DE1142952B - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern elektrischer Stroeme - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

O7239Vrab/21d²

ANMELDETAG: 13. F E B R U AR 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 31. JANUAR 1963

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern elektrischer Ströme, insbesondere Wechselströme.

Vor allem bezieht sich die Erfindung auf eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Wechselstromkreises in der Weise, daß eine verhältnismäßig große Ladung oder Belastung in diesem Stromkreis von einem verhältnismäßig wenig Strom verbrauchenden Gleichstromkreis gesteuert werden kann.

Steuervorrichtungen der beschriebenen Art, die außer einem Steuerschalter oder Schiebewiderstand keinerlei bewegbare Teile besitzen, erweisen sich als äußerst vorteilhaft zur Steuerung automatisch arbeitender Maschinen und zu anderen Zwecken, bei denen eine zuverlässige und dauerhafte Steuervorrichtung wichtig ist. Es ist außerdem notwendig und wünschenswert, daß die Steuervorrichtung selbst nur wenig Strom verbraucht.

Es ist bekannt, daß bestimmte Metalle, die mit einer Oxydschicht überzogen sind und in der Gleichrichtertechnik als beschichtete Elektroden bezeichnet werden, in einen Elektrolyten eingetaucht, elektrische Ströme nur in einer Richtung, d. h. in der Richtung von dem Elektrolyten durch den Oxydfilm in das Metall durchlassen. Diese Erscheinung ist bereits zum Gleichrichten von Wechselströmen verwendet worden, wobei der übliche elektrolytische Gleichrichter dieser Art aus einer beschichteten Elektrode und einer nicht beschichteten Metallelektrode besteht, die gegenüber dem Elektrolyten undurchlässig ist. Da elektrische Ströme nur in einer Richtung durchgelassen werden, wenn sich zwei beschichtete Elektroden in einem Elektrolyten befinden, kann offensichtlich durch den Elektrolyten in keiner Richtung ein Gleichstrom durchfließen. Eine solche Anordnung kann jedoch als Kondensator wirken und wird in dieser Form in üblichen Elektrolytkondensatoren verwendet. Es ist jedoch ersichtlich, daß der Wechselstromwiderstand einer solchen Anordnung sehr hoch ist.

In der Elektrolytkondensatortechnik sind bereits viele Versuche unternommen worden, Durchschläge durch die Oxydschicht solcher Elektroden zu verhindern. Zu diesem Zweck ist auch bereits eine dritte Elektrode verwendet worden, die in bezug auf die beschichteten Elektroden negativ ist, so daß die Anwesenheit von Elektronen oder negativen Ionen in dem Elektrolyten verhindert, daß der Film abgebaut wird und die Vorrichtung ausschließlich als Elektrolytkondensator wirkt. Die Wirkung solcher Gleichrichter ist in einem Artikel von H a ring, »The Mechanism of Electrolytic Rectification« im Journal of the Electrochemical Society, Januar 1952, Bd. 99,

Vorrichtung und Verfahren
zum Steuern elektrischer Ströme

Anmelder:

Ovitron Corporation,
Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte.

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. Februar 1959 (Nr. 793 511)

Stanford R. Ovshinsky, Detroit, Mich. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Nr. 1, S. 30 bis 37, beschrieben worden. Auf Seite 35 dieses Artikels ist eine Sperrschicht in Form eines Tantaloxydfilms dargestellt.

Ferner ist es bekannt, Wasserwiderstände, also den Widerstand einer in einem Gefäß vorhandenen Leitungswassermenge, in einem Stromkreis entweder durch eine Lageänderung der eingetauchten Elektroden oder dadurch zu verändern, daß ein Gefäß, das mit der im Behälter befindlichen Wassermasse in Verbindung steht, gehoben oder gesenkt wird. Auf diese Weise läßt sich der Widerstand des Wassers in einem Stromkreis bequem, z. B. je nach der Stromstärke, einstellen, mit der der Stromkreis belastet werden soll. Damit der Ionengehalt der Wassermasse konstant bleibt, ist bei der bekannten Vorrichtung der Wasserzufluß konstant eingestellt.

Wenn man erfindungsgemäß in ein Elektrolysebad zwei beschichtete Elektroden sowie eine dritte Elektrode einsetzt und die nicht beschichtete Elektrode gegenüber den beschichteten Elektroden auf positives Potential legt, fließt in einem Stromkreis über die beschichteten Elektroden und den Elektrolyten ein Wechselstrom. Diese Wirkung tritt ein, wenn in dem Elektrolyten eine zusätzliche Metallionenquelle vorhanden ist. Ein Wechselstrom fließt so lange, wie die dritte Elektrode, die als Steuerelektrode bezeichnet werden kann, eine positive Vorspannung erhält. Wenn

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auch viele Erklärungen für diese Erscheinungen möglich sind, kann doch angenommen werden, daß die zusätzlichen Metallionen auf die Oberfläche der beschichteten Elektrode gezogen werden und auf dieser Oberfläche selbst eine äußerst dünne Schicht aus positiven Metallionen bilden. Eine solche Erscheinung überwindet die Sperrcharakteristik des Oxydfilms und ändert sie vollständig, so daß der Oxydfilm zu einem Leiter wird, solange solche Metallionen vorhanden sind. Welche Erklärung auch gefunden werden mag, die Tatsache bleibt, daß der Stromkreis mit den beschichteten Elektroden und dem Elektrolyten einen sehr geringen Widerstand besitzt und leicht verhältnismäßig große Wechselstrommengen durchläßt, solange die dritte oder Steuerelektrode positiv ist.

Ein Ziel der Erfindung ist daher, eine Steuervorrichtung zu schaffen, die keine bewegbaren Teile enthält und im wesentlichen aus zwei beschichteten Elektroden in einem Elektrolyten besteht, der eine weitere MetalJionenquelle enthält, wobei die beschichteten Elektroden so angeordnet sind, daß sie im allgemeinen einen Wechselstrom in einem Stromkreis sperren, der diese Elektroden enthält, und einen Wechselstrom durchlassen, wenn an eine dritte, zwischen den beiden anderen Elektroden angeordnete Elektrode eine positive Spannung angelegt wird.

Weiterhin bezweckt die Erfindung, ein Verfahren zum Steuern eines Wechselstromflusses in einem Stromkreis zu schaffen, bei dem die erwähnte positive Spannung so abgeändert wird, daß sich der durch diesen Stromkreis fließende Wechselstrom entsprechend ändert.

Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Stromkreises mit einem Steuerstromkreis und einem zu steuernden, die Steuervorrichtung darstellenden Stromkreis und

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht eines abgewandelten Steuerstromkreises.

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Behälter, der aus irgendeinem zweckmäßigen, gegenüber Laugen und starken Säuren beständigen Kunststoff besteht. Solche Kunststoffe sind unter anderem Hartgummi, Polyäthylen usw.

Wie dargestellt, besitzt der Behälter 10 einen Dekkel 11, der das Innere des Behälters dicht verschließt oder aber mit geeigneten, nicht gezeigten Öffnungen versehen sein kann. Durch den Deckel 11 hindurch ragen zwei allgemein mit 12 und 13 bezeichnete und vorzugsweise abgedichtete und in zweckmäßiger Weise befestigte beschichtete Elektroden mit Metallkern 14 bzw. 15, für den sich Tantal als besonders günstiges Metall erweist. Dieser Kern ist mit einem Oxydfilm 16 bzw. 17 beschichtet. An dem Deckel 11 ist außerdem eine Steuerelektrode 18 befestigt, die vorzugsweise aus einem Metall mit guter Leitfähigkeit besteht. Ein für diese Zwecke besonders vorteilhaftes Metall ist Platin. Es können jedoch auch andere bekannte Metalle und Metallegierungen verwendet werden, die diese Eigenschaften haben.

Die Kerne 14 bzw. 15 sind mit je einer elektrischen Leitung 19 bzw. 20 verbunden, während die Elektrode ί8 an eine elektrische Leitung 21 angeschlossen ist.

Die Leitungen 19 und 20 bilden einen Teil eines zu steuernden Stromkreises, wobei es sich, wie durch den Pieil 22 angedeutet, um einen Wechselstromkreis handelt. Die Leitung 21 andererseits gehört zu einem Steuerstromkreis. Wenn ein (konstanter oder pulsierender) Gleichstrom durch diesen Steuerstromkreis fließt und die Elektrode eine positive Ladung oder Vorspannung erhält, so fließt ein Wechselstrom durch den zu steuernden, die Leitungen 19 und 20 enthaltenden Stromkreis.

Die Vorrichtung enthält außerdem in dem Behälter 10 einen Elektrolyten 23. Dieser Elektrolyt kann den Behälter teilweise oder vollständig ausfüllen, nur sollen die Elektroden 12. 13 und 18 eingetaucht sein. In manchen Fällen ist es günstig, wenn der Elektrolyt den Behälter 10 nur teilweise ausfüllt, so daß für Gase, die bei der Elektrolyse entstehen können, ein Raum bleibt. Es kann ein üblicher, vorzugsweise saurer Elektrolyt verwendet werden. Solche Säuren sind beispielsweise Mineralsäuren, wie Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure. Es können aber auch organische Säuren mit entsprechenden Eigenschaften verwendet werden, beispielsweise Essigsäure. Auch Mischungen dieser Säuren sind verwendbar. Von all diesen Säuren haben sich die Mineralsäuren als besonders günstig erwiesen, und unter diesen sind wiederum Schwefelsäure und Salzsäure bei weitem die besten Elektrolyten Diese Säuren werden in wässeriger Lösung benutzt, wobei sich etwa 30 Gewichtsprozent Schwefelsäure in Wasser als eine besonders brauchbare Konzentration erwiesen haben. Zur Erzielung einer maximalen Leistung wird am besten eine Salzsäurekonzentration von etwa 20 % verwendet. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß auch andere Konzentrationen von Säure in Wasser von der Größenordnung von 30 % für die Zwecke der Erfindung äußerst wirksam sind. Schwefelsäurekonzentrationen von mindestens 20 % und höchstens 35 % sind mit Erfolg verwendet worden, um eine außerordentlich leistungsfähige Steuervorrichtung zu schaffen.

Weiterhin ist es wichtig, daß der Elektrolyt eine zusätzliche Quelle positiver Ionen, vorzugsweise Metallionen, enthält. Unter den günstigsten Metallionen haben Zinkionen zu den besten Ergebnissen geführt.

Diese Metallionenquelle kann beispielsweise dadurch erhalten werden, daß Zinkmetall in der Säure gelöst wird, vorzugsweise jedoch dadurch, daß in dem Säurewasserelektrolyten ein Metall gelöst wird, beispielsweise ein Zinksalz, das in der Säurewasserlösung Iöslieh ist. Bei Schwefelsäure sind in Mineralsäuren lösliche Zinksalze, beispielsweise Zinksulfat, Zinkchlorid. Zinkacetat usw., geeignet. Die gleichen Salze können auch verwendet werden, wenn der Elektrolyt aus Salzsäure besieht. Um einen maximalen Leistungsgrad zu erreichen, wird vorzugsweise so viel Salz verwendet, daß in dem Elektrolyten eine gesättigte Salzlösung entsteht.

In den Figuren der Zeichnungen, insbesondere in Fig. 2. sind die beschichteten Elektroden 12 und 13

und die entsprechenden Leitungen 24 und 25 mit Gleichrichtern Ύ» und 27 verbunden dargestellt. Die Gleichrichter 26 und 27 wiederum sind mit einem Steuerstromkreis mit einer Leitung 28. einem einstellbaren Schiebewiderstand 29 und einer Leitung 21 verbunden. Diese Leitung 21 ist an die Steuerelektrode 18 angeschlossen. Die an die beschichteten Elektroden 12 und 13 angeschlossenen Leitungen 19 bzw. 20 sind Teil eines Wechselstromkreises, wobei die Lei-

tung 19 an ihrem anderen Ende an einen Transformator 30 angeschlossen und die Leitung 20 mit einem allgemein durch Lampen angedeuteten Belastungswiderstand 31 verbunden ist. Das andere Ende der Leitung 32 ist an den Transformator 30 angeschlossen.

Wird bei der eigentlichen Betätigung der Steuervorrichtung und des gerade beschriebenen Steuerstromkreises an die Leitungen 19 und 32 ein Wechselstrom mit einer Spannung von etwa 80 V angelegt, so wird der Steuerstromkreis über die Drähte oder Leitungen 24 und 25 mit Gleichstrom gespeist. Dieser Gleichstrom kann nur in einer Richtung fließen, so daß die Steuerelektrode positiv wird. Die Spannungshöhe des Gleichstroms, der in den Steuerstromkreis eingespeist wird, wird durch den einstellbaren Schiebewiderstand oder das Potentiometer 29 bestimmt. Wird der Widerstand 29 so eingestellt, daß kein Widerstand vorhanden ist. so wird die Spannung des Gleichstroms in dem Steuerstromkreis dennoch eine bestimmte Höhe oder Grenze erreichen. Wenn der Elektrolyt aus 30 ⁰O Schwefelsäure in Wasser und einer zur Sättigung erforderlichen Menge Zinkchlorid oder -sulfat besteht. liegt diese Grenze beispielsweise bei der Größenordnung von 2 bis 3 V. Weiterhin begrenzt sich die Menge des Stromes in dem Steuerstromkreis automatisch und hat, wenn der Schiebewiderstand 29 keinen Widerstand bietet, dennoch eine Größenordnung von 20 mA. Bei einer Spannung von 80 V kann die Wechselstrommenge, die infolge dieses maximalen Steuerstroms fließt, je nach der Belastung 31 bis zu 1 A betragen.

So ist ersichtlich, daß das Verhältnis von Nutz- zu Steuerstrom bei dieser Steuervorrichtung in der Größenordnung von 1000: 1 liegt. Wenn andererseits der Widerstand erhöht wird, so daß die angelegte Ladung oder Vorspannung der Steuerelektrode gesenkt wird, so wird auch der Leistungsfluß durch den gesteuerten Stromkreis in entsprechender Weise verringert.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Vorrichtung an Stelle des Widerstandes 29 mittels eines Schalters betätigt werden kann, derart, daß nach Schließen des Schalters eine Steuerspannung angelegt wird und nach öffnen des Schalters kein Strom außer geringen Ableitungs- oder Kriechströmen durch den gesteuerten Wechselstromkreis fließt. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß bei Verwendung des Schalters die Steuervorrichtung den Wechselstrom praktisch sofort sperrt oder leitet, weiterhin, daß die Wirkung der Steuerelektrode statt mittels eines Schalters auch dadurch abgewandelt werden kann, daß die Steuerelektrode 18 aus dem Elektrolyten herausgezogen wird.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der an Stelle der Gleichrichter 26 und 27 Drosselspulen 33 und 34 vorgesehen sind, in den Steuerstromkreis ist eine getrennte Gleichstromquelle, beispielweise eine Batterie 35. geschaltet. Die Drosselspulen sollen verhindern, daß der in dem gesteuerten Stromkreis fließende Wechselstrom die Wirksamkeit des Steuerstromkreises behindert. Weiterhin sind die Leitungen 21 und 28 des Steuerstromkreises mit einem Polumschalter 37 verbunden, der wiederum mittels Leitungen 38 und 39 an die Batterie 35 angeschlossen ist. Schließt der Schalter 37 seine linken Kontakte, so fließt ein Gleichstrom von der Batterie 35 aus durch die Leitungen 38 und 21 in die Elektrode 18, so daß auf der Elektrode und im Elektrolyten eine positive Vorspannung entsteht. Wird der Schalter umgekehrt geschaltet, so werden der negative Pol der Batterie 35 und die Leitung 39 mit der Leitung 21 und der Steuerelektrode 18 verbunden. Obwohl sich in den meisten Fäi;cn die Entfernung der positiven Ladung von der Steuerelektrode 18 sehr schnell auswirkt, so daß innerhalb weniger Millisekunden der Wechselstrom in dem Laststromkreis zu fließen aufhört, wurde gefunden, daß eine Umkehr der Spannung auf der Steuerelektrode 18 eine noch schnellere Steuerwirkung nach sich zieht. Es ist ersichtlich, daß an Stelle des Widerstandes in dem Stromkreis nach Fig. 2 der Polumschalter oder ein einfacher Schalter verwendet werden kann.

Claims (15)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Beeinflussung der Stromstärke eines in einem Stromkreis fließenden Wechselstroms mit zwei beschichteten, in einem gewissen Abstand voneinander in einem Elektrolyten eingetauchten Elektroden und mit einer im Elektrolyten befindlichen, zusätzlichen Metallionenquelle, da durch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Wechselstromflusses durch den Stromkreis an eine dritte, zwischen den beiden anderen Elektroden angeordnete Elektrode eine positive Spannung angelegt wird, die zur Änderung des Wechselstromflusses verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Elektroden aus Tantal bestehen, das mit Tantaloxyd beschichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine Mineralsäure in Wasser ist und daß die Metallionen von einem in dem Elektrolyten gelösten Metallsalz stammen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine wässerige Lösung von Schwefelsäure ist und die Metallionen Zinkionen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine wässerige Lösung von Salzsäure ist und die Metallionen Zinkionen sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Sperren des Wechselstromflusses die positive Vorspannung am Elektrolyt auf Null herabgeregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Sperren des Wechselstromflusses die positive Vorspannung am Elektrolyten auf Null herabgeregelt und an den Elektrolyten eine negative Vorspannung angelegt wird.

8. Steuervorrichtung, gekennzeichnet durch zwei in dem zu steuernden Wechselstromkreis liegende beschichtete Elektroden (12, 13), die im Abstand voneinander in einen Elektrolyten (25) eingetaucht sind, der eine Metallionenquelle enthält, und durch eine nicht beschichtete, in den Elektrolyten eingetauchte Steuerelektrode (18) sowie einen mit der Steuerelektrode und den beschichteten Elektroden verbundenen Steuerstromkreis mit einer Gleichstromquelle, die so angeordnet ist, daß sie an die Steuerelektrode eine positive Ladung angibt, und mit Steuervorrichtungen zum Verändern des positiven Potentials an der Steuerelektrode.

9. Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden beschichteten Elektroden aus Tantal bestehen, mit Tantaloxyd

beschichtet sind und sich im Abstand voneinander in einem sauren, Metallionen enthaltenden Elektrolyten befinden.

10. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beschichteten Elektroden (12,13) in einem aus einer Mineralsäure in Wasser bestehenden, Zinkionen enthaltenden Elektrolyten befinden.

11. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die be- ίο schichteten Elektroden (12, 13) in einem aus Schwefelsäure in Wasser bestehenden, Zinkionen enthaltenden Elektrolyten befinden.

12. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beschichteten Elektroden (12,13) in einem aus Salzsäure in Wasser bestehenden, Zinkionen enthaltenden Elektrolyten befinden.

13. Steuervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung aus einem veränderbaren Widerstand (29) besteht.

14. Steuervorrichtung nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung ein Schalter ist.

15. Steuervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung aus einem Polumschalter (37) besteht, der in dem Steuerstromkreis derart zwischen die Gleichstromquelle (35) und die Elektroden gelegt ist, daß bei Umschaltung die Steuerelektrode (18) von positiver auf negative Vorspannung umgesteuert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
ETZ (1909), S. 458;

J. of the Electrochemical Society, 99 (1952), Januar, S. 30 bis 37.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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