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Hochfrequenzgenerator mit einer Gasentladungsröhre Die Erfindung betrifft
einen Hochfrequenzgenerator mit einer Gasentladungsröhre zum Erregen eines Schwingungskreises,
der hierbei zu entsprechend der Kreisdämpfung und -belastung gedämpften Schwingungen
in regelmäßiger Wiederkehr angestoßen wird. Hierbei ist die Gasentladungsröhre mit
einer Steuerelektrode versehen, der einem getrennten Kippschwingungsgenerator entnommene
periodische Zündimpulse zugeführt werden, deren Folgefrequenz in Abhängigkeit von
der Kreisbelastung selbsttätig geändert wird, indem eine dem Belastungskreis entnommene
Steuerspannung zur Frequenzänderung des Kippschwingungsgenerators dient. Solche
Ho--hfrequenzgeneratoren sind besonders für die Erzeugung verhältnismäßig großer
Leistungen, z. B. 10 kW und mehr, geeignet.
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Dabei lassen sich Gasentladungsröhren verschiedener Bauart verwenden,
z. B. solche mit einer Glühkathode und einer gitterförmigen Steuerelektrode, oder
Röhren mit einer Quecksilberkathode und einer darin isoliert angeordneten Steuer-
oder Zündelektrode.
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Es ist bereits bekannt, elektrische Schwingungen hoher Frequenz mit
einem Schwingkreis zu erzeugen, der von Gasentladungsröhren angestoßen wird. Diese
Röhren werden dabei durch vorzugsweise impulsförmige Zündspannungen gezündet.
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Dabei ist es bekannt, die Impulswiederholungsfrequenz der Zündimpulse
in Abhängigkeit von der Belastung zu ändern, wobei die Folgefrequenz durch eine
am Belastungskreis abgegriffene Steuerspannung selbsttätig geändert wird.
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Man hat auch bereits bei einem Röhrengenerator zur induktiven Erhitzung
von Werkstücken eine kontinuierlich wirkende Steuerung vorgesehen. Hierbei allerdings
handelt es sich nicht um einen periodisch zu Eigenschwingungen angestoßenen Schwingkreis,
sondern um eine normale Schwingschaltung mit selbsterregter Elektronenröhre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Nutzeffekt der bekannten
Schaltungen mit einem durch impulsförmige Zündspannungen über eine steuerbare Gasentladungsröhre
angestoßenen Schwingkreis weiter zu verbessern und den Aufbau des Generators. noch
wesentlich zu vereinfachen. Bei Anwendung der Erfindung können die Elemente des
Schwingkreises. für eine wesentlich kleinere Leistung bemessen werden, beispielsweise
für eine dreimal kleinere Leistung, ohne daß hierdurch die Betriebssicherheit des
Gerätes leidet.
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Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß mit dem Kippschwingungskreis
des Kippschwingungs, generators ein Relais verbunden ist, das, von der von der jeweiligen
Belastung des Schwingkreises abhängigen Steuerspannung gesteuert, beim Absinken
der Belastung unter einen bestimmten Weh die Folgefrequenz der Zündimpulse durch
Vergrößern der Kippschwingungs-Zeitkonstante. so weit herabsetzt, daß die im Leerlauf
auftretenden Schwingkreisverluste keine, nennenswerte Überhöhung über den bei Normallast
auftretenden Wert erfahren.
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Die Grundlage der Erfindung besteht in der Erkenntnis, daß bei einem
solchen Generator beim Verringern der Belastung die Verluste im Schwingkreis unterhalb
eines bestimmten Belastungswertes plötzlich stark ansteigen. Sie können hierbei
auf ein Vielfaches der Schwingkreisverluste anwachsen, die bei Voll-Last auftreten,
und -dieses Verhalten läßt sich wie folgt erklären: Wird der Schwingkreis
über die Gasentladungsröhre angestoßen, so klingt die Schwingkreisenergie gedämpft
ab, wobei die Däml> fung durch den Kreiswiderstand und die Belastung gegeben ist.
Dieses Spiel wiederholt sich nach dem nächsten Anstoß des Schwingkreises. Hierbei
ist die mittlere Schwingkreisspannung zwischen zwei Erregungen des Kreises durch
die Kreis- und Belastungsdämpfung bestimmt. Wird demnach die Belastung des Schwingkreises
abgeschaltet, dann nimmt die mittlere Schwingkreisspannung ganz erheblich zu,
denn
es entsteht eine na]#ezu ungedämpfte Schwingung. Infolgedessen steigen die dem Quadrat
der Schwingkreisspannung proportionalen Kreisverluste ganz erheblich an.
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Durch AnwenduiiA der Maßnahmen nach der Erfindung wird der Aufbau
des Generators wesentlich vereinfacht, die Betri,#bs,sicherheit bleibt erhalten,
der Nutzeffekt wird verb#ss'ert, und es ergibt sich ein in beiden Belastungsgrenzen,
betriebssicher arbeitender Hochfrequenzgenerator.
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Wie bereits erwähnt, war es bekannt, die Impulswiederholungsfrequenz
der Zündimpulse in Abhängigkeit von der Belastung zu ändern. Demgegenüber handelt
es sich beim Erfindungsgegenstand um eine Regelung, die Änderungen in der abgegebenen
Leistung ausgleicht, d. h., die abgegebene Leistung wird bei Änderungen in
der Belastung konstant gehalten, und #zwar# durchÄnderung der dem Schwingkreis zugeführten
Leistung. Wird z. B. die Belastung entfernt, dann ist der bekannte Hochfrequenzgenerator
bestrebt, die abgegebene Leistung konstant zu halten, und dies bedeutet, daß die
dem Schwingkreis zugeführte Leistung auf ein Maximum gesteuert wird. Demzufolge
steigen beim Abschalten der Belastung die Schwingläeisverluste ganz erheblich an.
Als Folge hiervon müssen bei der bekannten Schaltung die Bauelemente des Schwingkreises
sehr viel größer gehalten werden als bei der Erfindung, damit sie der auftretenden
Beanspruchung gewachsen sind.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden jetzt an Hand der Zeichnung
näher erläutert, in der Fig. 1 einen Hochfrequenzgenerator nach der Erfindung
und Fig. 2 eine Abart des Hochfrequenzgenerators nach Fig. 1 darstellt.
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Der in Fig. 1 dargestellte Hochfrequenzgenerator, der z. B.
für eine Leistung von 10 kW ausgelegt ist, besitzt eine mit Wasserstoff gefüllte
Gasentladungsröhre 1 mit einer Steuerelektrode 2 zum Erregen eines aus einem
Kreiskondensator 4 und einer Kreisspule 5 bestehenden Schwingungskreises
3. Die Kreisspule 5 ist mit einer Kopplungsspule 6 gekoppelt,
die mit einer ein Werkstück 8 enthaltenden Belastungsspule 7 verbunden
ist.
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In Reihe mit dem Schwingungskreis 3 liegt ein Ladekondensator
9, der über eine Drosselspule 10
mit einer z. B. aus einem Dreiphasengleichrichter
bestehenden Gleichstromquelte 11 verbunden ist, während zwischen dem Ladekondensator
9 und der Anode der Röhre 1 ein , e Spule 12 liegt.
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Die Gasentladungsröhre 1 wird von den der Steuerelektrode 2
, zugeführten Zündimpulsen periodisch gezündet, so daß der Kreiskondensator
4 über die Spule 12 vom Ladekondensator 9 aufgeladen und der Schwingungskreis
3. zu Schwingungen angeregt wird. Sobald die Anodenspannung der Röhre
1 infolge der Schwingung im Kreise 3 durch Null hindurchgeht, erlischt
die Entladung, und die Energie des Schwingungskreises 3, abge-sehen von der
Kreis-und Belastungsdämpfung, kann frei ausschwingen, bis die Gasentladungröhre
1 durch einen Zündimpuls wie-der gezündet wird und der oben beschriebene
Vorgang sich wiederholt.
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Zum Erzeugen der periodischen Zündimpulse besitzt der Holfrequenzgenerator
einen getrennten i Kippschwingungsgener,ator, der in der dargestellten Ausführungsform
eine normalerweise von einer negativen GitterSPaDnUngs#qn elle,13 gesperrte
Thyratronröhre 14 enthält, in deren Anodenkreis ein aus einem Kippwiderstand
15 und einem Kippkondensator 16
bestehender Kippschwingungskreis, und
in deren Kathodenkreis die Reihenschaltung eines Widerstan-5 des 17 und einer
Spule 18 liegt. Der Kippkondensator 16 wird bei je-der Periode über
den Kippwiderstand 15 mit einer durch die Zeitkonstanten des Widerstandes
15 und des Kondensators 16 bedingten Geschwindigkeit aufgeladen, wobei
die am Kondensator 16 erzeugte Sägezahnspannung über einen zwischen dem Kondensator
16 und der negativen Klemme der Gittervorspannungsquelle 13 liegenden
Spannungsteiler 19 dem Steuergitter der Thyratronröhre 14 zugeführt wird,
Sobald die Zündspannung der Thyratronröhre 14 erreicht ist, entlädt sich der Kippkondensator
16, so daß an der Kathodenimpedanz 17, 18 der 'fhyratronröhre 14 ein
positiver Impuls auftritt, der über einen Trennkondensator 20 dem Steuergitter einer
als Impulserzeuger geschalteten Thyratronröhre 21 zugieführt wird. Die Thyratronröhre
21, die normalerweise mittels einer von der Gitterspannungsquelle 13
herrührenden
negativen Gitterspannung gesperrt ist, besitzt eine im Anodenkreis liegende Verzögerungsleitung
22, während in ihrem Kathodenkreis ein Widerstand 23 liegL Tritt am Steuergitter
der Thyratronröhre 21 ein positiver Impuls auf, so entlädt sich die Verzögerungsleitung
22 über die Thyratronröhre, und am Kathodenwiderstand 23 tritt ein positiver
rechteckiger Impuls auf, der als Zündimpuls über den Reihenwiderstand 24 der Steuerelektrode,
2 der Gasentladungsröhre 1 zugeführt wird. Die Wiederholungsfrequenz dieser
Zündimpulse ist durch die Zeitkonstante des Kippschwingungsgenerators gegeben und
beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel z. B. 250 Hz.
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Nach der Erfindung liegt im Kippschwingin-gskreis 15, 16
des Kippschwingungsgenerators ein Relais, das durch eine von der Belastung des Hochfrequenzofens
abhängige Regelspannung gesteuert wird, wobei das Relais beim Absinken der Belastung
des Hochfrequenzofens bis unter einen bestimmten Grenzwert anspricht und die Zeitkonstante
des Kippschwingungsgenerators beträchtlich erhöht. In der dargestellten Vorrichtung
wird ein elektronisches Relais in Form einer normalerweise von einer negativen Gittervorspannung
gesperrten Pentode- 25 verwendet, wobei die negative Gittervorspannung einem
parallel zu einer negativen Gittervorspannungsquelle 26 liegenden Spannungsteiler
27 entnommen wird, während in deren Anodenkreis ein Widerstand
28 liegt und die Reihenschaltung der Pentode 25 und des Widerstandes
28 den Kippkondensator 16 überbrückt. In Reihe mit der negativen Gittervorspannungsquelle
liegt über einen Gleichrichter 29 eine Gleichrichterstufe 30, der
eine von der Belastung des Hochfrequenzofens abhängige Regelspannung positiven Vorzeichens
entnommen wird, die durch Gleichrichtung einer Spannung in der Gleichrichterstufe
30 erzielt wird, die einer mit der Kreisspule 5 gekoppelten Spule
31 entnommen ist. Die Steuergitterspannung der Pentode 25 wird einem
mit der einstellbaren Anzapfung des Spannungsteilers 27 verbundenen Kondensator
32 entnommen, der parallel zu der Gleichrichterzelle 29 und der Gleichrichterstufe
30 geschaltet ist, und diese Steuerspannung ist gleich der Summe der Spannung
der Gleichrichterstufe 30 und
der Gitterspannungsquelle
26 entnommenen Spannung. Die Entlade-Zeitkonstante des Kondensators
32 beträgt hierbei einige Sekunden.
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Wenn der beschriebene Hochfrequenzgenerator mit dem Werkstück
8 belastet ist, wird ein beträchtlicher Teil der Hochfrequenzenergie des
Schwingungskreises 3 vom Werkstück 8 aufgenommen, und in diesem Schwingungskreis
entsteht also eine stark gedämpfte Schwingung, so daß die Verluste im Schwingungskreis
verhältnismäßig niedrig sind. Dir, Größe der der Gleichrichterstufe 30 entnommenen
Regelspannung ist dabei kleiner als die der Gittervorspannungsquelle 26 entnommene
negative Gittervorspannung der Pentode 25, und die Pentode 25 bleibt
gesperrt.
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Sinkt die Belastung des Hochfrequenzgenerators, so nimmt die Dämpfung
der im Schwingungskreis 3
erzeugten Schwingungen ab, so daß die Kreisverluste
dementsprechend stark zunehmen und einen Höchstwert erreichen, wenn das Werkstück
8 aus der Belastungsspule 7 herausgenommen ist. Die Kreisverluste
sind in diesem Fall z. B. um einen Faktor 5 bis 10 höher als bei normaler
Belastung des Hochfrequenzgenerators.
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Die der Gleichrichterstufe 30 entnommene positive Regelspannung
nimmt dabei zu und überschreitet bei einem bestimmten Mindestbelastangswert des
Hochfrequenzgenerators die von der negativen Gittervorspannungsquelle
26 herrührende negative Sperrspannung der Pentode 25, so daß die Pentode
25 Anodenstrom führt. Hierdurch wird die Zeitkonstante des Kippschwingungsgenerators
vergrößert, denn parallel zum Kippkondensator 16 liegt der aus der Reihenschaltung
des Widerstandes 28 und der stromführenden Pentode 25 bestehende Widerstand.
Infolgedessen wird die Wiederholungsfrequenz der Zündimpulse bis auf weniger als
ein Zehntel des ursprünglichen Wertes herabgesetzt und beträgt dann z. B. wenige
Hertz.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß im unbelasteten Zustand des Hochfrequenzgenerators
die Ausgangsleistung, die ausschließlich als Verlust vom Schwingungskreis
3 aufgenommen wird, auf einen Mindestwert herabgesetzt wird.
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Wenn man von diesem Zustand ausgeht und in die Belastungsspule
7 ein Werkstück aufnimmt, so unterschreitet die Spannung an der Gleichrichterstufe
30
die der Gittervorspannungsquelle 26 entnommene negative Gittervorspannung,
so daß die Pentode 25 ge-
sperrt wird und die Zündimpulse wieder mit der ursprünglichen
Wiederholungsfrequenz von 250 Hz auftreten.
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Durch Anwendung der Maßnahme nach der Erfindung wird einerseits eine
beträchtliche Energieersparnis erreicht, und andererseits können die Elemente des
Schwingungskreises für eine wesentlich geringere Leistung bemessen werden, z. B.
um einen Faktor 3 verkleinert werden. Ein wichtiger Vorteil der beschriebenen
Regelanordnung, bei der die Wiederholungsfrequenz der Zündirapulse herabgesetzt
wird, sobald die Belastung einen gewissen Grenzwert unterschreitet, besteht noch
darin, daß hierbei das Auftreten störender Überspannungen vermieden und ein glattes
Funktionieren der beschriebenen Vorrichtung gewährleistet wird.
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Die angegebene Maßnahme ist bei Hochfrequenzgeneratoren anwendbar,
bei denen zur Zeit des Auftretens eines Zündimpulses die Schwingungen im Schwingungskreis
praktisch völlig gedämpft sind oder noch eine beträchtliche Amplitude aufweisen.
In letzterem Falle muß dafür gesorgt werden, daß zwischen den Zündimpulsen und den
im Schwingungskreis 3 auftretenden Schwingungen die richtige Phasenverschiebung
besteht, wozu dem Steuergitter der Thyratronröhre 14 gleichzeitig eine vom Schwingungskreis
3 herrührende Wechselspannung zugeführt wird. Hierzu werden dem Kippschwingungsgenerator
Zündirnpulse entnommen, welche die Gasentladungsröhre jeweils in dem Zeitpunkt zünden,
in dem die aus der Anodengleichspannung und der dieser überlagerten Kreiswechselspannung
bestehende Anodenspannung der Gasentladungsröhre einen Mindestwert aufweist.
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Bei der beschriebenen Schaltung wird dieses Ziel in einfacher Weise
dadurch erreicht, daß die der Spule 31 entnommene Spannung über einen Kondensator
33 dem Steuergitter der Thyratronröhre 14 zugeführt wird.
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Fig. 2 zeigt eine Abart der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.
Entsprechende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Zwecks Herabsetzung der Wiederholungsfrequenz der Zündimpulse- bei
einer Mindestbelastung des Hochfrequenzgenerators wird bei der dargestellten Vorrichtung
als Relais eine Thyratronröhre 34 verwendet, die normalerweise mittels einer positiven
Kathodenspannung gesperrt ist, die einem im Kathodenkreis der Thyratronröhre liegenden
Widerstand 35
über einen mit der positiven Sperrspannungsklemme verbundenen
Widerstand 36 zugeführt wird. Dem Steuergitter der Thyratronröhre 34 wird
die der Gleichrichterstufe 30 entnommene, von der Belastung abhängige Regelspannung
positiven Vorzeichens zugeführt, und parallel zur Thyratronröhre 34 liegt ein Kondensator
37, der über einer Gleichrichterzelle 38
mit dem Kippkondensator
16 verbunden ist. Der Kondensator 37 ist normalerweise über den
Kipp-
widerstand 15 aufgeladen, kann sich aber infolge der Gleichrichterzelle
38 bei Zündung der Thyratronröhre 14 nicht über letztere entladen.
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Wenn in der beschriebenen Vorrichtung die Thyratronröhre 34 durch
die deren Steuergitter zugeführte, von der Belastung abhängige Regelspannung gezündet
wird, entladen sich die Kondensatoren 16
und 37 über die Thyratronröhre
34. Die Kippschwingungs-Zeitkonstante wird hierdurch vergrößert, indem jetzt die
Parallelschaltung der Kondensatoren 37 und 16 über den Kippwiderstand
15 aufgeladen wird und somit die Kippkapazität durch Zuschaltung des Kondensators
37 erhöht ist. Bei geeigneter Bemessung des Kondensators 37 kann hierbei
die Wiederholungsfrequenz der Zündimpulse auf wenige Elz herabgesetzt werden.
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Von einer in der Praxis ausführlich erprobten Apparatur werden nachstehend
folgende Daten erwähnt: Widerstand 15 .......... 1 Megohm Gleichrichterzelle
38 ..... Selengleichrichter Philips 250 Y 10
Kondensator
16 ........ 0,0068 [J Kondensator 37 ......... 0,3 J