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Einriehtung zur Strombegrenzung in Hochspannungsstromkreisen.
Um bei Einrichtungen, die mit hochgespannten Strömen arbeiten, ein unzulässiges Ansteigen der Stromstärke zu vermeiden, das beispielsweise dadurch eintreten kann, dass der Durchschlag einer Isoiation erfolgt, hat man bisher in den Hoehspannungsstromkreis hochohmig Widerstände eingeschaltet.
Dadurch wurde erreicht, dass entsprechend der Höhe dieser Widerstände und der von der Apparatur gegebenen Spannung eine gewisse Hoehststromstärke auftreten kann. Um jedoch bei hohen Spannungen, wie sie beispielsweise zur Prüfung von Isoliermaterial benötigt werden, ein allzu hohes Ansteigen der Stromstärke zu vermeiden, mussten die Widerstände entsprechend hoch gewählt werden. Wenn bereits eine Vorentladung eintrat, die jedem Durchschlag vorausgeht, so wurden die Widerstände in der Weise wirksam, dass die Prüfspannung wesentlich absank, wodurch das Moment des Durchschlages sich wiederum verzögert.
Will man dieses Nachlassen vermeiden, so ist bei entsprechend minimaler Bemessung der Widerstände im Augenblick des Durchschlages mit sehr hohen Stromstärken zu rechnen und eine unverhältnismässig grosse und kostspielige Bemessung der Prüftransformatoren selbst sowie ihrer Zuleitungen erforderlich. Ganz abgesehen davon sind die zurzeit vorzugsweise verwendeten Widerstände in ihrer Leitfähigkeit ausserordentlich starken Schwankungen unterworfen.
Diese Übelstände sind nach der Erfindung dadurch vermieden, dass in den Hochspannungsstromkreis eine Dreielektrodenröhre eingeschaltet ist, deren Kathode mit dem einen Ende eines Widerstandes verbunden ist, an dessen anderm Ende der Hochspannungsstromkreis und das Gitter liegen.
Diese Dreielektrodenröhre stellt innerhalb des Hochspannungsstromkreises einen Widerstand dar, dessen Wirksamkeit mit einer beliebig einstellbaren, scharfen Grenze eintritt. Bei der Isolationsprüfung beispielsweise setzt nicht schon bei der dem Durchschlag vorausgehenden Entladung ein Spannungsabfall ein, der das Durchschlagsbild stört, sondern es kann erst die gewünschte Entladung erfolgen und doch ist dabei sicher verhütet, dass diejenige Stromstärke nicht wesentlich überschritten wird, welche die Voraussetzung eines wirksamen Durchsehlages bildet. Diese Grenze ist genau durch geeignete Wahl des zwischen der Glühkathode und dem Gitter einzuschaltenden Widerstandes einstellbar, wobei der durch diesen Widerstand verursachte Spannungsverlust gegenüber der am Durchschlagsort wirksamen Spannung nicht ins Gewicht fällt.
Die Dreielektrodenröhre wirkt daher zusammen mit dem Widerstand als ein selbsttätiger Strombegrenzer.
Um dabei zu vermeiden, dass innerhalb der Dreielektrodenrohre selbst ein vorzeitiger Spannungsabfall durch die Wirkung des Gitters eintritt, erhält dieses zweckmässig mittels einer zwischen Gitter und Widerstand eingeschalteten Spannungsquelle eine positive Vorspannung. Diese Vorspannung wird erst mit Eintritt der kritischen Entladung dadurch ausgeglichen, dass sich an den Enden des Widerstandes infolge des erhöhten Stromdurchganges eine entgegengesetzt gerichtete Spannungsdifferenz ausbildet, welche mit weiterem Ansteigen des Stromes so gross wird, dass das Gitter eine negative Vorspannung erhält, die nunmehr eine weitere Erhöhung des Stromdurchganges ausschliesst.
Bei Anwendung der Einrichtung für Röntgenanlagen kann man in den Hochspannungsstromkreis die DreielektrodenrÏhre mit der genannten Verbindung der Kathode, des Gitters und des Hochspannungstromkreises mit einem hochohmigen Widerstand einschalten, es kann aber auch bei Anlagen, bei welchen die Gleichrichtung mittels Ventilröhren erfolgt, die zusätzliche Einschaltung einer derartigen besonderen, als Strombegrenzer wirkenden Rohre dadurch erübrigt werden, dass die Ventilröhre selbst mit einem
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Steuergitter versehen ist, das mit dem einen Ende eines hocholnügen Widerstandes verbunden ist, an dem auch der Hochspannungsstromkreis liegt, während an das andere Ende des Widerstandes die Kathode der Ventilröhre angeschlossen ist.
Zweckmässig wird auch hier zwischen dem Widerstand und dem Gitter eine Spannungsquelle eingeschaltet, durch welche das Gitter beim normalen Betrieb der Röntgenröhre eine positive Vorspannung erhält, so dass die Charakteristik in den Grenzen normaler Stromentnahme der der üblichen Zweielektrodenröhren gleicht. Eine derartige Schaltung gewährt, zumal beim Therapiebetrieb, ganz besondere Vorteile.
Einerseits ist durch diese Einrichtung ein wirksamer Schutz der Röntgenröhre selbst erzielt.
Bei den hohen Spannungen von beispielsweise 200 KV ; die an eine solche Röhre gelegt werden, setzt bei gelegentlichen Gasausbrüchen eine Stossionisation ein, die infolge des Leitendwerdens der gesamten inneren Rohrenkugel und der hiebei auftretenden ausserordentlich hohen Stromstärke nahezu regelmässig zur Zerstörung der Röntgenröhre führt. In diesem Fall tritt nun die strombegrenzende Wirkung der Dreielektrodenröhre in Tätigkeit, wobei gleichzeitig die gefährdete Röntgenröhre selbst in dem Masse von der Betriebsspannung entlastet wird, wie diese Spannung sich an den Enden der Dreielektrodenröhre ausbildet. Anderseits ist ein wirksamer Schutz gegen die Gefährdung von Menschen, welche z. B. aus Unachtsamkeit mit der Hochspannung in Berührung kommen, erreicht.
Unbedingt verhindert bereits die genannte Einschaltung einer Dreielektrodenröhre und eines hochohmigen Widerstandes in die eine Stromzuleitung bei Berührung beider Zuleitungen das Auftreten kurzschlussähnlicher Entladungen, welche erfahrungsgemäss zum Tode führen können. Wirksamer ist dieser Schutz, wenn erfindungsgemäss in beide Zuleitungen zur Röntgenröhre je eine derartige Dreielektrodenröhre mit Widerstand eingeschaltet ist, so dass bei einpoliger Berührung in jedem Fall auch die Kapazitätsströme entsprechend begrenzt sind.
Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Einrichtung nach der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anwendung der Einrichtung nach der Erfindung bei der Prüfung von Isolierstoffen auf Durchschlagsfestigkeit und Fig. 2 bei Röntgenanlagen. Gemäss Fig. 1 soll eine Platte 1 aus Isolierstoff auf ihre Durchschlagsfestigkeit hin geprüft werden. Zu diesem Zweck liegt die Platte in bekannter Weise zwischen einer plattenförmigen Elektrode 2 und einer spitzen Elektrode. 3.
Parallel zu den Elektroden 2 und 3 liegen Kugeln 4 einer Messfunkenstrecke. Ein Hochspannungtransformator 5 liefert die Prüfspannung. Der eine Pol 6 des Transformators ist durch eine Leitung 7 mit der spitzen Elektrode 3 verbunden.
Zwischen dem andern Pol 8 des Transformators 5 und der plattenförmigen Elektrode 2 ist eine Dreielektrodenröhre 9 eingeschaltet. Diese Röhre hat eine Glühkathode 10, eine Anode 11 und ein Gitter 12. Die Kathode 10 erhält ihren Heizstrom durch einen Heiztransformator 13. Die Anode 11 ist durch eine Leitung 14 mit der plattenförmigen Elektrode 2 verbunden. Der Pol 8 des Transformators 5 ist an die Glühkathode 10 unter Zwischenschaltung eines hochohmigen Widerstandes 15 angeschlossen.
Das der Glühkathode 10 abgewandte Ende des Widerstandes 15 ist unter Zwischenschaltung einer Anodenbatterie 16 mit dem Gitter 12 verbunden, u. zw. so, dass dieses am positiven Pol der Batterie liegt.
Die Abmessungen des Gitters 12 und seine Lage gegenüber der Glühkathode. 10 sind so gewählt, dass, wenn dieses Gitter eine positive Vorspannung von beispielsweise 200 Volt hat, ein ungesehwächter Stromdurchgang von der Glühkathode zur Anode 11 stattfindet. Das Gitter verhindert jeglichen Stromdurchgang, wenn sein Potential gegenüber der Glühkathode negativ wird. Dann betrage die positive Vorspannung, welche die Batterie 16 dem Gitter erteilt, 400 Volt. Die Grösse des hochohmigen Widerstandes 15 betrage 1000 Ohm. Angenommen, die zum Durchschlag notwendige Stromstärke betrage 200 Milliampere, so wird sich beim Durchgang dieses Stromes durch den Widerstand 15 eine Spannungs- . differenz von 200 Volt an seinen Enden ausbilden.
Die an dem Gitter 12 liegende positive Vorspannung von 400 Volt wird infolge dieser im entgegengesetzten Sinne am Widerstand auftretenden Spannungdifferenz um 200 Volt positiver Vorspannung erniedrigt. Die Dreielektrodenröhre 9 bewirkt also nach gegebener Voraussetzung noch keinen Spannungsverlust, so dass der Durchbruch der zu prüfenden Platte 1 ungestört erfolgen kann. Nunmehr kann der an dieser Stelle einsetzende Durchschlagsstrom, der einem Kurzschlussstrom praktisch gleichkommt, die Grösse von 400 Milliampere nicht überschreiten, weil bereits bei einem Stromdurchgang von 400 Milliampere durch den Widerstand 15 die sich ausbildende Spannungdifferenz 400 Volt beträgt, so dass bei weiterem Anwachsen das Gitter 12 negativ werden würde, was nach der Voraussetzung einer völligen Abdrosselung jedes Stromdurchgangs gleichkommt.
Es ist also der Zweck erreicht worden, dass der Transformator relativ klein gewählt werden kann ! da seine Wirksamkeit einerseits nicht durch die frühzeitig in Wirksamkeit tretenden Widerstände normaler Art geschwächt wird, anderseits nach erfolgtem Durchschlag nicht mehr Strom entnommen zu werden braucht als zur Erreichung des herbeizuführenden Durchschlags notwendig ist.
Bei der Röntgenanlage nach Fig. 2 ist eine Glühkathodenröntgenröhre 17 üblicher Bauart mit der Anode 18 und der Glühkathode. 19 verwendet, die durch einen Heiztransformator 20 gespeist wird. Diese Röhre liegt in dem Arbeitsraum 21, der durch eine Wand 22 von dem Hochspannungsraum 23 getrennt ist. Die Zuleitungen 24, 25 der Röntgenröhre sind durch die Trennwand 22 isoliert hindurchgeführt. Den zum Betrieb der Röntgenröhre 17 erforderlichen hochgespannten Wechselstrom liefert
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der Transformator 26. Der Pol 27 des Transformators : Z6 ist über eine Ventitröhre 2 mit der Kathode 9 der Röntgenröhre 17 verbunden.
Der Pol 29 des Transformators ist über eine zweite Ventilröhre 28 mit der Anode 18 der Röhre 17 verbunden. Beide Ventilröhren 28 sind im Sinne der Einrichtung nach Fig. 1 als Dreielektrodenröhren ausgebildet. Zwischen der Anode 30 und der Kathode 31 der Röhren 28 liegen Steuergitter 32, die ebenso wie bei der Einrichtung nach Fig. 1 unter Einschaltung einer Anodenbatterie 33 und eines hochohmigen Widerstandes 34 mit der Kathode 31 verbunden sind.
Die durch die Anodenbatterie den Gittern 32 beider Ventilröhren 28 erteilte Vorpsannung betrage z. B. 400 Volt, die Grösse der Widerstände 34 sei 100000 Ohm. Die normale Stromstärke der Röntgenröhre 17 betrage 2 Milliampere. Es beträgt dann die an den Enden der Widerstände 34 auftretende, gegen die Anodenbatterie 33 gerichtete Spannungsdifferenz 200 Volt, wodurch die positive Vorspannung des Gitters 32 auf 200 Volt herabgesetzt wird. Bei dieser Spannung arbeiten die Ventilröhren 28 noch verlustlos, also mit der normalen Charakteristik einer Ventilröhre.
Tritt nun in der Röntgenröhre 17 ein Gasausbrueh ein, der eine Stossionisation und entsprechende Verminderung des Widerstandes der Röhre zur Folge hat, so würde bei Verwendung üblicher Ventilröhren die Stromstärke augenblicklich so hoch anwachsen können, dass die Röhre zerstört wird. Aber schon, wenn infolge der Stossionisation der Röhrenstrom auf 4 Milliampere angestiegen ist, beträgt die an den Widerständen 34 auftretende Gegenspannung 400 Volt, so dass bei weiterem Ansteigen die Vorspannung des Gitters gegen den Glühdraht negativ wird, was ein weiteres Anwachsen des Stromes endgültig verhindert.
Bei der gewählten Grösse der Widerstände ist demgemäss überhaupt eine höhere Stromentnahme als 4 Milliampere an den Enden der Hochspannungsleitungen 24,25 innerhalb des Bestrahlungsraumes 21 ausgeschlossen, so dass auch eine unmittelbare Berührung den Körper vor einem höheren Stromdurchgang als 4 Milliampere wirksam sehützt, einer Grössenanordnung, welche erfahrungsgemäss als unschädlich bezeichnet werden kann.
Auch bei einpoliger Berührung könnte demgemäss der auftretende Kapazitätsstrom niemals die Grösse von 4 Milliampere überschreiten, weil in jeder Zuleitung 24 und 25 zur Röntgenröhre 17 eine als Dreielektrodenröhre dienende Ventilröhre 28 eingeschaltet ist. Aber auch wenn nur in der einen Zuleitung eine derartige Dreielektrodenröhre 28 vorgesehen wäre, würde diese bereits einen wirksamen Schutz der Röntgenröhre 17 selbst bilden und ebenso einen gewissen Schutz gegen die bedeutend gefährlicheren Kurzschlussströme bei zweipoliger Berührung.
Die Einrichtung nach der Erfindung eignet sich grundsätzlich für Hochspannungskreise jeder Art, wo eine zeitlose Begrenzung der Stromstärke erforderlich ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Strombegrenzung in Hochspannungsstromkreisen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hoehspannungsstromkreis eine Dreielektrodenröhre (9) eingeschaltet ist, deren Kathode (10) mit dem einen Ende eines Widerstandes (15) verbunden ist, an dessen anderm Ende der Hochspannungstromkreis und das Gitter (12) liegen.