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Vorrichtung zur Steuerung des elektrischen Durchgangsstromes in Vakuumgefäjssen mittels eines magnetischen Transversalfeldes.
Vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung des elektrischen Durchgangsstromes in Vakuumgefässen mittels eines magnetischen Transversalfeldes, bei der mehrere in einer Ebene der Kathode gegenüberliegende Anoden von Anzapfungen eines Transformators, gegebenenfalls über Drosselspulen, angeschlossen sind, und besteht in einer derartigen Bemessung der Transformator-bzw.
Drosselwicklungen und Anoden sowie ihrer Abstände, dass der Kathodenstrahl bei der Steuerfeldstärke Null in ein Büschel zu allen Anoden fliessenden Strahlen aufgelöst ist.
Hiedurch kann das magnetische Steuerungsprinzip wesentlich günstiger sowie in seiner Wirkung harmonischer und viel kontinuierlicher ausgenutzt werden. Die Auflösung des Kathodenstrahles in ein Büschel feiner Einzelstrahlen wird dadurch erreicht, dass die Anodenabstände und die Transformatoranzapfungen mit den vorgeschalteten Drosseln derart bemessen werden, dass alle diese Stromwege nahezu den gleichen ohmschen Widerstand haben. Die Einzelstrahlen führen dann bei der Steuerfeldstärke Null die gleiche Stromstärke.
Um die einzelnen dünnen Kathodenstrahlen beiderseits periodisch abzulenken, genügt dann ein sehr schwaches magnetisches Steuerwechselfeld, dessen Seheitelwert nur zirka lez (ein Prozent) der im Luftspalt elektrischer Maschinen auftretenden Feldstärken zu betragen braucht.
Durch den Umstand, dass das magnetische Steuerfeld so schwach sein kann, wird der bekannte Eisenschluss der Felder nicht erforderlich. Es genügt vielmehr ein durch Luft geschlossenes Steuerfeld, welches von Magnetspulen, die auf dem Vakuumgefäss aussen aufliegen, erzeugt wird. Die Anordnung gewinnt dadurch wesentlich an Einfachheit.
Durch die vorliegende Erfindung wird das Anwendungsgebiet der magnetischen Transversalsteuerung des Kathodenstrahles ausserordentlich erweitert. Diese Steuerung ist nicht nur bei Wechselrichter und Umrichtern, sondern auch bei (gesteuerten) Gleichrichtern verwendbar, je nachdem, ob der Energiestrom von der Gleich- oder Wechselstromseite aus durch das Vakuumgefäss geschickt wird. Es ist beispielsweise auch eine kombinierte Verwendungsart desselben Gefässes möglich, nämlich (in bekannter Weise) als Gleichrichter zum Laden von Akkumulatoren aus Wechselstromnetzen und als Wechselrichter zum darauffolgenden Entladen derselben in das gleiche Wechselstromnetz. In der Schwachstromtechnik ist eine Anwendungsmögliehkeit als Relais und Verstärkerröhre zu nennen.
Im letzteren Falle wird der zu verstärkende bzw. zu übertragende Gleich-oder Modulationsstrom zur Erzeugung des Steuerfeldes herangezogen, das den Kathodenstrahl ablenkend beeinflusst und sein Auftreffen auf eine Doppelanode entsprechend moduliert.
In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsformen der Einrichtung gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
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Er besteht aus einem Vakuumgefäss (z. B. aus Glas), an dessen Unterseite die Kathode 1 angeordnet ist, die aus einem mit Quecksilber gefüllten Napf besteht. Die Anoden sind in einer Hauptmeridianebene des Gefässes derart angebracht, dass gegenüber der Kathode die mittlere Anode (Nullanode Ao) liegt.
Beiderseits symmetrisch zu Ao sind in gleichen Winkelabständen die Seitenanoden..'1+1 bis A+3 ange- ordnet, die in beliebiger Zahl vorhanden sein können. Das Gefäss wird mit einem Transformator T von entsprechender Induktivität so zusammengeschaltet, dass die Nullanode Ao über eine Nulldrossel Do am primären Nullpunkt P des Transformators liegt ; die symmetrisch abgestuften Drosseln D+1 bis D+3
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sind an enspreehend ausgewählte Anzapfungen der Primärwicklung des Transformators angeschlossen. Der Nullpunkt P des Transformators T ist anderseits an den Pluspol der Gleiehstromenergiequelle G und die Kathode J an den Minuspol derselben angeschlossen.
Durch den Nullpunkt P des Transformators T wird die Primärwicklung in zwei Hälften geteilt, welche den gleichen Wieldungssinn haben.
Die Steuerspulen Ei, E2 haben bei der dargestellten Ausführungsform Kreisgestalt und liegen als Parallelkreise in Parallelebenen beiderseits zum Hauptmeridian der Anodenebene.
Diese Steuerspulen können in Parallel-oder Serienschaltung an die Weehselstromquelle 11'angeschlossen werden. Wenn jedoch keine Weehselstromquelle zur Verfügung steht, so kann, wie Versuche gezeigt haben, auch mit abwechselnd entgegengesetzt gerichteten Gleiehstromstössen gesteuert werden, ohne die günstige Funktion der Anordnung zu beeinträchtigen. Es ist daher möglich, jeden periodisch
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Hammer, Pendel-Unterbrecher, elektromagnetisch angestossene Stimmgabel usw. ) als Taktgeber zu verwenden. Da die Steuerleitung sehr gering ist, können diese einfachen Organe Niederspannungs-und Schwachstromcharakter erhalten.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende : Das Vakuumgefäss wird zunächst nach einer der bekannten Methoden gezündet und dann die Steuerspulen Ei, E2 an die Wechselstromquelle IF angeschaltet.
Der von den Steuerspulen aufgenommene Strom ist ein harmonisch pulsierender Wechselstrom von der Form : i = ia cos wt.
Das von diesem Steuerstrom erzeugte Transversalfeld :
B = Bo cos wt pulsiert im gleichen Takte wie der Erregerstrom.
Wenn im Zeitpunkte a (Fig. 2) das Steuerfeld B den Wert Null hat, so wird sieh infolge des Um- standes, dass sämtliche Anoden am gleichen positiven Potential der Gleichstromquelle G liegen, von der Kathode zu sämtlichen Anoden ein Büschel feiner Strahlen ausbilden. Wenn dann das Steuerfeld im positiven Sinne immer mehr und mehr entsteht, werden die von der Kathode zu den einzelnen Anoden brennenden Strahlen entsprechend der elektrodynamischen Ablenkung immer mehr nach der einen Seite abgelenkt werden. Dadurch entsteht eine Wirkung, die mit dem seitlichen Zusammentreffen eines ausgebreiteten Fächers zu vergleichen ist. Wenn im Zeitpunkte b das Steuerfeld seinen Höchstwert + Bo erreicht hat, wird nur mehr eine der beiden äussersten (Grenz-) Anoden allein brennen.
Nach Überschreiten des Maximums nimmt die Intensität des Steuerfeldes wieder gegen Null ab. Das zusammengerafft Ce- wesene Strahlenbüschel breitet sieh daher wieder derart aus, dass es im Zeitpunkte c zu allen Anoden gleichzeitig brennt. Während der Dauer der negativen Halbwelle (c bis e) spielt sich der geschilderte Vorgang des Zusammenraffens und Ausbreiten des Strahlenbüschels in der gleichen Weise wie oben geschildert, jedoch nach der entgegengesetzten Seite des Gefässes ab.
Dieser im Vakuumgefäss harmonisch ablaufende Vorgang hat auf die Primärwicklung des Trans- folmators folgende Wirkung :
Im Zeitpunkte a, in dem sämtliche Anoden gleichzeitig brennen, fliessen durch die beiden im gleichen Sinne gewickelten Hälften der Primärwicklung des Transformators räumlich entgegengesetzt gerichtete Gleichströme, deren Stärke vom Transformator Nullpunkt gegen die Aussenpole symmetrisch abgestuft st. Durch die zusammenraffende Wirkung des Steuerfeldes nimmt die Stromstärke z. B. in der rechten Wieklungshälfte ab und in der andern (z. B. linken) Wicklungshälfte gleichzeitig zu.
Durch diesen Vorgang, welcher einer zeitlichen Amperewindungsänderung äquivalent ist, wird in jeder der zwei Wieklungshälften eine gleichgerichtete Induktionsspannung erzeugt, die sich beide algebraisch addieren. In der Sekundärwicklung des Transformators wird dann infolge ihrer Verkettung mit der Primärwicklung eine dem Über- setzungsverhältnis entsprechende Sekundärspannung entstehen.
Es ist hiebei ganz besonders hervorzuheben, dass die vom Verbraucher aus dem Transformator entnommenen Sekundärströme je nach den ohmschen, kapazitiven oder induktiven Eigenschaften desselben entweder keine oder jede beliebige positive bzw. negative Phasenverschiebung gegen die Sekundärspannung des Transformators aufweisen können. Das magnetisch gesteuerte Gefäss kann also sowohl kapazitive wie auch induktive Blindleistung an den Wechselstromverbraucher abgeben, so dass keine ; etrennte Blindstromlieferung erforderlich ist. Die Begründung dieser Erscheinung liegt darin, dass lie einzelnen Anodenströme nicht nur bei Nulldurchgang der Anodenspannung unterbrochen werden können, was ein vollkommen starres Verhalten bedingen würde (Netzspeisung), sondern zufolge der Weichheit der magnetisch gesteuerten Anordnung jede Vor- oder Nacheilung möglich ist.
Die Richtigkeit lieser Tatsache wurde durch Versuche erwiesen.
Da die Wirkung des Transformators eine elektromagnetisch ausgesprochen zweiteilige ist, erscheint s vorteilhaft, das aktive Eisen des Transformators in zwei nicht miteinander magnetisch verkettete reile zu zerlegen. Die Induktivitäten der zur Erreichung einer entsprechenden Abstufung der Ampere-
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windungen vorgeschalteten Drosselspulen müssen so gewählt werden, dass die in der Sekundärwicklung des Transformators erzeugte Spannung bei jeder Belastung einen zeitlich möglichst sinusförmigen Ver- lauf erhält.
Die vorstehend beschriebene Anordnung, die zur Umwandlung von Gleichstrom in Einphasenstrom dient, kann sinngemäss auch zur Umwandlung von Gleichstrom in Mehrphasenstrom (insbesondere
Drehstrom) ausgebildet werden (Fig. 3).
Bei Serienschaltung der Gefässe kann die Anordnung auch bei höheren Gleichspannungen ver- wendet werden (Fig. 4).
Die magnetische Steuerung wird bei der beschriebenen Anordnung jedoch nicht nur dann, wenn der Energiestrom von der Gleich-zur Wechselstromseite gerichtet ist (das Gerät also als "Wechselrichter" wirkt), sondern auch in dem Falle, wenn der Energiestrom im umgekehrten Sinne fliesst (das Gefäss also als "Gleichrichter" arbeitet). Bei der Verwendung als Gleichrichter beeinflusst die magnetische Trans- versalsteuerung den selbsttätig ablaufenden Lichtbogenvorgang derartig, dass hiemit ein Regulier- verfahren gegeben ist.
Ausserdem kann infolge der elektrodynamischen Ablenkwirkung des magnetischen
Transversalsteuerfeldes der Elektronenstrahl von irgendeiner zur (Glüh-) Kathode gewordenen Anode stets nur zur (Haupt-) Kathode und niemals zu einer falschen Anode gelangen, so dass dadurch die Gefahr der Rüekzündung beseitigt ist.
Die starkstromtechnischen Anwendungsmöglichkeiten der getroffenen Anordnung gehen wegen ihrer günstigen Betriebseigenschaften über diejenigen der nach andern Systemen gesteuerten Entladungs- ge. fässe hinaus. Die leichte und einfache Regulierbarkeit der Intensität, Phasenlage und Frequenz des erzeugten Wechselstromes durch die (wegen der kleinen Steuerleistungen einfache) Änderung der ent- sprechenden Grössen des magnetischen Steuerfeldes, ferner die Möglichkeit, auch Blindleistung aus dem
Gleichstromnetz umzuformen, gestatten eine unbeschränkt Verwendung als Gleich-, Um-und Wechsel- richter.
Da der Elektronenstrahl masselos ist und durch das magnetische Steuerfeld auf seiner ganzen
Länge praktisch trägheitsfrei beeinflusst wird, sind aber auch die sehwaehstromtechnischen Anwendungs- möglichkeiten, z. B. für Verstärkerröhren, von besonderer Bedeutung.
Fig. 5 stellt eine beispielsweise Ausführung einer solchen Verstärkerröhre dar, die mit der in Rede stehenden magnetischen Transversalsteuerung arbeitet und sowohl als Gleichstromverstärker wie auch als Verstärker für beliebig modulierte Ströme verwendbar ist. Innerhalb des evakuierten Glaskörpers V befinden sich folgende Organe : a) eine direkt oder indirekt geheizte GlÜhkathode 71, b) eine Blende b, e) eine Doppelanode dz .
Ausserhalb des Vakuumgefässes sind angeordnet : a) eine durch Gleichstrom erregte elektronenoptisch wirkende Eonzentrationsspule/t-, b) zwei Transversalsteuerspulen e1, e2 die mit dem zu verstärkenden Gleich-oder Modulations- strom gespeist werden.
Der Vorteil der beschriebenen Verstärkeranordnung besteht darin, dass der Kathodenstrahl durch die magnetische Steuerung modulativ proportional auf seinem ganzen Wege abgelenkt wird. Durch diese
Wirkung wird z. B. ein in Differentialschaltung angeordnetes Magnetsystem einer Anzeigevorrichtung über die Doppelanode Al, Ao in ausserordentlich empfindlicher Weise erregt. Die Verstärkung erfolgt daher mit hohem Verstärkungsgrad und ausserdem vollkommen getreu nach der Fourierschen Form des
Steuerfeldes.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Steuerung des elektrischen Durchgangsstromes in Vakuumgefässen mittels eines magnetischen Transversalfeldes, bei der mehrere in einer Ebene befindliche, der Kathode gegenüberliegende Anoden an Anzapfungen eines Transformators, gegebenenfalls über Drosselspulen, angeschlossen sind, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung der Transformator-bzw. Drosselspulenwieklungen und Anoden sowie ihrer Abstände, dass der Kathodenstrahl bei der Steuerfeldstärke Null in ein Büschel von zu allen Anoden fliessenden Strahlen aufgelöst ist.
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Device for controlling the electrical current in vacuum vessels by means of a magnetic transverse field.
The present invention relates to a device for controlling the electrical through current in vacuum vessels by means of a magnetic transverse field, in which several anodes of taps of a transformer, which are located opposite one another in a plane of the cathode, are connected, possibly via choke coils.
Choke windings and anodes as well as their spacing, so that the cathode ray is resolved into a bundle of rays flowing to all the anodes when the control field strength is zero.
As a result, the magnetic control principle can be used much more favorably and its effect more harmoniously and much more continuously. The dissolution of the cathode ray into a cluster of fine individual rays is achieved by dimensioning the anode spacing and the transformer taps with the upstream chokes in such a way that all these current paths have almost the same ohmic resistance. The individual beams then carry the same current strength with the control field strength zero.
In order to periodically deflect the individual thin cathode rays on both sides, a very weak alternating magnetic control field is sufficient, the seheitel value of which only needs to be about lez (one percent) of the field strengths occurring in the air gap of electrical machines.
Due to the fact that the magnetic control field can be so weak, the well-known iron connection of the fields is not necessary. Rather, a control field closed by air is sufficient, which is generated by magnetic coils that rest on the outside of the vacuum vessel. This makes the arrangement much simpler.
The field of application of magnetic transverse control of the cathode ray is greatly expanded by the present invention. This control can be used not only with inverters and converters, but also with (controlled) rectifiers, depending on whether the energy flow is sent through the vacuum vessel from the direct or alternating current side. For example, a combined type of use of the same vessel is also possible, namely (in a known manner) as a rectifier for charging accumulators from AC networks and as an inverter for subsequently discharging them into the same AC network. In low-voltage technology, one application can be mentioned as a relay and amplifier tube.
In the latter case, the direct current or modulation current to be amplified or transmitted is used to generate the control field, which influences the cathode beam in a deflecting manner and modulates its impact on a double anode accordingly.
Various embodiments of the device according to the invention are shown schematically in the drawings.
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It consists of a vacuum vessel (e.g. made of glass), on the underside of which the cathode 1 is arranged, which consists of a cup filled with mercury. The anodes are attached in a main meridian plane of the vessel in such a way that the middle anode (zero anode Ao) is opposite the cathode.
The side anodes .. '1 + 1 to A + 3, which can be present in any number, are arranged symmetrically to Ao on both sides at equal angular distances. The vessel is interconnected with a transformer T of appropriate inductance so that the zero anode Ao is at the primary zero point P of the transformer via a zero choke Do; the symmetrically graduated chokes D + 1 to D + 3
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are connected to appropriately selected taps on the primary winding of the transformer. The zero point P of the transformer T is on the other hand connected to the positive pole of the DC power source G and the cathode J to the negative pole of the same.
The primary winding is divided into two halves by the zero point P of the transformer T, which have the same direction of rotation.
The control coils Ei, E2 have a circular shape in the embodiment shown and lie as parallel circles in parallel planes on both sides of the main meridian of the anode plane.
These control coils can be connected in parallel or in series to the alternating current source 11 ′. However, if no alternating current source is available, then, as tests have shown, control can also be carried out with alternately oppositely directed direct current surges without impairing the favorable function of the arrangement. It is therefore possible to do each periodically
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Hammer, pendulum breaker, electromagnetically activated tuning fork, etc.) as a clock generator. Since the control line is very small, these simple organs can be given a low-voltage or low-current character.
The mode of operation of the described arrangement is as follows: The vacuum vessel is first ignited according to one of the known methods and then the control coils Ei, E2 are connected to the alternating current source IF.
The current absorbed by the control coils is a harmoniously pulsating alternating current of the form: i = ia cos wt.
The transversal field generated by this control current:
B = Bo cos wt pulsates in the same cycle as the excitation current.
If control field B has the value zero at time a (FIG. 2), a cluster of fine rays will form from the cathode to all anodes due to the fact that all anodes are at the same positive potential of direct current source G. If the control field then develops more and more in the positive sense, the rays burning from the cathode to the individual anodes will be deflected more and more to one side according to the electrodynamic deflection. This creates an effect that can be compared to the side meeting of an expanded fan. When the control field has reached its maximum value + Bo at time b, only one of the two outermost (limit) anodes will burn alone.
After the maximum is exceeded, the intensity of the control field decreases again towards zero. The gathered Ce- wesene bundle of rays therefore spreads out again in such a way that at time c it burns at all anodes at the same time. During the duration of the negative half-wave (c to e), the described process of gathering and spreading the bundle of rays takes place in the same way as described above, but on the opposite side of the vessel.
This process, which takes place harmoniously in the vacuum vessel, has the following effect on the primary winding of the transformer:
At the point in time a, when all the anodes are burning at the same time, spatially oppositely directed direct currents flow through the two halves of the primary winding of the transformer, which are wound in the same direction and whose strength is symmetrically graduated from the transformer zero point to the outer poles. Due to the summarizing effect of the control panel, the current z. B. in the right half of the weight and in the other (z. B. left) half of the winding at the same time.
This process, which is equivalent to a change in ampere turns over time, generates a rectified induction voltage in each of the two halves of the cradle, which both add up algebraically. In the secondary winding of the transformer, as a result of its interlinking with the primary winding, a secondary voltage corresponding to the transmission ratio will arise.
It should be particularly emphasized here that the secondary currents drawn from the transformer by the consumer can either have no or any positive or negative phase shift with respect to the secondary voltage of the transformer, depending on the ohmic, capacitive or inductive properties of the transformer. The magnetically controlled vessel can therefore deliver both capacitive and inductive reactive power to the alternating current consumer, so that no; separate reactive power supply is required. The reason for this phenomenon is that the individual anode currents cannot only be interrupted when the anode voltage crosses zero, which would result in a completely rigid behavior (mains supply), but due to the softness of the magnetically controlled arrangement, any lead or lag is possible.
The correctness of this fact has been proven by experiment.
Since the effect of the transformer is decidedly two-part electromagnetically, it seems advantageous to split the active iron of the transformer into two parts that are not magnetically linked. The inductances of the ampere-
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The inductor coils connected upstream of the windings must be selected in such a way that the voltage generated in the secondary winding of the transformer is as sinusoidal over time as possible with every load.
The arrangement described above, which serves to convert direct current into single-phase current, can analogously also be used to convert direct current into multi-phase current (in particular
Three-phase current) are formed (Fig. 3).
If the vessels are connected in series, the arrangement can also be used with higher DC voltages (Fig. 4).
In the arrangement described, the magnetic control is not only activated when the energy flow is directed from the direct to the alternating current side (i.e. the device acts as an "inverter"), but also in the event that the energy flow flows in the opposite direction (the The vessel works as a "rectifier"). When used as a rectifier, the magnetic transverse control influences the automatically running arc process in such a way that it provides a regulating process.
In addition, due to the electrodynamic deflection effect of the magnetic
Transverse control field of the electron beam from any anode that has become a (incandescent) cathode can only ever reach the (main) cathode and never the wrong anode, so that the risk of re-ignition is eliminated.
The high current technical application possibilities of the arrangement made go beyond those of the discharge ge controlled according to other systems because of their favorable operating properties. barrel out. The easy and simple controllability of the intensity, phase position and frequency of the generated alternating current by changing the corresponding magnitudes of the magnetic control field (simple because of the small control powers), furthermore the possibility of also reactive power from the
Transforming the direct current network allows unlimited use as rectifier, converter and inverter.
Because the electron beam is massless and due to the magnetic control field on its whole
Length is influenced practically without inertia, but also the possible applications in terms of current technology, e.g. B. for amplifier tubes, of particular importance.
5 shows an exemplary embodiment of such an amplifier tube which operates with the magnetic transversal control in question and can be used both as a direct current amplifier and as an amplifier for any modulated currents. The following organs are located within the evacuated glass body V: a) a directly or indirectly heated glow cathode 71, b) a diaphragm b, e) a double anode dz.
Outside the vacuum vessel are arranged: a) an electron-optically acting concentration coil / t- excited by direct current, b) two transverse control coils e1, e2 which are fed with the direct or modulation current to be amplified.
The advantage of the amplifier arrangement described is that the cathode ray is deflected modulatively proportionally over its entire path by the magnetic control. Through this
Effect is z. B. arranged in a differential circuit magnet system of a display device via the double anode Al, Ao excited in an extremely sensitive manner. The amplification therefore takes place with a high degree of amplification and also completely true to the Fourier form of the
Control field.
PATENT CLAIMS:
1. Device for controlling the electrical current in vacuum vessels by means of a magnetic transverse field, in which several anodes located in one plane, opposite the cathode are connected to taps of a transformer, possibly via choke coils, characterized by such a dimensioning of the transformer or. Choke coil waves and anodes as well as their spacing, so that the cathode ray is resolved into a cluster of rays flowing to all anodes when the control field strength is zero.