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Metalldampfgleichrichter mit Anodenschutzrohr.
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gemässe Art der Verengung der Lichtbogenbahn ist also geeignet, die Stromverteilung auf der Anode selbsttätig zu regeln und daher auch besonders vorteilhaft anzuwenden, wenn mehrere Anoden parallel geschaltet sind. Wenn diese verschieden parallel geschalteten Anoden mit den Verengungen der Lichtbogenbahn ausgerüstet sind, so ist sichergestellt, dass, nachdem anfänglich nur eine Anode Strom geführt hat, von einer gewissen Stromstärke ab, soweit der Spannungsabfall zwischen dieser Anode und der Kathode hinreichend steigend wird, eine weitere der parallel geschalteten Anoden die Stromführung zusätzlich übernimmt.
Um sicherzustellen, dass bei Beginn der negativen Halbperiode der Anodenspannung aus dem Entladungsraum der Anode zueilende positive Ionen wirksam abgefangen werden und es nicht dazu kommt, dass etwa von der Anode ausgehende Elektronen Dampfmoleküle ionisieren, ist es vorteilhaft, die Länge der Einbeulungen grösser als den Durchmesser des Anodenschutz- rohres zu wählen, so dass die Länge der Einbeulungen praktisch gleich oder grösser oder aber zumindest in der Grössenordnung der freien Weglänge der Elektronen ist.
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gestellt. Unterhalb der Anode 34 ist die Anodenkammer durch Einbeulungen 41 verengt.
Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, ist die Länge der Einbeulungen grösser als der Durchmesser der Anodenkammer.
Für die Beurteilung des Erfindungsgedankens ist es erforderlich, die Entladungsvorgänge im Gleichrichtergefäss zu erläutern. Bekanntlich nimmt der Spannungsabfall von Quecksilberdampflichtbögen von kleinem Strom an bis zu dem Strom, den man bisher als Vollaststrom bezeichnete, mit zunehmendem Strom ab. Solche Stromspannungs-Charakteristiken nennt man , fallend" oder man spricht auch von einem negativen"Widerstand. Wird ein solcher Widerstand von Strom durchflossen, so wird nach dem Jouleschen Gesetz auch in ihm Wärme erzeugt, wie in einem ebenso grossen positiven Widerstand.
Es hat sich nun herausgestellt, dass bei höherem Strom der Spannungsabfall wieder zunimmt und schliesslich bei grossem Strom auf einen beträchtlichen Wert ansteigt. Diese Zunahme des Lichtbogenabfalles mit zunehmendem Strom ist kennzeichnend für Quecksilberdampfgleichrichter mit niedrigem Dampfdruck und hoher Belastung, während in dem vorher erwähnten Bereich des negativen Lichtbogenwiderstandes der Dampfdruck vorzugsweise hoch und die Stromstärke niedrig ist. Der positive Widerstand ist daher wahrscheinlich eine Folge der Annäherung an den Zustand restloser Ionisation aller in dem Raum vor den Anoden befindlichen Quecksilberatome. Ein Beispiel einer derartigen Kurve ist mit (t in Fig. 3 gezeichnet.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass der Grenzstrom, der mit Sicherheit durch eine Anode bewältigt werden kann, beträchtlich über dem Wert liegt, bei dem der Lichtbogenwiderstand positiv wird.
Wenn mehrere Anoden parallel geschaltet sind, führt die Anode, die die kleinste Zündspannung hat, bei kleiner Belastung den Gesamtstrom, und dieser Zustand bleibt bei zu- nehmendem Gesamtstrom während des ganzen fallenden Teiles der Stromspannungskennlinie des Lichtbogens und im steigenden Teil dieser Kurve bis zu dem Punkt bestehen, bei dem die Zündspannung einer andern der parallel geschalteten Anoden überwunden wird. Dann beginnt auch diese Anode Strom zu führen.
Diese Verhältnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Mit a ist die Stromspannungskennlinie eines mit niedrigem Dampfdruck arbeitenden Quecksilberdampfgleichrichters wiedergegeben, bei dem der Lichtbogenabfall, also die Spannung zwischen Anode und Kathode, als Ordinate und der Anodenstrom als Abszisse aufgetragen sind. Der Grenzstrom für eine einzelne Anode liegt beispielspeise ungefähr beim Punkt 30 der Kurve a, und er entspricht einer Spannungsdifferenz von ungefähr 50 Volt zwischen Anode und Kathode. Die Kurven b und c stellen den Strom dar von zwei parallelgeschalteten Anoden. Wenn der als Abszisse aufgetragene Strom klein ist, wird er vollkommen durch eine Anode fliessen, wie es die Kurve b wiedergibt.
Der Lichtbogenabfall nimmt nämlich bei so kleinem Strom mit zunehmendem Strom ab, so dass der Gesamtverlust kleiner ist, wenn eine Anode den ganzen Strom führt, als wenn zwei parallelgeschaltete Anoden je etwa den halben Strom führen. Wenn der Strom den Bereich des negativen Lichtbogenwiderstandes überschritten und einen bei 31 angedeuteten Wert erreicht hat, der den Punkt 32 im positiven Bereich des Widerstandes der Kurve a entspricht, bei dem der Spannungsabfall gerade so gross ist wie die Zündspannung der zweiten Anode, beginnt diese Anode Strom zu führen, wie Kurve c darstellt. Von diesem Punkt an beginnt die gleichmässigere Verteilung der parallelgeschalteten Anoden.
Der noch bestehende Unterschied des von ihnen geführten Stromes ist hauptsächlich eine Folge des durch die Verschiedenheit der Länge des Lichtbogens zwischen Anode und Kathode verursachten Unterschiedes im Lichtbogenwiderstand.
Da beim Punkt 31 der Strom kleiner ist als der höchste für eine einzelne Anode zulässige Strom, nämlich kleiner als der Strom bei Punkt 30, ist die ungleichmässige Verteilung bis zu dieser kleinen Belastung nicht nachteilig für die allein brennende Anode. Bei grossen
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Belastungen, die sich dem Grenzwert 3U nähern, verleilt sich der Strom ziemlich gleichmässig auf die Anoden. Es ist demnach der Gesamtstrom, der durch das Anodenpaar übertragen werden kann, ungefähr doppelt so gross wie der, der mit Sicherheit durch eine einzige Anode übertragen werden kann. In derselben Weise können drei oder mehr Anoden miteinander oder mit einer einzigen Transformatorklemme verbunden werden.
Der gesamte Anodenstrom kann dann auf das Drei-oder Mehrfache desjenigen Stromes vergrössert werden, der durch eine einzige Anode gleicher Grösse übertragen werden kann, ohne dass äussere Mittel zur Stabilisierung der Parallelschaltung erforderlich sind.
Ein weiterer Schritt, der besonders für Gleichrichter mit Metallgefäss. bei denen der Querschnitt des Durchführungsleiters sehr gross gewählt werden kann, von Bedeutung ist, besteht in der Vereinigung dieser kleinen Anoden zu einer grossen Anode mit einem bis dicht vor die Anodenoberfläche unterteilten Lichtbogenführungsrohr. Anstatt also die parallelgeschalteten Anoden ausserhalb des Metallgefässes miteinander zu verbinden, können sie innerhalb des Gefässes miteinander verbunden oder sogar zu einer einzigen grossen Anode vereinigt sein, zu der der Lichtbogen über zwei oder mehr parallele Wege geleitet wird.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Anode, der in dieser Weise der Strom zugeführt wird, denselben Strom mit Sicherheit führen kann wie zwei oder mehr kleinere in der oben beschriebenen Weise parallel-
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armes mit einem einzigen zu ihr führenden Durchlass angeordnet ist, arbeitet sie bei demselben Dampfdruck nicht so zufriedenstellend wie die kleineren Anoden bei demselben Dampfdruck.
Es muss vielmehr der Druck so weit erniedrigt werden, dass die grosse Anode nicht mehr Strom führt als eine einzelne kleine Anode. Beispielsweise muss eine in einem Arm von 25 cm Durchmesser angeordnete Anode bei einem Druck von ungefähr 0'0006 mm Hg arbeiten, damit sie denselben Strom führen kann wie eine in einem Arm von 7'5 cm angeordnete und bei ungefähr 0'005 mm Dampfdruck arbeitende Anode. Falls in beiden Fällen nur eine Gleichspannung von 3000 Volt entnommen werden soll, ist es nicht erforderlich, dass die parallelen Wege zu der Anode vollkommen getrennt verlaufen, sondern sie können auch dicht nebeneinanderliegen.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festzulegen, kann man annehmen, dass das Kriterium für eine geeignete Bauart von der Wahrscheinlichkeit abhängt, mit der ein Elektron, das von der Anode zur Kathode wandert. die Wände der Lichtbogenführung oder des Gefässes berührt, bevor es mit einem Quecksilberatom zusammentrifft. Wenn diese Wahrscheinlichkeit unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, ist ein zufriedenstellendes Arbeiten möglich. Wenn diese Wahrscheinlichkeit grösser ist, können Rückzündungen auftreten. Die kritische Zusammenstosswahrscheinlichkeit hängt. von der gleichzurichtenden Spannung ab, und sie ist um so kleiner, je höher die Spannung ist.
Die Lichtbogenführungsrohre müssen so bemessen sein, dass oberhalb eines Stromwertes, bei dem ein einem Führungsrohr zugeordnetes Oberflächenelement durch den Gesamtstrom überlastet würde, der Lichtbogenwiderstand positiv ist und gross genug, um eine ausreichende gleichmässige Verteilung des Stromes auf die parallelgeschalteten Rohre zu bewirken. Es ist klar, dass die Lichtbogenführung ihren Zweck nur erreicht, wenn die Führungswände bis unmittelbar an die Anoden geführt werden. Beträgt der Abstand zwischen ihrem Ende und der Anode mehr als 10 cm, so hört die Wirkung vollkommen auf. Die günstigste Entfernung ist etwa 1 cm. Bei zu kleinem Abstand stört die im Anodenfall freiwerdende Wärme, weil durch sie die Führungswände schmelzen.
Hinsichtlich der Abmessungen der Führungskanäle hat man einen weiten Spielraum, da mit langen, weiten Kanälen dieselbe Wirkung erzielt werden kann wie mit kurzen, engen.
Die durch diese Führungen erzwungenen Lichtbogenverluste sollten schon mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad nicht unnötig gross gemacht werden. Es besteht aber auch die Gefahr, dass bei zu grossem zusätzlichem Lichtbogenabfall, der eine Potentialdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Bogens in den Kanal darstellt, diese Differenz sich über die Führungswände des Kanals, falls sie aus Leitern bestehen, ausgleichen. Es bildet sich dann an der der Anode zugewandten Seite eine anodische Entladung. Diese Gefahr kann durch Verwendung von Führungswänden aus Isoliermaterial oder auch durch Unterteilen der Führungswände in voneinander isolierte Abschnitte beseitigt werden.
Wenn anderseits die Stromdichte zu gross gewählt wird, ist ein zu grosser Prozentsatz der Dampfatome ionisiert. Diese Ionen werden aus dem Führungskanal durch das elektrische Feld entfernt und es tritt ein Mangel an Dampf und damit an Ionen ein. Der Lichtbogenabfall nimmt dann während jeder Stromperiode von Anfang bis zum Ende zu. Der Lichtbogen reisst dann häufig gerade bei grosser Stromstärke in so kurzer Zeit ab, dass wegen der Induktivität des vom Anodenstrom durchflossenen Kreises sehr hohe Überspannungen auftreten.
Eine andere wichtige Bedeutung hat die Beseitigung der Ionen, welche am Ende eines Stromwechsels in dem Raum unterhalb der Anoden verbleiben. Wenn diese Ionen nicht schnell
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absorbiert werden, können sie die Anode bombardieren und auf ihr einen Kathodel1fleck er- zeugen. Um diese lohen zu absorbieren, ist der Raum unterhalb der Anode innerhalb der Anodenkammer in die erwähnten engen und verhältnismässig langen Räume unterteilt, deren Oberflächen zum Absorbieren von Ionen geeignet sind. Auch für diese Wirkung der Führungswände ist es nicht erforderlich, dass sie aus leitendem Material bestehen ; Wände aus Isoliermaterial haben dieselbe Wirkung. Selbstverständlich dürfen Wände aus leitendem Material weder mit der Anode noch mit der Kathode in leitender Verbindung stehen.
Die wichtige Dimensionierung von Grösse und Abstand derartiger Oberflächen hängt von der an die Anoden anzulegenden Spannung und vom Strom ab.
Diesen Erfordernissen trägt der Erfindungsgedanke in besonders einfacher Weise Rechnung.
Insbesondere wird dadurch erreicht, dass am Ende jedes Stromwechsels die restlichen Ionen schnell absorbiert werden und die Stosswahrseheinlichkeit der Elektronen mit Quecksilberatomen erheblich verkleinert wird.
PATENT-ANSPRÜCHE:
1. Metalldampfgleichrichter mit Anodenschutzrohr, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einbeulungen die Oberfläche des Anodenschutzrohres vergrössert und der Querschnitt des Anodenschutzrohres unterteilt ist.