CH335750A - Multi-stage cascade rectifier - Google Patents

Multi-stage cascade rectifier

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CH335750A
CH335750A CH335750DA CH335750A CH 335750 A CH335750 A CH 335750A CH 335750D A CH335750D A CH 335750DA CH 335750 A CH335750 A CH 335750A
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CH
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capacitors
voltage
rectifier
cascade
ripple
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German (de)
Inventor
Heilpern Walter Gerhard Ing Dr
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Haefely & Cie Ag Emil
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • H02M7/10Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode arranged for operation in series, e.g. for multiplication of voltage
    • H02M7/103Containing passive elements (capacitively coupled) which are ordered in cascade on one source

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Description

  

      Mehrstufiger        Kaskadengleichrichter       Zur Erzeugung hoher Gleichspannung wird mei  stens eine     Kaskadenschaltung    von Gleichrichtern und  Kondensatoren benutzt. Die Wirkung ist ähnlich wie  bei einem Transformator; der am Ausgang zur Ver  fügung stehende Gleichstrom ist um so kleiner als der       Eingangs-Wechselstrom,   <B>je</B> grösser das     Spannungs-          Übersetzungs-Verhältnis    ist.  



  Dagegen ist der Wirkungsgrad meistens viel  schlechter als bei einem Transformator, er hängt  insbesondere von der Grösse der benutzten Konden  satoren und der Frequenz des Eingangsstromes sowie  der Anzahl der     Spannungs-Vervielfachungsstufen    ab.  



  Für viele Anwendungen ist aber die auf der Aus  gangsseite vorhandene Welligkeit noch viel störender  als der schlechte Wirkungsgrad. Die Ursachen sind für  beide Erscheinungen die gleichen. Während aber der  Leistungsverlust durch Erhöhung der Eingangsenergie  ausgeglichen werden kann, gibt es kein ähnliches Heil  mittel gegen die Welligkeit.  



  Diese ist besonders störend in Apparaturen, wo  Elementarteilchen beschleunigt werden, z. B. bei Elek  tronenmikroskopen. Hierbei kommt es darauf an,     dass     die Teilchen immer die gleiche Geschwindigkeit haben;  im Elektronenmikroskop werden durch zu grosse Wel  ligkeit die Beugungsbilder verzerrt.  



  Noch viel störender ist die Welligkeit bei den     so-          genannten        Partikel-Acceleratoren,    die für die Kern  physik gebraucht werden. Diese werden zur möglichst  genauen Bestimmung der Kernspektren benutzt; dabei  kommt es wesentlich auf die Schärfe der Energie  definition der bombardierenden Teilchen an,     z.B.    um  das Intensitätsmaximum des Übergangs festzulegen.  



  Durch die Welligkeit ist ein Energieband für die  Partikel festgelegt, innerhalb dessen eine Unterschei  dung nicht möglich ist. Dadurch wurde bisher die  Verwendbarkeit der     Kaskadengeneratoren    über eine  Spannung von etwa 2 Millionen Volt unmöglich ge-    macht. Bei höheren Spannungen sind höhere Stufen  zahlen nötig, und mit der Stufenzahl steigt die Wellig  keit zu stark an.  



  Bisher hat man deshalb für höhere Energien den       sogenannten        Van    de     Graaff-Generator    vorgezogen,  der zwar direkt eine     welligkeitsfreie        Gleichspanriung     erzeugt, aber im mechanischen Aufbau sehr kompli  ziert ist, nur eine ungenügende Steuerfähigkeit in     bezug     auf die Spannung der einzelnen Elektroden besitzt  und nur die Entnahme sehr kleiner Ströme gestattet.  



  Mit der vorliegenden Erfindung soll nun dieser  Nachteil des     Kaskadengenerators    für     Partikel-Be-          schleunigung    überwunden werden, so     dass    er auch für  grosse Energien einem     Van    de     Graaff-Generator    min  destens gleichwertig wird.  



  Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein mehr  stufiger     Kaskadengleichrichter    mit Schub- und     Glät-          tungskondensatoren    und Gleichrichtern, wobei die       Glättungskondensatoren    eine     Serieschaltung    zwischen  den Belastungsklemmen des     Kaskadengleichrichters     bilden.  



  In der Zeichnung ist zur Erklärung der Wirkungs  weise die neue Schaltung     (Fig.   <B>1)</B> der bisher gebräuch  lichen     (Fig.    2) gegenübergestellt. In beiden Schaltungen  werden die folgenden Abkürzungen verwendet:       El,   <B>E2</B> Klemmen für die Eingangsspannung<B>U</B> für den       Kaskadengenerator    (gewöhnlich an der Sekundär  wicklung eines Hochspannungstransformators);  <B><I>A, A2</I></B> Ausgangsklemmen für die erzeugte Gleich  spannung;       Gl-G4   <I>und</I>     Gl'-G4'    Hochspannungsgleichrichter (z. B.

         Glühkathodengleichrichter    oder     Selengleichrichter);          Cl,   <B>C2</B>     sogenannte        Glättungskondensatoren,    deren  Spannung bis auf die Welligkeit zeitlich konstant  ist;           Cit,        C,'    und     C,",        C2"    Schubkondensatoren, deren  Spannung im Falle a     (Fig.    2) um die ganze, im  Falle<B>b</B>     (Fig.   <B>1)</B> um die halbe     Eingangs-Wechsel-          spannung    schwankt.  



  Erstmals wurde die einfache     Kaskadenschaltung     vor etwa 20 Jahren von     Cockcroft    und Walton zur  Beschleunigung von Protonen mit hohen Gleich  spannungen angewendet. Dabei haben die Autoren  gleichzeitig für die am Ausgang der Kaskade auf  tretende Spannung die folgende Formel für die Wellig  keit<B>ö U</B> abgeleitet:  
EMI0002.0011     
         (vgl.    L. De     Broglie:        Les        Acc616rateurs    de     Particules,     <B>p. 90,</B> Paris<B>1950),</B> wobei<B>i</B> der Belastungsstrom,<B>f</B> die  Frequenz,<B>C</B> die Kapazität der Kondensatoren (gleich  für alle Kondensatoren) und n die Stufenzahl der  Kaskade ist.  



  Die Welligkeit kommt dadurch zustande,     dass    jeder       Glättungskondensator    erstens eine bestimmte Elektri  zitätsmenge direkt an den Belastungswiderstand ab  geben     muss    und zweitens indirekt diejenigen Elektrizi  tätsmengen, die gleichzeitig von allen oberhalb des be  trachteten in der Kaskade befindlichen     Glättungskon-          densatoren    an den Belastungswiderstand abgegeben  werden; denn alle diese Ladungsquantitäten     mussten     vorher von dem betrachteten     Glättungskondensator     durch Umladung nach oben transportiert werden.  



  Bezeichnet man wie oben die Welligkeit,<B>d.</B> h. den  infolge der Ladungsabgabe an den Belastungswider  stand an<B>C,</B> in jeder Periode entstehenden Spannungs  abfall mit<B>ö<I>U,</I></B> so tritt an     C,'    der gleiche Spannungs  abfall, an<B>C,</B> aber 2     ö   <B>U</B> auf.  



  Die Welligkeit am untersten     Glättungskondensator     ist n mal grösser als die des obersten. Durch     Auf-          summlerung    erhält, man die gesamte Welligkeit der  Ausgangsspannung. Erhöht man die Stufenzahl, so  nimmt die Welligkeit quadratisch mit n zu.  



  Die Existenz der Welligkeit bedeutet,     dass    an jedem  Kondensator die Spannung am Ende einer Periode der  Speisespannung einen niedrigeren Wert als am Anfang  der Periode hat. Da alle Kondensatoren im gleichen  Moment,     d.h.    zu Beginn einer Periode aufgeladen  werden,     muss    also der aufladende Kondensator eine  um die Welligkeit höhere Spannung als der aufzu  ladende haben, damit dessen Ladungsdefizit aus  geglichen werden kann. Es entsteht somit an jedem  Kondensator ein Spannungsverlust, der um so grösser  ist,<B>je</B> höher sich der Kondensator in der Kaskade  befindet. Entsprechend dem Betrag der Welligkeit ist  auch der Spannungsverlust in den untersten Stufen am  grössten.

   Das gesamte so entstandene Spannungs  defizit<B><I>A U</I></B> nimmt in bekannter Weise mit der<B>3.</B> Potenz  der Stufenzahl n zu.  
EMI0002.0032     
         (vgl.    L. De     Broglie:        Les        Acc26rateurs    de     Particules,     <B>p. 92,</B> Paris<B>1950).</B> Zusammenfassend kann also gesagt  werden,     dass    sowohl die Welligkeit wie auch der Span  nungsabfall hauptsächlich dadurch verursacht wird,       dass    die     Glättungskondensatoren    ausser der Ladungs  abgabe an den Verbraucher auch noch die Ladung für  die in der Kaskade höher gelegenen Kondensatoren  weitergeben müssen.  



  In der normalen Schaltung     (Fig.    2) sind nun diese  beiden Funktionen ungleichmässig auf     dieKondensator-          säulen    verteilt. Die Schubkondensatoren geben nur  Ladung an andere Kondensatoren ab, während die       Glättungskondensatoren    sowohl Ladung zum nächst  höheren Schubkondensator als auch zum Verbraucher  transportieren.

   Man kann dies auch so ausdrücken:  In der konventionellen Schaltung erfolgt der Ladungs  transport zwischen den Kondensatoren in der einen  Halbperiode des Speisestromes durch Schub- in der  andern Halbperiode durch     Glättungskondensatoren.     Da nun die Welligkeit allein durch die Spannungs  schwankung an den     Glättungskondensatoren    bedingt  ist, könnte sie beträchtlich vermindert werden, wenn  ihnen die Funktion des Ladungstransportes nach oben  abgenommen würde, so     dass    sie nur noch wie beim       Halbweggleichrichter    Leistung an den Verbraucher  liefern     müssten.     



  Dies wird erfindungsgemäss durch     Symmetrisierung     der Schaltung wirklich erreicht, wie     Fig.   <B>1</B> zeigt.  Erfindungsgemäss ist der     Kaskadengleichrichter    so  gebaut,     dass    wenigstens zwei     Doppelweggleichrichter-          Anordnungen    in Kaskade vorgesehen sind, wobei die       Wechselstromklemmen        (iv)    dieser Anordnungen über  Schubkondensatoren untereinander und zuletzt mit  den     Wechselstromspeiseklemmen   <B><I>(E,</I></B>     E,)    verbunden  sind,

   und     dass    die Schub- und die     Glättungskondensa-          toren    sowie die Gleichrichter in symmetrischer Schal  tung angeordnet sind.  



       Dass    der Ladungstransport nach oben in     Fig.   <B>1</B> nur  auf die beiden     Schubkondensatoren-Säulen    verteilt ist,  während die     Glättungskondensatoren    nur Ladung nach  aussen abgeben, sieht man, wenn man nach dem Vor  zeichen der Spannung an den Kondensatoren in einer  bestimmten Halbperiode der Speisespannung fragt.  Z.

   B. betrachtet man die Spannungen an<B>C,</B> und<B>C,</B> in  einer Halbperiode, in der     C,.'    schon geladen ist, dann  liegt an dem Gleichrichter<B>G,</B> momentan der Scheitel  wert der Spannung 2<B>U.</B> Auf diese wird der Konden  sator     C,    aufgeladen, wobei der Einfachheit wegen die  Voraussetzung gemacht wird,     dass    die Impedanzen des  Transformators und der Gleichrichter     vernachlässigbar     sind; die gleichen Annahmen wurden auch bei der  Ableitung der Formeln<B>(1)</B> und (2) gemacht.  



  Gleichzeitig wird aber auch     C,"    auf dieselbe Span  nung aufgeladen. Die obern Klemmen von<B>C,</B> und<B>C."</B>  müssen sich auf dem gleichen Potential befinden, da  sie mit dem ladenden Kondensator<B>C,'</B> über Gleich  richter in der     Durchlassrichtung    verbunden sind. Die  untern Klemmen haben das gleiche Potential, weil im  gleichen Moment wie<B>C,</B> auch     C,"    aufgeladen wird,  und daher die Spannung an     G,'gleich   <B>0</B> wird. Es werden      also     CI    und     C,"    im gleichen Moment geladen, dagegen  erfolgt ihre Entladung zu verschiedenen Zeiten.

   Die  Entladung von<B>C,</B> durch den Belastungswiderstand  beginnt sofort mit maximaler Spannungsabnahme im  Anfang.     C,"    kann zu dieser Ladungsabgabe infolge der  Sperrwirkung von<B>G,'</B> nichts beitragen. Er bleibt also  eine halbe Periode lang auf konstanter Spannung, bis  die Umladung auf<B>C,</B> erfolgt. Entsprechende Beziehun  gen können für alle andern Stufen auch grösserer Kas  kaden aufgestellt werden. Man erkennt leicht,     dass    alle  Verbindungen zwischen den Gleichrichtern und der       Glättungssäure    ausser der obersten in der Kaskade  weggelassen werden können, ohne die Wirkung der  Schaltung zu beeinträchtigen. Dann ist die Ähnlichkeit  mit einem gewöhnlichen Einweggleichrichter auch  äusserlich sichtbar.

   Die gesamte Ladung für die Säule  der     Glättungskondensatoren    wird dann durch die  obersten Gleichrichter der Kaskade zugeführt.  



  Da die     Glättungskondensatoren    nur noch Ladung  an den Verbraucher und nicht mehr an andere Konden  satoren der Kaskade abgeben, hängt die Welligkeit  wie bei einem Einweggleichrichter nur noch von der  Gesamtkapazität aller     Glättunaskondensatoren    in       Serieschaltung    ab.  



  Die Welligkeit     ö   <B>U</B> ist somit gegeben durch:  
EMI0003.0011     
    wobei<B>1</B> der Belastungsstrom,<B>f</B> die Frequenz,<B>C</B> die  Kapazität der Kondensatoren (gleich für alle Konden  satoren) und n die Stufenzahl der Kaskade ist. Bei der  einfachen Schaltung a) ist dagegen nach<B>(1)</B>  
EMI0003.0012     
    Die Erfindung ermöglicht es also, die Welligkeit  um den Faktor n<B><I>+</I> 1</B> herabzusetzen, was besonders bei  grossen Stufenzahlen sehr viel ausmacht.  



  Der Mehraufwand der neuen Schaltung nach     Fig.   <B>1</B>  gegenüber der alten nach     Fig.    2 ist nicht gross. Die  Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators  enthält doppelt     soviele    Windungen, sie     muss    aber nicht  für eine höhere Spannung isoliert sein, da ja hier die       Mittelanzapfung    geerdet ist.

   Ferner werden doppelt       soviele        GleichrichterelementeGals    Schubkondensatoren       C,'-C,"    und doppelt     soviele    Schubkondensatoren wie       Glättungskondensatoren        CI-C,    benötigt, wobei aber  jedes     Gleichrichterelement    nur den halben Strom aus  halten     muss.    Unter der Annahme,     dass    wiederum alle  Kondensatoren gleich gross sind, wird das gesamte       Kondensat6rvolumen    nur<B>50010</B> grösser als bei der  gewöhnlichen Schaltung,

   weil drei anstatt zwei     Kon-          densatorsäulen    vorhanden sind.  



  Grundsätzlich könnte man die Schubkondensatoren  in der symmetrischen Schaltung beliebig klein machen,  ohne     dass    die Welligkeit vergrössert würde. Dann würde  aber der Spannungsverlust, der hier umgekehrt pro  portional zur Kapazität der Schubkondensatoren und  von der Grösse der     Glättungskondensatoren    unab  hängig ist, beliebig gross werden.    Es ist noch hervorzuheben,     dass    auch der Span  nungsverlust durch die Erfindung etwa um einen     Fak-;          tor    4 reduziert wird, obwohl er auch hier mit der dritten  Potenz der Stufenzahl anwächst.

   Eine Verminderung  um die Hälfte wird dadurch verursacht,     dass    die  Ladung, um an die Spitze der Kaskade zu gelangen,  nur halb     soviele    Kondensatoren passieren     muss,    wie in  der gewöhnlichen Schaltung. Eine weitere Verkleine  rung um die Hälfte rührt davon her,     dass    die sym  metrische Kaskade eine     Doppelwegschaltung    darstellt,  in deren jedem Zweig der Belastungsstrom nur die  Hälfte des Gesamtstromes beträgt.  



  Die genaue Berechnung ergibt für den Spannungs  verlust:  
EMI0003.0040     
    während bei der gewöhnlichen Schaltung nach (2)  
EMI0003.0041     
    Es ist bekannt,     dass    im     Kaskaden-Gleichrichter     neben der beschriebenen belastungsabhängigen Wellig  keit eine Welligkeit zweiter Art auftritt, die auch im  unbelasteten Zustand auftritt, die von der Frequenz des  speisenden Wechselstromes unabhängig ist und durch  die Kapazität zwischen den Schub- und     Glättungs-          kondensatoren,   <B>d.</B> h. der Parallelkapazität zu den  Gleichrichtern verursacht wird. Sie wird daher meistens  als     kapazitive    Welligkeit bezeichnet.

   Erst in den letzten  Jahren ist nach geeigneten Mitteln gesucht worden,  um sie zu beseitigen. Man hat gefunden,     dass    dies da  durch geschehen kann,     dass    in der gewöhnlichen Schal  tung nach     Fig.    2 die Sekundärspule des speisenden  Hochspannungstransformators nicht am Ende, sondern  längs der Wicklung an einem geeigneten Punkt geerdet  wird. Diese Erdung     muss    empirisch festgelegt werden,  was naturgemäss bei der hohen Spannung nicht einfach  ist. Ferner bedingt diese Art der     Symmetrisierung,        dass     auch die Säule der     Glättungskondensatoren    nicht mehr  direkt geerdet ist.

   Dies erschwert das häufig gebrauchte  Verfahren der elektronischen Stabilisierung der Hoch  spannung, die am einfachsten durch Anlegen einer       Seriespannung    zwischen Erde und dem untersten       Glättungskondensator    bewerkstelligt wird.  



  Die     erfindungsgemässe    Schaltung ist von vorn  herein symmetrisch, daher verschwindet ihre     kapazitive     Welligkeit, ohne     dass    eine zusätzliche     Symmetrisierung     erforderlich ist. Auch bleibt so die Säule der     Glättungs-          kondensatoren    geerdet, so     dass    die Spannungsstabili  sation leicht möglich ist.



      Multi-stage cascade rectifier To generate high DC voltage, a cascade connection of rectifiers and capacitors is usually used. The effect is similar to that of a transformer; the direct current available at the output is smaller than the input alternating current, the greater the voltage-to-transform ratio is.



  In contrast, the efficiency is usually much worse than with a transformer, it depends in particular on the size of the capacitors used and the frequency of the input current as well as the number of voltage multiplication stages.



  For many applications, however, the ripple present on the output side is even more disruptive than the poor efficiency. The causes are the same for both phenomena. But while the power loss can be compensated by increasing the input energy, there is no similar remedy for the ripple.



  This is particularly troublesome in equipment where elementary particles are accelerated, e.g. B. with electron microscopes. It is important that the particles always have the same speed; In the electron microscope, the diffraction images are distorted if the waves are too great.



  The ripple in the so-called particle accelerators, which are used for core physics, is even more disruptive. These are used to determine the core spectra as precisely as possible; it depends essentially on the sharpness of the energy definition of the bombarding particles, e.g. to determine the maximum intensity of the transition.



  The waviness defines an energy band for the particles within which a distinction is not possible. This has made it impossible to use the cascade generators above a voltage of around 2 million volts. At higher voltages, higher numbers of steps are necessary, and the higher the number of steps, the more the ripple increases.



  So far, the so-called Van de Graaff generator has therefore been preferred for higher energies, which generates a ripple-free DC voltage, but is very complicated in terms of its mechanical structure, has only inadequate controllability with regard to the voltage of the individual electrodes, and only the extraction very small currents permitted.



  The present invention is intended to overcome this disadvantage of the cascade generator for particle acceleration, so that it is at least equivalent to a Van de Graaff generator even for high energies.



  The subject matter of the present invention is a multi-stage cascade rectifier with boosting and smoothing capacitors and rectifiers, the smoothing capacitors forming a series circuit between the load terminals of the cascade rectifier.



  In the drawing, the new circuit (Fig. <B> 1) </B> is compared to the previously common (Fig. 2) to explain the effect. The following abbreviations are used in both circuits: El, <B> E2 </B> Terminals for the input voltage <B> U </B> for the cascade generator (usually on the secondary winding of a high-voltage transformer); <B> <I> A, A2 </I> </B> Output terminals for the generated direct voltage; Gl-G4 <I> and </I> Gl'-G4 'high-voltage rectifiers (e.g.

         Hot cathode rectifier or selenium rectifier); Cl, C2, so-called smoothing capacitors, the voltage of which is constant over time except for the ripple; Cit, C, 'and C, ", C2" thrust capacitors, the voltage of which in case a (Fig. 2) around the whole, in case <B> b </B> (Fig. <B> 1) </B> fluctuates by half the AC input voltage.



  The simple cascade connection was first used around 20 years ago by Cockcroft and Walton to accelerate protons with high DC voltages. At the same time, the authors derived the following formula for the ripple <B> ö U </B> for the voltage occurring at the output of the cascade:
EMI0002.0011
         (See L. De Broglie: Les Acc616rateurs de Particules, <B> p. 90, </B> Paris <B> 1950), </B> where <B> i </B> is the load current, <B> f <B> the frequency, <B> C </B> the capacitance of the capacitors (the same for all capacitors) and n the number of stages in the cascade.



  The ripple is caused by the fact that each smoothing capacitor must first deliver a certain amount of electricity directly to the load resistor and, secondly, indirectly the amount of electricity that is simultaneously delivered to the load resistor by all the smoothing capacitors above the considered in the cascade; because all these charge quantities had to be transported upwards from the smoothing capacitor under consideration by reloading.



  If you denote the waviness as above, <B> d. </B> h. the voltage drop with <B> ö <I> U, </I> </B> that occurs at <B> C, </B> in every period as a result of the charge being transferred to the load resistor, the same occurs at C, ' Voltage drop, at <B> C, </B> but 2 ö <B> U </B>.



  The ripple on the lowest smoothing capacitor is n times larger than that of the top one. The total ripple of the output voltage is obtained by adding up. If the number of steps is increased, the waviness increases quadratically with n.



  The existence of the ripple means that on each capacitor the voltage at the end of a period of the supply voltage has a lower value than at the beginning of the period. Since all capacitors are at the same moment, i.e. are charged at the beginning of a period, so the charging capacitor must have a voltage higher by the ripple than the one to be charged so that its charge deficit can be compensated for. There is thus a voltage loss at each capacitor, which is greater, <B> the </B> higher the capacitor is in the cascade. Corresponding to the amount of ripple, the voltage loss is also greatest in the lowest levels.

   The entire resulting voltage deficit <B> <I> A U </I> </B> increases in a known manner with the <B> 3rd </B> power of the number of stages n.
EMI0002.0032
         (see L. De Broglie: Les Acc26rateurs de Particules, <B> p. 92, </B> Paris <B> 1950). </B> In summary, it can be said that both the ripple and the voltage drop is mainly caused by the fact that the smoothing capacitors have to pass on the charge for the capacitors located higher in the cascade in addition to the charge transfer to the consumer.



  In the normal circuit (Fig. 2), these two functions are now distributed unevenly over the capacitor columns. The boost capacitors only give off charge to other capacitors, while the smoothing capacitors transport both charge to the next higher boost capacitor and to the consumer.

   This can also be expressed as follows: In the conventional circuit, the charge is transported between the capacitors in one half period of the supply current by means of overrun capacitors and in the other half period by smoothing capacitors. Since the ripple is caused solely by the voltage fluctuation on the smoothing capacitors, it could be reduced considerably if the function of transporting the charge upwards were taken away from them, so that they would only have to deliver power to the consumer as with a half-wave rectifier.



  According to the invention, this is actually achieved by symmetrizing the circuit, as FIG. 1 shows. According to the invention, the cascade rectifier is constructed in such a way that at least two full-wave rectifier arrangements are provided in cascade, the alternating current terminals (iv) of these arrangements via thrust capacitors among one another and finally with the alternating current supply terminals <B> <I> (E, </I> </ B > E,) are connected,

   and that the thrust and smoothing capacitors and the rectifiers are arranged in a symmetrical circuit.



       The fact that the upward charge transport in Fig. 1 is only distributed between the two pillars of thrust capacitors, while the smoothing capacitors only emit charge to the outside, can be seen if one looks for the sign of the voltage on the capacitors in a certain half cycle of the supply voltage asks. Z.

   B. consider the voltages at <B> C, </B> and <B> C, </B> in a half-period in which C ,. ' is already charged, then the rectifier <B> G, </B> currently has the peak value of the voltage 2 <B> U. </B> The capacitor C, is charged to this, whereby the prerequisite for simplicity it is made that the impedances of the transformer and the rectifiers are negligible; the same assumptions were also made when deriving formulas <B> (1) </B> and (2).



  At the same time, however, C, "is also charged to the same voltage. The upper terminals of <B> C, </B> and <B> C." </B> must be at the same potential as they are with the charging Capacitor <B> C, '</B> are connected via rectifiers in the forward direction. The lower terminals have the same potential because at the same time as <B> C, </B> also C, "is charged, and therefore the voltage at G, 'equals <B> 0 </B> that is, CI and C, "are charged at the same moment, while their discharge takes place at different times.

   The discharge of <B> C, </B> through the load resistor begins immediately with a maximum voltage decrease at the beginning. Because of the blocking effect of <B> G, '</B>, C, "cannot contribute anything to this charge release. It therefore remains at a constant voltage for half a period until the charge is transferred to <B> C, </B>. Corresponding relationships can be established for all other stages, including larger cascades. It is easy to see that all connections between the rectifiers and the smoothing acid except the top one in the cascade can be omitted without impairing the effectiveness of the circuit. Then there is the similarity with a normal half-wave rectifier also externally visible.

   All of the charge for the column of smoothing capacitors is then fed to the cascade through the top rectifier.



  Since the smoothing capacitors only give charge to the consumer and no longer to other capacitors in the cascade, the ripple, like a half-wave rectifier, only depends on the total capacity of all smoothing capacitors in series.



  The waviness ö <B> U </B> is thus given by:
EMI0003.0011
    where <B> 1 </B> is the load current, <B> f </B> the frequency, <B> C </B> the capacitance of the capacitors (same for all capacitors) and n is the number of stages in the cascade. In the simple circuit a), however, according to <B> (1) </B>
EMI0003.0012
    The invention thus makes it possible to reduce the waviness by the factor n <B> <I> + </I> 1 </B>, which is very important, especially with large numbers of steps.



  The additional expense of the new circuit according to FIG. 1 compared to the old one according to FIG. 2 is not great. The secondary winding of the high-voltage transformer contains twice as many turns, but it does not have to be insulated for a higher voltage, since the center tap is earthed here.

   In addition, twice as many rectifier elements G are required as boost capacitors C, '- C, "and twice as many boost capacitors as smoothing capacitors CI-C, but each rectifier element only has to withstand half the current. Assuming that all capacitors are again the same size, will the total condensate volume is only <B> 50010 </B> larger than with the normal circuit,

   because there are three instead of two capacitor columns.



  In principle, the thrust capacitors could be made as small as desired in the symmetrical circuit without increasing the ripple. But then the voltage loss, which is inversely proportional to the capacitance of the boost capacitors and independent of the size of the smoothing capacitors, would be arbitrarily large. It should be emphasized that the voltage loss due to the invention by about a factor; gate 4 is reduced, although here too it increases with the third power of the number of stages.

   A reduction by half is caused by the fact that the charge only has to pass through half as many capacitors as in the normal circuit in order to reach the top of the cascade. A further reduction by half is due to the fact that the symmetrical cascade represents a full-wave circuit, in each of which branches the load current is only half of the total current.



  The exact calculation for the voltage loss gives:
EMI0003.0040
    while with the usual circuit according to (2)
EMI0003.0041
    It is known that in the cascade rectifier, in addition to the load-dependent ripple described, a ripple of the second type occurs, which also occurs in the unloaded state, which is independent of the frequency of the feeding alternating current and due to the capacitance between the thrust and smoothing capacitors, <B> d. </B> h. the parallel capacitance to the rectifiers. It is therefore mostly referred to as capacitive ripple.

   Only in the last few years has suitable means of eliminating them been sought. It has been found that this can be done by the fact that in the usual scarf device according to FIG. 2, the secondary coil of the feeding high-voltage transformer is not grounded at the end, but along the winding at a suitable point. This grounding must be determined empirically, which is naturally not easy with the high voltage. Furthermore, this type of symmetrization means that the column of the smoothing capacitors is no longer directly grounded.

   This complicates the frequently used method of electronic stabilization of the high voltage, which is most easily accomplished by applying a series voltage between earth and the lowest smoothing capacitor.



  The circuit according to the invention is symmetrical from the start, so its capacitive ripple disappears without additional symmetrization being required. The column of the smoothing capacitors also remains earthed, so that voltage stabilization is easily possible.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCI-1 Mehrstufiger Kaskadengleichrichter mit Schub- und Glättungskondensatoren und Gleichrichtern, wobei die Glättungskondensatoren eine Serieschaltung zwi schen den Belastungsklemmen des Kaskadengleich- richters bilden, dadurch gekennzeichnet, dass wenig stens zwei Doppelweggleichrichter-Anordnungen <B>(1,</B> 11) in Kaskade vorgesehen sind, wobei die Wechselstrom- klemmen (w) dieser Anordnungen über Schubkonden satoren (C,'-C,") PATENTANSPRUCI-1 Multi-stage cascade rectifier with boost and smoothing capacitors and rectifiers, with the smoothing capacitors forming a series connection between the load terminals of the cascade rectifier, characterized in that at least two full-wave rectifier arrangements <B> (1, </B> 11) are provided in a cascade, the alternating current terminals (w) of these arrangements via thrust capacitors (C, '- C, ") untereinander und zuletzt mit den Wechselstromspeiseklemmen <B><I>(E,</I></B> E,) verbunden sind, und dass die Schub- und die Glättungskondensatoren sowie die Gleichrichter in symmetrischer Schaltung angeordnet sind. are connected to each other and finally to the AC power supply terminals <B><I>(E,</I> </B> E,), and that the boost and smoothing capacitors and the rectifier are arranged in a symmetrical circuit. <B>UNTERANSPRUCH</B> Kaskadengleichrichter nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Schaltung doppelt soviele Gleichrichterelemente <B>(G)</B> wie Schubkonden satoren (C,'-C,") und doppelt soviele Schubkonden satoren wie Glättungskondensatoren <B><I>(C, Q</I></B> enthält. <B> SUBCLAIM </B> Cascade rectifier according to claim, characterized in that the circuit has twice as many rectifier elements <B> (G) </B> as thrust capacitors (C, '- C, ") and twice as many thrust capacitors as Contains smoothing capacitors <B> <I> (C, Q </I> </B>.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3434734A1 (en) * 1983-09-22 1985-04-11 Graco Inc., Minneapolis, Minn. COMPACT VOLTAGE MULTIPLIER FOR SPRAY GUNS
EP0265770A2 (en) * 1986-10-24 1988-05-04 Siemens Aktiengesellschaft Voltage multiplication device
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