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Anordnung zum Sperren von Ionenventilen beim Auftreten von Rückzündungen oder Überbelastung.
Es ist bekannt, gittergesteuerte Ionenventile bei Rückzündungen oder Überbelastungen durch Aufdrücken eines negativen Potentials auf die Gitter zu sperren. Zur Erzeugung dieses negativen Poten- tials wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, unter andern auch die Herleitung des Potentials auf rein elektrischem Wege aus einem, durch den tberstrom bei der Störung verursachten Spannungsabfall in Stromwandlern oder Widerständen oder aus der durch die verstärkte Ionisation verursachte Potentialänderung des Ventilgefässes.
Alle diese auf dem Überstrom beruhenden Erscheinungen haben jedoch gemeinsam, dass sie erst auftreten, nachdem sich die Störung voll ausgebildet hat ; in gewissen Fällen kommt noch hinzu, dass sie nicht bei allen Arten von Störungen, namentlich aber nicht immer bei Rückzündungen auftreten, der gewöhnlichsten und-wenigstens als Folgeerscheinung-praktisch immer vorkommenden Störungsart. Wenn eine Störung, besonders eine Rückzündung, sich voll ausgebildet hat, ist es aber viel schwieriger, sie durch Gittersperrung zu unterdrücken, als bei ihrem Beginn, und auch die zurückbleibenden Folgeerscheinungen der Störung werden dann mehr ausgeprägt.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Anordnung, die das Sperrpotential der Gitter auf rein elektrischem Wege in solcher Weise herleitet, dass es viel schneller zur Wirkung kommt als bei der Herleitung aus einer Folgeerscheinung des Überstromes. Das negative Potential wird nämlich unmittelbar
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bei einer Rückzündung tritt dieser Spannungszusammenbruch vollkommen gleichzeitig mit der Entstehung eines Kathodenflecks an der rückzündenden Anode auf und spielt sieh in der kaum messbaren Zeit von einigen Mikrosekunden oder noch weniger ab.
Sobald eine Rückzündung an einer Anode aufgetreten ist, werden alle übrigen Anoden, ausser der schon brennenden, augenblicklich gesperrt, die Rückzündung demnach sofort gelöscht, sobald diese Anode oder Anoden negativ werden, d. h. spätestens nach einer Halbperiode.
Um eine auf die Gitter wirkende Sperrspannung aus dem Zusammenbruch einer bisher bestehenden Spannung unmittelbar herzuleiten, sind beispielsweise zwischen die Polklemmen der Gleichstromseite oder zwischen die Pole der besonderen wechselstromseitigen Gleichrichterschaltung teils eine Vorrichtung, die beim Spannungszusammenbruch als Spannungsquelle dient, z. B. eine Batterie oder ein Kondensator, teils eine hochohmig Impedanz in Reihe geschaltet.
Auf der Zeichnung sind fünf Ausführungsbeispiele der Anordnung nach der Erfindung schematisch dargestellt, wobei Fig. 1-3 drei verschiedene Schaltungen zur Abnahme der Spannung von der Gleichstromseite, die Fig. 4 und 5 zwei Schaltungsanordnungen für wechselstromseitige Spannungsentnahme über besondere Gleichrichter veranschaulichen.
In Fig. 1 ist 1 die Kathode des Ionenventils, 2 sind seine Anoden und 3 seine Anodengitter. Die Anoden sind mit Transformatorwicklungen 4 verbunden, deren gemeinsamer Nullpunkt den negativen Gleichstrompol bildet, während die Kathode den positiven Pol bildet. Zwischen diese Pole ist die Primärwicklung eines Transformators 5 geschaltet, dessen Sekundärwicklung mit ihrem einen Pol an einen Punkt mit etwas höherem Potential als die Kathode, beispielsweise an den Ionenventilbehälter, falls dieser aus Metall besteht, und mit dem andern Pol über Widerstände 7 an die Gitter 3 angeschlossen ist.
Bei normalem Betrieb des Ionenventils ist die Primärwicklung des Transformators 5 einer Gleichspannung ausgesetzt. Die Wicklung muss demnach derart bemessen sein, dass sie den dieser Spannung
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entsprechenden Strom erträgt, der den Transformatorkern dabei bis zu einer nicht allzu hohen Sättigung erregt. Gegebenenfalls kann der Strom durch einen mit dem Transformator 5 in Reihe liegenden Widerstand begrenzt werden.
Bei einer Rückzündung oder einem Kurzschluss sinkt die Spannung zwischen den Polen der Gleichstromseite plötzlich, so dass der Transformator entregt wird und in seiner Sekundärwicklung ein Spannungsstoss entsteht, der das Gitterpotential auf einen, bezüglich des normal positiven Potentials negativen Wert erniedrigt, der durch den Anschluss des andern Poles der Sekundärwicklung bestimmt wird. Die Geschwindigkeit der Entregung bestimmt sich hiebei daraus, dass die der Ableitung des Kraftflusses nach der Zeit proportionalen Spannungen zur Deckung der Ohmschen Verluste im Primärund im Sekundärkreise bei anfangs unveränderter Differenz zwischen primären und sekundären Amperewindungen hinreichen sollen.
Das negative Gitterpotential verhindert die Wiederzündung der Lichtbogen nach dem Nulldurchgang und soll so lange aufrechterhalten werden, dass die Bögen nicht von selbst wieder gezündet werden können. Die magnetische Energie des Transformators muss daher so gross sein, dass sie zur Deckung der Energieverluste im Primär-und im Sekundärkreise während einer gewissen Zeitspanne, die in der Praxis von der Grössenordnung 0'1-1 Sekunde ist, hinreicht.
Infolge der Dämpfung sinkt die Sekundärspannung ziemlich kontinuierlich von dem in der eben genannten Weise bestimmten Anfangswert bis auf Null, sofern nicht Unregelmässigkeiten der Wirkung der Gitter selbst Schwankungen der Spannungskurve bedingen. Teils um zu verhüten, dass solche Schwankungen einen gewissen Wert überschreiten, teils um die von aussen aufgedruckte Gitterspannung während des ersten Teils der Löschperiode annähernd konstant zu halten, kann man zwischen die Pole der Sekundärwicklung des Transformators eine Glimmlampe 8 einschalten. Eine solche hat bekanntlich die Eigenschaft, dass ihr Stromverbrauch unterhalb eines kritischen Wertes der Spannung praktisch Null ist, oberhalb dieses Wertes aber sehr rasch ansteigt.
Die Spannung der Gitter wird in dieser Weise praktisch konstant gehalten, bis die sekundäre EMK. des Transformators 5 unter die kritische Spannung der Lampe gesunken ist.
Anstatt die Primärwicklung des Transformators 5 mit hohem Widerstand auszuführen oder mit einem hohen Widerstand in Reihe zu schalten, kann man sie, wie Fig. 2 zeigt, mit einem Kondensator 9 in Reihe schalten. In solchem Falle bleibt die Transformatorwicklung normal stromlos, während die ganze gleichstromseitige Spannung am Kondensator liegt und diesen auflädt. Bei einem Kurzschluss oder einer Rückzündung entlädt sich der Kondensator durch den Transformator und setzt letzteren und damit die Gitter unter die erforderliche Spannung. Die für die Gitter erforderliche Energie ist in diesem Falle also elektrostatisch aufgespeichert und nicht elektromagnetisch wie bei der Schaltung nach Fig. 1. Eine Kombination beider Arten der Aufspeicherung erhält man, wenn man zum Kondensator 9 einen grossen Ohmschen Widerstand.
M parallelsehaltet, wie in Fig. 2 durch unterbrochene Linien angedeutet ist. Dieser Widerstand soll einen solchen Wert haben, dass der Transformator normal eben gesättigt ist, was bei normaler Ausführung des Transformators bedeutet, dass d3r Widerstand 10 um ein Mehrfaches grösser ist als der Eigenwiderstand der Transformatorwicklung, praktisch also die ganze Spannung auf die Kondensatorklemmen entfällt. Im übrigen hängt die Grösse des Widerstandes von den Transformatorausmassen ab. Der Entladestrom des Kondensators fliesst direz den Transformator entgegengesetzt dem vorigen Strom durch den Widerstand 10, erniedrigt also zuerst die Erregung des Transformators bis auf Null und sättigt ihn danach in entgegengesetzter Richtung.
Für die gleiche, auf die Gitter aufzudrückende Energiemenge kann man also hier einen etwa halb so grossen Transformator und gegebenenfalls auch einen etwas kleineren Kondensator verwenden als ohne den Widerstand 10.
Falls die Schwingungen, die durch das Zusammenwirken der Induktanz des Transformators 5 und der Kapazität des Kondensators 9 entstehen, nicht genügend schnell gedämpft werden, kann man das Aufdrücken einer positiven Zusatzspannung auf die Gitter mit Hilfe eines Trockengleichrichters 11 verhindern. Da die Gleichrichterwirkung eines solchen nicht vollständig ist, verhindert er im Allgemeinen nicht die Einwirkung des konstanten positiven Potentials der Stromquelle 14 auf die Gitter.
Fig. 2 zeigt gegenüber Fig. 1 auch den Unterschied, dass die Gitter mit einer Anordnung zum normalen Aufdrücken einer von Gitter zu Gitter wechselnden Steuerspannung versehen sind, welche Anordnung aus einem Transformator 12 besteht. Bei der Sperrung infolge der Senkung der Gleichrichterspannung wird der Transformator 12 vorzugsweise ausser Wirkung gesetzt, indem seine Sekundärwicklung mittels eines von der Sekundärspannung des Transformators 5 beeinflussten Relais 13 kurze- schlossen wird. Der von den Gittern abgewandte Pol der Sekundärwicklung des genannten Transformators ist in dieser Figur an die Kathode 1 über eine Gleichstromquelle 14 angeschlossen.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung, bei welcher der Transformator 5 fortgelassen ist. Der Kondensator 9 ist in diesem Falle zweckmässig elektrolytischer Art, da er die erforderliche Energiemenge bei verhältnismässig niedriger Spannung aufnehmen können soll.
Er ist an zwei Anzapfungen eines zwischen den Aussenpolen der Gleichstromseite eingeschalteten Potentiometerwiderstandes 15 angeschlossen. An eine weitere Anzapfung dieses Widerstandes ist das Gitter einer Elektronenröhre 16 angeschlossen, deren Kathode mit dem negativen Belag des Kondensators verbunden ist, während die Anode mit dem Gitter 3 über eine Anordnung 12 zum Einführen der normalen Steuerspannungen verbunden ist. Wenn die gleichstromseitige Spannung sinkt, dann verschwindet die negative
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Sperrspannung des Röhrengitters, so dass der Kondensator 9 über die Röhre 16 und die Gitter 3 entladen wird, die dabei das gewünschte negative Potential erhalten.
Gemäss Fig. 4 wird die Spannung von der Weehselstromseite eines dreiphasigen, dreianodigen
Gleichrichters abgenommen. Die Kathode des Gleichrichters ist mit 1, seine Anoden sind mit 2, die
Anodengitter mit 3 und die Anodenwicklungen des zugehörigen Transformators mit 4 bezeichnet.
Zwischen die Anodenleiter und den Nullpunkt der Anodenwicklungen, der gewöhnlich den Minuspol des Gleich- stromnetzes bildet, sind die Primärwicklungen dreier Spannungswandler 17 geschaltet, deren Sekundär- wicklungen über drei Kleingleichrichter 18, beispielsweise Trockengleiehrichter, auf eine gemeinsame Kathodenschiene 19 und eine gemeinsame Nullsehiene 20 arbeiten, von denen die letztere mit der Kathode 1 des Hauptgleiehriehters verbunden ist.
Zwischen der Kathodensehiene 19 und der Nullschiene 20 liegen einerseits ein Relaiskontakt 27, dessen Anordnung im folgenden näher beschrieben wird, anderseits zwei parallele Stromzweige, von denen einer eine Induktanz 22 und einen verhältnismässig niedrigen Ohmsehen Widerstand 23, der andere einen Kondensator 24 und in Reihe dazu einen hohen Ohmschen Widerstand 25 enthält. Die Verbindungs- stelle zwischen dem Kondensator 24 und dem Widerstand 25 ist mit einer Sammelschiene 21 für die Gitter 3 des Hauptgleichrichters verbunden. Zwischen die Sammelschiene 21 und die Gitter sind entweder Wider- stände 7 und im allgemeinen auch Zusatzspannungsquellen geschaltet, die dazu dienen, die Gitter ge- wissermassen unabhängig voneinander zu steuern.
Im normalen Betriebe fliesst ein gleichgerichteter Strom von den Transformatoren 17 über die
Schiene 19, den Kontakt 27, die Induktanz 22 und den Widerstand 23, wodurch der Kondensator 24 auf die am Widerstand herrschende Spannung aufgeladen gehalten wird. Das Gitterpotential wird ge- gebenenfalls durch besondere Steuervorrichtungen bestimmt, und, falls solche nicht vorhanden sind, bekommen die Gitter hauptsächlich das Potential der Kathode. Bei einer Störung, die den unmittelbaren
Zusammenbruch der Spannung jener Transformatorphase verursacht, die augenblicklich die höchste
Spannung hat, sinkt die Spannung zwischen den Schienen 19 und 20, als Folge hievon, auf einen ganz niedrigen Wert.
Der Kondensator 24 beginnt dann sich zu entladen, und die Induktanz 22 hält den Strom anfangs auf demselben Wert, den der Strom durch dieselbe und den Widerstand 23 vorher hatte. Dieser
Strom soll mindestens so gross wie der grösste Entladungsstrom des Kondensators sein, der gleich dem grössten Strom ist, den die Gitter 3 durch die Widerstände 7 heranziehen können, so dass die Spannung zwischen der Kathodenschiene 19 und der Nullschiene 20 auf Null sinkt, denn der Unterschied zwischen dem
Strom im Widerstand 23 und dem Gitterstrom muss dann durch die Gleichrichter 18 fliessen, in denen er bei dieser Strömungsrichtung keinem Widerstand begegnet. Die Induktanz 22 erzeugt also die Spannung, die zum Decken des Spannungsabfalles im Widerstand 23 erforderlich ist, und der linksseitige Belag des
Kondensators erhält Nullpotential.
Sein rechtsseitiger Belag und damit die Gittersammelschiene 21 bekommt also ein stark negatives Potential, wodurch die Gitter zu sperren anfangen, so dass die Anoden nach und nach erlöschen.
Ein Zweig des Stromes von den Gleichrichtern 18 fliesst normal durch die Spule 26 eines Relais, das drei Kontakte 27, 28, 29 aufweist. Wenn die Spannung der Transformatoren 17 zusammenbricht, fällt dieses Relais ab. Sein bis dahin geschlossener Kontakt 27, der die Kathodenschiene 19 mit der Induktanz 22 und dem Kondensator 24 verbindet, wird dann mit einer gewissen Verzögerung unterbrochen ; bevor aber die Unterbrechung stattgefunden hat, wird der Kontakt 28 geschlossen, der den linksseitigen
Belag des Kondensators 24 unmittelbar mit der Hauptkathode verbindet.
Das hat zur Folge, dass sich die Entladung des Kondensators fortsetzt, die jetzt nur durch den Strom begrenzt wird, den der Konden- sator den Gittern entnehmen kann, so dass die letzteren dauernd immer auf negativer Spannung gehalten werden, auch wenn die Spannung der Transformatoren 17 wiederkehren sollte. Ein unmittelbar erneutes
Ansprechen des Relais bei wiederkehrender Spannung wird durch einen Kondensator 30 verhindert, der über den dritten Relaiskontakt 29 die Relaisspule 26 für einen gewissen Zeitraum überbrückt, so dass die Nachwirkungen der Störung aufgehoben werden können, bevor die Gitter 3 die Anoden 2 aufs neue freigeben.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Anwendung der Erfindung auf einen doppelt dreiphasigen Gleichrichter mit Saugtransformator, Kathode, Anoden mit Wicklungen, Gitter mit Widerständen und Sammelschiene sind hier in derselben Weise wie in den Fig. 1 bis 4 bezeichnet. Die Anordnung ist im übrigen im wesent- lichen analog der nach Fig. 4. Der hauptsächliche Unterschied ist dadurch bedingt, dass man bei einer
Schaltung der hier vorliegenden Art nicht von vornherein wissen kann, welche von zwei auf denselben Transformatorschenkel verlegten Wicklungen ihr negatives Spannungsmaximum aufweist, sobald eine Rückzündung eintritt.
Daher genügt nicht eine dreiphasige Gleichrichterkombination, um den Span- nungszusammenbruch auf die Gitter zu überführen, sondern es sind zwei solche in entgegengesetztem
Sinne wirkende Kombinationen 31 und 32 erforderlich, die aber von einem gemeinsamen, dreischenkligen
Spannungswandler 33 mit zwei getrennten Sekundärwicklungen gespeist werden können. Die Gleich-
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auf. Die letztere steht über einen Kondensator 37 mit der Hauptkathode und über verhältnismässig niedrigohmige Widerstände 38 und 39 mit den Kathodenschienen 34 bzw. 35 in Verbindung, die ihrer-
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seits beide mit der Gittersammelschiene 21 über Gleichrichter 40 bzw. 41 verbunden sind, welche den Stromdurchgang nur in der Richtung von der Gittersammelschiene aus zulassen.
Zwischen die beiden
Kathodenschienen und die Hauptkathode sind hochohmig Widerstände 42,43 geschaltet.
Die Widerstände 38, 39 entsprechen dem Widerstand 23 der Anordnung nach Fig. 4, während die mit diesem Widerstand in Reihe geschaltete Induktanz bei der Ausführungsform nach Fig. 5 entfällt. Die Induktanz kann auch bei der Schaltung nach Fig. 4 fortgelassen sein, doch muss dann der. Widerstand unter im übrigen gleichen Verhältnissen mit niedrigerer Ohmzahl ausgeführt werden, so dass die Gleichrichter und der Spannungswandler höher belastet werden als bei Vorhandensein der Induktanz. Bei einem Spannungszusammenbruch entlädt sich der Kondensator 37 durch den Widerstand 38 oder 9 je nach dem Sinne, in dem der Zusammenbruch eintrifft, und die Gittersammelschiene erhält dann vom negativen rechten Belag des Kondensators über den genannten Widerstand und den Gleichrichter 43 oder 41 negatives Potential.
Ein Relais, dessen Spule 44 über eine Glimmlampe 45 zwischen die Hauptkathode und die Gittersammelschiene geschaltet ist, spricht unter dem Einfluss des dann entstehenden Gitterstromes an und verbindet durch seinen Kontakt 46 den negativ geladenen Belag des Kondensators unmittelbar mit der Gittersammelschiene. Solange die Spannung des Kondensators höher als die kritische Spannung der Glimmlampe ist, wird das Relais geschlossengehalten, und dadurch das negative Sperrpotential auf den Gittern während einer gewissen Zeitspanne aufrechterhalten, unabhängig davon, ob der Gleichrichter inzwischen erlischt und die Anodenspannung also zurückkehrt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Sperrung von Ionenventilen beim Auftreten von Rückzündungen oder Überbelastung, durch Aufdrücken einer von den elektrischen Betriebsgrössen direkt hergeleiteten negativen Sperrspannung auf die Steuergitter der Anoden, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Sperrspannung aus dem Zusammenbruch der Betriebsspannung des Ionenventils selbst hergeleitet wird.