DE1613747C - Mehrstufiger Stoßspannungsgene rator - Google Patents

Description

η =

Scheitelwert der Stoßspannung
n · Stufen-Ladespannung.

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Stoßspannungsgenerator, bei dem in jeder Stufe angeordnete Kondensatoren in Parallelschaltung über Widerstände aufgeladen und über Schaltfunkenstrecken in Reihe entladen werden. ,

Hohe Stoßspannungen werden im allgemeinen mit der Vervielfachungsschaltung nach Marx erzeugt (deutsche Patentschrift 455 933). In dieser Schaltungsanordnung werden eine Anzahl n unter sich gleicher Kondensatoren über hohe Widerstände in Parallelschaltung aufgeladen und dann durch die Zündung von Schaltfunkenstrecken in Reihe geschaltet. Auf diese Weise kann man eine Stoßspannung erzeugen, deren Scheitelwert etwa das «-fache der Ladespannung beträgt.

Beim Entwurf eines Stoßspannungsgenerators nach Marx hat man unter anderem folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen:

Die Bilder Aa und 4b in der VDE-Vorschrift 0450/XI. 39 stellen zwei Grundanordnungen im ίο Hinblick auf den Ausnutzungsfaktor dar.

B. Die einwandfreie Zündung der Schaltfunkenstrecken muß gewährleistet sein.

Es muß möglich sein, die Schaltfunkenstrecken weit unterhalb ihrer statischen Ansprechspannung mit Hilfe einer an der ersten Stufe angebrachten Zündvorrichtung zu zünden. Je weiter die Schaltfunkenstrecken unterhalb ihrer statischen Ansprechspannung gezündet werden können, desto kleiner wird die Wahrscheinlichkeit störender Fehlzündungen der Funkenstrecken.

C. Der räumliche Aufbau des Generators soll möglichst gedrängt sein.

In diesem Zusammenhang ist besonders der Dämpfungswiderstand zu erwähnen, der die Front der Stoßspannung bestimmt. Dieser Widerstand sollte möglichst auf die einzelnen Stufen verteilt im Generator untergebracht sein. Ein einzelner, für die volle Stoßspannung ausgelegter Dämpfungswiderstand außerhalb der eigentlichen Vervielfachungsschaltung ist sowohl in elektrischer als auch in mechanischer Hinsicht ungünstig. Elektrisch besteht die Gefahr von Längsüberschlägen, insbesondere bei der Erzeugung von sogenannten Schaltspannungen. Mechanisch bietet die Aufhängung eines mehrere Meter langen Widerstandes einige Schwierigkeiten.

D. Der Generator muß sowohl kurze Spannungsstöße etwa der Form 1,2/50 \ls im Sinne der CEI-Publikation 60 als auch sogenannte Schaltspannungen etwa der Form 200/3000 \is erzeugen können. Die Umschaltarbeiten beim Übergang von der einen Spannungsform zur anderen sollen so gering wie möglich sein.

Keine der bis jetzt bekannten Widerstandsanordnungen in den Vervielfachungsschaltungen erfüllt die genannten Forderungen gleichzeitig. Es war bisher immer nur möglich, höchstens drei Bedingungen zu genügen, während im Hinblick auf die vierte irgendein Kompromiß geschlossen werden mußte.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung, die mittels einer Hilfsfunkenstrecke in jeder Generatorstufe allen vier oben genannten Forderungen gleichzeitig entspricht.

Der Erfindungsgedanke soll an Hand der F i g. 1 am Beispiel einer dreistufigen Vervielfachungsschaltung erläutert werden. In F i g. 1 bedeuten:

Csi bis C₃₃ die Stoßkondensatoren,
F₁ bis F₃ die Schaltfunkenstrecken,
Rl die Ladewiderstände,

Rat die auf die einzelnen Stufen verteilten

Dämpfungswiderstände,

R_ei die auf die einzelnen Stufen verteilten

Entladewiderstände,

LG der Ladegleichrichter.

3 4

Dies sind die Elemente der eigentlichen Verviel- Volt isolierte Befestigung, besonders des meist hori-

fachungsschaltung. Dazu kommen noch Widerstände: zontal angeordneten Widerstandes Ra₁, stellt ein

schwieriges technisches Problem dar.

R_ei und R_e2, um den Rücken der genormten Stoß- Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis welle zu beeinflussen, falls die Wider- 5 zugrunde, daß die selbsttätige Zündung der Schaltstände Rei hierzu noch nicht ausreichen, funkenstrecken nach der Zündung der ersten Funken- und strecke um so sicherer erfolgt, je größer der Ohmwert Ra₁, um die Front der am Prüfling wirksa- der einzelnen Entladewiderstände R_ei ist. Der ideale men Spannungswelle zu formen, falls Entladewiderstand muß, mindestens solange die die Widerstände Rat dazu noch nicht io Schaltfunkenstrecke seiner Stufe noch nicht gezündet ausreichen. und somit die gewünschte Vervielfachung noch nicht

stattgefunden hat, einen hohen Widerstand aufweisen.

Die Impedanz des Prüfobjektes ist in F i g. 1 als Nach der Zündung der Schaltfunkenstrecke muß der

Zb dargestellt. Widerstandswert des entsprechenden Entladewider-

Es ergeben sich nun eine Reihe von Widerstands- 15 Standes absinken, soweit das zur Erreichung der von

kombinationen, die einen Teil der oben aufgestellten den Normen geforderten Rückenhalbwertzeit der

Forderungen an eine gut funktionierende Verviel- Spannungswelle erforderlich ist.

fachungsschaltung erfüllen, gleichzeitig jedoch min- Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin,

destens einer Forderung stark widersprechen. einen Stoßspannungsgenerator der eingangs genannten

. 20 Art so auszubilden, daß jeder Entladewiderstand vor

1. R_n = R_e2= 00, der Zündung der Schaltfunkenstrecke seiner Stufe R_dl = 0, einen hohen Widerstandswert, nach der Zündung Rei <ξ. RL. jedoch einen niedrigen Widerstandswert aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch

Die Forderungen A und C sind bei dieser Wider- 25 gelöst, daß der Entladewiderstand jeder aus zwei Standskombination erfüllt, die Forderungen B und D zueinander parallel geschalteten Zweigen besteht, von hingegen nicht. Wenn mit einem in dieser Schaltungs- denen der eine Zweig durch einen hochohmigen anordnung ausgeführten Generator eine Rückenhalb- Widerstand und der andere Zweig durch die Reihenwertzeit der Stoßwelle von 50 μβ oder gar 5 μβ erzeugt schaltung eines niederohmigen Widerstandes und werden soll, sind besonders bei Generatoren mit 30 einer Entladungsstrecke gebildet ist.
großem Arbeitsvermögen die Entladewiderstände ver- Die Funktionsweise dieser Anordnung wird am hältnismäßig niederohmig. Bekanntlich haben nieder- Beispiel der in F i g. 2 dargestellten dreistufigen ohmige Entladewiderstände ein schlechtes Zünd- Anlage erläutert:

verhalten der Schaltfunkenstrecken zur Folge. Diese . Alle Stoßkondensatoren C₈ seien mit Hilfe des

lassen sich mit Hilfe einer Auslösevorrichtung nur 35 Gleichrichters LG auf die Spannung U geladen. Die

knapp unterhalb ihrer statischen Ansprechspannung Ansprechspannungen Uzf der Schaltfunkenstrecken

sicher zünden. F₁, F₂ und F₃ seien unter sich gleich, aber größer als

die Ladespannung U. An den Schaltfunkenstrecken

2. Rl = Rei (hochohmig), F₁, F₂ und F₃ liegt die Ladespannung U, während an Re₁ = entsprechend der geforderten Rük- <μ> den Entladungsstrecken G₁, G₂ und G₃ keine Spannung

kenhalbwertzeit, auftritt. Das Prüfobjekt ist gleich wie in F i g. 1

Re₂ = 00 , durch eine Impedanz Zb dargestellt.

R_dl = 0. . Wird nun mit Hilfe einer Auslösevorrichtung

(»Trigatron«) die Funkenstrecke F₁ gezündet, tritt

Die Forderungen B und C sind bei dieser Wider- 45 plötzlich die Ladespannung U am Widerstand R_eh der

Standskombination erfüllt, die Forderungen A und D ersten Stufe und damit auch an der Entladungs-

hingegen nicht. Die Anordnung der Widerstände strecke G₁ auf. Die Zündcharakteristik der Entladungs-

entspricht der Schaltungsanordnung VDE 0450/XI. 39 strecke G₁ kann so gewählt werden, daß sie unter

Bild Aa, die bekanntlich einen schlechten Ausnutzungs- Spannung U nach etwa 10~⁷ bis 10~⁸ Sekunden an-

faktor, insbesondere bei kleinen Belastungskapazitäten, 50 spricht. Spricht G₁ an, so wird C_S1 innerhalb der von

hat. den Normen vorgeschriebenen Zeit (50 μ3 bzw. 5 μ8)

3. R_L = R_el (hochohmig), ^{bis auf die S}P^annung-f ^entladen·

Rat = 0 Bekanntlich tritt nach der Zündung von F₁, im

R_dl = einige hundert Ohm, 55 vorliegenden Fall auch nach der Zündung von F₁

Re₁ = entsprechend der geforderten und G₁, an dem Widerstand R_en der zweiten Stufe

Rückenhalbwertzeit. eine transiente Spannung auf. Höhe und zeitlicher

Verlauf werden bekanntlich durch den Ohmwert

Die Forderungen A und B sind bei dieser Wider- 'des Widerstandes R_eh bestimmt sowie durch die Größe Standskombination erfüllt, die Forderungen C und D 60 der in der Schaltungsanordnung wirksamen Streuhingegen nicht. Das elektrische Verhalten dieser kapazitäten. Die erwähnte transiente Spannung tritt Schaltungsanordnung ist gut. Der Nachteil dieser auch längs der Entladungsstrecke G₂ auf, solange Anordnung besteht darin, daß die Widerstände Rdi diese noch nicht gezündet hat. Ferner überlagert sich und Re₁ sich außerhalb der eigentlichen Verviel- die transiente Spannung der an der Schaltfunkenfachungsschaltung befinden. Bei Generatoren zur 65 strecke F₂ wirksamen Gleichspannung, und zwar in Erzeugung von Stoßspannungen der Größenordnung dem Sinne, daß die gesamte an F_z wirksame Spannung von mehreren Millionen Volt sind diese Widerstände über die statische Ansprechspannung Uz hinaus erhöht mehrere Meter lang. Die mechanische, für Millionen wird.

Die Zündcharakteristik der Entladungsstrecke G₂ ist so gewählt, daß die vor der Zündung von F₂ auftretende transiente Spannung nicht zur Zündung von G₂ führt. Die nach der Zündung von F₂ an G₂ auftretende Spannung U ist jedoch größer als die Ansprechspannung von G₂. Die Entladungsstrecke G₂ wird somit etwa 10~⁷ bis 10~⁸ Sekunden nach der Zündung von F₂ ebenfalls zünden. Der Zündvorgang der Schaltfunkenstrecke F₃ und der Entladungsstrecke G₃ erfolgt analog zu den Vorgängen an F₂ und G₂.

Mit Hilfe der Entladungsstrecken G, die gegenüber den entsprechenden Schaltfunkenstrecken F verzögert zünden, ist es also möglich, zunächst die Reihenschaltung der aufgeladenen Stoßkondensatoren C_s sicher und weit unterhalb der statischen Ansprechspannung der Schaltfunkenstrecken vorzunehmen. Erst nachdem die Reihenschaltung, unterstützt durch die hochohmigen WiderständeReh, erfolgt ist, schalten die Entladungsstrecken G die im Verhältnis zu Reh niederohmigen Widerstände R_en ein.

Die Entladungsstrecken G können beispielsweise durch Kugelfunkenstrecken gebildet werden, deren Schlagweiten etwas geringer eingestellt sind als die der Schaltfunkenstrecken F. Die Entladungsstrecken G können auch durch eine Elektroden-Anordnung mit einer sehr inhomogenen Feldverteilung, bespielsweise durch Stabfunkenstrecken, gebildet werden. Die den inhomogenen Feldanordnungen eigene Ansprechverzögerung bei schnellen Spannungsbeanspruchungen unterstützt die im vorliegenden Falle gewünschte Zündverzögerung der Entladungsstrecken G gegenüber dem Zündzeitpunkt der entsprechenden' Schaltfunkenstrecken F.

Im Hinblick auf die weiter oben unter Punkt D geforderte leichte Umschaltbarkeit der Vervielfachungsschaltung beim Übergang von der Welle 1,2/50 auf die Schaltspannung 200/3000 μβ oder umgekehrt ist folgendes zu bemerken:

Bei allen bis jetzt bekannten Anordnungen müssen neben den Dämpfungswiderständen auch die Entladewiderstände der Vervielfachungsschaltung ausgewechselt oder wenigstens mit entsprechenden Kurzschlußverbindungen versehen werden. Demgegenüber ergibt sich mit der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, die erwähnte Umschaltung der Entladewiderstände auf folgende Weise vorzunehmen:

Die hochohmigen Widerstände Reh werden so ausgelegt, daß sie allein die Stoßkondensatoren C_s in der für die Schaltspannung geforderten Halbwertzeit von z. B. 3000 μβ entladen. Die Entladungsstrecken G sind bei der Erzeugung von Schaltspannungen so eingestellt, daß sie sicher nicht zünden.

Der resultierende Entladewiderstand, der sich aus der Parallelschaltung des hochohmigen Widerstandes Reh und des niederohmigen Widerstandes R_en ergibt, ist so dimensioniert, daß beide Widerstände zusammen die Stoßkondensatoren mit einer Rückenhalbwertzeit von beispielsweise 50 \j.s entladen. Die Entladungsstrecken G sind bei der Erzeugung der Rückenhalb wertzeit von 50 μ$ so eingestellt, daß sie wie oben geschildert, kurz nach der Zündung der entsprechenden Schaltfunkenstrecke ansprechen.

Die vorliegende Anordnung, die durch zwei parallele Zweige des Entladewiderstandes gekennzeichnet ist, wobei der eine Zweig durch einen hochohmigen Widerstand R_en zur Erzeugung eines Rückens von etwa 3000 μβ, der andere Zweig durch die Reihenschaltung einer Entladungsstrecke G mit einem niederohmigen Widerstand R_en zur Erzeugung einer Rückenhalbwertzeit von etwa 50 με besteht, bietet also den Vorteil, daß für die Umschaltung auf verschiedenen Rückenhalbwertzeiten nur die Einstellung der Entladungsstrecken G verändert werden muß.

Zusammengefaßt weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung im Hinblick auf die einleitend aufgestellten Forderungen an eine gut funktionierende Vervielfachungsschaltung folgende Eigenschaften auf:

Zu A: Der Ausnutzungsgrad der neuen Schaltung ist gut. Er entspricht der in der VDE-Vorschrift 0450/XI.39 dargestellten Grundanordnung Bild 4b.

Zu B: Die Schaltfunkenstrecken lassen sich weit unterhalb ihrer statischen Ansprechspannung mit Hilfe einer an der ersten Stufe angebrachten Zündvorrichtung zünden. Diese Eigenschaft ist auf die während des Zündvorganges wirksamen hochohmigen Entladewiderstände R_eh zurückzuführen.

Zu C: Ein nach der neuen Schaltungsanordnung ausgeführter Generator läßt sich räumlich sehr gedrängt aufbauen, da alle Stoßkreiselemente innerhalb der eigentlichen Vervielfachungsschaltung untergebracht werden können. Zur Erzeugung einer normgerechten Spannungswelle bei gleichzeitig hohem Ausnutzungsfaktor der Vervielfachungsschaltung und gleichzeitig einwandfreier Zündung der Schaltfunkenstrecken kommt die neue Schaltungsanordnung ohne die in F i g. 1 dargestellten äußeren Stoßkreiselemente R_ei, R_ez und Ra₁ aus.

Zu D: Ein nach der neuen Schaltungsanordnung ausgeführter Generator kann sowohl Spannungsstöße mit kurzem Rücken — beispielsweise 50 \xs — als auch sogenannte Schaltspannungen mit langem Rücken — beispielsweise 3000 μ.& — erzeugen, ohne daß zu diesem Zweck die Entladewiderstände wie bisher ausgewechselt werden müssen. Die Umschaltarbeiten beim Übergang von der einen Spannungsform zur anderen beschränkten sich vielmehr darauf, die Entladungsstrecken G z. B. mit Hilfe eines Motorantriebs so einzustellen, daß sie entweder zur Erzeugung einer kurzen Rückenhalbwertzeit sicher ansprechen oder daß sie zur Erzeugung einer langen Rückenhalbwertzeit sicher nicht ansprechen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mehrstufiger Stoßspannungsgenerator, bei dem in jeder Stufe Kondensatoren in Parallelschaltung über Widerstände aufgeladen und über Schaltfunkenstrecken in Reihe entladen werden, d adurch gekennzeichnet, daß der Entladewiderstand jeder Stufe aus zwei zueinander parallel geschalteten Zweigen besteht, von denen der eine Zweig durch einen hochohmigen Widerstand (Reh) und der andere Zweig durch die Reihenschaltung eines niederohmigen Widerstandes (Ren) und einer Entladungsstrecke (G) gebildet ist.

2. Stoßspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstrecke (G) eine Kugelfunkenstrecke ist.

3. Stoßspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,. daß die Entladungsstrecke (C) eine Stabfunkenstrecke ist.

4. Stoßspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündcharakteristik der Entladungsstrecke (G) so veränderbar ist, daß sie entweder bei der Zündung der entsprechenden Schaltfunkenstrecke sicher nicht zündet.

5. Stoßspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladestromkreis beim Entladen der Stoßkondensatoren (C_s) in der den Schaltspannungen entsprechenden Halbwertzeiten von vorzugsweise etwa 3000 \xs allein die hochohmigen Widerstände (Reh) enthält, während er beim Entladen der Stoßkondensatoren mit kurzen Rückenhalbwertzeiten von vorzugsweise 5 oder 50 μβ sowohl die hochohmigen (R_ek) als auch die niederohmigen Widerstände (R_en) enthält.

6. Stoßspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung der Zündung der Entladungsstrecken (G) gegenüber der Zündung der entsprechenden Schallfunkenstrecken (F) im Bereich von einigen Nanosekunden bis zu einigen Sekunden einstellbar ist.

A. Der Ausnutzungsgrad des Generators soll möglichst groß sein. Der Ausnutzungsgrad η eines «-stufigen Generators ist