DE3233650A1

DE3233650A1 - Kondensator-entladeschaltung

Info

Publication number: DE3233650A1
Application number: DE19823233650
Authority: DE
Inventors: Seiichi Iwaki Fukushima Suzuki; Eihachiro Kanagawa Tomita
Original assignee: Kureha Corp; Radio Research and Technical Inc
Current assignee: Kureha Corp; Radio Research and Technical Inc
Priority date: 1981-09-10
Filing date: 1982-09-10
Publication date: 1983-03-24
Also published as: US4504773A; GB2108785A; FR2512607B1; GB2108785B; FR2512607A1; JPS5843615A

Description

B e. Schreibung

Kondensat or-Ent 1 ad e s clial tung

Die Erfindung bezieht sich generell auf eine Kondensator-Entladeschaltung und insbesondere auf eine Entladeschaltung, die durch eine Kombination eines mechanischen Schalters und eines elektronischen Schalters aufgebaut ist und die zur Entladung eines eine hohe Kapazität ° aufweisenden und eine hohe Spannung führenden Kondensators verwendet wird.

In den vergangenen Jahren ist darüber berichtet worden, daß die Forderung nach einer extrem kleinen Anordnung,

die einen eine hohe Spannung aufweisenden und eine große Kapazität zeigenden Kondensator enthält und die von Hand transportiert bzw. getragen werden kann, von Jahr zu Jahr größer geworden ist. Zu derartigen Anordnungen gehören ein sogenannter Defibrillator (oder eine Wiederbelebungsvorrichtung) für den Noteinsatz, ein einen Laeer verwendendes Maschinenwerkzeug, ein medizinisches Instrument und ein anderer Anordnungstyp, der einen Kondensator hoher Kapazität enthält, welcher eine hohe Spannung führt und der die momentane Entladung einer großen elektrischen Ladungsmenge von dem Kondensator her ausnutzt.

Üblicherweise wird als Schalter zur momentanen Entladung einer verhältnismäßig großen elektrischen Ladungsmenge <

ein Ölschalter verwendet. "Dieser Schalter ist jedoch für die Verwendung als transportable bzw. tragbare An-

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a *

Ordnung nicht geeignet, da er den Nachteil aufweist, aufgrund des Gewichts des Öls und eines dafür vorzusehenden Behälters verhältnismäßig schwer ZU sein. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß das Öl dazu neigt, aus dem Behälter aufgrund von Schwingungen auszutreten bzw. zu tropfen. Demgegenüber zeigt zwar ein Luftschalter ein geringes Gewicht, weist jedoch Nachteile insofern auf, als eine Lichtbogenentladung in starkem Maße zum Zeitpunkt des Ein-Aus-Betriebs auftritt und : als die Abnutzung und das Aufreißen der Kontakte beachtlich ist. Ein SCR-Bauelement oder Thyristor ist ebenfalls als elektronischer Schalter bekannt, der nicht von irgendeiner Lichtbogenentladung zum Zeitpunkt des Ein-Aus-Betriebs begleitet wird. Bei einem derartigen Schalter kann jedoch ein gewisser Anteil von Leckströmen sogar dann auftreten, wenn der betreffende Schalter nicht leitend ist. Nimmt man nun einmal an, daß der Thyristor selbst als Schalter für eine Kondensator-Entladeschaltung verwendet wird, beispiels-

^O weise in dem Defibrillator, so kann dies häufig zu sehr schwerwiegenden Unfällen führen. Der Defibrillator ist eine Vorrichtung, die den Strom bei hohen Spannungen von dem Kondensator an das Herz eines Menschen abgibt, der sich während einer kurzen Zeitspanne im Ohnmachtszustand befindet, um ihn zu Bewußtseih zurückzubringen. Dabei ist der über den Thyristor gegebenenfalls auftretende Leckstrom gefährlich, da die elektrische Ladung von dem Kondensator zwischen den beiden Elektroden auch dann gespeichert werden kann, wenn die betreffende

Schaltung nicht in Gebrauch ist.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Kondensator-Entladeschaltung zu schaffen, die nicht nur die Abnutzung und das Zerreißen eines Kontakts aufgrund -

der Erzeugung von Funken zum Zeitpunkt der Entladung vermeiden kann, sondern die außerdem vollständig ohne

- 6 irgendein Leck abgeschaltet wird.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß ein mechanischer Schalter und ein elektronischer Schalter in Reihe' liegend in einer Entladungsleitung für einen Kondensator derart eingefügt sind, daß der betreffende mechanische Schalter auf der Kondensatorseite angeordnet ist, und daß eine Steuersignalerzeugungsschaltung an der betreffenden 'Leitung zwischen den beiden Schaltern über ein Trennglied angeschlossen ist. Der elektronische Schalter wird mit einer bestimmten Zeitverzögerung nach Schließen des mechanischen Schalters eingeschaltet, so daß die Erzeugung von Funken zum Zeitpunkt des Betriebs des mechanischen Schalters weitgehend verhindert werden kann. Die Anwendung von Elektrizität auf einen menschlichen Körper kann in dem Fall, daß die Anordnung nicht in Gebrauch ist, durch den mechanischen

Schalter vollständig vermieden werden. 20

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Blockdiagramm eine Kondensator-Entladeanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Schaltplan eines Defibrillators, der einen eine hohe Spannung führenden und eine hohe Kapazität aufweisenden Kondensator umfaßt, unter Veranschaulichung eines konkreten Ausführungs-

beispiels der Kondensator-Entladeschaltung gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in einem konkreten Schaltungsdiagramm eine Steuersignalerzeugungsschaltung, wie sie in der

Anordnung gemäß Fig. 2 verwendet wird. 35

Fig. η zeigt in einem Diagramm eine Entladestromkurve, die mit Hilfe der Schaltungsanordnung gemäß Fig.

ti t ft 4 ♦ * fc * HW ft

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erhalten wird, wobei anhand eines Zeitdiagramms· die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung erläutert wird.
Pig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Trenneinrichtung.

In Fig. 1 ist in einem Blockdiagramm eine Kondensator-Entladeschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Energiequelle 10 ist dabei über einen me-'chanischen Schalter 14 und einen dazu in Reihe liegenden elektronischen Schalter 16 mit einer Last 12 verbunden . Außerdem ist eine Steuersignalerzeugungsschaltung 18 vorgesehen, die an der Leitung zwischen den Schaltern 14 und Λ 6 über eine Trenneinrichtung 15 aageschlossen ist. Durch diese Signalerzeugungsschaltung wird ein Betätigungssignal oder Einschaltsignal für den elektronischen Schalter 16 gebildet. Die Steuersignalerzeugungsschaltung 18 wirkt in der Weise, daß ein Steuersignal für den elektronischen Schalter 16

*^u geliefert wird, um diesen eine bestimmte Verzögerungszeit nach Schließen des mechanischen Schalters ih einzuschalten. Darüber hinaus wird der mechanische Schalter lh auch dazu ausgenutzt, die Last 12 von der Energiequelle 10 vollständig zu trennen, wenn der Betrieb der Schaltungsanordnung unterbrochen ist.

In Fig. 2 ist in einem Schaltplan ein Defibrillator gezeigt, der einen eine hohe Spannung führenden und eine

hohe Kapazität aufweisenden Kondensator umfaßt. Diese 30

Schaltungsanordnung stellt ein konkretes Ausführungsbeispiel der Kondensator-Entladeschaltung gemäß Fig. 1 dar. Die Energiequelle 10 gemäß Fig. 1 ist hier durch einen Kondensator dargestellt. Ein elektromagnetisches

• Relais 22 wird als mechanischer Schalter 1^ gemäß 35

Fig. 1 im Ausgangskreis 20 für den Kondensator 10 verwendet. Ein an seiner Torelektrode in den Sperrzu-

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χ stand steuerbarer Thyristor wird als elektronischer Schalter 16 verwendet. Der Kontakt 14 des elektromagnetischen Relais 22 und der Thyristor 16 sind miteinander in Reihe geschaltet. Eine Induktivität bzw. Spule 25 und zwei Elektroden 26, 26' sind auf der Lastseite der betreffenden Anordnung angeordnet. Ein menschlicher Körper (der durch einen Lastwiderstand 12 ,angedeutet ist) wird in einem bewußtlosen Zustand mit den Elektroden 26, 26' als Last 12 gemäß Fig. 1 verbunden. Die ·Steuersignalerzeugungsschaltung 18 ist an der Leitung zwischen dem Kontakt "\k des Relais 22 und dem erwähnten Thyristor 16 angeschlossen und über die Trenneinrichtung 15 mit der Torelektrode 17 des erwähnten Thyristors verbunden. Das Relais 22 wird durch zwei Drucktastenschalter 28 und 30 betätigt.

In Fig. 3 ist in einem Schaltplan ein Ausführungsbeispiel der bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 verwendeten Steuersignalerzeugungsschaltung 18 gezeigt.

Eine Einrichtung vom Transformatortyp wird als Trenneinrichtung 15 verwendet. Die Primärwicklung 32 des Transformators 31 ist dabei mit den beiden Enden des Kondensators 10 über den Relaiskontakt 14 verbunden. Eine in der Sekundärwicklung 32 des Transformators 3I induzierte niedrige Spannung wird als Torelektroden-Signal der Torelektrode 17 des erwähnten Thyristors 16 über eine Verzögerungsschaltung zugeführt, die einen Widerstand 36 und einen Kondensator 38 umfaßt. Im Betrieb wird dann, wenn die Drucktastenschalter 28 und 30 gedrückt sind, das Relais 22 erregt, um den Kontakt Tk zu schließen. In diesem Zustand tritt kein Funke von dem Kontakt 14 her auf, da der Schaltkreis des erwähnten Thyristors 16 abgeschaltet ist. Gleichzeitig damit wird die an dem Kondensator liegende Spannung an die Trenneinrichtung 15 abgegeben. Bei erregtem. Relais 22 wird eine Hochspannung (von beispielsweise k bis 5 kV) des Kondensators

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10 an die Primärwicklung 32 der Trenneinrichtung 15 abgegeben. In der Sekundärwicklung 3h wird aufgrund eines Spannungsstosses in diesem Augenblick ein Impuls induziert, und eine niedrige Spannung in der Größenordnung von mehreren Volt, die durch die Trenneinrichtung bestimmt ist, erreicht die Torelektrode 17 des erwähnten Thyristors 16, um den Schaltkreis dieses Thyristors 16 einzuschalten. Da die aus dem ¥iderstand 36 und dem Kondensator 38 bestehende Verzögerungsschaltung in der " aus der Zeichnung ersichtlichen Weise angeordnet ist, wird die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung an die Torelektrode mit einer Zeitverzögerung T abgegeben, die durch T=CR bestimmt ist, wobei R den Widerstandswert des Widerstands 36 und C eine Kapazität des Kondensators 38 bedeuten. Durch geeignete Wahl von "T" kann die Erzeugung von Funken vollständig vermieden werden, und zwar sogar dann, wenn das Ein-Aus-Schalten des Kontakts 14 während einer kurzen Zeitspanne aufgrund eines Prellens des Relais 22 wiederholt wird. Als Trenn-

*0 einrichtung ist die Verwendung nicht auf einen derartigen Transformator beschränkt, wie dies Fig._t 3 zeigt. Vielmehr kann jeder Typ von Einrichtung verwendet werden, bei dem die Hochspannung auf der Primärseite der Torelektrode 17 des erwähnten Thyristors als abgetrennter Strom niedriger Spannung abgegeben werden kann. Als Trenneinrichtung dieser Art können beispielsweise eine mit einer Schallwellenausbreitung arbeitende Einrichtung, eine fotoelektrische Einrichtung und andere wahlweise

Einrichtungen beispielsweise verwendet werden. 30

Bei in den leitenden Zustand überführtem Thyristor 16 fließt ein Hochspannungsstrom von großer Energie (200 bis 400 Joules, beispielsweise mit 60 bis 75 A- und bei einer Spitzenspannung von 2000 bis ^500 V) in den menschlichen Körper 12. Aufgrund des in diesem Augenblick vorhandenen Schocks kann der im Zustand der Bewußtlosigkeit

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-ΙΟΙ befindliche Mensch zu Bewußtsein zurückgebracht werden.

Der zeitliche Ablauf des Schaltungsbetriebs wird unter Bezugnahme auf die Entladungsstromkurve und das Zeitdiagramm gemäß Fig. 4 im einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt die horizontale Achse die vergangene Zeit. Eine Kurve 40 stellt einen Entladestrom dar, der zu dem Widerstand 12 fließt. Eine Zeitkurve 42 ist für das elektromagnetische Relais 22 vorgesehen, und eine Zeitkurve 44 frifft für den erwähnten Thyristor 16 zu. Der Kontakt 14 des Relais 22 wird zum Zeitpunkt tO eingeschaltet, indem die Drucktastenschalter 28, 30 manuell betätigt werden, und zum Zeitpunkt ti wird der erwähnte Thyristor 16 eingeschaltet bzw. in den leitenden Zustand gebracht. Die durch t1-tO bezeichnete Zeitdifferenz entspricht der Verzögerungszeit (die üblicherweise 1 bis 2 ms beträgt). Diese Verzögerungszeit ist durch die Verzögerungselemente 36 und 38 bestimmt; sie stellt ein Zeitintervall dar, währenddessen kein Strom durch den Kontakt 14 in einem nennenswerten Maße fließt, so daß sichergestellt ist, daß der Kontakt 14 ohne irgendwelche Funken geschlossen werden kann.

Obwohl der erwähnte Thyristor zum Zeitpunkt ti einge- ° schaltet wird und die Entladung des Kondensator beginnt, wird die gleichförmige Schaltung ohne Prellen vorgenommen, da der Thyristor-Schalter eine kontaktlose Einrichtung ist. Die Energie von mehr a Is 95 °ß> der auf dem Kondensator insgesamt gespeicherten Energie

wird innerhalb von etwa 10 ms entladen. Die durch die Schaltung 20 fließende Stromenergie wird zum Zeitpunkt t2 sehr niedrig sein. Die Betätigungs- bzw. Handhabungszeit für den Drucktastenschalter differiert dabei

von Person zu Person, oder sie hängt von der Handha-35

bungsmethode ab. Üblicherweise dauert es jedoch I5 bis 20 ms, daß die beiden Drucktasten 28 und 30 durch zwei

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Daumen der Bedienperson im Falle des Defibrillators betätigt werden. Deshalb wird die Energie zum Zeitpunkt t3, wenn die Drucktaste losgelassen wird und der Kontakt des Relais 22 unterbrochen wird, weiterhin niedrig werden, wobei kein Funke vorhanden sein wird, und zwar aufgrund der Tatsache, daß der Kontakt gewissermaßen ausgelöst ist. Bei abgeschaltetem Relais und bei vollständig unterbrochenem Schaltungsstrom wird der Thyristor 16 unmittelbar in seinen Ausschaltzustand zurückgeführt.

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In Fig. 2 und 3 ist angenommen worden, daß der durch Steuerung an der Torelektrode in den Ausschaltzustand steuerbare. -Thyristor als Thyristor verwendet wird. Es sei jedoch angemerkt, daß irgendein anderer Thyristortyp als der erwähnte Thyristortyp nahezu in gleicher Weise betrieben werden kann, da die Abschaltung des Schaltungsstroms mit Hilfe des Relais erfolgt.

Nunmehr sei auf Fig. 5 Bezug genommen, in der ein weiteres Ausführungsbeispiel der in Fig. 3 dargestellten Steuersignalerzeugurigsschaltung 18 gezeigt ist. Eine Steuersignalerzeugungsschaltung 18 gemäß dieser Ausführungsform umfaßt eine Leuchtdiode 46, und zwar zusätzlich zu dem Transformator 31» dem Widerstand 36 *5 und dem Kondensator 38. In diesem Falle kann ein durch Licht triggerbarer Thyrister I6^f mit einer lichtempfindlichen Gate bzw. Torelektrode anstelle des Thyristors verwendet werden, der durch Steuerung an seiner Torelektrode in den Auszustand überführbar ist. Ein dem

verzögerten Steuersignal entsprechendes Lichtsignal kann der lichtempfindlichen Torelektrode des Thyristors I6¹ über eine geeignete optische Faser bzw. Lichtleitfaser zugeführt werden.

Wie aus vorstehendem ohne .weiteres ersichtlich sein dürfte, umfaßt die Betriebsweise und die durch die

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Erfindung erzielte Wirkung zusätzlich zu den zuvor erwähnten Merkmalen noch folgendes. Da die niedrige Spannung zur Triggerung der Torelektrode des Thyristors dadurch erhältlich ist, daß die Hochspannung von dem Kondensaljor her über den Abwärtstransformator abgesenkt wird, ist eine unabhängige Niederspannungsquelle nicht

zusätzlich bzw. gesondert erforderlich. Darüber hinaus ist der Start bzw. die Inbetriebsetzung und der Stopp bzw. das Abschalten des Thyristors dem Betrieb des me-■chanischen Schalters zugehörig, so daß die Schaltoperation der Schaltungsanordnung stark vereinfacht sein wird.

Obwohl die Kondensator-Entladeschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Anwendung bei Defibrillatoren beschrieben worden ist, ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung darauf jedoch nicht beschränkt ist. Vielmehr kann eine Vielzahl von Abänderungen und Modifikationen als im Rahmen der Erfindung liegend vorgenommen werden.

Gemäß solchen Änderungen wird beispielsweise ein Laser als Last verwendet, und eine mit Schallwellenausbreitung arbeitende Einrichtung läßt sich als Steuersignalerzeugungsschaltung verwenden. Ein manueller Messerschalter läßt sich anstelle eines Relais verwenden, und eine Verlängerung einer Verzögerungszeit läßt sich für den Fall anwenden, daß ein verhältnismäßig langer

Prellbetrieb nicht vermieden werden kann. 30

Patentanwalt

Leerseite

Claims

Dipi.-ing. η. MiTSCHERLicH : : · : ■*·:·:: * d-sooo monchen 22

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN* ** " "" Steinsdorfstraße 10

Dr. re r. not. W. KÖRBER ® ^(O89) '^2966U

Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE

10. September 1982

KUREHA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI IvAISHA

9-11 Horiclome-cho 1-chome, Nihonbashi Chuo-ku

Tokio, Japan

und

Radio, Research & Technical Inc.

5-1-4, Ohtsuka, Bunkyo-ku

Tokio, Japan

Patentansprüche

/f 1.) Kondensator-Entladeschaltung mit einem Kondensator und einer Schalteinrichtung-, die zwischen dem Kondensator und einer Last angeschlossen ist, dadurch gekennz e i chne t,

daß die Schalteinrichtung einen mechanischen Schalter

(14) umfaßt, der einen mechanischen Arbeitskontakt aufweist, welcher mit dem Ausgang des Kondensators (lo) verbunden ist,
daß ein elektronischer Schalter (16) in Reihe zum Ausgang des mechanischen Schalters (ik) angeordnet und mit seinem Ausgang mit der Last (12) verbunden ist

und daß eine Steuersignalerzeugungsschaltung (18) vorgesehen ist, die zur Erzeugung eines einem Steuereingang (17) des elektronischen Schalters (i6) zuzuführenden Einschaltsignals dient und die über eine. . Trenneinrichtung (15) zwischen dem mechanischen Schalter (14) und dem elektronischen Schalter (16) derart angeordnet ist, daß vom Ausgang des mechanischen Schalters (14) zu der Steuersignalerzeugungsschaltung (18) bei zwischen dieser und dem betrefffenden mechanischen

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Schalter ("14) vorhandener elektrischer Isolierung eine Betriebsspannung abgebbar ist.

2. Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Schalter (16) ein elektromagnetisches Relais (22) ist.

3. Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter

(16) ein Thyristor ist.

h. Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet. daß der Thyristor (16) eine Torelektrode aufweist, über die er in den Sperrzustand steuerbar ist. 15

5. Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignalerzeugungsschaltung eine Verzögerungsschaltung (36, 38) umfaßt, welche das dem elektronischen Schalter (16) zuzuführende Einschalt-

^O signal verzögert.

6. Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung (36, 38) länger eingestellt ist als durch eine Prellbetriebszeitspanne des mechanischen Schalters (14) gegeben ist.

7. Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet. daß die Trenneinrichtung (15) ein Trans-

formator (3I) ist, der mit einer Primärwicklung (32) am Ausgang des mechanischen Schalters (14) angeschlossen ist und der mit einer Sekundärwicklung (3^0 eine niedrige Spannung an die Steuersignalerzeugungsschaltung (18)

abgibt.
35

8. Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 5 und 6,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltung eine Zeitkonstantenschaltung ist, die einen Widerstand (36) und einen Kondensator (38) aufweist und die in Reihe zu der Sekundärwicklung (3^) des Transformators

(31) liegt,

und daß ein Ausgangssignal der betreffenden Zeitkonstantenschaltung (36, 38) dem elektronischen Schalter (16) als Einsehaltsignal zugeführt wird.

"9· Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relaisschaltung zwei manuell betätigbare Schalter (28, 30) aufweist, die in Reihe zueinander liegen und die mit einem Speisekreis des betreffenden Relais (22) verbunden sind.

10. Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor ein durch Licht triggerbarer Thyristor (16¹) mit einer lichtempfindlichen Torelektrode ist.

11, Kondensator-Entladeschaltung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignalerzeugungsschaltung (18) eine Leuchtdiode (46) aufweist, die Licht für den durch Licht triggerbaren Thyristor (I6¹) als Einsehaltsignal erzeugt.