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Einrichtung zum Steuern von Vakuumzellen mit Hilfe von Anodengittern.
Es sind Steuereinrichtungen für Vakuumzellen bekanntgeworden, die die verschiedenartigsten
Anwendungen des Quecksilberdampfgleichrichters und ähnlichen Steuerröhren auf Energie-und
Frequenzumformung, Abschaltung von grossen Strömen und Leistungen usw. ermöglichen. In wissen- schaftlichen Veröffentlichungen wurde bisher die Ansicht vertreten, dass das Eigentümliche bei diesem
Prinzip darin bestehe, dass man während des Bestehens der Entladungsbedingungen die Tür, d. h. das
Ventil, wohl auf-, nicht aber wieder zumachen kann. Erst wenn die Anode der betreffenden selbständigen
Entladung keine positive Spannung gegen die Kathode mehr besitzt, hört der Strom zu fliessen auf, so dass die" Tür" durch Anlegen einer negativen Spannung geschlossen werden kann.
Alle diese Steuerungen, welche auf dem Thyratronprinzip beruhen, haben bei ihrer Anwendung auf Gleich-und Umrichter den Nachteil, dass die äusseren Schaltungen dieser Apparate den besonderen
Arbeitsbedingungen der Thyratronsteuerung Rechnung tragen müssen und oft sehr kompliziert und teuer werden. Ausserdem gibt es weitere wertvolle Anwendungsmöglichkeiten für Gleichrichter, die aber erst dann praktisch ausführbar sind, wenn es gelingt, die Anodenströme mit besonderen Steuergittern nicht nur in jedem beliebigen Zeitmoment zu zünden, sondern auch auszulösehen, und zwar bevor die Anoden- spannung relativ zur Kathode auf Null abgenommen hat.
Zweck und Aufgabe der Erfindung ist es daher, Steuergitter für Gleichrichter und Steuerröhren so zu dimensionieren, dass es mit diesen im Gegensatz zu den bis jetzt bekanntgewordenen Steuergittern möglich ist, die Tür, d. h. den Stromdurchlass oder das Ventil, auch während des Bestehens der Entladung- bedingungen nicht nur auf-, sondern auch zuzumachen. Auf Grund eingehender Versuche ist der Nachweis gelungen, dass es möglich ist, einen an einer Anode brennenden, von einer kontinuierlichen Gleichstrom- quelle gespeisten Gleichstromlichtbogen durch Steuerung eines entsprechend dimensionierten Steuergitters jederzeit diskontinuierlich zu unterbrechen.
Daraus entstehen neue Möglichkeiten zur Umwandlung von
Gleichstrom in Wechselstrom sowie auch zur Frequenzumwandlung von Wechselströmen zum Abschalten von Gleich-und Wechselströmen zur Entnahme von voreilendem Strom aus stark induktiv belasteten
Wechselstromnetzen usw.
Der Erfindung liegt hiebei der Gedanke zugrunde, durch die Dimensionierung der Durehtritts- öffnungen in Steuergittern von Gleichrichtern oder Lichtbogenapparaten das Abschalten oder Unter- brechen eines durch die Öffnungen hindureh brennenden Lichtbogens in einem gewissen Bereich des
Metalldampf-oder Gasdruckes bei solchen negativen Gitterspannungen zu ermöglichen, die ein Rüekziinden des Gitters noch nicht zur Folge haben.
Wie die Versuche gezeigt haben, wird dies dadurch erreicht, dass bei Vakuumzellen, bei denen Stossionisation im Raum zwischen Gitter und Anode stattfindet, die Öffnungen in den Gittern im Zusammenhang mit dem Metalldampfdruck (Quecksilberdampf) oder Gasdruck (Neon, Argon usw. ), in welchem der Lichtbogen brennt und die Steuerung stattfindet, so bemessen werden, dass der Langmuirsche Dunkelraum dieselben bei solchen negativen Spannungen überdeckt und verschliesst, auf welche sich die Gitter, isoliert angebracht, von selbst aufladen würden. Die Dicke des Langmuirschen
Dunkelraumes ändert nun proportional mit der Wurzel aus der Gitterspannung.
In dem Masse, wie die positive Anodenspannung durch das Gitter und die vorgelagerte Raumladung hindurchgreift, werden
Elektronen aus dem Lichtbogen herausgezogen und gelangen durch die Raumladungsschicht und durch die Löcher des Gitters hindurch zur Anode. Einerseits wirken nun diese Elektronen in der die Maschen des Gitters überdeckenden und verschliessenden Schicht der positiven Raumladung des Gitters neutralisierend, anderseits können sie den Raum zwischen Gitter und Anode durch Stoss ionisieren. Sowohl für den Stromtransport als auch für den Durchgriff der Anode durch das Gitter spielt diese Ionisierung hinter dem Gitter eine grosse Rolle. Ist die Ionisierung z.
B. sehr gering, so dass die neutralisierende Wirkung der gebildeten positiven Ionen nicht hinreicht, um die negative Raumladung der durchtretenden Elektronen zu kompensieren, so schirmt die negative Raumladung der Elektronen das Feld der Anode ab, so dass der
Durchgriff durch das Gitter abnimmt. Bei wachsender negativer Gitterspannung nimmt nun, wie oben bereits erläutert, die Dicke der positiven Raumladeschicht vor dem Gitter zu, so dass der Anodendurchgriff von dieser Seite aus ebenfalls verringert wird. Nach der Townsendschen Theorie ist die Neubildung von
Ladungsträgern durch Stossionisation bei ein und derselben Gas-oder Dampfart und derselben Elektrodenanordnung abhängig von der Anzahl der stossenden Teilchen oder Ionen sowie vom Gasdruck und der
Feldstärke.
Auf vorliegenden Fall angewendet, heisst das, dass die Ladungsträgerbildung (Ionisation) im Raume zwischen Gitter und Anode und damit die Stromaufnahme durch die Anode vom Durchgriff der Anode durch Gitter und vorgelagerte Raumladung, d. h. von der Gitter-und von der Anodenspannung und ausserdem vom Quecksilberdampfdruek (Gasdruck) sowie von der Dimensionierung der Durchtritts- öffnungen im Gitter abhängig ist. Um daher bei Queeksilberdampfdrüeken, wie sie sich im Innern von Grossgleichrichtern selbst bei guter Kühlung einstellen, arbeiten zu können, ist es notwendig, den freien
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Durchtrittsquerschnitt in den Gittern im Vergleich zum Anodenquerschnitt in einem bestimmten, dem Arbeitsdampfdruck angepassten Verhältnis zu halten.
Ausserdem ist die Maschenweite oder der Lochdurchmesser bei perforierten Gittern stets kleiner zu halten als der doppelte Betrag der mittleren freien Weglänge der Gas-oder Dampfmoleküle beim höchsten Arbeitstotaldruck. Für die Stossionisierung im freien Durchtrittsquerschnitt zwischen den Gittermaschen spielt die Ionisierungsspannung des verwendeten Füllgases oder-dampfes insofern eine Rolle, dass Gase mit höherer lonisierungsspannung auch eine höhere, je freie Weglänge durchlaufene Spannung der ionisierenden Elektronen verlangen.
Die Maschenweite des Steuergitters kann daher bei solchen Füllgasen in bezug auf die freie Weglänge grösser gewählt werden
EMI2.1
EMI2.2
EMI2.3
Lochdurchmesser des Steuergitters und X die freie Weglänge zwischen Elektronen und Gasmolekülen im verwendeten Füllgas, so ergibt sich für die Berechnung von d folgender Ausdruck :
EMI2.4
Der Abstand zwischen Gitter und Anode dagegen soll auf keinen Fall mehr als der 50fache Betrag der Maschenweite des Gitters betragen. Die Versuche liessen erkennen, wie die zum Unterbrechen des Anodengleichstromes notwendige negative Gitterspannung mit steigendem Quecksilberdampfdruck zunimmt.
Es ergab sich dabei für einen Druck von 2 x 10-3 mm Hg eine Steuerspannung von etwa 10-20 Volt, bei 10 x 10-3 mm Ha 60-85 Volt und bei 28 x 10-3 mm Hg 290 Volt. Diese Zahlen gelten für einen Gitterdurchtrittsquerschnitt von 40%, bezogen auf die der Kathode zugewandte Anoden- oberfläche, einen Gitterabstand von 4 mm und einen Lochdurchmesser von 0'9 mm. Wählt man bei demselben Gitterabstand einen kleineren Durchtrittsquerschnitt als 40% der Anodenstirnfläche, so sind die notwendigen Gitterspannungen für dieselben Quecksilberdampfdrücke nach kleineren Werten verschoben.
Bei einem Durchtrittsquerschnitt von mehr als 40% dagegen liegen die Gitterspannungen über den angegebenen Werten. Bei grösseren Durchtrittsquerschnitten kommt man daher leicht zu einer solch hohen negativen Gitterspannung, dass das Gitter selbst bei den bestehenden Dampfdrücken zur Kathode wird, d. h. rüekzündet.
Die praktische Anwendungsmöglichkeit solcher Steuergitter auf Gleichrichter, Schalter, Steuerröhren ist naturgemäss eine sehr grosse, nicht nur zur Abschaltung von Rückzündungen, sondern auch zur Steuerung des Vorwärtsstromes zwecks Regulierung der Leistung oder zwecks Frequenzumformung und vor allem zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom beliebiger Frequenz zwischen 0 und 40.000 Hertz und zur Entnahme von voreilendem Strom aus Wechselstromnetzen, d. h. zur Phasenkompensation.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Steuern der Anodengitter und zum Unterbrechen brennender Lichtbogen von Vakuumzellen, bei denen Stossionisation im Raum zwischen Gitter und Anode stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in den vor den Anoden befindliehen Gittern so dimensioniert sind, dass der Langmuirsehe Dunkelraum bei dem gegebenen Metalldampf oder Gasdruck sie schon bei solchen negativen Spannungen überdeckt und verschliesst, auf welche sich das Gitter, isoliert angeordnet, von selbst aufladen würde.