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Steuerung von elektrischen Entladungsgefässen.
Die Steuerung von elektrischen Entladungsgefässen, insbesondere Ionenentladungsgefässen (Stromtoren), in welchen nur das Einsetzen des Entladungsstromes, nicht aber das Aussetzen des- selben geregelt werden kann, wurde bisher durch Anlegen von Wechsel-oder Wellenspannungen an das Steuergitter vorgenommen, die in ihrer Lage und Grösse verglichen mit den Anodenspannungen veränderlich sind. Dabei war es je nach den Eigenarten der Schaltungen zweckmässig, entweder reine
Wechselspannungen, die nach Grösse und Phase veränderlich sind oder auch zusammengesetzte WellenSpannungen, bei denen sowohl der Wechselstrom-sowie auch der Gleichstromanteil veränderlich gemacht werden kann, zu verwenden. Alle diese Schaltungen benötigen jedoch umständliche Regelapparaturen, z.
B. besonders gewickelte Transformatoren, Kontaktsteuerapparate usw.
Die vorliegende Erfindung zeigt nun eine Steuerung von Ionenentladungsgefässen mit Hilfe von Steuergitter, die die vorgenannten Schwierigkeiten in vorteilhafter Weise vermeidet, u. zw. nimmt die Steuerspannung am Gitter zu Beginn jeder positiven Arbeitshalbwelle einen bestimmten negativen Wert an und steigt von diesem mit nach einem vorgeschriebenen, veränderlichen Zeitgesetz regelbarer Geschwindigkeit zu so hohen Spannungswerten an, dass das Schaltrohr zündet ; weiterhin sind Mittel vorgesehen, durch welche die Gitterspannung bis zum Beginn der nächsten positiven Arbeitshalbwelle wieder auf den anfänglichen Wert gebracht wird.
Während also die bisherigen Steuerverfahren für Ionenentladungsgefässe darauf hinausgingen, die Lage der Gitterspannungskurve gegen die Anodenspannung zu verändern, ist das Wesen der vorliegenden Erfindung, den Gittern eine Spannung aufzudrücken, die von einem festen Punkt (verglichen mit der Lage der Anodenspannung) ausgehend, nach einem vorgeschriebenen veränderbaren Zeitgesetz ansteigt, bis die erforderliche Gitterzündspannung erreicht ist.
In der Fig. 1 sei das vorstehende Verfahren näher erläutert. Die Linie E stellt den Verlauf der Anodenspannung dar und die stark ausgezogene Linie BP1, C, D, B'gebe den dem Steuergitter aufgedrückten Spannungsverlauf wieder. Die Linie, bei deren Erreichen bzw. Durchschreiten durch die Steuergitterspannung eine Entladung in dem Entladungsgefäss einsetzt, ist mit Ez bezeichnet. Erfindungsgemäss wird dem Gitter zunächst eine Spannung von der Höhe Es aufgedrückt, die negativer ist als der geringste zur Herbeiführung einer Zündung erforderliche Spannungswert Ez, und im Verlauf einer Halbwelle an einer Anode lässt man dann die Steuerspannung am Gitter nach einem vorgeschriebenen veränderlichen Zeitgesetz ansteigen.
In dem Punkte Plist die zur Zündung erforderliche Spannung am Gitter erreicht und die Arbeitsentladung setzt zwischen der Kathode und der betreffenden Anode während des durch die stark ausgezogene Linie wiedergegebenen Verlaufes der Anodenspannungshalbwelle ein. Nachdem die Zündung der Arbeitsentladung erfolgt ist, lässt man die Spannung am Gitter wieder etwa nach der Linie DB'auf den anfänglich negativen Wert absinken, so dass der Stromdurchgang durch den Arbeitskreis des Entladungsgefässes für eine entsprechende neu eintreffende Halbwelle wieder gesperrt ist bzw. die Entladungsstrecke für eine neue Einstellung des Zündmomentes schaltbereit ist. Der Zündmoment Pi wird also eine Funktion eines Winkels y sein, der von den beiden Linien BP1und BB'gebildet wird.
Je nach dem der Schenkel BP1 des Winkels ? mehr oder weniger zu der Linie BB'geneigt ist, wird der Zündpunkt auf der Linie Ez später oder früher erreicht, so dass dadurch die Möglichkeit gegeben wird, beliebige Kurventeile aus der Halbwelle der Anodenspannung herauszuschneiden. Eine Anzahl dieser Möglichkeiten ist durch gestrichelte Linien mit den entsprechenden Zündpunkten P2 und P 3 in der Fig. 1 wiedergegeben. Es ist jedoch keinesfalls erforderlich,
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dass der Anstieg der Zündspannung am Gitter in einer Geraden verläuft, sondern durch entsprechende Vorrichtungen kann diesem zeitlichen Verlauf, z. B. auch die Form einer Exponentialkurve gegeben werden.
In folgendem werden einige der vielen unter Anwendung des vorstehenden Erfindungsgedankens möglichen Schaltungen wiedergegeben.
In der Fig. 2 ist eine Schaltung gezeigt, bei der die Funktion, nach welcher die Steuerspannung zeitabhängig verläuft, linear ist. In dieser Schaltung bedeutet W die Arbeits-Wechselstromquelle, V den Verbraucher, 1 das Steuerentladungsgefäss mit der Kathode 2, der Anode 3 und dem Gitter 4.
In die Gitterzuleitung ist ein Widerstand 8 und eine Spannungsquelle-Eg, beispielsweise eine Batterie, eingefügt. Der Kondensator 6 mit dem Parallelwiderstand 7 ist über eine gleichrichtende Entladungsstrecke 10 mit einer Wechselspannungsquelle ; M. verbunden, deren anderer Pol an die Kathode des Entladungsgefässes 1 geführt ist. Der Parallelwiderstand 7 besteht z. B. ebenfalls aus einer gleichrichtenden Entladungsstrecke, welche im Sättigungsgebiet arbeitet. Die mit dem Gitter verbundene Kondensatorbelegung wird durch die gleichrichtende Entladungsstrecke 10, die ebenso wie 7 so wirkt, wie ein nur in einer Richtung durchlässiger Widerstand und ebenfalls im Sättigungsgebiet arbeitet, mit einem bestimmten Sättigungsstromwert auf einen bestimmten negativen Wert aufgeladen.
Wenn die Scheitelspannung der in dem Hilfsnetz 11 fliessenden Wechselspannung erreicht ist, kann die dem Gitter aufgedrückte negative Spannung nicht mehr ansteigen, da die Entladungsstrecke 10 als Ventil wirkt, und sobald die Lamelle, welche aus der Wechselspannungsquelle 11 über die Entladungsstrecke 10 läuft, zu Ende ist, entlädt sich der Kondensator über den Widerstand konstanter Stromstärke 7 ebenso linear wie er sich linear aufgeladen hat. Wird jedoch der innere Widerstand der Röhre 7, beispielsweise durch Veränderung der Heizstromstärke, geändert, so ändert sich die konstante Entladestromstärke des Kondensators und damit zugleich die Anstiegsgeschwindigkeit der am Gitter liegenden Kondensatorspannung. Die Entladung muss so rechtzeitig sein, dass genügend Zeit zu einer neuen negativen Aufladung für die neue Arbeitshalbwelle bleibt.
Es ist zwar gleichgültig, nach welcher Kurvenform die mit dem Gitter verbundene Kondensatorbelegung sich auf einen negativen Wert auflädt, doch ist z, B. zugunsten leichteren Entwurfes oft eine einfache Kurvenform vorzuziehen. Der Widerstand 10 in diesem Beispiel ist deswegen als-Widerstand konstanter Stromstärke gewählt, damit auch der Anstieg der Aufladung des Kondensators auf den negativen Wert linear bleibt, weil ja auch während der Ladezeit des Kondensators der Widerstand 7 eine Ableitung bedeutet. Die Entladungsrohren. ? ss und 7 können selbstverständlich auch durch andere Vorrichtungen ersetzt werden, die Ströme einer bestimmten Richtung und konstanter Stärke hindurchlassen.
Die Ladung des Gitterspannungskondensators kann auch durch einen mechanischen Schalter erfolgen, dersynchronmitdemArbeitsstrombetätigtwirdundauseiner Gleich-oder Wechselspannungs- quelle gespeist wird.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel nach Fig.-2-kann dann Anwendung finden, wenn es sich um die Steuerung eines Entladungsgefässes 1 handelt, dessen Zündwertlinie (Ez) mit der Nullinie des Entladungsgefässes zusammenfällt bzw. dessen Zündwertlinie unterhalb der Nullinie liegt. Dieses ist beispielsweise meistens bei Glühkathodenentladungsgefässen mit Gas-oder Dampffüllung der Fall. Handelt es sich jedoch um die Steuerung von Entladungsgefässen, die mit einer flüssigen Metallkathode ausgerüstet'Sind, so ist eine etwas anders geartete Kondensatorauf-und -entladung bzw.-umladung aus dem'Grunde notwendig, weil bei diesen Entladungsgefässen die Zünd- wertlinie meistens etwas oberhalb der Nullinie liegt.
Um die Schaltung nach Fig. 2 auch bei derartigen Entladungsgefässen anwenden zu können, ist lediglich erforderlich, dass die Spannungsquelle Eg, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dazu diente, dem Steuergitter eine negative Vorspannung aufzudrücken (was jedoch in Fig. 1 nicht berücksichtigt ist), unmittelbar vor der Kathode der Entladungsstrecke 7 angeordnet wird, u. zw. derart, dass ihr negativer Pol mit der Kathode dieser Entladungsstrecke 7 vorhanden ist. Die durch diese Änderung erzielte anders geartete Kondensatorladung und-entladung ist ebenfalls in der Fig. 1 wiedergegeben. Der Kondensator wird, wie dies vorher ausgeführt ist, auf den negativen Wert-Es der Hilfsspannung 11 aufgeladen.
Tritt nun aber das Abfliessen der negativen Ladung der oberen Kondensatorbelegung ein, so wird diese Entladung der oberen Kondensatorbelegung nicht nur bis zur Erreichung des Nullpotentials fortdauern, sondern darüber hinaus eine Umwandlung des-Potentials der oberen Kondensatorbelegung'in ein positives Potential stattfinden, da die Batterie Eg eine weitere treibende Spannung für einen Elektronenstrom in dem Stromkreis von ; der oberen Kondensatorbelegung über die Batterie Eg und das Entladungsgefäss 7 zu der unteren Kondensatorbelegung aufrecht erhält. Die untere Kondensatorbelegung wird infolgedessen ein negatives Potential und die obere Kondensatorbelegung ein positives Potential annehmen.
Das Steuergitter wird also in einem gewünschten Augenblick der Arbeitshalbwelle einen positiven Spannungswert erhalten und die Zündwertlinie Ez'des Entladungsgefässes in einem Punkte P,' geschnitten, so dass von-dem Punkte Fi'an eine Entladung einsetzt. Die Höhe der Spannung der Batterie Eg wird man so bemessen, dass ein Schnittpunkt zwischen der Steuergitterpotentiallinie und der Zündkennlinie stets genügend'betriebssicher erfolgt. T
Die Fig. 3 zeigt eine Schaltung, bei der die Zündanstiegsspannung am Gitter den Verlauf einer Kurve, u. zw.-in diesem Falle den einer Exponentialkurve nimmt. Das Steuerentladungsgefäss ist
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wieder entsprechend der Fig. 2 mit 1, die Kathode mit 2, die Anode mit 3 und das Gitter mit 4 bezeichnet.
Das Gitter 4 ist mit einem Kreise verbunden, in dem in Reihe mit einem Kondensator 6 ein elektrisches Ventil und die Sekundärwicklung eines übersättigten Transformators 13 liegt. Der andere Anschluss der Sekundärwicklung ist zur Kathode 2 geführt. Die Primärwicklung des Transformators 13 liegt über die konstante Induktivität 12 an einer mit der Arbeitsspannung frequenzgleichen Wechselspannung.
Gleichzeitig ist das Gitter mit einer positiven Gleichspannung E über einen regelbarem, hohen Widerstand R verbunden. Das elektrische Ventil 11 ist derart geschaltet, dass es nur Ströme solcher Richtung durchlässt, durch welche die mit dem Gitter 4 verbundenen Belegungen des Kondensators 6 negativ aufgeladen werden. Der Gitterspannungskondensator erhält die Gleichspannung über den hohen Widerstand R, die notwendige negative Aufladung aber vor dem Zeitpunkt, wo die Zeitfunktion einsetzen soll, durch die negative Halbwelle aus dem Kreis : Transformator 13 und Ventil 11, so dass, nachdem der negative Ladungsstoss aus dem Kreise beendet ist, die Spannung am Gitter bis auf die konstante Gleichspannung +E ansteigen kann und auf diesem Wege die notwendige Zündspannung erreicht.
Dieser Zeitpunkt ist nun abhängig von der Anstiegsgeschwindigkeit, welche durch die Grösse des hohen Widerstandes R und die Grösse des Kondensators 6 bestimmt ist.
Die Fig. 4 gibt ein Diagramm wieder, das den Verlauf der Spannungen gemäss der Schaltung in Fig. 3 veranschaulicht. E bezeichnet wieder den Verlauf einer Anodenspannungshalbwelle. Die Gleichspannung ist durch die Linie +E, die erforderliche Zündspannung ist durch die Linie Ez und die negative Kondensatorspannung durch die Linie-Ec angedeutet. Der Verlauf der Gittersteuerspannung wird durch die Kurve Eg dargestellt, die von der Ordinate A-A ausgehend und in Form einer Exponentialkurve ansteigend, die Linie Ez in dem Punkte P trifft, in dem die Zündung der Arbeitsentladung zwischen Kathode und der betreffenden Anode einsetzt.
Durch die gestrichelten Linien werden verschiedene Werte der Anstiegsgeschwindigkeit der Gittersteuerspannung dargestellt, u. zw. werden diese Exponentialkurven je nach der Einstellung des Widerstandes R einen steileren oder weniger steilen Verlauf nehmen. Der von dem gesättigten Transformator hervorgerufene Ladungsstoss, der die positive Ladung am Ende des Vorganges auf die negative Anfangsladung bringt, wird durch die Kurve EDra wiedergegeben. Der in dem Diagramm gestrichelt gezeichnete Ladungsstoss EDrb wird durch das Ventil 11 unterdrückt.
In der Fig. 5 ist eine Schaltung gezeigt, bei der dem Gitter durch einen von einem plötzlichen Spannungsstoss angeregten Schwingungskreis eine Spannungswelle aufgedrückt wird. Je nach der Einstellung der regelbaren Kapazität 6 oder der regelbaren Induktivität L wird die Steilheit der Spannungswelle in ihrem ersten aufsteigenden Ast geändert, so dass die Gittersteuerspannung früher oder später die Zündspannungslinie Ez erreicht.
Der dieser Schaltung entsprechende Stromverlauf ist in dem Diagramm, Fig. 6, wiedergegeben.
Sobald die Gittersteuerspannung die Zündspannung Ez überschreitet, wird die Arbeitsentladung im Steuerentladungsgefäss eingeleitet. Durch den beim Leitendwerden der Entladungsstrecke im Steuerentladungsgefäss 1 zwischen der Kathode und dem Gitter fliessenden Gitterstrom wird der Kondensator 6 entladen bis auf den kleinen der Entladungsteilspannung entsprechenden Wert U. Dieser Wert bleibt annähernd erhalten, bis der Kondensator durch einen neuen Spannungsstoss aus dem Transformator 13 negativ aufgeladen wird. Diese Entladung des Kondensators durch den Gitterstrom ist notwendig, um Schwebungen beim Arbeiten des Stromtores 1 zwischen der Arbeitsfrequenz und der Steuerkreiseigenfrequenz (6, L) zu vermeiden.
Eine besonders einfache Schaltung stellt die Fig. 7 dar. In dieser ist die Wechselstromquelle W unter Zwischenschaltung des Verbrauchers V an die Anode 3 des Entladungsgefässes 1 angeschlossen.
Der andere Pol der Wechselspannungsquelle ist mit der Kathode 2 verbunden. Das Gitter 4 ist über einen hohen Widerstand R1, der ein unbegrenztes Anwachsen der Gitterstromstärke verhindern soll, an einen Kondensator 6 angeschlossen. Dieser Kondensator 6 wird aufgeladen durch die negative Halbwelle der Wechselspannung W über ein Ventil 11 auf einen negativen Wert Ec. Die positive Aufladung des Kondensators kann nur über den veränderlichen Widerstand R2 gehen, weil in dieser Stromrichtung das Ventil sperren soll. Je nach der Grösse des Widerstandes R2 wird die Kondensatorspannung mehr oder weniger schnell von dem negativen Wert zu ihrem positiven Zündspannungwert Es ansteigen. Damit wird aber auch die Gitterspannung, welche gleich der Kondensatorspannung ist, mit verschiedener Anstiegsgeschwindigkeit verlaufen.
Das Gitter erhält also wiederum vor dem Moment, wo die Zeitfunktion einsetzen soll, eine negative Aufladung. Der Verlauf der Spannung entsprechend dieser Schaltung ist in dem Diagramm, Fig. 8, dargestellt.
Die beschriebenen Steuerungen eignen sich zur Regelung von Motoren, deren Drehzahl den jeweiligen Betriebsverhältnissen belastungsabhängig anzupassen ist, z. B. bei Antrieben für Hebezeuge, Walzwerke, Fahrzeuge, Werkzeugmaschinen, zur Regelung elektrischer Öfen usw., ganz allgemein für solche Verbraucher, bei denen eine Regulierung des Strommittelwertes erforderlich ist. Der Wirkungsgrad bleibt bei allen Drehzahlen bzw. Strommittelwerten gut, da der geringe Verlust in dem hohen Widerstand R vollständig zu vernachlässigen ist. Selbstverständlich kann durch geeignete Vorrichtungen, z. B. Relais, Widerstandsregler usw. die Regelung der Steuerentladungsgefässleistunc mit Hilfe der Gitter auch selbsttätig vorgenommen werden.
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Besondere Vorteile besitzen diese Steuerungen für Steuerentladungsgefässe in fern gesteuerten Anlagen. Nach Einleitung der Hilfsentladung im Steuerentladungsgefäss, z. B. durch einen Stromstoss, kann in einfacher Weise mit Hilfe der Änderung eines Widerstandes einer Steuerleitung der Gitterspannungsverlauf reguliert werden und damit der Arbeitsmittelstromwert des Arbeitskreises über eine Steuerleitung ferngeregelt werden.
Es sei auch an dieser Stelle bemerkt, dass es für die Ausübung des Verfahrens gleichgültig ist, ob im Steuerentladungsgefäss eine Quecksilberkathode, Glühkathode od. dgl. verwendet wird. Dieses Steuerverfahren und die Vorrichtung zu seiner Ausübung ist in vorteilhafter Weise zu Zwecken der Gleichrichtung, Wechselrichtung, Umrichtung od. dgl. verwendbar.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Steuerung, insbesondere zur Spannungsregelung elektrischer Stromkreise mit gittergesteuerten lonenentladungsgefässen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt für das Einsetzen des Lichtbogens in den Gefässen dadurch veränderlich gemacht ist, dass in jeder Periode
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der Hilfsspannung vom gleichen Anfangspunkt aus zu verschieden einstellbarer Zeit innerhalb der Arbeitshalbperiode der Anodenspannung erreicht werden kann.