DE1613810C3 - Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen 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.

Ein solcher Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator ist bekannt (britische Zeitschrift »Electrical Review«, Vol. 168 [1961], Nr. 15, S. 649 bis 651; sowie britische Zeitschrift »Journal of Scientific Instruments«, Vol. 37 [1960], Nr. 7, S. 231 bis 236).

Bei diesem bekannten Hochspannungsimpulsgenerator wird ein Triggerimpuls einer äußeren Impulsquelle verwendet, um die erste triggerbare Funkenstrecke zu zünden. Die anderen triggerbaren Funkenstrecken werden über die vorhandenen Streukapazitäten von der jeweils vorhergehenden Funkenstrecke gezündet; der jeweils entstehende Spannungsstoß triggert die folgende Funkenstrecke. Fällt nun eine Funkenstrecke aus, so kann die Zündung der weiteren nachgeschalteten Funkenstrecken unterbrochen werden. Außerdem ist bei dem bekannten Impulsgenerator der Arbeitsbereich relativ klein; er liegt bei etwa 33 bis 48%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impulsgenerator der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei großer Betriebssicherheit einen größeren Arbeitsbereich als der bekannte Impulsgenerator hat.

Diese Aufgabe wird bei einem Impulsgenerator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der triggerbaren Funkenstrecken aus mehreren in Reihe geschalteten, aus je zwei benachbarten Elektroden gebildeten Teilfunkenstrecken und aus

ίο einem Spannungsteiler besteht, von dem je ein Teilwiderstand zu je einer Teilfunkenstrecke parallel geschaltet ist, und daß ferner für jede triggerbare Funkenstrecke ein Hilfsimpulsgenerator vorgesehen ist, dessen Impulsausgang mit den Elektroden der zugehörigen Funkenstreckenkette unter Ausnahme der beiden äußeren Elektroden über je einen Koppelkondensator verbunden ist.

Demgegenüber war es bisher lediglich an sich bei Hochspannungsimpulsgeneratoren bekannt, eine Stufe eines Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerators als Funkenstreckenkette (mit drei Elektroden) auszubilden (USA.-Patentschrift 19 97 064) und bei einer Funkenstreckenkette einen Spannungsteiler zu benutzen, von _r dem je ein Teilwiderstand zu je einer Teilfunkenstrecke \ * parallel geschaltet ist (österreichische Patentschrift 2 44 444).

Der erfindungsgemäße Impulsgenerator hat einen beträchtlich höheren Arbeitsbereich (etwa 85%) als der bekannte Impulsgenerator.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß Kopplungsglieder für die Hilfsimpulsgeneratoren derart vorgesehen sind, daß alle Hilfsimpulsgeneratoren durch eine einzige Triggerspannungsquelle steuerbar sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß lediglich einer der Hilfsimpulsgeneratoren durch die Triggerspannungsquelle unmittelbar steuerbar ist und daß alle anderen Hilfsimpulsgeneratoren durch den jeweils in der Stufenfolge vorhergehenden Impulsgenerator über die Kopplungsglieder steuerbar sind.

Hinsichtlich Anspruch 1 wird Schutz nur für die Gesamtheit aller Merkmale beansprucht, während für die Unteransprüche 2 und 3 Schutz nur in Verbindung

mit dem Hauptanspruch begehrt wird. ι

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochspannungsimpulsgeneratoren wird an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der
F i g. 1 den wesentlichen Teil des Schaltbildes des erfindungsgemäßen Impulsgenerators zeigt;

Fig.2 zeigt eine Mehrelektroden-Funkenstreckenkette für eine einzelne Stufe des Impulsgenerators nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform des Hilfsimpulsgenerators.

F i g. 1 zeigt die beiden ersten und die letzte Stufe eines /j-stufigen Impulsgenerators. Sämtliche Stufen sind gleich aufgebaut. Die Kondensatoren Cl bis Cn des Generators sind zwichen die Elemente zweier Widerstandsketten gelegt. Eine Kette wird durch in Reihe liegende Kondensator-Ladewiderstände RCi bis RCn gebildet, während die andere durch wechselweise aufeinanderfolgende, die Wellenform bestimmende Widerstände RTi bis RTn bzw. RFi bis RFn in Reihenschaltung gebildet wird.

Der Kondensator Ci ist an einem Ende geerdet, während sein anderes Ende an den Verbindungspunkt der Widerstände RCi und RC2 gelegt ist. Das geerdete

Ende des Kondensators Cl ist außerdem mit dem Widerstand RTi verbunden, der seinerseits mit dem Widerstand RFi verbunden ist In gleicher Weise ist der Kondensator Cl mit einem Ende an den Verbindungspunkt der Widerstände RC2 und RC3 angeschlossen, während sein anderes Ende mit dem Widerstand RFi und dem Widerstand RT2 verbunden ist

Jede Stufe des Impulsgenerators enthält eine getriggerte Funkenstrecke Gi bis Gn. Jede Kette ist der Reihenschaltung aus Kondensator C und seinem zugehörigen, die Form des hinteren Wellenendes bestimmenden Widerstand RT parallel geschaltet. Die Kette Gi ist mit ihrem Anschluß Ti an den Verbindungspunkt von CX, RCi und RC2 und mit ihrem Anschluß T2 an den Verbindungspunkt von RTi und RFi gelegt. Der Hochspannungsausgang des Impulsgenerators ist an den die Schlußwellenfront bildenden Widerstand RF/jangeschlossen.

Die Kondensatoren der einzelnen Stufen werden über Ladewiderstände durch eine Spannung Vdc aufgeladen.

Wie in F i g. 1 gezeigt ist, wird jede Funkenstreckenkette durch ihren eigenen Hilfsimpulsgenerator A 1 bis A π getriggert. Der Triggerausgang des Hilfsimpulsgenerators wird z. B. zwischen den Anschluß T2 und einen Anschluß 73 der Kette Gi gelegt. Der Hilfsimpulsgenerator A 1 wird seinerseits über einen Kondensator CA 1 durch eine Impulsspannung Vt getriggert. Gleichzeitig ist der Ausgang jedes Hilfsimpulsgenerators mit dem nächsten Hilfsimpulsgenerator über einen Kopplungskondensator CA 2 bis CA η verbunden. Der Ladestrom für den Hilfsimpulsgenerator kommt aus einer Quelle Vc, wobei die Ladewiderstände mit RA 1 bis RA /!bezeichnet sind.

F i g. 2 zeigt eine Funkenstreckenkette, wie sie in jeder der einzelnen Stufen benutzt wird Sie umfaßt eine Festelektroden-Vielfachfunkenstrecke mit den Elektroden ei bis e (r+\). Sämtliche Funkenstrecken haben den gleichen Abstand. Jede Elektrode ist an einen Spannungsteiler gelegt, der aus einer Reihe von Widerständen Rd i bis Rd r besteht und der die Anschlüsse T2 und Ti verbindet Die Elektrode el liegt somit am Verbindungspunkt des Anschlusses T2 und dem Widerstand 'RdX, die Elektrode e2 am Verbindungspunkt der Widerstände Rd i und Rd 2 usw., während die Elektrode e (W-I) am Verbindungspunkt des Widerstandes Rdr und des Anschlusses Ti liegt. Jede Elektrode mit Ausnahme der Endelektroden e 1 und e (r+1) ist über einen Kondensator Cd 2 bis Cd ran die gemeinsame Zuleitung zum Triggeranschluß Γ3 gelegt. ^:

Die Mehrelektroden-Funkenstreckenkette arbeitet wie folgt:

Bei einer an jeder Funkenstreckenkette liegenden Spannung von Vdc ist die an jeder Teilfunkenstrecke auftretende Spannung Vdc/r, 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 T3 wird nun ein Spannungsimpuls Vp gegeben, um die Funkenstreckenkette zu triggern. Diese Spannung muß dieselbe Polarität wie die an den Anschluß TX gelegte Spannung haben, und sie muß beträchtlich größer sein als Vs. Der Impuls wird über die Kondensatoren Cd 2 bis Cd r zu jeder der Elektroden geführt, mit Ausnahme der Endelektroden e 1 und e (r+1), womit das Potential jeder Elektrode außer den beiden Endelektroden um den Wert Vp ansteigt. An der Funkenstrecke zwischen den Elektroden e 1 und e 2 tritt nun eine Spannung von (Vp+ Vdc/r) auf, da das Potential von e 2 gegenüber demjenigen von e 1 um Vp gestiegen ist. Die Spannung zwischen den Elektroden er und e (r+ 1) wird (Vp - Vdc/r), da das Potential der Elektrode er relativ zu demjenigen der Elektrode e(r+ 1) um Vp ansteigt. Da Vp sehr viel größer ist als die Zündspannung Vs und da Vdc/r 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 außenliegenden Funkenstrecken, d. h. zwischen e2 und e3 und zwischen er und e (r+1), jeweils eine Spannungserhöhung von Vdc/r auf, d. h. eine Erhöhung um die Spannung, die zuvor an den beiden äußeren Elektroden e 1 bzw. e(r+1) vor der Zündung lag. Damit wird die Spannung zwischen den Elektroden e2 und e3 (Vp+2 Vdc/r), während die Spannung zwischen den Elektroden er und e(r-l) den Wert (Vp-2 Vdc/r) 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 2 Vs sein, während ihr Maximalwert den Wert 0,8 rVs nicht übersteigen sollte, um eine Zündung der Funkenstrecken zu verhindern. Diese Bedingungen ergeben den Arbeitsbereich der Mehrelektrodenfunkenstrecke, da 0,8 rVs> VdO 2 Vs 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.

Fig.3 zeigt einen geeigneten Hilfsimpulsgenerator zum Triggern jeder Funkenstreckenkette des Mehrstufen-Impulsgenerators. Der Hilfsimpulsgenerator enthält einen Impulsspannungs-Aufwärtstransformator Pi, einen Kondensator Ct und eine getriggerte Funkenstrecke AG 1. Der Transformator P1 liegt zwischen den Anschlüssen T2 und T3 der Funkenstreckenkette. Der Kondensator Ct ist zwischen das obere Ende des Transformators PX und eine Kette von Ladewiderständen RA 1, RA 2 usw. geschaltet. Die Dreielektroden-Funkenstrecke AG 1 hat eine Hauptelektrode, die mit einem Abgriff des Transformators Pi 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 i mit der Triggerspannungsquelle Vt verbunden. Der Ladewiderstand RA 1 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 Hilfsgene-

rator getriggert wird. In F i g. 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 AG2 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 durch 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 Pi. 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 200 kV (= 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 Funkenstreckenkette 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 Zündstrekken erhalten (17 Elektroden), wobei jede Zündstrecke z. B. 5 mm Abstand hat. Die Spannungsteilerkette kann z. B. Widerstände Rd von 500 ΜΩ und Kondensatoren Ctfvon 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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 (G 1 bis G n) aus mehreren in Reihe geschalteten, aus je zwei benachbarten Elektroden [(e 1 bis e(r+1)] gebildeten Teilfunkenstrecken und aus einem Spannungsteiler besteht, von dem je ein Teilwiderstand (RdI bis Rd r) zu je einer Teilfunkenstrecke [(ei bis e fr+1)] parallel geschaltet ist, und daß ferner für jede triggerbare Funkenstrecke (G 1 bis G n) ein Hilfsimpulsgenerator (A 1 bis A n) vorgesehen ist, dessen Impulsausgang (T3) mit den Elektroden der zugehörigen Funkenstreckenkette unter Ausnahme der beiden äußeren Elektroden [(ei, e (r+\)] über je einen Koppelkondensator (Cd 2 bis Cd r)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 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 A n) 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 /^steuerbar sind.