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Verfahren und Gerät zum Regeln oder Steuern eines Wechselstromes, der zwischen zwei in einen Elektrolyten getauchten Elektroden fliesst
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zum Regeln oder Steuern eines zwischen zwei in einen Elektrolyten getauchten Elektroden fliessenden Wechselstromes ; sie gestattet eine Steuerung von verhältnismässig hoch belasteten Wechselstromkreisen mit Hilfe eines wenig Leistung verbrauchenden Gleichstromkreises.
Geräte dieser Art ohne bewegliche Teile mit Ausnahme eines verstellbaren Schalters oder Widerstandes sind besonders erwünscht für die Steuerung von automatischen Maschinen und auf andern Gebieten, wo ein zuverlässiger und dauerhafter Steuermechanismus von wesentlicher Bedeutung ist.
Es ist bekannt, dass gewisse Metalle mit einer Oxydschicht bedeckt sind. Sie werden in der Gleichrichtertechnik als sogenannte Sperrschichtelektroden bezeichnet, weil sie, in einen Elektrolyten eingetaucht, den elektrischen Strom nur in einer Richtung hindurchlassen, nämlich in der Richtung vom Elektrolyten durch den Oxydfilm in das Metall. Dieses Phänomen wird bei der Gleichrichtung von Wechselstrom nutzbar gemacht, wobei der übliche Elektrolyt-Gleichrichter dieser Art aus einer Sperrschichtelektrode und einer blanken, gegenüber dem Elektrolyten inerten Metallelektrode in einem geeigneten Elektrolytbad besteht.
Es hat sich ergeben, dass die von elektrischen Gleichrichterröhren her bekannte Gittersteuerung auch bei elektrolytischen Ventilen anwendbar ist, die mit schmelzflüssigem Elektrolyt arbeiten. Die Einwirkung vonSteuergittern beschränkt sich jedoch auf eine Beeinflussung des zwischen den Gleichrichterelektroden bestehenden elektrischenFeldes und berührt den Mechanismus der Sperrschichten auf den Elektroden nicht.
Da elektrischer Strom nur in einer Richtung durch eine Sperrschichtelektrode durchgelassen wird, kann bei Anordnung von zwei derartigen Elektroden in einem Elektrolyten offensichtlich der Strom in keiner Richtung durch den Elektrolyten fliessen. Eine solche Anordnung wirkt als Kondensator und hat auch bei den üblichenElektrolytkondensatorenAnwendung gefunden. Es leuchtet jedoch ein, dass der Wechselstromwiderstand einer solchen Anordnung sehr hoch ist.
Man hat bereits vielfach versucht, bei Elektrolytkondensatoren die Zerstörung des Oxydfilmes auf den Sperrschichtelektroden hintanzuhalten. Zu diesem Zweck wurde eine dritte Elektrode vorgesehen, die gegenüber den Sperrschichtelektroden negativ gehalten ist, so dass durch die Anwesenheit von Elektronen oder negativen Ionen im Elektrolyten eine Zerstörung des Films verhindert wird und das Gerät daher ausschliesslich als Kondensator arbeitet. Eine Erklärung für die Wirkungsweise solcher Gleichrichter wird in einem Artikel von Haring"The Mechanismus of Electrolytic rectification", Journal of the ElektrochemicalSocierty, Januar 1952, Vol. 99, No. l, auf den Seiten 30 - 37 gegeben. Auf Seite 35 dieses Artikels findet sich eine symbolische Darstellung der Sperre bei einem Tantaloxydfilm.
Die Erfindung beruht auf dem folgenden überraschenden Sachverhalt. Sind in einem Elektrolytbad zwei Sperrschichtelektroden sowie eine dritte, blanke Elektrode vorgesehen und m acht man diese letztere positiv gegenüber den Sperrschichtelektroden, dann fliesst bei Anlegen einer Wechselspannung an die äusseren Elektroden ein Wechselstrom durch einen von den Sperrschichtelektroden und dem Elektrolyten gebildeten Stromkreis. Dieser Effekt tritt auf, wenn im Elektrolyt eine zusätzliche Metallionenquelle vorhanden ist ; der Wechselstrom fliesst dann solange, als an die dritte Elektrode, die Kontrollelektrode
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genannt werden kann, eine positive Gleichstrom-Vorspannung gelegt wird.
Wenn auch eine Erklärung dieser Erscheinung dadurch nicht begrenzt werden soll, kann man doch annehmen, dass die zusätzlichen
Metallionen von der Oberfläche der Sperrschichtelektroden angezogen werden und sich auf dieser mög- licherweise sogar eine äusserst dünne Schicht positiver Metallionen ausbildet. Eine solche Erscheinung i verändert die stromblockierenden Eigenschaften des Oxydfilms vollständig und der Oxydfilm wird selbst zum Stromleiter, solange Metallionen anwesend sind. Was immer auch die zutreffendste Erklärung sein mag, Tatsache bleibt, dass der von den Sperrschichtelektroden und dem Elektrolyten gebildete Stromkreis einen sehr geringen Widerstand besitzt und leicht verhältnismässig grosse Wechselstrommengen durchlässt, solange die dritte oder Steuerelektrode positiv ist.
Die erwähnte Erscheinung lässt sich zum Regeln oder Steuern eines zwischen zwei in einen Elektrolyten getauchten Elektroden fliessenden Wechselstromes anwenden. Im Einklang mit der Erfindung wird ausser diesen beiden als Sperrschichtelektroden ausgebildeten Elektroden in das Elektrolytbad eine die Sperr- schichten beeinflussende Metallionen abgebende Steuerelektrode eingebracht, auf einem gegenüber dem
Nullpotential des Wechselstromes positives Potential gehalten und durch Ändern dieses Potentiales eine Änderung des zwischen den Sperrschichtelektroden fliessenden Wechselstromes herbeigeführt.
Geräte, mit deren Hilfe Wechselstrom in der erwähnten Weise gesteuert oder geregelt werden kann, enthalten zwei in den Wechselstrom kreis gelegte Sperrschichtelektroden, die in einem Abstand voneinan- der in einen Trog gestellt sind, der mit einem Elektrolyten gefüllt ist. Erfindungsgemäss ist in den positi- ve Ionen, vorzugsweise Metallionen enthaltenden Elektrolyten eine weitere, blanke Metallelektrode ein- getaucht und sind die Sperrschichtelektroden über einen eine Gleichstromquelle enthaltenden Steuerkreis miteinander verbunden, an den die Steuerelektrode über ein Regel- oder Schaltorgan zur Änderung ihrer positiven Aufladung gegenüber dem Nullpotential des Wechselstromes anschliessbar ist.
Das Regel- oder
Schaltorgan kann als verstellbarer Widerstand oder als im Steuerstromkreis zwischen der Gleichstromquelle und den Elektroden angeordneter Umschalter ausgebildet sein, durch dessen Umlegen die Steuerelektrode auf negatives Potential umschaltbar ist. Zur Unterbrechung des Stromes kann das positive Potential auf den
Wert Null herabsetzbar oder abschaltbar sein, wobei im zweiten Falle an das Elektrolytbad ein negatives
Potential gelegt wird.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der
Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemässes Kon- trollgerät, Fig. 2 ein Schaltbild des Steuerstromkreises mit dem zu steuernden Stromkreis einschliesslich des Kontrollgerätes, und Fig. 3 ein ähnliches Schaltbild, wie Fig. 2 aber mit einem modifizierten Steuer- stromkreis.
In Fig. l ist mit 10 ein Gefäss aus einem geeigneten, gegen Alkalien und starke Säuren widerstands- fähigen Material bezeichnet, das z. B. aus Hartgummi, Polyäthylen usw. bestehen kann.
Das Gefäss 10 ist mit einem Deckel 11 verschlossen, der das Gefässinnere dicht abschliesst und mit geeigneten (nicht dargestellten) Entlüftungsöffnungen versehen ist. Durch den Deckel 11 ragen zwei in demselben in üblicher Weise befestigte Sperrschichtelektroden 12, 13, vorzugsweise Tantalelektroden mit
Kernen 14 bzw. 15 aus metallischem Tantal, die mit Schichten oder Filmen 16 bzw. 17 aus Tantaloxyd überzogen sind. Der Deckel 11 trägt weiters eine Steuerelektrode 18. welche vorzugsweise aus einem gut leitenden und gegenüber dem Elektrolyten praktisch inerten Metall besteht. Besonders geeignet für diesen
Zweck ist Platin, wenngleich auch andere bekannte Metalle oder Legierungen mit ähnlichenEigenschaften verwendet werden können.
Die Kerne 14 bzw. 15 sind über Leitungen 19 bzw. 20 in den zu regelnden Wechselstromkreis ge- schaltet. Zwischen den beiden Tantalelektroden steht die Steuerelektrode 18, zu der eine Leitung 21 führt, die dem Steuerstromkreis zugehört. In dem Regelkreis fliesst bei Anlegen einer Wechselspannung ein
Wechselstrom, solange die Steuerelektrode auf einen gegenüber dem Nullpotential dieses Wechselstromes positiven Potential erhalten wird, d. h. solange in dem Steuerkreis ein konstanter oder pulsierender Gleich- strom fliesst.
Im Gefäss 10 befindet sich ein Elektrolyt 23, der das Gefäss vollständig oder nur zum Teil jedenfalls aber so weit erfüllt, dass die Elektroden 12, 13 und 18 darin eintauchen. In manchen Fällen ist es vorteil- haft. wenn der Elektrolyt das Gefäss nur zum Teil ausfüllt, so dass Raum für durch Elektrolysewirkung ent- stehendes Gas vorhanden ist. Es kann ein üblicher Elektrolyt, vorzugsweise mit saurem Charakter, verwen-
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net erwiesen sich Mineralsäuren, insbesondere Schwefel- und Salzsäure. Selbstverständlich sind diese Säuren mit Wasser verdünnt, wobei eine Konzentration von 20 bis zu 35 Gel.-% bei Schwefelsäure ausge-
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zu diesem Zweck Zink in Säure auflösen ; vorzugsweise wird jedoch ein geeignetes Metallsalz, z.
B. ein
Zinksalz, in der wässerigen Elektrolytsäure aufgelöst. Im Falle von Schwefelsäure eignen sich hiezu lösliche Salze von Zink mit Mineralsäuren, wie Zinksulfat und-chlorid oder Zinkacetat usw. Die gleichen Salze sind auch bei Verwendung von Salzsäure als Elektrolyt geeignet. Zur Erzielung bester Wirkun- gen wird vorzugsweise eine gesättigte Lösung des Salzes im Elektrolyten verwendet.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Sperrschichtelektroden 12 bzw. 13 über Leitungen 24 bzw. 25 an Gleichrichter 26 bzw. 27 angeschlossen, welch letztere ihrerseits mit einem Steuerstromkreis verbunden sind, der aus einer Leitung 28, einem Schiebewiderstand 29 und der Leitung 21 besteht, die wie be- reits erwähnt, zu der Steuerelektrode 18 führt.
Der zu regelnde Wechselstromkreis besteht aus einem durch Lampen symbolisierten Verbraucher 31, der über eine Leitung 32 an einem Ende der Wicklung eines Transformators 30 liegt. Das andere Wicklungsende ist über die Leitung 19 mit der Sperrschichtelektrode 12 verbunden. Vor der andern Sperrschichtelektrode 13 führt die Leitung zu dem Verbraucher zurück.
BeimBetrieb des vorstehend beschriebenenRegelgerätes wird, sobald eine Wechselspannung von etwa 80 Volt an die Leitungen 19 und 32 gelegt ist, dem Steuerstromkreis über die Leitungen bzw. Drähte 24, 25 Gleichstrom zugeführt. Dieser Gleichstrom fliesst nur in einer Richtung, derart, dass die Steuerelektrode 18 positiv wird, wobei die in dem Steuerstromkreis wirkende Gleichspannung mittels des Schiebewiderstandes 29 bestimmt wird, der bei einer etwas abgeänderten Schaltung durch ein Potentiometer ersetzt werden kann. Wenn der Schiebewiderstand 29 auf Null gestellt ist, erreicht die Spannung des Steuerstromkreises dennoch einen bestimmten Grenzwert, der bei einem Elektrolyten aus 3eiger Schwefelsäure und mit dem zur Sättigung erforderlichen Gehalt an Zinkchlorid oder-sultat etwa 2 oder 3 Volt beträgt.
Weiters ist auch der Strom im Steuerstromkreis von sich aus begrenzt und beträgt, selbst wenn der Widerstand 29 ausgeschaltet ist, etwa 20 Milliampere. Bei einer Spannung von 80 Volt besitzt der bei diesem maximalen Steuerstrom zum Fliessen gebrachte Wechselstrom eine Stärke von etwa 1 Ampere, natürlich in Abhängigkeit von der Belastung 31.
Hieraus ergibt sich, dass der zum Zwecke der Steuerung erforderliche Strom auf etwa ein Tausendstel des zu regelnden Stromes herabgedrückt ist. Wird der Widerstand erhöht und damit das an die Steuerelektrode 18 gelegte Potential herabgesetzt, so wird auch der Stromdurchfluss in dem geregelten Stromkreis in einer entsprechenden Weise vermindert.
Das Gerät kann anstatt mit dem Widerstand 29 auch mit einem Schalter betätigt werden, so dass beim Schliessen desselben die Steuerspannung angelegt wird und beim Öffnen durch den geregelten Wechselstromkreis, mit Ausnahme von schwachen vagabundierenden Strömen, überhaupt kein Strom fliesst. Es ist zu beachten, dass bei Verwendung eines Schalters die Wirkung des Gerätes, nämlich den Durchfluss von Wechselstrom zu sperren oder zu gestatten, eine nahezu augenblickliche ist.
Die Wirkung eines Widerstandes bzw. eines Schalters kann durch eine VeränderungderEintauchtiefe der Steuerelektrode bzw. durch Herausziehen der letzteren aus dem Elektrolyten ersetzt werden.
Fig. 3 veranschaulicht eine abgewandelte-Ausführung eines Gerätes, bei der anstatt der Gleichrichter 26, 27 Drosselspulen 33, 34 vorgesehen sind. In denSteuerstromkreis ist eine Gleichstromquelle z. B. eine Batterie 35 geschaltet. Die Drosselspulen verhindern, dass Wechselstrom aus dem zu regelnden Stromkreis das Funktionieren des Steuerstromkreises stört. Weiters sind die Leitungen 21 und 28 des Kontrollstromkreises an einen Umpolschalter 37 angeschlossen, der über Leitungen 38 und 39 mit der Batterie 35 verbunden ist. Wird der Schalter 37 mit seinen linken Kontakten geschlossen, fliesst Gleichstrom von der Batterie 35 über die Drähte 38 und 21 zu der Steuerelektrode 18 und bringt diese auf ein positives Potential. Beim Umlegen des Schalters wird der negative Pol der Batterie 35 über den Draht 39 mit dem Draht21 und der Steuerelektrode 18 verbunden.
Wenn auch in den meisten Fällen bei blossem Abschalten das Abklingen des positiven Steuerpotentials an der Elektrode 18 sehr rasch erfolgt, so dass der Wechselstrom im kontrollierten Stromkreis innerhalb von wenigen Tausendstelsekunden unterbrochen ist, zeigt es sich doch, dass die Umkehrung der Vorspannung an der Steuerelektrode 18 noch rascher wirkt. Auch in dem in Fig. 2 dargestellten Stromkreis kann an Stelle des Widerstandes 29 ein Umkehrschalter 37, oder ein gewöhnlicher Schalter, verwendet werden.