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Elektrischer Starkstrom-Impulsgenerator Die Erfindung betrifft elektrische
Starkstrom-Impulsgeneratoren zur Erzeugung hoher Impulsspannungen, insbesondere
Stoßspannungen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Impulsgenerators, der
in Form einer einzigen Einheit eine elektrische Ladung bei einem Spannungswert speichern
und diese als Impuls mit einem höheren Spitzenwert als die Speicherspannung abgeben
kann.
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Bekannte Impulsgeneratoren bestehen notwendigerweise aus mehreren
Einheiten, um einen Impuls mit einer Spitzenspannung oberhalb der Ladespannung erzeugen
zu können. Selbst die einfachste Impulswandlerschaltung erfordert einen Impulswandler
und einen Kondensator. Eine unter der Bezeichnung »Marxgenerator« bekannte Schaltung
besteht aus einer Vielzahl von Kondensatoren, die in Parallelschaltung aufgeladen
und in Reihenschaltung entladen werden. Jeder Kondensator benötigt einen Schalter,
damit er mit dem benachbarten Kondensator in Reihe geschaltet werden kann. Jede
Zunahme der Impulsspannung in der Größenordnung der Ladespannung erfordert einen
weiteren Kondensator und Schalter.
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Ein ebenfalls bekannter Generator ist der Leitungsgenerator, der in
seiner einfachsten Form aus einer Leitung oder einem dazu äquivalenten Netzwerk
besteht, das sich in einen Verbraucher entlädt. Wenn der Verbraucher der Leitung
angepaßt ist, erfolgt eine maximale Energieübertragung von ihr zum Verbraucher,
jedoch kann die maximale Impulsspannung nur die Hälfte der Ladespannung betragen.
Die Spannung am Verbraucher konnte mit der bekannten, nach ihrem Erfinder benannten
Blumlein-Schaltung auf den Wert der Ladespannung gebracht werden. Bei dieser Schaltung
sind zwei Leitungen gleich großer Impedanz mit einem angepaßten Verbraucher verbunden
und werden in ParalleIschaltung aufgeladen und in Reihenschaltung entladen. Um die
Impulsspannung über den Wert der Ladespannung anzuheben, sind nach diesem Prinzip
arbeitende Schaltungen vorgeschlagen worden, bei denen jedoch jede Erhöhung um die
Größe der halben Ladespannung einen weiteren Leiter notwendig macht.
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Weitergehendere Erörterungen über Impulsgeneratoren lassen sich dem
Buch »Pulse Generators« von G 1 a s c e und L e b a c
q z, McCraw-Hill, 1948, entnehmen.
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Zusammenfassend läßt sich daher feststellen, daß bekannte Impulsgeneratoren
sehr schnell zu komplizierten Schaltungen werden, wenn die erforderliche Impulsspannung
die Ladespannung -übersteigen soll. Um ein einfaches Beispiel zu nennen, erfordert
eine Impulsspannung- vom Zehnfachen der Ladespannung zehn Kondensatoren und Schalter
bei einem Marxgenerator und zwanzig Leiter bei einem Leitungsgenerator.
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Im Gegensatz dazu kann der erfindungsgemäße Impulsgenerator Impulse
mit einer Spitzenspannung bis zur Größenordnung der hundertfachen Ladespannung erzeugen
und diese Leistung als eine einzige Einheit hervorbringen. Dabei ist jedoch darauf
zu verweisen, daß die Dauer des Impulses zunimmt, wenn die Impulsspannung ein höheres
Vielfaches der Ladespannung wird, und daß die Form der Impulse nadelförmig und nicht
rechteckig ist. Obwohl die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung in erster Linie
in der Einfachheit der aus einer einzigen Einheit bestehenden Anordnung gesehen
werden, lassen sich weitere Vorteile hinsichtlich kurzer Anstiegszeiten erzielen,
indem eine Anzahl von Impulsgeneratoren gemäß der Erfindung miteinander verbunden
werden, um ihre Ausgangsgröße zu addieren.
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Der erfindungsgemäße Impulsgenerator ist gekennzeichnet durch zwei
elektrisch leitende und zwei elektrisch isolierende Folien, die, abwechselnd übereinandergeschichtet,
nach Art eines Wickelkondensators zu einer Rolle zusammengewickelt sind, durch eine
Einrichtung zum Aufladen des so gebildeten Kondensators mit einer Gleichspannung
und durch einen Schalter, durch welchen zur Erzeugung und Abgabe eines Impulses
an einen an die beiden Enden der einen leitenden Folie angeschlossenen Verbraucher
die beiden leitenden Folien an einer Stelle im Bereich zwischen den -Enden jeder
- leitenden Folie leitend
miteinander verbunden werden, wobei
die Anschlußstellen für den Schalter auf den Folien unmittelbar einander gegenüberliegen.
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Vorzugsweise befinden sich die Anschlußstellen für den Schalter annähernd
in der Mitte der Länge der leitenden Folien.
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Es ist vorteilhaft" wenn die am weitesten außen auf der Rolle beginnende
leitende Folie um die halbe Umfangslänge der Grolle gegenüber der anderen leitenden
Folie kürzer, ist und die äußeren Enden der Folien um 180' gegeneinander
versetzt auf dem Umfang der Rolle hegen und wenn sich die Breite der leitenden Folien
in Richtung auf ihr eines oder beide Enden stetig verjüngt. Zur Erhöhung der Inu
tivität kann außerdem ein Kern hoher magnetischer Leitfähigkeit für die Rolle verwendet
werden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnungen ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt bzw. zeigen F i
g. 1 eine Seitenansicht der beiden zu einer Rolle zusammengewickeltgg.leitenden
Folien, die F i g. 2 bis 7 schematische Seitenansichten eines in radialer
Richtung durch die Rolle laufenden schmalen Segmentes, wobei in den Figuren die
elektrischen Werte bei aufeinanderfolgenden Zeiten angegeben sind, die Fig.8 und
9 schematische Darstellungen einer geschichteten Anordnung aus elektrischen
Feldern und der Umkehrung der Felder in einer Richtung, während F i g. 10
eine Ausführungsform gemäß der Erfindung wiedergibt.
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In F i g. 1 sind zwei elektrisch leitende Folien
1 und 2 durch zwei- der Übersichtlichkeit halber. -nicht dargestellte isolierende;
Folien getrennt. Eine Anschlußstelle A steht mit der leitenden Folie 1 und
eine Anschlußstelle 0 mit der leitenden Folie 2 inVerbindung. Der in dieser
Zeichnung dargestellte Impulsgenerator kann zum Verständnis der Wirkungsweise des
Generators als zusammengerollter Wickelkondensator betrachtet werden, der sich wie
jeder andere Kondensator aufladen läßt. Die Ausdrücke »Impulsgenerator« und »Kondensator«
bezeichnen in der nachfolgenden Beschreibung die gleiche Einrichtung und dienen
zur Herausstellung des jeweiligen besonderen Merkmals.
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Wenn der gezeigte Impulsgenerator aufgeladen ist und eine Entladung
durch Schließen eines Schalters mit geringer Induktivität über die Anschlußstellen
A 0
eingeleitet wird, gehen von den Anschlußstellen zwei Wellen aus, die längs
der einen isolierenden Folie in den durch die Pfeile 3 und 4 angegebenen
Richtungen weiterlaufen. Der Lauf der Wellen durch diese isolierende Folie ist durch
die gestrichelte Linie 5
wiedergegeben. Aus dem Verlauf der Wellen zeigt sich,
daß nur der halbe Kondensator während der Zeit entladen wird,-:-',in der die Wellen
durch die isolierende Folie -idm inneren und zum äußeren Ende der Rolle laufen.
Mit anderen Worten läßt sich dies folgendermaßen ausdrücken: Das elektrische Feld
der beiden aus -den Folien gebildeten Leitungen ist nur in der einet? Leitung aufgehoben
und durch ein elektromagnetis'Cli es Feld ersetzt worden, während die andere Leitung-
'#>pässiv« in ihrem anfänglichen aufgeladenen Zustand -verbleibt. Interessant ist,
was mit den inneren Enden der beiden Leitungen geschieht. Die bei BC in F
1 j. 1 -'endende »passive«. Leitung ist mit der bei CD end&iideü
-»aktiven« Leitung (d. h. der Leitung, in 'der- die # ##aedernde Welle erzeugt
wird) mittels der Windung BD der Folie 2 gekoppelt ist. Dies hat eine Wirkung auf
die Reflektion der Welle in der »aktiven« Leitung am innereh Ende CD.
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Indem die Wellen die Folien durchlaufen, wandeln sie das elektrische
Feld in ein elektromagnetisches Feld um, und wenn sie nach der Reflexion an den
Enden der Folien den Weg zurücklaufen, wandeln sie das elektromagnetische Feld wieder
in ein elektrisches Feld um, dessen Vektor gegenüber dem Vektor des - ursprünglichen
elektrischen Feldes umgekehrt wird. Da die Folien kapazitiv gekoppelt sind, beeinflußt
die Welle an der einen Folie das Potential der anderen Folie.
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Die Diagramme in F i g. 2 bis 7 zeigen für aufeinanderfolgende
Zeitintervalle den Zustand eines idealisierten Schnittes desjenigen Teils des Kondensators,
der links von dem durch die Anschlußstellen A 0 in F i g. 1 laufenden
Radius liegt. Die anfängliche Welle läuft unter dem Schalter von rechts nach links
und über diesem von links nach rechts in aufeinanderfolgenden Intervallen der Z#itdauervl
(Laufzeit der Welle für einen Umlauf). Das Potential der Anschlußstelle
0 wird zu allen Zeitpunkten als Null definiert; das Potential des übrigen
Teiles der Folie ' der an 0 angeschlossen ist, ist zuerst Null", während
das Potential der mit der Anschlußstelle A
verbundenen Folie +
V ist. Der Schalter soll als ideal und die Anordnung dals verlustlos betrachtet
werden, so daß bei 0 < t < -vl das Potential der Folie
A 1
auf Null fällt; da jedoch dem Rest der Anordnung keinerlei Energie
entzogen werden kann, bleiben die Potentialunterschiede zwischen sämtlichen anderen
leitenden Folien wie zuvor bestehen - mit dem Unterschied, daß das Potential
jedes Leiters oberhalb Null
um den Wert V entsprechend F i g. 3 verringert
worden ist. In der Zeit -cl < t < 2,vl brechen die Potentialunterschiede
zwischen A, A, und zwischen Bl, B, zusammen; wie zuvor bleibt
der Rest der Anordnung unbeeinflußt, mit dem Unterschied, daß jede leitende Folie
außerhalb A, und B, ihr Potential entsprechend F i g. 4 verändert.
Bei der Fortführung dieses Vorganges bis zum Ende läßt sich erkennen (F i
g. 5), daß, wenn die Wellen an den Grenzflächen ankommen,' das Potential
über der oberen Hälfte -1/,nVund über der unteren Hälfte +'1/2nVist, so daß zwischen
den Endpunkten eine Gesamtspannung von nV besteht, wobei n die Anzahl der Windungen
ist.
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Die beiden Enden er Folien sind nach einer ersten Annäherung nicht
reflexionsfrei abgeschlossen, so daß die Wellen unverändert reflektiert werden.
Unter Zugrundelegung der gleichen wie oben beschriebenen Gegebenheiten wird der
in F i g. 6 dargestellte und schließlich der in F i g. 7 dargestellte
Zustand erreicht, und es läßt sich erkennen, daß die Gesamtspannung an den Endpunkten
2n V ist. Wenn die Wellen an den Schalter zurückkommen, werden sie umgekehrt
reflektiert und verringern die Gesamtspannung weiter, bis bei der zweiten Ankunft
am Schalter der Zyklus vollständig ist, der Kondensator sich in seinem ursprünglichen
Zustand befindet und die Spannung an den Endpunkten Nullist. Dieser Vorgang ist
an dem idealisierten verlustlosen Modell beliebig oft wiederholbar, und die »passive«
Leitung bleibt auf-7 geladen. Bei einer beliebigen praktischen Ausführung sind natürlich
ohmsche Verluste vorhanden, z. B. in der Verbrauchergtelle und in den Folien gelbst,
mit dei Folge, daß der Vorgang von a#ufeinaüderfolgendenj Reflexionei!
- ausärtet und eventuell die »aktive« und
»passive« Leitung
völlig entladen werden. Das theoretisch verlustlose Modell dient jedoch dazu, zu
demonstrieren, wie sehr hohe Spannungen in einem solchen Kondensator erzeugt werden
können.
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Der Vorgang kann unter mehreren Gesichtspunkten betrachtet werden;
durch Betrachtung der zeitlichen Veränderung des gesamten Megnatfeldes und durch
Anwendung der Maxwellschen Gleichungen erhält man ein ähnliches Bild des Spannungsaufbaus.
Ein möglicherweise einfacheres Bild des Generators ergibt sich, wenn man ihn als
einen Generator solchen Typs ansieht, bei dem eine Anzahl von aufgeladenen Kondensatoren
schnell in Reihe geschaltet wird (z. B. ein Impulsgenerator des bekannten Marx-Typs).
Die anfangs gegensinnig in Reihe geschalteten Kondensatoreinheiten werden durch
die Welle in eine gleichsinnige Reihenschaltung umgewandelt. Dieser Vorgang ist
in den F i g. 8 und 9 dargestellt. Der tatsächliche Vorgang besteht
darin, daß die elektrostatische Energie des Zustandes nach F i g. 8 bei dem
nach außen gerichteten Lauf der Welle zuerst in magnetische Energie umgewandelt
wird, wobei die gestapelten Potentiale der »passiven« Leitung gleichnamig bleiben;
anschließend wird die magnetische Energie von der reflektierten Welle in elektrische
Energie mit entgegengesetztem Vorzeichen zurückverwandelt, die sich derjenigen an
der »passiven« Leitung entsprechend F i g. 9 zuaddiert.
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Nach einem Überblick über die Betriebsweise des erfindungsgemäßen
Generators sollen im folgenden einige theoretische Grundlagen besprochen werden.
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Im Idealfall ist die Theorie einfach: Wenn man die weitere Annahme
macht, daß die Dicke der Wicklung klein im Vergleich zum Durchmesser ist (so daß
die Länge pro Windung konstant ist), so baut sich die Spannung in einer Reihe von
gleichen Stufungen der Amplitude 2 V und der Dauerzl auf und führt zu einem nadel-
bzw. dreieckförmigen Wellenverlauf, der annähernd die folgenden Gleichungen wiedergegeben
werden kann: 0 < t < r;
wobei t die Zeit, V* die maximale Ausgangsspannung, V die Spannung, mit der
der Kondensator anfangs geladen worden ist, und r die Anstiegszeit des Ausgangsimpulses
ist, V* = 2nV, (2) wobei n die Anzahl der Windungen im Kondensator ist -r
< t < 2-c;
wobei D der -innere Durchmesser der Wicklung, k die Dielektrizitätskonstante
und c die Lichtgeschwindigkeit ist,
wobei C* die Ausgangskapazität und C die übliche Kapazität ist.
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In der Praxis verringern folgende Einflüsse die Spannungserhöhung:
I. WiderstandsverlustinnerhalbderleitendenFolien; Il. Kopplung zwischen den Enden
der aktiven und passiven Leitung; III. degenerative Entladung der konzentrischen
KondensatorschichtendurchdieParallelinduktivitäten der Windungen; IV. Schalterunvollkommenheiten.
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Der Widerstandsverlust ist groß, da erstens -c für diese Fälle
10-11 bis 10-7 Sekunden beträgt, so daß die Oberflächentiefe -10-3
cm beträgt, und da zweitens die Eigenimpedanz der Leitung klein ist - im
vorliegenden Fall -0,3 Ohm. Somit wird der Dämpfungsexponent
wobei R der Widerstand pro Längeneinheit der leitenden Folie, In die Länge
der Wicklung und Z die Impedanz der Folie ist, groß für geringe Werte von lii. Damit
ist bei einem ge-
gebenen Kerndurchmesser der Anzahl der Windungen und somit
auch der Spannungserhöhung eine Grenze gesetzt.
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Wie bereits erwähnt, ist am inneren Ende die »aktive« Leitung praktisch
mit der bei BC endenden passiven Leitung mittels der einzigen Windung BD der Folie
2 gekoppelt, wie in F i g. 1 dargestellt. Somit ist die Annahme der angenäherten
Nullkopplung, d. h. die Theorie des Nichtauftretens einer Kopplung, wobei,
wie bereits an Hand von F i g. 1
erläutert, die »aktive« Leitung am inneren
Ende praktisch mit der bei BC endenden passiven Leitung gekoppelt ist, nur für eine
Zeitdauer gültig, die klein im Vergelich zu
ist, wobei LT die Induktivität pro Windung ist; wenn man LT und Z substituiert,
erhält man einen Ausdruck für den kleinsten Kerndurchmesser: D =
9,6 - nlx, (6)
wobei Ix die Isolationsdicke ist.
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Da, wenn D groß ist, auch lii groß wird und somit der Forderung
nach geringer Widerstandskämpiung entgegensteht, muß ein Kompromiß gesucht werden.
Eine gewisse Erleichterung bietet in dieser Hinsicht die Verjüngung der Enden der
Folien, das Vorsehen eines Kernes hoher magnetischer Leitfähigkeit, um die Induktivität
zu erhöhen, oder eine Anordnung, wo die Enden der Folien um 180'C gegeneinander
versetzt auf dem Umfang der Rolle liegen.
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Die Wellenfront bzw. -flanh sollte unter Idealbedingungen eine Anstiegszeit
besitzen, die klein im Vergleich zu -c ist. Dies ist in erster Linie wegen
der Begrenzung des Schalters schwer zu erreichen. Ist die Leitimpedanz
niedrig, so darf die Schalterinduktivität wenige Millimikrohenry nicht übersteigen;
dies kann mit Höchstdruckgas, Flüssigkeits- oder
dielektrischen
Festkörperschaltern herbeigeführt werden; da aber
für einen Generator mit etwa 103 Joule etwa 1014,Amp./sec beträgt, sind ParalleIschalter
erforderlich. Der für
erforderliche Wert, um diesen Einfluß vernachlässigbar zu machen, wird durch die
folgende Beziehung gegeben:
wobei Ex die elektrische Festigkeit des Isolators, die Austiegszeit des Stromes
in dem Schalter und
ist.
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Die kombinierte Wirkung dieser Begrenzungen führt zu einer Verringerung
der Ausgangsspannung um den Faktor -V* = 2 nß V. (8)
Erfahrungsgemäß
ist 0,3 < ß < 0,6.
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Die Anstiegszeit für Hochspannungsimpulse wird -durch die Gleichung
gegeben, die beispielsweise -10-7 Sekunden für V* ,1011 und V
5 . 104 ist. Dies ist bei derartigen Anwendungen eine verhältnismäßig
lange Zeit.
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In F i g. 10 sind entgegengesetzte Enden der Folie 2 *mit einem
Verbraucher 6 verbunden. Wenn ein Niederimpedanzschalter die AnschlußstellenA0
nach dem Aufladen kurzschließt, wird ein Hochspannungsimpuls dem Verbraucher
6 aufgedrückt.
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Bei einer Untersuchung eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung
wurde ein zusammengerollter Folienkondensator verwendet, der in einem Epoxydharz
eingelagert war. Seine kennzeichnenden Daten waren: C 0,5 #tF,
V 7 kV,
n 60,
1, Breite der Folie = 8,25
cm.
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Als Leiter wurde eine Aluminiumfolie mit 0,025 mm
Stärke
und als Isolator ein Film aus Polyäthylentetraphthalat mit 0,1 mm Stärke
verwendet. Dabei betrugen V* = 300 kV, -c = 130 -
10-9 Sekunden.