Einrichtung zum vorzeitigen Löschen des Anodenstromes bei Gleich-, Wechsel- oder Umrichtern. Die Erfindung bezieht sich auf eine Ein richtung zum Löächen eines Anodenstromes bei Gleich-, Wechsel- oder Umrichtern mit Bogen- oder Glühkathoden und mit minde stens einem den Anoden unmittelbar vorge- laberten Steuergitter. AZan hat bereits vor geschlagen, die Öffnungen in den vor den Anoden befindlichen Gittern so zu bemessen, dass der Lantimuirsche Dunkelraum bei dem gegebenen Metalldampfdruck sie schon bei solchen negativen Spannungen überdeckt und verschliesst, auf welche sich .das Gitter isoliert angeordnet,
von selbst aufladen würde.
Ein solches Gitter erfüllt den Zweck, den Anodenstrom zu löschen.
Versuche haben aber gezeigt, dass es ge lingt, den Anodenstrom auch dann zu löschen, wenn die Öffnungen in den Gittern so gross gemacht werden, dass die oben genannte Be- dingung nicht mehr erfüllt ist. Es hat sich dabei gezeigt, dass für die Löschung des Anodenstromes die Vorgänge, die sich im Raume zwischen Gitter und Anode abspie len, von grösster Wichtigkeit sind. Wichtig ist vor allen Dingen die Ionisation im Raume zwischen Anode und Gitter. Ionenbildung in diesem Raume ist notwendig, wenn man grosse Anodenströme wirtschaftlich, das heisst ohne grossen Spannungsabfall steuern will.
Wie unwirtschaftlich infolge des gro ssen Spannungsabfalles eine Steuerung ohne Ionisation zwischen Gitter und Anode wird, zeigt die folgende Überlegung.
Bei vollständigem Fehlen von positiven Ionen 'im Raum zwischen Anode und Gitter berechnet sich die Elektronenstromdichte I, welche zwischen zwei parallelen Ebenen auf treten kann, nach dem Langmuir-Schottky- schen Raumladegesetz:
EMI0001.0022
wobei V die Spannung und X den Abstand zwischen Anode und Gitter bedeuten;
Bei einem Gitterabstand von beispielsweise X = 5 mm ergibt sich für einen Spannungs abfall von Y = 20 Volt eine Stromdichte von nur 0,083. 10-2 Amp/em' und für eine Anodenstirnfläche von 300 cm\ würde der Gesamtstrom nur 0,25 Amp. betragen. Oder bei einer Stromdichte von zirka 3 Amp/om\, wie sie bei den heutigen Grossgleichrichtern an der Anodenfläche vorkommt, müsste der Gitterabstand X nur 0,084 mm betragen, was praktisch unmöglich ist oder der Spannungs abfall V würde auf zirka 4700 Volt anstei gen.
Vorliegende Erfindung bezweckt die diskontinuierliche Steuerung grosser Anoden ströme (mehrere hundert Ampere), ohne dass zwischen Gitter und Anode während er un- gesperrten Brenndauer ein unzulässig grosser Spannungsabfall entsteht. Unter .dem Aus druck "diskontinuierlich" ist dabei verstan den, dass der Anodenstrom beim Anlegen einer sinusförmig veränderlichen negativen Gitterspannung nicht kontinuierlich auf Null abnimmt, sondern zunächst konstant bleibt und dann im Vergleich zur Periode der Git terspannung rasch verschwindet.
Dadurch, .dass während der Brenndauer Ionisation zwi schen Gitter und Anode ermöglicht wird, bleibt in diesem Raume die Bedingung der "Quasineutralität", das heisst Bleichviele Elektronen wie positive Ionen pro Raumein heit aufrecht erhalten und der Spannungsab fall bleibt nur gering. Plötzliches Abschnei den des Ano.denstroines hat gegenüber kon tinuierlich wirkenden Steuerungen den Vor teil, dass während dem Löschvorgang infolge seiner äusserst kurzen Dauer wenig Energie verloren geht.
Die Schalterarbeit, als wel che man diese Löscharbeit auch bezeichnen kann, muss schon .deshalb klein gehalten werden, weil diese sich hier mit der Frequenz und der Anodenzahl wiederholt, und nicht wie bei einem gewöhnlichen Schalter nur in @reRricjeu Zwischenräumen bewältigt werden muss. Man kann zwar bei einer kontinuier lich wirkenden Steuerung die Zeitdauer des Löschvorganges dadurch verkleinern, dass man nieht eine sinusförmige Spannung nor- maler Frequenz, sondern eine .sehr steile, spitzanförmige Gitterspannung anwendet.
-Kontinuierlich wirkende Steuerungen sind aber immer au die Bedingung der nicht vor handenen Ionisation zwischen Gitter und Anode und damit an grossen Spannungsab- fall gebunden.
Der Löschvorgang beruht auf einer Beeinflussung der Quasineutralität im Raume zwischen Gitter und Anode. Die Quasineu- tralität mu3 während der zugelassenen Brenndauer .des Anodenstromes aus Gründen des möglichst geringen Spannungsabfalles erfüllt sein.
Soll aber der Anodenstrom aus gelöscht werden, so muss die Quasineutralität durch die negative Gitteraufladung gestört werden, indem durch die Ableitung eines negativen Gitterstromes ein Mehrverbrauch von positiven Ionen auf der Anodenseite des Gitters zuo-leich eine verminderte Zufuhr und Neubildung solcher Ionen veranlasst wird.
Mehrverbrauch und verminderte Neu bildung und Zufuhr von positiven Ionen müssen sich gegenseitig derart unterstützen, dass die Quasineutralität im Raume zwischen Anode und Gitter sehr rasch verschwindet, und der Elektronenstrom nur noch raum- ladebegrenzte Werte von so kleiner Grösse annimmt wie es obige Rechnung gezeigt hat.
Damit nun bei. negativer Gitterspannung die Ionenzufuhr und die Stossionisation vermin dert, der Ionenverbrauch, das heisst der nega tive Gitterstrom, aber möglichst gross wird, sind die Steuergitter so zu bemessen, dass die freie Querschnittsfläche der Durchtrittsöff- nungen der Gitter, welche sowohl für die Ionenzufuhr, als auch für die Ionenbildung massgebend ist, in einem bestimmten Verhält nis steht zur Ionen verbrauchenden Gitter oberfläche.
Dabei kommt in erster Linie der jenige Teil der Gitteroberfläche in Frage, der der Anode zugekehrt ist, sowie auch die Um grenzungsoberfläche der Gitteröffnungen, während der der Kathode zugewendete Teil weniger ins Gewicht fällt.
Es ist offensichtlich, dass eine möglichst kleine Oberfläche der Durchtrittsöffnungen zusammen mit einer möglichst grossen Gitter- oberfläche den Löschvorgang begünstigt. Die Neubildung von Ionen ist aber ausserdem noch von der Gas- oder Dampfdichte und vom Abstand zwischen Gitter und Anode ab hängig; je grösser der Abstand zwischen bei den und die Dampf- und Gasdichte ist, desto grösser muss das Verhältnis der Ionen ver brauchenden Oberfläche O zur freien Durch trittsfläche F gewählt werden.
Ausserdem ist die freie Durchtrittsfläche eine Funktion der negativen Gitterspannung, weil sich um die Gitteröffnungen ein positiver Dunkel raum (Langmuirscher Dunkelraum) ausbil det, dessen Dicke der 1/ y 33 proportional ist. Es ist aber nicht möglich, die negative Gitter spannung beliebig hoch zu wählen, weil die Gefahr des Umschlages der unselbständigen Gitterentladung in eine selbständige Bogen entladung mit zunehmender Spannung rasch grösser wird (Gitterrückzündungen).
Versuche haben nun gezeigt, dass bei einem Abstand a zwischen Gitter und Anode von der Grössenordnung einer freien Elektro- nenweglänge %e das Verhältnis von p > 2,5 sein muss, wenn man mit einem solchen Gitter durch eine negative Gitterspannung, die un terhalb der kritischen Rückzündungsspan- nung liegt, die Bedingung der Quasineu- tralität derart stören will, dass der Anoden strom auslöscht.
Ist der Abstand a wesent- lieh kleiner als die freie Elektronenweglä,nge 7.e, so kann das Verhältnis 0 noch kleiner gemacht werden als 2,5. Da man aber die Dampf- oder Gasdichte zwischen Anode und Gitter nur innerhalb gewissen Grenzen kon stant halten kann, so muss man in der Wahl von # eine gewisse Sicherheit zugeben.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung zum vorzeitigen Löschen des Anodenstromes bei Stromrichtern mit Bogen- oder Glühkathoden, und mit mindestens einem den Anoden unmittelbar vorgelagerten Steuergitter, bei dem erfindungsgemäss der Löschvorgang durch die Beeinflussung der Quasineutralität im Raume zwischen Steuer- Bitter und Anode erfolgt, indem die Summe der Oberfläche aller gleichmässig über die ganze Gitterfläche verteilten Durchtrittsöff- nungen bei einem Abstand zwischen Anode und Gitter von der Grössenordnung der mitt leren freien Elektronenweglänge,
kleiner als der dritte Teil der für die Aufnahme des positiven Ionenstromes aus dem Raume zwi schen Anode und Gitter in Frage kommen den Gitteroberfläche ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbei spiele der Einrichtung gemäss der Erfindung schematisch in Abb. Ja, 1b, 2a, 2b im Schnitt durch Anode und Gitter, bezw. in Aufsicht auf das Gitter dargestellt.
Mit A ist die Anode bezeichnet, G ist das der Anode unmittelbar vorgelagerte Steuer gitter, das mit Hilfe des kappenförmigen Teils Ir an dem Einführungsisolator J für die Anode aufgehängt ist. Das Gitter ist mit Öffnungen o versehen, die auf der Gitter oberfläche gleichmässig verteilt sind, und deren Manteloberflächen die Ionen auffangen.
Um die Ionen verbrauchende Oberfläche auf der Anodenseite -des Gitters zu vergrö ssern, sind bei Fig. la und 1b auf der Gitter ebene vertikal, stehende Zusatzflächen f an gebracht. Diese Zusatzoberflächen können zum Beispiel als runde oder eckige Stifte s in die Gitteroberfläche eingesetzt sein, oder als flache Stäbe t parallel zur Mittellinie der Gitterflächen verlaufen.
Im Ausführungs beispiel, Fig. 2a und 2b ist zur Vergrösserung der Ionen verbrauchenden Oberfläche zwecks rascher und sicherer Steuerung der Quasi neutralität die Anode A mit Rippen B ver sehen, die sowohl auf der .der Kathode zuge kehrten Anodenfläche, als auch auf ihrer Zylindermantelfläche angebracht sein kön nen. Zwischen diesen Rippen liegen noch Gitterstäbe B bezw. Rippen t, die elektrisch mit der Gitterfläche verbunden sind, und zwar entweder direkt oder über Widerstand.
Vor dem Steuergitter kann noch ein Er reger- bezw. Ableitergitter (Kommutierungs- gitter) angebracht sein, .das dauernd über einen Widerstand mit der zugehörigen Anode verbunden ist. Es können ferner die Zusatzflächen zwi- seben Gitter und Anode vom Steuergitter isoliert sein und entweder dauernd oder auch über einen Kontaktgeber periodisch nur auf ein solches negatives Potential gebracht wer den, bei dem der positive Ionenstrom den Sättigungswert erreicht hat.
Die Steuergitter können auch zusätzlich geheizt werden.