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Stromrichteranode mit unterteiltem Korbgitter Zusatz zum Patent
1058 640 In dem Hauptpatent 1058 640 ist eine Stromrichteranode mit
einem die Anode umschließenden Korbgitter beschrieben, bei welchem das Korbgitter
aus mindestens zwei elektrisch unabhängigen Teilen, nämlich einem die Mantelfläche
der Anode umschließenden Zylindergitter und einem der Stirnseite der Anode vorgelagerten
Plattengitter oder Schalengitter besteht, deren Zuleitungen getrennt aus dem Stromrichtergefäß
herausgeführt sind, so daß sie an verschiedene Spannungsquellen angeschlossen werden
können.
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Durch diese Unterteilung des bisher die Anode vollständig umschließenden
Korbgitters in zwei elektrisch unabhängige Teile soll den einander widersprechenden
Forderungen gerecht werden, nämlich daß das Gitter mit Rücksicht auf die Ermöglichung
einer großen überlastbarkeit des Entladungsgefäßes nach eingeleiteter Zündung derEntladung
eine große Durchtrittsfläche und demgemäß eine große Oberfläche haben soll, während
dasselbe Gitter mit Rücksicht auf die schnelle Wiederherstellung seinerSperrfähigkeit
nach Verlöschen des Entladungslichtbogens zur Erzielung einer raschen Entionisierung
der Entladungsstrecke bei einer leistungsmäßig vertretbaren Höhe des Rückstromes
eine kleine Oberfläche haben soll.
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Der ersten der beiden Forderungen wird dadurch entsprochen, daß das
die Anode als Mantelfläche umschließende Zylindergitter eine relativ große Oberfläche
erhält und an eine feste negative Gleichspannung angeschlossen ist. Damit ist dieses
Gitter in der Lage, nach Zündung der Entladung eine große Oberfläche zu bieten und
vor der Einleitung einer Zündung eine sichere Sperrung zu ermöglichen. Das Gitter
ist an eine leistungsstarke Gleichspannungsquelle über einen verhältnismäßig niederohmigen
Vorwiderstand angeschlossen. Derartige Gleichspannungsquellen lassen sich ohne übermäßig
hohen Kostenaufwand leistungsstark herstellen.
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Das in dieser Weise an eine feste negative Vorspannung angeschlossene
Zylindergitter nimmt auch nach der Löschung des Entladungslichtbogens einen relativ
hohen Strom, und zwar als Rückstrom auf, der eine rascheEntionisierung sicherstellt,
der ebenso wie der positive Gitterstrom von der genannten Spannungsquelle ohne weiteres
getragen wird.
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Der zweiten der beiden genannten Forderungen wird dadurch entsprochen,
daß das der Anode auf deren Stirnseite vorgelagerte Platten- oder Schalengitter
mit relativ kleiner Oberfläche ausgebildet und die Funktion eines Steuergitters
zugeteilt erhält. Hierzu ist das Gitter über einen verhältnismäßig hochohmigen Vorwiderstand
an ein die Gitterspannungsimpulse für die Steuerung des Stromrichters lieferndes
Gittersteuergerät angeschlossen. Dieses Steuergerät kann leistungsschwach ausgebildet
sein, wodurch der für das Steuergerät notwendige Kostenaufwand herabgesetzt ist.
Wegen der Kleinheit der Oberfläche des Platten- oder Schalengitters verklingt der
nach Verlöschen des Entladungslichtbogens einsetzende Rückstrom trotz des höherohmigen
Vorwiderstandes genügend schnell, so daß auch für dieses Gitter die rascheEntionisierung
sichgestellt ist.
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Diese Gitteranordnung ermöglicht es somit, die beiden genannten Forderungen
bei einem relativ niedrigeren Gesamtkostenaufwand für die Spannungsquelle des Gitters
befriedigend zu erfüllen.
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Die weitere Entwicklung hat indessen gezeigt, daß die Möglichkeiten
des angezeigten Lösungsweges in bezug auf eine Einsparung von Steuerleistung bei
gleichzeitig großer Stroinüberlastbarkeit mit der beschriebenen Anordnung noch nicht
voll ausgenutzt sind.
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Es hat sich nämlich ergeben, daß für die Einleitung des Zündvorganges
ein anderer Vorgang eine große Rolle spielt, närrflich die durch die Zweiteilung
der Gitter bedingte teilweise Abschirmung der an dem erstgenannten Gitter sich bildenden
Raumladungshaut durch das zweite Gitter, und zwar an der Grenze zwischen beiden
Gittern. Infolgedessen wird ein großer Teil der Raumladung von den Gitterdurchtrittsöffnungen
des Steuergitters ferngehalten. Dieser Umstand bringt es mit sich, daß die
Oberfläche,
des bisher als Platten- oder Schalengitter ausgebildeten Steuergitters, die an sich
schon relativ klein gegenüber der Oberfläche des an fester Spannung liegenden Zylindergitters
gewählt ist, noch beträchtlich kleiner als bisher vorgesehen sein kann. Es genügt
zur Herbeiführung des Durchbruches einer Zündung tatsächlich, das mit Durchbohrungen
versehene Plattengitter so zu verkleinern, daß nur noch ein oder mehrere ringförmige
Teile dieses Gitters als Steuergitter, die in passende Zwischenräume des die Anode
umschließenden Korbgitters isoliert eingebaut werden, übrigbleiben. Sie bewirken
einerseits eine Abschirrnung der Raumladungshaut des angrenzenden Teiles des Korbgitters
und ermöglichen andererseits den für die Zündung erforderlichen ungehinderten Elektronendurchtritt
durch das Steuergitter in den der Anode vorgelagerten Raum und damit die sichere
Ionisierung dieses Raumteiles.
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Auf Grund dieser Erkenntnis sieht die Erfindung eine Stromrichteranode,
mit einem die Anode umschließenden Korbgitter nach dem Hauptpatent 1058 640
vor, bei welcher unter Erweiterung der Ausdehnung des die Anode umschließenden Zylindergitters
auf cm die Anode nahezu vollständig umschließendes Korbgitter das der Stirnseite
der Anode vorgelagerte Platten- oder Schalengitter auf eine oder mehrere kleine
ringförmige, als Einlochelektroden bezeichnete Gitterteile reduziert ist, die in
passende Aussparungen des Korbgitters unter Freilassung eines kleinen Spalters isoliert
eingefügt sind, wobei die Zuleitungen des Korbgitters und der untereinander verbundenen
Einlochelektroden getrennt aus dem Stromrichtergefäß herausgeführt sind. Das Korbgitter
ist dabei an eine feste negative Gleichspannung angeschlossen, während die Einlochelektroden
mit der Gittersteuerspannung eines Gittersteuergerätes verbunden sind.
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In Fig. 1 bis 4 sind beispielsweise einige Ausführungsformen
des Korbgitters nach der Erfindung wiedergegeben. In Fig. 1 ist
1 eine Anode, die von einem Korbgitter 2 fast vollständig eingeschlossen
ist. An zwei Stellen unterhalb der Anode befinden sich zwei kreisrunde öffnungen,
in die zwei Einlochelektroden in Form von Ringelektroden 3 unter Freilassung
eines kleinen kreisförmigen Spaltes eingefügt sind. Das Korbgitter ist an eine feste,
gegenüber der Kathode der Entladungsstrecke negative Gleichspannung angeschlossen,
während die zwei Ringelektroden untereinander verbunden und an die Gittersteuerspannung
eines Gittersteuergerätes angeschlossen sind. , Bei dieser Ausführungsform.
nach Fig. 1 ist eine Zündung der Entladung an zwei Stellen möglich, wobei
es durch die jeweiligen Dampfdruckverhältnisse und die Lage des Kathodenfleckes
des Entladungsgefäßes bestimmt wird, welche der beiden Ringelektroden zufälligerweise
zuerst zündet. Diese Anord--nung hat Vorteile, wenn die Lage des Kathodenfleckes
des Entladungsgefäßes die Zündung der Entladung stark beeinflussen würde. Man kann
dann diese Lagenbeeinflussung durch zwei oder gegebenen--falls noch mehr die Zündung
einleitende Ringelektroden innerhalb des Korbgitters kompensieren.
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Die Durchtrittsöffnung einer Einlochelektrode soll weiterhin als »Zündloch«
gezeichnet werden.
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Das weitere Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt, daß man ein derartiges
Zündloch auch in die seitliche Mantelfläche verlegen kann, falls diese Stelle 'günstig
im Entladungsweg -liegt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt ein Korbgitter,
das nach unten halbkugelförmig abgeschlossen ist, an der einen Seite eine isoliert
eingefügte Einlochelektrode aufweist und das außerdem mit einem das ganze Korbgitter
umschließenden zweiten Entionisierungsgitter umgeben ist.
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Zur Klarstellung der besonderen Wirkungsweise der Gitteranordnung
nach der Erfindung soll einiges über den Zündvorgang einer Gasentladungsstrecke
mitgeteilt werden.
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Bei nicht gezündeter Entladung zwischen der Kathode und der Anode
der Entladungsstrecke befinden sich in dem der Anode vorgelagerten Raum neutrale
Dampfteilchen und Ladungsträger des Plasmas, das durch den Entladungsvorgang der
ständig eingeschalteten Hilfserregung des Stromrichtergefäßes unterhalten wird.
Dieses Plasma ist bekanntlich ein quasineutrales, aus neutralen Atomen, Ionen und
Elektronen bestehendes Gas, das sich auf ein bestimmtes elektrisches Potential einstellt,
wobei die Feldstärke im Plasma längs der Entladungsstrecke relativ klein ist.
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Befindet sich in diesem Plasma eine Elektrode, die an eine bestimmte
Spannung gegenüber der Kathode angeschlossen ist, so wirkt diese in dem Plasma als
Sonde. Es entsteht ein Strom zwischen dem Plasma und der Elektrode, der positiv
oder negativ sein kann, d. h. aus einem Ionen- oder einem Elektronenstrom
zur Elektrode gebildet ist. Der Zusammen
hang zwischen diesem Strom und der
Spannung an der Elektrode gegenüber dem Plasmapotential ist durch die bekannte Sondenkennlinie
bestimmt.
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Derartige Sonden stellen auch das die Anode umschließende Korbgitter
einerseits und die als Steuergitter dienenden Einlochelektroden andererseits dar.
Das Korbgitter liegt, wie bereits gesagt, an einer festen negativen Gleichspannung,
ist mithin auch gegenüber dem Plasmapotential negativ. Ist diese Spannung stark
negativ, so werden alle negativen Elektronen aus der Nachbarschaft des Plasmas von
dem Gitter abgestoßen. Danüt bildet sich eine von Elektronen verarmte Schicht um
das Gitter mit erhöhter Feldstärke aus, die gemäß der genannten Sondenkennlinie
einen Sättigungs-Ioneneinstrom in das Gitter verursacht. Dieser positive lonenstroni
ist begrenzt durch den Gittervorwiderstand der Gleichspannungsquelle des Korbgitters.
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Die Folge dieses Vorganges ist eine das Korbgitter umgebende positive
Raumladungshaut, die bekanntlich die Steuerfähigkeit des Gitters beeinträchtigt.
Ilierbei handelt es sich um die Sperrfähigkeit des Korbgitters.
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Die geschilderte abschirmende Wirkung der Raumladungshaut des Korbgitters
wird nun an den Stellen, in denen die vorgenannten Einlochgitter eingefügt sind,
aufgehoben, sobald diesen Elektroden eine positive Zündspannung erteilt wird.
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An und für sich spielt sich an einem Gitter mit gegenüber dem Plasniapotential
schwach negativer oder positiver Spannung der umgekehrteVorgang ab. Das Gitter stößt
die positiven Ionen aus der Nachbarschaft des Plasmas ab, und es bildet sich eine
negative Raumladunghaut aus, in der negative Elektronen gemäß der Sondenkennlinie
in das Gitter einströmen. Diese negative Raumladungshaut wurde wiederum die Steuerwirkung
des Gitters, und zwar diesmal im Sinne einer Erschwerung ihrer Funktion als Zündelektrode,
beeinträchtigen.
Bei der vorliegenden Anordnung des an eine positive
Spannung angeschlossenen Einlochgitters innerhalb des negativ vorgespannten Korbgitters
wird indessen an der gemeinsamen Grenze die Raumladungshaut des Einlochgitters durch
die Raumladungshaut des Korbgitters so weit aufgehoben, daß eine raumladungsfreie
Öffaung des Ringgitters entsteht, durch die Elektronen aus dem Plasma unter der
Wirkung des durch die öffnung durchgreifenden elektrischen Feldes der Anode in den
Anodenvorraum eindringen können.
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Dies sind diejenigen Elektronen, denen die Aufgabe zufällt, den Anodenvorraum
zu ionisieren, wobei sich dieser Vorgang in bekannter Weise lawinenartig entwickelt,
bis der Durchbruch der Entladung zur Anode erfolgt. Dieser Vorgang beginnt in der
unmittelbaren Umgebung einer Einlochelektrode, wobei es keine Schwierigkeit bereitet,
bei gegebener Leistung des Gittersteuergeräts einen spezifisch hohen Strom zu erzeugen,
da die Fläche der Einlochelektrode außerordentlich kein ist.
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Der Zündvorgang nimmt mit der lonisierung des angrenzenden Gebietes
der Einlochelektrode seinen Anfang, wobei nach und nach die ganze Raumladungshaut
des Korbgitters kompensiert wird, so daß die zu Anfang nur durch die Einlochelektrode
hindurchtretende Entladung sich sehr schnell über alle Gitteröffnungen des Korbgitters
ausbreitet.
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Die Möglichkeit, die spezifische Steuerleistung des Steuergitters
ohne Vergrößerung der gesamten Steuerleistung zu erhöhen, ist von besonderer Bedeutung
bei Stromrichtern für höhere Frequenzen der Wechselspannung. Bei diesen muß man
die sogenannten Gitterfreiwerdezeiten, das ist also die Zeit, die verstreicht, damit
nach einer Stromführung der Anode das Gitter sperrfähig wird, möglichst klein halten.
Dies erreicht man nach der bisherigen Praxis durch sehr dichte Gitter mit besonders
kleinem Anodendurchgriff. Nun ist es aber bekannt, daß diese Gitter die Entladung
nur sehr schwach zu zünden vermögen und daß man dann eine hohe spezifische Steuerleistung
aufwenden muß. Bei Verwendung einer Einlochelektrode ist es indessen, wie bereits
gesagt, nicht schwierig, diese hohe spezifische Steuerleistung aufzubringen, da
wegen der Kleinheit der Fläche der Einlochelektrode der absolute Wert der Gittersteuerleistung
noch in tragbaren Grenzen bleibt. Außerdem ist man in der Lage, das durch die Einlochelektrode
gebildete Zündloch an die jeweils günstigste Stelle des Entladungsweges zu bringen,
so daß die Zündung auch noch aus Gründen der Geometrie des Entladungsraumes erleichtert
werden kann.
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Die Steuerung einer Entladung durch eine Einlochelektrode, die an
irgendeiner Stelle vor der Anodenoberfläche angeordnet ist, kann aber bei hohen
Frequenzen etwa im Mittelfrequenzbereich auch Nachteile haben. Mit steigender Frequenz
nimmt nämlich die Anodenbrenndauer ab, so daß für die im Anschluß an den Zündeinsatz
beginnende Ausbreitung der Entladung auf die Umgebung der Einlochelektrode, also
auf das Korbgitter, um so weniger Zeit zur Verfügung steht, je höher die
Frequenz ist. Bei sehr hohenFrequenzen konzentriert sich dieEntladung daher praktisch
auf die unmittelbare Umgebung der Einlochelektrode und ruft dort eine starke örtliche
Erviiiinung hervor, die sich bis zur Herbeiführung einer Steuerunfähigkeit der Einlochelektrode
infolge therinischer Elektronenemission auswirken kann. In solchen Fällen kann man
daher genötigt sein, entweder auf ein Steuergitter größerer Oberfläche überzugehen
oder aber die Zündung mittels mehrerer Einlochelektroden vorzunehmen.
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überläßt man im letzteren Falle, also bei der Anwendung mehrerer Einlochelektroden,
den Zündeinsatz dem Zufall, so kann es aber trotzdem vorkommen, daß eine unter diesen
Einlochelektroden wegen besonders günstigerZündbedingungen regelmäßig die Zündung
einleitet und damit überhitzt wird. Zur Ab-
hilfe dieser unzulässigenBeanspruchung
werden nach einer Weiterentwicklung der Erfindung mehrere Einlochelektroden mit
getrennten Herausführungen aus dem Stromrichtergefäß angeordnet, die mittels einer
zur Netzfrequenz synchron umlaufenden Schalteinrichtung auf die Gittersteuerspannung
einer Phase des Stromrichters in zyklischer Folge nacheinander aufgeschaltet werden.
Auf diese Weise wird die Gittersteuerspannung auf die einzelnen Einlochelektroden
verteilt und so die thermische Beanspruchung der Elektroden auf einen Bruchteil
der sonst zu erwartenden Beanspruchung zurückgeführt.
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Eine derartige Anordnung einer Stromrichteranode mit einem Korbgitter
und mehreren Einlochelektroden ist in Fig. 4 beispielsweise wiedergegeben. Dort
sind neben dem an einer festen negativen Gleichspannung angeschlossenen Korbgitter
2 drei Einlochelektroden 3 a, 3 b, 3 c isoliert angeordnet
und anschlußmäßig getrennt aus dem Stromrichtergefäß herausgeführt. Die Zuleitungen
dieser Herausführungen sind mit einer schematisch dargestellten Schalteinrichtung
4 verbunden, die der Deutlichkeit wegen als ein umlaufender Schalter 4 mit mehreren
Kontakten 5 gezeichnet ist, wobei man sich vorzustellen hat, daß dieser Schalter
synchron mit der Netzfrequenz umläuft. Tatsächlich wird diese Schalteinrichtung
indessen als eine der elektronisch wirkenden Anordnungen zur Verteilung von Impulsfolgen
ausgeführt werden, die unter der Bezeichnung Zählring oder Schieberegister bekannt
und die beispielsweise auf der Grundlage von Transistorschaltungen aufgebaut sind.
Von diesen benötigt man für jede Phase des Stromrichters eine Schalteinrichtung,
wobei parallel arbeitende Anoden natürlich von einer gemeinsamen Schalteinrichtung
gesteuert werden können.