ezért gyakorta
használták stabilizátor céljára, amikoris a gázösszetétellel kb. Volt
pontossággal be lehetett lõni a glimmkisülés feszültségét. Tovább növelve
az áramot, a PAGD tartomány jön, ahol szintén csak erõs
kényszerintézkedéssel, áramgenerátorral lehet megtartani a kisülést, ezért
sok könyv nem is említi, hanem a glimm után jön rögtön az ívkisülés, mint a
legutolsó fokozat. Itt negatív dinamikus ellenállása van a kisülésnek, azaz
növekvõ áramhoz szinte vég nélkül csökkenõ feszültség tartozik. Csak úgy
érdekesség-képpen jegyzem meg, hogy pl. Cézium ívkisülésben 1,5V körüli
ívfeszültséget is el lehet érni akár több száz amperes áram mellett.

Nagyvákuumú üzemmódban az az alapvetõ eltérés, hogy nincsen elegendõ számú
ionizálható gázrészecske, tehát elektronemisszió ütközéses ionizáció útján
sem a kisülés közben, sem pedig a katódon nem tud létrejönni; ekkor van
szükség vagy téremisszióra, vagy pedig izzószállal végzett termikus
emisszióra, amely elektronokat emittál ki a gáztérbe, és innentõl fogva a
vezetést már nem ionok és elektronok, hanem tisztán csak elektronok végzik.
Itt "kapocsfeszültségrõl" nem beszélhetünk a szó valódi értelmében, inkább
ellenállásról. A kilépõ elektronok ugyanis egy kilépési potenciál ellenében
kilépnek a katódról, a gázteret a gyorsítófeszültség szabta sebességgel
megteszik, majd becsapódva az anódba, a mozgási energiájukat hõ formájában
leadják. Tehát ha kis árammal is beérjük, akkor mindössze pár volttal is el
lehet érni, hogy a katódról az elektronok az anódra jussanak; nekem szintén
úgy 1,5 V körüli volt az a minimum, aminél ez bekövetkezett.

Nagyon fontos, de kevésbé ismert szabály a Paschen görbe, amely azt adja
meg, hogy egy adott elektróda-távolság és nyomás szorzata mellett hány
kilovoltnál történik meg az átütés. Ennek minimuma levegõre 327Vcsúcs*cm
egyenfeszültségnél, azaz 231Veff*cm váltakozófeszültségnél. Ebbõl adódik,
hogy pl. 10^-5 sõt 10^-7 mbar-nál is létre lehet hozni glimmkisülést, de
ehhez több tízezer vagy százezer voltos feszültség tartozik. Ezen az elven
mûködtek Tesla korának klasszikus vagy másnéven gáztöltésû röntgencsövei. 

Ennyit röviden és tényleg dióhéjban. A gázkisülések fizikájáról én egy
külön 2 órás elõadást szerettem volna csinálni a Tesla honlapon régebben
reklámozott elõadás-sorozatomban, amire végülis nem került sor. Körülbelül
tízszer ennyi információt még nem mondtam el, de szerintem sokaknak már ez
is sok volt...

Nézzük ezek után a szikraközöket. Az egész vita onnan indult ki, hogy én a
villámvédelem kapcsán megemlítettem, hogy a D osztályú finomvédelmi
szikraköz képes glimmben maradni; Valenta Ferike szerint meg nem. Ehhez a
következõket kell tudni:

Középfeszültségen az A osztályú védelmet fõleg szarvas szikraközökkel
oldják meg; ezek pontosan úgy néznek ki, mint az - azóta már VF-nek hála
általam is alaposan áttanulmányozott - Marx-generátoros honlapokon látható.
Ezek mivel légköri, magasnyomású szikraközök, glimmelni nem tudnak, de ha a
felületi térerõsségük eléri a 30 kVcsúcs/cm vagy 21,1 kVeff/cm értéket,
akkor képesek koronakisülésre, ezért a komoly helyeken nem vékony
drótokból, hanem térerõre méretezett vastag, lekerekített rozsdamentes
huzalból készítik, hogy az esetleges rozsda nehogy helyi térerõ-csúcsokat
eredményezzen. Mûködésénél érdekesség, hogy ív kialakulása esetén az ív
magas hõmérséklete megemeli az ívet, ami felkúszik a szarvakon, majd így a
hossza megnövekedvén, az égési feszültsége is megnövekszik, míg végül
elalszik. Tehát itt így oldják meg a szikraköz kioltását, mert a
villanypóznák helyén van hely arra, hogy adott esetben több méteres,
ostorszerûen csapkodó ív alakuljon ki. (Videón már láttam hasonlót, igaz,
az nagyfeszültségû hálózaton volt, talán 120 kV-oson. Ha az nem volt
minimum 5 méteres, akkor egy centi sem.)

Kisfeszültségen a B osztályú szikraközök felerészben zárt, alacsony nyomású
szikraközök, felerészben nyitott, ún. kifúvó szikraközök. Ez utóbbi
esetében az ív kifújhat, erre tekintettel kell lenni a beépítésnél. Az
elõbbieket pedig a hipergyors, ún. vezérelt szikraközökben használják.
Készülnek több cellás szikraközök is, ezekben több - jellemzõen 9 -
szikraköz (ívkisülés) van, így magától is el tud aludni a többszörös
katódesés magas potenciálja miatt, de általában olvadóbiztosító után
szerelik, és a homokkal töltött nagyáramú,  késes megszakító kiolvadása
eredményezi a szikraköz eloltását.

A C osztályban varisztorokat használnak, arról lásd korábbi levelemet; az
nem tud begyújtva maradni, ott nincs ilyen gond.

A D osztályú finomvédelmet vegyesen varisztorral, suppressorral illetõleg
Gas Discharge Tube, GDT-vel, azaz magyar nevén gáztöltésû szikraközzel
oldják meg. Ilyet nagyon sok cég gyárt, pl. a teljesség igénye nélkül
itthon az EPCOS a legelterjedtebb, de gyárt ilyet a Joslyn, ComGap,
Semitron, SunTech, Sankosa cég is. Régebben volt egy Cerberus nevû német
cég is, de azt megvette azt hiszem a Siemens, és mivel Õ is gyártott ilyen
terméket, megszüntette a Cerberus-t, hogy ne legyen konkurrencia. (Lám, nem
csak a magyar cégekkel csinálnak ilyet a multik.) Ezért a Cerberusról -
legnagyobb fájdalmamra - nem tudok PDF-et prezentálni, csak egy fakó
faxmásolatom van az adatlapjáról. De engedve Valenta Ferike nyomásának,
mellékelek egy linket azzal a megjegyzéssel, hogy a GDT-re való
hivatkozással több száz típust lehet találni a neten, adatlapostúl, hiszen
létezik 2 és 3 kivezetéses verzióban, kivezetõlábbal és lábnélküli pogácsa
kivitelben, különbözõ feszültséggel és áramlevezetõ képességgel, ebbõl
adódóan különbözõ geometriai méretekkel. De fõbb paraméterei szabványosítva
vannak, így az átlagos típusok csereszabatosak. Szóval a Joslin honlapján
az alábbi helyen lehet letölteni vagy féltucat modell adatait:

	http://www.jhcampbell.com/web/jesc/pdf_table.htm

Ezen belül is a Cerberus-nak a 2027-es modell felel meg, annak adatlapja:

	http://www.jhcampbell.com/web/jesc/datasheets/gastubes/2027.pdf

A PDF-ben feketén-fehéren benne van az alábbi három sor:

Glow Voltage 			10mA	~70V
Arc Voltage			>1A	~10V
Glow-Arc Transition Current	<0,5A

Magyarul a Valenta Ferike által kritizált glimm 10 mA-nél stabil 70V-ot -
más típusoknál 72-75 V-ot írnak - produkál, (a Cerberus esetén mért
diagramból kiolvashatóan 0,4mA áramtól indult a normális glimm, ha jól
emlékszem), majd amikor az áram a 0,5A-t megközelíti, akkor valahol átvált
ívkisülésbe, melynek feszültsége növekvõ áramnál csökken egészen 10 V-ig -
más adatlapok szerint 10-20V közötti. Az adatlap pl. külön kitér a 10A-es
AC áramra, ahol 1 sec-ig bírja; más adatlapok szerint az 1A-t akár
folyamatosan is elviseli. Valenta Ferike viszont ezt nem fogja tudni, és
egészen biztosan fog egy olyan adatlapot keresni, ahol más adatok vannak.
Valószínûleg fog találni, mert rengeteg típus kapható, egészen 1500V-ig, de
a Cerberus kb. ezzel kompatibilis. Nem mindnek ugyanilyen egyértelmû az
adatlapja.

Megjegyzendõ még a DC Holdover Voltage, ahol 135V-ot írnak. Ennek
megértéséhez tudni kell, hogy amikor a szikraköz begyújt, a kis
forrás-impedancia miatt 100 nsec-en belül ívkisülésbe megy át, de amikor az
áram lassan csökken, akkor elõbb ívbõl glimmbe ugrik, azaz a
kapocsfeszültsége 10-20V-ról 70-90V-ra ugrik, majd az áram további
csökkenésére átugrik egy rövid idõre az abnormális glimmbe, mielõtt véglek
kioltana. Annak viszont már magasabb a feszültsége. Ez az a bizonyos DC
Holdover voltage, ami jellemzõen az abnormális glimmkisülés égési
feszültsége. Tehát adatlapból a 3 üzemmód feszültségei közvetlenül
kiolvashatók, de a pontos kapcsolási áramokat méréssel szoktam kimérni,
mert nem árt tudni. Ugyanezen glimm-hajlandóság miatt írtam korábban, hogy
a szikraközöknél külön oda kell figyelni, nehogy begyújtva maradjon a
szikraköz; az olcsóbb D osztályú finomvédelmekben erre nem figyelnek, és
nincs soros ellenállás/PTC/stb, ami ezt megakadályozná.

A fentiek alapján én csak azt tudom mondani, hogy nem értem, miért kellett
makacskodni, pláne azok után, hogy pont Valenta Ferike dobta be a Cerberus
márkanevet, valószínûleg arra számítva, hogy nekem majd tátva marad a szám,
 hogy Õ milyen jól tájékozott. Pechjére nekem is van itthon vagy 200 db
csak a Cerberusból, meg vagy félszáz egyéb típust is bespájzoltam mérési
célból.

Hogy aztán innen mikor és miért ugrott át a Marx-generátoros szarvas,
légköri szikraközökre, azt nem tudom, elfelejtette velem közölni; én
maradtam az eredetileg is felvetett témánál, a villámvédelemnél, és az itt
alkalmazott gáztöltésû szikraközöknél.

Még egy pár szót a témáról: az alacsony ívfeszültség elérését tudomásom
szerint régebben még kicsiny rádioaktív adalékanyaggal is segítették; nem
merek rá megesküdni, hogy ezt még ma is alkalmazzák. Viszont a
katalógusokból és a saját mérési adataimból azt hiszem, már egyértelmû,
hogy a GDT-k kisnyomású, nemesgáz töltésû eszközök. Normál légköri nyomáson
mûködõ gyári szikraközt eddig egyetlen egyet láttam, egy gagyi monitor
képcsövének a nyakán, hogy ha áthúz a képcsõ, ne vigye magával az egész
elektronikát. De más monitorokban már normál, üvegcsöves vagy
kerámia-testes szikraközök voltak. Az összes többi helyen ugyancsak gyári
GDT-s szikraközök vannak. Én is pl. 15.000,- Ft-os OBO-Bettermann
szikraközöket használtam a komolyabb méréseimre, melyek wolfram
elektródokkal, kerámia házba ágyazva garantálják, hogy a szikraköz
paraméterei állandóak még akár több ezer  ívkisülés után is. (Csak úgy
érdekesség-képpen: GDT-ben is van villámvédelmi célra gyártott szikraköz,
ami úgy 200-2500 adott energiájú ívkisülést bír el,  de létezik "switching
GDT" is, amire 10^6 kapcsolás van garantálva. Valószínû, hogy a paraméterek
állandósága az, ami miatt a kisfeszültségû szikraközök - azaz a 10 kV
alattiak - kivétel nélkül alacsony nyomású gázkisüléssel van megoldva.

Szóval sajnálom, hogy anyázásba torkolt a téma, szerintem nem rajtam múlt.
A Mach/Marx tévedést elkövettem, de a témát boncolgató könyv
címét-oldalszámát megadtam, ha valakit netán érdekelne, ezzel nem fárasztok
már senkit. Ha van  még kérdés, szívesen válaszolok.

Bye:

Pepe