DE1613810B2

DE1613810B2 - Mehrstufen hochspannungsimpulsgenerator

Info

Publication number: DE1613810B2
Application number: DE1967F0053705
Authority: DE
Inventors: Malcolm John Oldham Lanca shire Bishop (Großbritannien)
Original assignee: Ferranti Ltd., Hollywood, Lancashire (Großbritannien)
Priority date: 1966-10-08
Filing date: 1967-10-07
Publication date: 1971-09-02
Also published as: CH467547A; GB1130644A; DE1613810A1; US3501646A; SE335175B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrstufen- Hinsichtlich Anspruch 1 wird Schutz nur für die

Hochspannungsimpulsgenerator mit je einer trigger- Gesamtheit aller Merkmale beansprucht, während

baren Funkenstrecke und einem Kondensator in für die Unteransprüche 2 und 3 Schutz nur in Ver-

jeder Stufe, ferner mit einer Ladeeinrichtung und bindung mit dem Hauptanspruch begehrt wird,

einem Entladestromkreis der Art, daß die Konden- 5 Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

satoren aller Stufen parallel geschaltet aufladbar und Hochspannungsimpulsgenerators wird an Hand der

über die Funkenstrecken in Reihe geschaltet entlad- Zeichnung im einzelnen erläutert, in der

bar sind. F i g. 1 den wesentlichen Teil des Schaltbildes des

Ein solcher Mehrstufen-Hochspannungsimpuls- erfindungsgemäßen Impulsgenerators zeigt;
generator ist bekannt (britische Zeitschrift »Electrical ίο F i g. 2 zeigt eine Mehrelektroden-Funkenstrecken-Review«, Vol. 168 [1961], Nr. 15, S. 649 bis 651; kette für eine einzelne Stufe des Impulsgenerators sowie britische Zeitschrift »Journal of Scientific In- nach Fig. 1;
struments«, Vol. 37 [1960], Nr. 7, S. 231 bis 236). Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer Ausführungs-

Bei diesem bekannten Hochspannungsimpuls- form des Hilfsimpulsgenerators.

generator wird ein Triggerimpuls einer äußeren Im- 15 Fig. 1 zeigt die beiden ersten und die letzte Stufe pulsquelle verwendet, um die erste triggerbare Fun- eines η-stufigen Impulsgenerators. Sämtliche Stufen kenstrecke zu zünden. Die anderen triggerbaren sind gleich aufgebaut. Die Kondensatoren Cl bis C η Funkenstrecken werden über die vorhandenen Streu- des Generators sind zwischen die Elemente zweier kapazitäten von der jeweils vorhergehenden Funken- Widerstandsketten gelegt. Eine Kette wird durch in strecke gezündet; der jeweils entstehende Spannungs- 20 Reihe liegende Kondensator-Ladewiderstände RC1 stoß triggert die folgende Funkenstrecke. Fällt nun bis RCn gebildet, während die andere durch wecheine Funkenstrecke aus, so kann die Zündung der seiweise aufeinanderfolgende, die Wellenform beweiteren nachgeschalteten Funkenstrecken unter- stimmende Widerstände RTl bis RTn bzw. RFl bis brochen werden. Außerdem ist bei dem bekannten RFn in Reihenschaltung gebildet wird.
Impulsgenerator der Arbeitsbereich relativ klein; er 25 Der Kondensator Cl ist an einem Ende geerdet, liegt bei etwa 33 bis 48 °/o. während sein anderes Ende an den Verbindungs-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen punkt der Widerstände RCl und RC 2 gelegt ist. Impulsgenerator der eingangs genannten Art zu Das geerdete Ende des Kondensators C1 ist außerschaffen, der bei großer Betriebssicherheit einen dem mit dem Widerstand RTl verbunden, der größeren Arbeitsbereich als der bekannte Impuls- 30 seinerseits mit dem Widerstand RF1 verbunden ist. generator hat. In gleicher Weise ist der Kondensator C 2 mit einem

Diese Aufgabe wird bei einem Impulsgenerator der Ende an den Verbindungspunkt der Widerstände

eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch RC 2 und RC3 angeschlossen, während sein anderes

gelöst, daß jede der triggerbaren Funkenstrecken aus Ende mit dem Widerstand RFl und dem Widerstand

mehreren in Reihe geschalteten, aus je zwei benach- 35 RT2 verbunden ist.

barten Elektroden gebildeten Teilfunkenstrecken und Jede Stufe des Impulsgenerators enthält eine geaus einem Spannungsteiler besteht, von dem je ein triggerte Funkenstreckenkette Gl bis Gn. Jede Kette Teilwiderstand zu je einer Teilfunkenstrecke par- ist der Reihenschaltung aus Kondensator C und allel geschaltet ist, und daß ferner für jede trigger- seinem zugehörigen, die Form des hinteren Wellenbare Funkenstrecke ein Hilfsimpulsgenerator vorge- 40 endes bestimmenden Widerstand RT parallel gesehen ist, dessen Impulsausgang mit den Elektroden schaltet. Die Kette Gl ist mit ihrem Anschluß Tl der zugehörigen Funkenstreckenkette unter Aus- an den Verbindungspunkt von Cl, RCl und RC2 nähme der beiden äußeren Elektroden über je einen und mit ihrem Anschluß T 2 an den Verbindungs-Koppelkondensator verbunden ist. punkt von RTl und RFl gelegt. Der Hochspan-

Demgegenüber war es bisher lediglich an sich bei 45 nungsausgang des Impulsgenerators ist an den die

Hochspannungsimpulsgeneratoren bekannt, eine Stuf e Schlußwellenfront bildenden Widerstand RFn ange-

eines Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerators schlossen.

als Funkenstreckenkette (mit drei Elektroden) aus- Die Kondensatoren der einzelnen Stufen werden

zubilden (USA.-Patentschrift 1997 064) und bei über Ladewiderstände durch eine Spannung Vdc

einer Funkenstreckenkette einen Spannungsteiler zu 50 aufgeladen.

benutzen, von dem je ein Teilwiderstand zu je einer Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird jede Funken-Teilfunkenstrecke parallel geschaltet ist (österreichi- streckenkette durch ihren eigenen Hilfsimpulssche Patentschrift 244 444). generator Al bis An getriggert. Der Triggerausgang

Der erfindungsgemäße Impulsgenerator hat einen des Hilfsimpulsgenerators wird z. B. zwischen den

beträchtlich höheren Arbeitsbereich (etwa 85°/») als 55 Anschluß Γ 2 und einen Anschluß Γ 3 der Kette Gl

der bekannte Impulsgenerator. gelegt. Der Hilfsimpulsgenerator Al wird seinerseits

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung be- über einen Kondensator CA 1 durch eine Impulssteht darin, daß Kopplungsglieder für die Hilfs- spannung Vt getriggert. Gleichzeitig ist der Ausgang impulsgeneratoren derart vorgesehen sind, daß alle jedes Hilfsimpulsgenerators mit dem nächsten Hilfs-Hilfsimpulsgeneratoren durch eine einzige Trigger- 60 impulsgenerator über einen Kopplungskondensator Spannungsquelle steuerbar sind. CA 2 bis CA η verbunden. Der Ladestrom für den

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfin- Hilfsimpulsgenerator kommt aus einer Quelle Vc,

dung besteht darin, daß lediglich einer der Hilfs- wobei die Ladewiderstände mit RAl bis RAn be-

impulsgeneratoren durch die Triggerspannungsquelle zeichnet sind.

unmittelbar steuerbar ist und daß alle anderen Hilfs- 65 F i g. 2 zeigt eine Funkenstreckenkette, wie sie in

impulsgeneratoren durch den jeweils in der Stufen- jeder der einzelnen Stufen benutzt wird. Sie umfaßt

folge vorhergehenden Impulsgenerator über die eine Festelektroden-Vielfachfunkenstrecke mit den

Kopplungsglieder steuerbar sind. Elektroden el bis e{r+l). Sämtliche Funkenstrek-

ken haben den gleichen Abstand. Jede Elektrode ist an einen Spannungsteiler gelegt, der aus einer Reihe von Widerständen RdI bis Rdr besteht und der die Anschlüsse Γ2 und Tl verbindet. Die Elektrode el liegt somit am Verbindungspunkt des Anschlusses T 2 und dem Widerstand RdI, die Elektrode e2 am Verbindungspunkt der Widerstände Rd 1 und RdI usw., während die Elektrode e(r+l) am Verbindungspunkt des Widerstandes Rd r und des Anschlusses Π liegt. Jede Elektrode mit Ausnahme der Endelektroden el und e(r+l) ist über einen Kondensator Cd 2 bis Cd r an die gemeinsame Zuleitung zum Triggeranschluß Γ 3 gelegt.

Die Mehrelektroden-Funkenstreckenkette arbeitet wie folgt:

Bei einer an jeder Funkenstreckenkette liegenden Spannung von Vde ist die an jeder Teilfunkenstrecke auftretende Spannung Vdclr, wobei r die Anzahl der Teilfunkenstrecken ist und angenommen wird, daß sämtliche Widerstände Rd den gleichen Wert haben. Diese Spannung muß natürlich unterhalb der Zündspannung Vs jeder einzelnen Funkenstrecke liegen.

Auf den Anschluß T 3 wird nun ein Spannungsimpuls Vp gegeben, um die Funkenstreckenkette zu triggern. Diese Spannung muß dieselbe Polarität wie die an den Anschluß Π gelegte Spannung haben, und sie muß beträchtlich größer sein als Vs. Der Impuls wird über die Kondensatoren Cd 2 bis Cdr zu jeder der Elektroden geführt, mit Ausnahme der Endelektroden el und e(r+l), womit das Potential jeder Elektrode außer den beiden Endelektfoden um den Wert Vp ansteigt. An der Funkenstrecke zwischen den Elektroden e 1 und e 2 tritt nun eine Spannung von (Vp + Vdclr) auf, da das Potential von e2 gegenüber demjenigen von el um Vp gestiegen ist. Die Spannung zwischen den Elektroden er und e (/·+1) wird (Vp — Vdc/r), da das Potential der Elektrode er relativ zu demjenigen der Elektrode e(r+l) um Vp ansteigt. Da Vp sehr viel größer ist als die Zündspannung Vs und da Vdclr kleiner ist als Vs, zünden die beiden Endfunkenstrecken. Die an der Gesamtkette liegende Spannung Vdc liegt nun an den restlichen Stufen der Funkenstreckenkette. Infolge der Anwesenheit der Kondensatoren Cd wird jedoch diese Spannung nicht gleichmäßig über die restlichen Funkenstrecken verteilt. Statt dessen tritt an den beiden nunmehr außen liegenden Funkenstrecken, d. h. zwischen e2 und e3 und zwischen er und e(r — 1) jeweils eine Spannungserhöhung von Vdclr auf, d. h. eine Erhöhung um die Spannung, die zuvor an den beiden äußeren Elektroden el bzw. e(r+l) vor der Zündung lag. Damit wird die Spannung zwischen den Elektroden e2 und e3 (Vp + 2 Vdclr), während die Spannung zwischen den Elektroden er und e(r—1) den Wert (Vp — 2 Vdclr) annimmt, wobei angenommen wird, daß der Spannungsimpuls Vp noch vorhanden ist. Nunmehr zünden die beiden letztgenannten Funkenstrecken usw. Die letzte Funkenstrecke, die zündet, unterliegt nur noch einer Spannung von Vdc, die deshalb hinreichend groß sein muß, um die Zündung einer einzelnen Funkenstrecke zu gewährleisten.

Die Spannung Vdc sollte daher wenigstens gleich 2Vs sein, während ihr Maximalwert den Wert 0,8 r Vs nicht übersteigen sollte, um eine Zündung der Funkenstrecken zu verhindern. Diese Bedingungen ergeben den Arbeitsbereich der Mehrelektrodenfunkenstrecke, da 0,8 rVs > Vdc> 2Vs ist. Bei einer Zündspannung Vs von 15 kV für jede Zündstrecke und bei z. B. 16 Zündstrecken beträgt daher der Maximalwert von Vdc bei einwandfreiem Arbeitsbereich etwa 200 kV, während der Minimalwert von Vdc bei 30 kV liegt. Dies gilt für jede einzelne Stufe des Impulsgenerators, ohne daß eine Nachstellung notwendig ist.

F i g. 3 zeigt einen geeigneten Hilfsimpulsgenerator zum Triggern jeder Funkenstreckenkette des Mehrstufen-Impulsgenerators. Der Hilfsimpulsgenerator enthält einen Impulsspannungs-Aufwärtstransformator P1, einen Kondensator Ct und eine getriggerte Funkenstrecke ^4Gl. Der Transformator Pl liegt zwischen den Anschlüssen T 2 und Γ 3 der Funkenstreckenkette. Der Kondensator Ct ist zwischen das obere Ende des Transformators P1 und eine Kette von Ladewiderständen RA1, RA 2 usw. geschaltet. Die Dreielektroden-Funkenstrecke AGl hat eine Hauptelektrode, die mit einem Abgriff des Transformators Pl verbunden ist, ferner eine zweite Hauptelektrode, die an die Verbindung zwischen dem Kondensator Ct und der Widerstandskette gelegt ist. Die Triggerelektrode der Funkenstrecke ist an zwei Widerstände Rt angeschlossen, von denen je einer mit einer der beiden Hauptelektroden verbunden ist. Die Triggerelektrode ist ferner über einen Kondensator CA 1 mit der Triggerspannungsquelle Vt verbunden. Der Ladewiderstand RA1 ist an die Ladespannungsquelle Vc angeschlossen.

Wie F i g. 1 zeigt, sind die Hilfsimpulsgeneratoren in Kaskade geschaltet, so daß vom Ausgang des einen Hilfsgenerators, der eine Funkenstreckenkette des Impulsgenerators triggert, auch der nächste Hilfsgenerator getriggert wird. In Fig. 3 ist das untere Ende des Impulstransformators an den Anschluß T3 der Kette G1 gelegt und zugleich über den Kondensator CA 2 mit der Triggerelektrode der nächsten Zündstrecke A G 2 verbunden. In gleicher Weise ist der Widerstand RA 2 mit dem Kondensator Ct des Hilfsimpulsgenerators A 2 verbunden. Im Betrieb wird der Kondensator Ct jedes Hilfsimpulsgenerators durcn die Quelle Vc geladen. Die Triggerelektrode der Funkenstrecke wird durch den Widerstand Rt auf der Hälfte dieses Potentials gehalten. Wenn ein Triggerimpuls Vt an die Triggerelektrode gelegt wird, so zündet die Funkenstrecke, und der Kondensator Ct entlädt sich über sie und den oberen Teil des Transformators P1. In dem Transformator entsteht ein starker Spannungsstoß, durch den die Funkenstreckenkette des Impulsgenerators und außerdem der nächste Hilfsimpulsgenerator getriggert werden.

Mit der Mehrelektroden-Funkenstreckenkette läßt sich ein weiter Arbeitsbereich erreichen, z. B. 30 bis 20OkV (^85%) je Stufe. Die Aneinanderreihung der Zündstrecken ermöglicht ferner eine sehr kompakte Bauweise.

Durch die Verwendung eines unabhängigen Hilfsimpulsgenerators für jede Hauptkette wird die Funktion einer Funkenstrecke vollkommen unabhängig von der Arbeitsweise der vorhergehenden.

Die Triggerspannung Vp, die an der Funkenstrekkenkette liegt, sollte beträchtlich größer sein als die Zündspannung Vs der einzelnen Zündstrecke, wobei in der Praxis Vp zweckmäßigerweise wenigstens zehnmal so groß ist wie Vs.

Statt der Dreielektroden-Funkenstrecke der Hilfsimpulsgeneratoren können auch z. B. eine gekapselte

Funkenstrecke oder ein Wasserstoff-Thyratron verwendet werden.

Um eine Synchronisation beim Triggern aller Hauptketten zu erreichen, können erforderlichenfalls die Hilfsimpulsgeneratoren gleichzeitig getriggert werden.

Jede Hauptkette kann z. B. sechzehn feste Zündstrecken erhalten (17 Elektroden), wobei jede Zündstrecke z. B. 5 mm Abstand hat. Die Spannungsteilerkette kann z. B. Widerstände Rd von 500 M Ω und Kondensatoren Cd von 5 pF enthalten.

Enthält der Impulsgenerator nach F i g. 1 zehn Stufen, so reicht sein Arbeitsbereich von 300 kV bis 2 MV, ohne daß eine Nachstellung der Zündstrecken erforderlich ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator mit je einer triggerbaren Funkenstrecke und einem Kondensator in jeder Stufe, ferner mit einer Ladeeinrichtung und einem Entladestromkreis der Art, daß die Kondensatoren aller Stufen parallel geschaltet aufladbar und über die Funkenstrecken in Reihe geschaltet entladbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede der triggerbaren Funkenstrecken (Gl bis Gn) aus mehreren in Reihe geschalteten, aus je zwei benachbarten Elektroden [(el bis e (r+1)] gebildeten Teilfunkenstrecken und aus einem Spannungsteiler besteht, von dem je ein Teilwiderstand (RdI bis Rdr) zu je einer Teilfunkenstrecke [(el bis e (r + I)] parallel geschaltet ist, und daß ferner für jede triggerbare Funkenstrecke (Gl bis Gn) ein Hilfsimpulsgenerator (A 1 bis A n) vorgesehen ist, dessen Impulsausgang (T 3) mit den Elektroden der zugehörigen Funkenstreckenkette unter Ausnahme der beiden äußeren Elektroden [(el, e (r + 1)] über je einen Koppelkondensator (Cd 2 bis Cdr) verbunden ist.

2. Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kopplungsglieder (CA 1 bis CA n) für die Hilfsimpulsgeneratoren (A 1 bis A n) derart vorgesehen sind, daß alle Hilfsimpulsgeneratoren (A 1 bis A n) durch eine einzige Triggerspannungsquelle (Vt) steuerbar sind.

3. Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich einer der Hilfsimpulsgeneratoren (A 1 bis An) durch die Triggerspannungsquelle (Vt) unmittelbar steuerbar ist und daß alle anderen Hilfsimpulsgeneratoren durch den jeweils in der Stufenfolge vorhergehenden Impulsgenerator über die Kopplungsglieder (CA 1 bis CA n) steuerbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen