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Anordnung zur Verhinderung von Rückzündungen in lonenventilen.
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Apparate mit Ventilwirkung unter Verwendung einer ionisierten Metalldampfstrecke od. dgl. als Leiter, die gewöhnlich'als Metalldampfgleichrichter oder - Umrichter bezeichnet, im folgenden aber der Einheitlichkeit und Kürze halber Ionenventile genannt werden. Derartige Apparate, die gewöhnlich eine flüssige Kathode und eine wechselnde Anzahl fester Anoden aufweisen, unterliegen oft der Gefahr, dass sich der Kathodenfleek, d. i. der negative Fusspunkt des Lichtbogens, nicht an der eigentlichen Kathode, sondern an anderen Stellen ausbildet, wodurch Störungen verursacht werden. Am empfindlichsten sind diese Störungen, wenn eine Anode selbst zur Kathode wird, denn dies kommt einem vollkommenen Kurzschluss des Hauptstromkreises gleich. Aber auch das Entstehen eines Kathodenflecks an anderen Stellen nahe einer Anode, z.
B. an einem Schutzoder Steuergitter oder an einer Schutzhülse für die Anode, ist sehr gefährlich, da der dort auftretende Lichtbogen im allgemeinen sofort auf die Anode selbst überspringt. Bei Steuergittern ist die Wahrscheinlichkeit der Entstehung eines Kathodenflecks um so grösser, als solchen Gittern zur Herbeiführung der Sperrwirkung ein negatives Potential gegenüber der Anode aufgedrückt wird, wobei die Sperrwirkung um so stärker wird, je grösser die negative Spannung ist.
Die Erfindung bezweckt nun die Entstehung eines Kathodenflecks auf einer Anode oder an deren benachbarten Teilen vollständig zu verhindern und dadurch insbesondere die Benutzung des Ionenventils für höhere Spannungen oder Sperrspannungen als bisher zu ermöglichen.
Die Erfindung gründet sich auf die folgende Überlegung : Die Anode und/oder das Gitter ist während der Sperrzeiträume von einer über die Oberfläche ziemlich gleichförmig verteilten Glimmschicht umgeben, deren Herkunft auf dem Rückstrom beruht. Dieser ist sehr schwach, nur von der Grössenordnung eines Milliampere, der Spannungsabfall in der Glimmschicht dagegen sehr hoch, da er den Hauptteil der aufgedrückten Spannung darstellt. Da nun die Glimmschicht auch sehr dünn ist, wird der Spannungsgradient sehr gross. Solange der Glimmstrom über die Oberfläche gleichförmig verteilt ist, ist er unschädlich. Wird der Glimmstrom aber aus irgendeinem Grunde auf eine Stelle der Oberfläche konzentriert, dann kann die Stromdichte so gross werden, dass diese Stelle kräftig Elektronen aussendet.
Dann aber geht die Glimmentladung augenblicklich in einen Lichtbogen über.
Erfindungsgemäss wird nun die Konzentration des Glimmstromes und damit das Entstehen eines Kathodenflecks an solchen Teilen im Wege des Lichtbogens, die zeitweise eine negative Spannung annehmen können, dadurch vermieden, dass diese Teile mit einem Widerstandsmaterial von hohem spezifischen Widerstande überzogen oder ganz aus einem solchen Material ausgeführt werden. Dieses Material soll einen spezifischen Widerstand von wenigstens 1, aber höchstens 108 Ohmzentimeter besitzen. Wie später näher erläutert wird, kann dadurch eine gefährliche Stromkonzentration verhindert werden.
Die Zeichnung veranschaulicht den Erfindungsgegenstand in beispielsweisen Ausführungen, u. zw. zeigt Fig. 1 eine, gemäss der Erfindung ausgeführte Anode im Schnitt, Fig. 2 eine Einzelheit zu Fig. 1 in grösserem Massstabe, zur Erläuterung der Wirkungsweise, Fig. 3 und 4 geben zwei weitere Ausführungsformen nach der Erfindung im Schnitt wieder.
In Fig. 1 ist 1 die gewöhnlich aus Eisen oder Graphit ausgeführte Anode, die erfindungsgemäss mit einem Belag 2 aus einem Widerstandsmaterial vom spezifischen Widerstand von wenigstens annähernd 1 Ohmzentimeter, z. B. aus Siliziumkarbid (Karborundum, Silit) überzogen ist. Fig. 2 veranschaulicht
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schematisch die Wirkungsweise dieser Anordnung. 3 bezeichnet hier die Schicht der konzentrierten
Glimmentladung und 4 die dieser Konzentration entsprechenden Stromlinien in der Belagsehicht. Wenn der spezifische Widerstand der Belagschicht des Überzuges. 2 genügend hoch ist, wird bei einer solchen
Konzentration die ganze Spannung gegen die Kathode in der Schichte selbst verbraucht, bevor die zur
Zündung eines Lichtbogens hinreichende Stromdichte entsteht.
Die zur Bildung eines Kathodenfleeks an einem bestimmten Material erforderliche Stromdichte kann man erfahrungsgemäss festlegen ; sie ist für Quecksilber von der Grössenordnung 4000 Amp./cm !.
Für die Stoffe, auf die sich die Erfindung bezieht, liegen genaue Messungen noch nicht vor, doch dürfte der Unterschied gegen Quecksilber nicht allzu gross sein. Die Mindeststromstärke, die für einen Lichtbogen bei einer Quecksilberkathode erforderlich ist, beträgt etwa 2 Amp., der Flächeninhalt des Kathodenflecks beläuft sich demnach etwa auf 0,0005 cm2. Der Widerstand zwischen einer solchen Fläche und der gegenüberliegenden Oberfläche des Widerstandsmaterials kann wie ein kapazitiver Widerstand berechnet werden ; die Schichtdicke des Stoffes spielt hiebei allerdings eine verhältnismässig untergeordnete
Rolle. Der Widerstand wird bei obiger Flächengrösse von der Grössenordnung 20 s, worin s der spezifische Widerstand des Materials ist.
Für die untere Grenze von s = 1 Ohmzentimeter entspricht dies bei der
Stromstärke von 2 Amp. einer Spannung von etwa 40 Volt. Nun kann bei einer Spannung unterhalb dieses Wertes eine Rückzündung aus anderen Gründen nicht mehr eintreten, weshalb es zwecklos ist, den spezifischen Widerstand niedriger als 1 Ohmzentimeter zu halten. Für mittlere Spannungen, d. h. zwischen 1000 und 100.000 Volt, sollte die untere Grenze des spezifischen Widerstandes nach den obigen angenäherten Berechnungsgrundlagen zwischen 25 und 2500 Ohmzentimeter wechseln. Eine obere Grenze wird für die Anodenbekleidung dadurch gesetzt, dass der normale Strom keine allzu grossen Verluste verursachen soll ; auch für das Gittermaterial usw. scheiden reine Isolatoren natürlich aus.
Der Belag der Anode selbst mit einem Widerstandsmaterial nach Fig. 1 hat aber den Nachteil, dass auch der normale Strom im Belag einen ziemlich grossen Spannungsabfall hervorruft. Eine Ausführungsform, die von diesem Nachteil frei ist, zeigt Fig. 3. Hier ist die Anode 1 aus Metall oder einem andern, gut leitenden Material ausgeführt, dagegen eine die Anode in an sich bekannter Weise umgebende, in einem Gitter 6 endigende Hülse 5 vollständig oder teilweise aus Widerstandsmaterial ausgeführt, d. h. es können entweder der zylindrische Teil der Hülse oder das Gitter oder beide aus Widerstandsmaterial bestehen bzw. damit überzogen sein. Das Gitter kann hiebei entweder mit der Hülse leitend verbunden oder von dieser isoliert sein.
Das Gitter oder die Hülse oder beide können mit einer Spannungsquelle verbunden sein, die ihnen eine negative Spannung aufdrückt, wodurch entweder eine verstärkte Schutz- oder eine Steuerwirkung hervorgerufen wird.
Hat das Gitter also eine ausreichende negative Spannung, so kann dadurch entweder ein schon vorhandener Lichtbogen beeinflusst oder die Entstehung eines Lichtbogens verzögert oder verhindert werden. Ist das Gitter isoliert, dann nimmt es am Anfang des Sperrzeitraumes selbsttätig eine negative
Spannung an. In allen diesen Fällen liegt die Gefahr der Entstehung eines Kathodenflecks vor, wenn die Oberfläche des Gitters nicht aus Widerstandsmaterial besteht. Da das Gitter so wie andere, gegebenenfalls im Lichtbogenweg liegende Teile keinen nennenswerten Strom führt, bedingt der Belag aus Widerstandsmaterial hier keinen Energieverlust oder anderen Übelstand infolge eines auftretenden Spannungs- abfalles.
Wenn ein Schutzgitter ganz oder an seiner Oberfläche aus Widerstandsmaterial besteht und seine
Spannung durch Verbindung mit der Anode erhält, dann kann es auch aus an der Anode angeordneten
Vorsprüngen zusammengesetzt sein, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Die dort mit 6 bezeichneten Vorsprünge oder Fortsätze bestehen erfindungsgemäss wenigstens in ihren oberflächlichen Teilen aus Widerstandsmaterial. Sie nehmen in der Sperrzeit die Glimmentladung auf, während in den Arbeitsperioden der
Hauptteil des Stromes wie gewöhnlich durch die Oberfläche der eigentlichen Anode 1 hindurchgeht.
Diese Oberfläche kann dann, wie in den übrigen Fällen, wo ein besonderes Schutzgitter zur Verwendung kommt, metallisch sein, doch kann sie auch mit einem Überzug aus Widerstandsmaterial versehen sein.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Verhinderung von Rüekzündungen in Ionenventilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden oder solche, die Strombahn zwischen den Anoden und der Kathode berührende Teile, z. B. Gitter, Hülsen, Schirme, Roste, auf denen während der Sperrzeiträume eine beträchtliche negative
Spannung gegenüber der Kathode aufrechterhalten wird, oder diese Teile und die Anoden, wenigstens in ihren oberflächlichen Schichten aus Stoffen bestehen, die bei den im Apparat normal herrschenden
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zentimeter aufweisen, demnach zwar als hochohmiger Widerstand, aber noch nicht als Isolatoren wirken.