DE2312540A1

DE2312540A1 - Kondensatoraufbau und einrichtung fuer eine spannungsversorgung

Info

Publication number: DE2312540A1
Application number: DE2312540A
Authority: DE
Inventors: Jun Chester Clyde Thompson
Original assignee: Radiation Dynamics Inc
Current assignee: Radiation Dynamics Inc
Priority date: 1972-03-15
Filing date: 1973-03-14
Publication date: 1973-09-27
Also published as: JPS512611B2; GB1408822A; JPS49730A; DE2312540B2; DE2312540C3; US3723846A

Description

Kondensatoraufbau und Einrichtung für eine Spannungsversorgung

Die Erfindung betrifft einen Kondensatoraufbau und eine Einrichtung für eine Spannungsversorgung. Sie betrifft insbesondere Spannungsversorgungen primär zur Verwendung bei Hoobspannungsbescbleunigern, und vor allem Spannungsversorgungen, die Festkörper-Gleichrichter verwenden und die für Spannungen von 4.000.000 und mehr Volt und Elektronenstrahlströme bis 250 und mehr Milliampere vorgesehen sind.

Die Verwendung von HoohSpannungselektronen- und Hochspannungsionenstrablbesohleunigern war bis vor kurzem primär auf den Markt für Wissenschaft und Forschung beschränkt, die bei den entsprechenden Einrichtungen eine hohe Spannung und niedrigere Ströme verwendeten. Der industrielle Markt für Elektronen- und Ionenbesohleuniger, der sich jetzt auftut, stellt ganz andere Forderungen. Große Strahlströme sind von primärer Bedeutung in derartigen Einrichtungen, während niedrigere Spannungen toleriert

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■werden können und in der Tat bevorzugt werden, wenn auch nur aus keinem anderen Grund als dem, die Kosten für den Strahlenschutz zu reduzieren. Der kommerzielle Markt fordert auch kleinere Einrichtungen auf Grund von Raumproblernen entlang Fertigungsstraßen und Einrichtungen, die eine beträchtlich geringere Fehlerrate aufweisen, als beispielsweise in Einrichtungen der Wissenschaft und Forschung toleriert werden kann.

Durch die Druckschrift US-PS 2,875,394 ist eine typische Einrichtung für die Wissenschaft und Forschung bekannt geworden. Bei dieser Einrichtung ist die Beschle'unigungsröbre entlang der Mitte der Einrichtung vorgesehen, und die Spannungsversorgung ist konzentrisch dazu angeordnet und fast so lang wie die Röhre. Eine derartige Anordnung ist für viele industrielle Anwendungen wenig geeignet wegen des großen Raumbedarfs.

In der genannten Druckschrift wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die Röhre nicht zentral zur Spannungsversorgung angeordnet ist. Beim Aufbau des Gerätes wird eine Vielzahl axial ausgerichteter Kondensatoren verwendet, von denen jeder innere und äußere koaxiale hohle Metallzylinder umfaßt und bei der die Gleichrichter entlang den Achsen und zwisohen den Kondensatoren angebracht sind. Wechselspannung entgegengesetzter Phasen wird an die benachbarten äußeren Zylinder angelegt. Die Gleichrichter sind mit den inneren Zylindern verbunden..

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Eine Schwierigkeit einer derartigen Anordnung ergibt sich aus der Tatsache, daß, wenn nicht gewisse spezifische Maßnahmen vorgenommen werden, eine Energieübertragung zwischen benachbarten inneren Zylindern stattfindet. Da die äußeren Zylinder benachbarter Kondensatoren an entgegengesetzte Phasen der Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, haben die inneren Zylinder entgegengesetzte Polarität, und ein starkes elektrostatisches Feld wird zwischen den Enden dieser inneren Zylinder aufgebaut. Als Ergebnis dieser Effekte koppeln die äußeren Zylinder nicht genau mit den inneren Zylindern an den Endabschnitten, wodurch sich ein Kapazitätsverlust und daher ein Verlust der Ausgangsgleichspannung der Spannungsversorgung relativ zur Eingangswecfaselspannung ergibt.

Ein anderes Problem, mit dem bekannte Einrichtungen gewöhnlich behaftet sind, besteht darin, daß diese Takuum-■oder Gasröhren-G-leichricbter verwenden, die bei industriellen Anwendungen oft für die Ausfallhäufigkeit verantwortlich sind, welche, obgleich sie bei Einrichtungen in Wissenschaft und Forschung voll akzeptierbar ist, bei industriellen Einrichtungen, die jeden Tag für viele Stunden in Betrieb sind, nicht tolerierbar ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Spannungsversorgung zu schaffen, die geeignet ist für Hochspannungsbescbleuniger, die Pestkörper-G-leiohrichter verwendet und die eine hohe mittlere Punktionsdauer sichert und die die Nachteile der bekannten Einrichtungen beseitigt.

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Die Aufgabe wird erfindungsgemaß gelöst durch eine Vielzahl langgestreckter leitender Zylinder, eine Vielzahl von Gruppen hohler leitender Hülsen, wobei jede Gruppe von Hülsen einem anderen Zylinder zugeordnet ist, und wobei die Hülsen jeder Gruppe koaxial zu dem ihnen zugeordneten Zylinder und in einem Abstand voneinander in Achsrichtung des Zylinders angeordnet sind, derart, daß SpannungsZusammenbrüche zwischen benachbarten Hülsen vermieden werden. .Bei der vorliegenden Erfindung können in einer Spannungsversorgung hoher Gleichspannung Festkörper-Gleichrichter verwendet werden, um die Funktionsdauer der Spannungsversorgung zu verlängern.. Die Schwierigkeit bei der Verwendung von Festkörper-Gleichrichtern gegenüber der Verwendung gasgefüllter Röhren-Gleichrichter oder Vakuumröhren-Gleichrichter besteht darin, daß die Kosten bei der Verwendung in einer Einrichtung gemäß der genannten Drucksohrift, US-PS 2,875,394, die bei Frequenzen in der Größenordnung von 80 bis 300 kHz arbeitet, untragbar hoch werden. Ein Betrieb bei Frequenzen, bei denen mit Festkörper-Gleichrichtern wirtschaftlich gearbeitet werden kann, nämlich bei 5 bis 50 kHz, wird durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, als Ergebnis der weiter unten dargestellten Kondensat or-Elektroden-Anordnung, die die notwendige Kapazität schafft, um Ausgangsspannungs- gegen Eingangsspannungsverlust zu kompensieren, der sich aus der Verwendung niedrigerer Frequenzen ergibt.

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Die Gr lei ο hung, die die Beziehung zwischen der Eingangswechselspannung und der Ausgangsgleichspannung bei Spannungsversorgungseinrichtungen der hier vorliegenden Art definiert, lautet:

^EAUS ⁼ ^m

wobei Ή die Zahl der Gleichrichterstufen Und G die Koppelkapazität pro Stufe ist. Man erkennt, daß, wenn die Frequenz f der Eingangswechselspannung alnimmt, beispielsweise um einen Faktor 8, der zweite Term der G-leiohung um einen Faktor 8 zunimmt, und daß die Ausgangsspannung Ε._υβ wesentlich verringert wird. Da es nicht erwünscht ist, den Ausgangsstrom der Einrichtung, I in der obigen Gleichung, zu reduzieren, können als einzige Faktoren die Zahl der Gleiohricbterstufen und die Koppelkapazität pro Stufe variiert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Effekt der reduzierten Frequenz auf die Ausgangsspannung kompensiert durch die Verwendung eines Kondensatoraufbaus, der eine große effektive Kapazität liefert, eine Kapazität, die das Zweifache oder das Vielfache derjenigen beträgt, die durch die duroh die genannte Druckschrift, US-PS 2,875,394, bekannte Einrichtung erhalten werden kann. Wenn, beispielsweise die Kapazität um einen Faktor 2 erhöht wird, maoht sioh eine Reduzierung um 1/8 der Frequenz beim zweiten Term der obigen Gleichung nur um einen Faktor 4 bemerkbar.

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Eine zusätzliche Niederfrequenzkompensation. wird gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung durch Verminderung der Zahl der Gleichrichterstufen erreicht. Eine Verringerung der Zahl der Gleichrichterstufen sorgt für die Kompensierung der Frequenzreduzierung, wie man dem zweiten Term der obigen Gleichung entnehmen kann. Zusätzlich erlaubt die Verringerung der Zahl der ■ Stufen die Verwendung einheitlicher Kondensatoren größerer Länge, wodurch eine weitere Kompensierung der Frequenzreduzierung erreichbar ist. Dies macht jedoch einen Anstieg der Eingangsweohse!spannung Ej,™ erforderlich, um den ersten Term der Gleichung auf seinem Ursprungswert zu halten. Ein anderer Vorteil, der sich aus der Verringerung der Zahl der Stufen ergibt, ist der, daß die Zahl der Gleichrichter-Sperrschichten, die in jeder Gleichrichterstufe physikalisch enthalten sind, erhöht werden kann. Als Ergebnis wird die Spitzensperrspannung reduziert, die einen bestimmten Faktor für jede gegebene Einrichtung darstellt und duroh jede Gleichriohtersperrschioht ausgehalten werden muß. Wenn eine einzelne Gleiohriohtersperrschicht pro Stufe verwendet wird, müssen auf diese Weise die Gleicbriohtereinriohtungen so ausgelegt sein, daß sie der maximalen Stoßspannung, beispielsweise 1.000.00OVoIt, angepaßt sind. Wenn die Zahl der Gleichrichtersperrschichten pro Stufe erhöht wird auf beispielsweise 4, beträgt die Spitzensperrspannung, die jede Gleiohriohtersperrsohicht aushalten muß, nur noch 250.000 Volt. ·

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Kondensator- und Gesamtspannungsversorgungs-

aufbau tragen auch zu der Fähigkeit der SpannungsversorgungB-einrichtung der vorliegenden Erfindung "bei, ausreichend niedrige Spitzensperrspannungen über jedes Gleichrichtersperrschichtpaar zu erzeugen, um einen" relativ störungsfreien Betrieb der Spannungsversorgungseinrichtung zu sichern. Speziell der zur Erreichung der notwendigen Kapazität erforderliche Kondensatoraufbau ist ausreichend klein gehalten, um die Verwendung einer relativ großen Zahl von Gleichrichtersperrschichten pro Stufe zu erlauben, wodurch die Spitzensperrspannung pro Sperrschicht bei Werten gebalten wird, die innerhalb der Bemessungstoleranzen liegen.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein äußeres zylindrisches Gefäß als Behälter für die Spannungsversorgungseinrichtung vorgesehen. Die Spannungsversorgungseinrichtung ist in dem Behälter angeordnet und umfaßt einen Aufwärtstransformator, dessen Primärseite von einer äußeren Wechselspannungsquelle gespeist iBt, die bei Frequenzen bis zu 50 kHz arbeitet.

Die Kondensatoren der Spannungsversorgung umfassen in einem Ausführungsbeispiel vier Paare koaxialer hohler Metallrohre, wobei jeder Kondensator in einem verschiedenen Quadranten des Zylinders angeordnet ist und sich "in axialer Richtung des Gehäuses erstreckt. Die Mitte!röhre eines jeden Kondensators ist durchgehend, wobei jeweils zwei gegenüberliegende der vier Röhren miteinander verbunden sind, und wobei die so gebildeten Paare an gegenüberliegende Enden der

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Sekundärseite des Transformators angeschaltet sind. Der Transformator hat .eine Mittelanzapfung, die geerdet ist. Eine Kette Festkörper-Gleichrichter ist zwischen der Mittelanzapfung und dem Hochspannungsausgangsanschluß der Spannungsversorgung geschaltet.. Die Gleichrichter sind in einem axial verlaufenden zentralen Bereich des Gehäuses angeordnet und sind von den äußeren Zylindern der Kondensatoren umgeben.

Die äußeren Zylinder der Kondensatoren sind unterbrochen, derart, daß ein bestimmter Zylinderabschnitt für jede Gleichrichterstufe der Spannungsversorgung vorgesehen ist. Jeder solcher Zylinder ist zwischen den End- und Anfangs-Gleichrißhtern zweier benachbarter Stufen geschaltet, wobei die Sperrschichten im Wechsel an die äußeren Zylinder verschiedener Kondensatorpaare geschaltet sind. Die Gleichrichter und äußeren Zylinder sind so angeordnet, daß die Gleichrichter nicht benaobbart zu den Unterbrechungen zwischen den äußeren Zylindern der Kondensatoren liegen. Auf diese Weise beeinflußt (unterbricht) die Spannungsbeanspruchung zwischen den äußeren Zylindern nicht die Gleichrichter und beaufschlagt diese mit zusätzlichen effektiven Sperrspannungen.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel werden die auf Grund der oben beschriebenen Randeffekte entstehenden Probleme eliminiert, da die inneren Zylinder jedes Kondensators durchgehend sind, und da die,äußeren um eine gemeinsame innere Elektrode angeordneten Elektroden sämtlich die gleiche

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Phase haben, ferner ist auf Grund des zwischen den Kondensatoren vorhandenen Abstandes ein großer zentraler Kern zur Hontage der Gleichrichter vorgesehen, so daß die Wärmeableitung erleichtert wird und eine ausreichende Zahl von Gleichrichtersperrschichten pro Stufe verwendet werden kann, um Spitzensperrspannungen pro Gleichrichter zu haben, die innerhalb der bei kommerziell erhältlichen Festkörpergeräten erlaubten Toleranzen liegen.

Bei dem ersten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet die Spannungsversorgung zwei parallel geschaltete Serien-Spannungsversorgungseinriobtungen, die das Doppelte des Stromes liefern, der von der Einrichtung erhältlich wäre, wenn die Spannungsversorgungseinrichtung lediglich in Reihe geschaltet wäre. Es können die verschiedensten Schaltungen und Anordnungen der Kondensatoren und Gleichrichter verwendet werden. Beispielsweise kann ein Halb- und Ganzwellenspannungsverdoppler-Betrieb vorgesehen sein. Weiterhin können Drei- und Vierphasen-Eingänge verwendet werden, um eine besser geglättete GIeiohspannung zu erhalten, als bei Verwendung einer Einpbasen-Spannungsversorgung. Im Ealle einer Dreiphasen-Einrichtung werden nur drei Kondensatorreihen verwendet, die offensiohtlioh einen größeren Durohmesser und daher eine größere Kapazität aufweisen können als in dem Vier-Kondensator-Reihen-System.

Die vorliegende Erfindung sohafft eine Spannungsversorgung, die eine Grundkonstruktion verwendet, die den Betrieb als Ganz- oder Halbwellen-Versorgungseinriohtung mit Spannungs-

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■Verdopplung zuläßt, und die mit Ein- oder Mehrphasen-Eingangsspannungen arbeiten kann.

Die Erfindung soll nun an Hand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Gerätes

einer Ausführungsform de-r vorliegenden Erfindung mit einer Serien-Reihen-Spannungsversorgung,

Pig. 2 eine sohematische Ansicht der Ausführungsform nach Pig. 1,

Pig. 3 eine Rückansicht des Gerätes nach Pig. 1,

Pig. 4 ein schematisches elektrisches Schaltbild des Halbv/ellen-Spannungsverdopplers gemäß Pig. 1 bis 3,

Pig. 5 ein schematisobes elektrisches Schaltbild eines Reihen-Halbwellen-Spannungsverdopplers,

Pig. 6 eine schematische Darstellung der Spannungsversorgung nach Pig. 5»

Pig. 7 ein sbematisohes elektrisches Schaltbild eines Einphasen-Ganzwellen-Spannungsverdopplers unter Verwendung des Gerätes nach

Pig. 1,
Pig. 8 eine schematische Darstellung eines Drei-

phasen-Halbwellen-Spannungsverdopplers der

vorliegenden Erfindung,
Pig. 9 ein scbematisches elektrisches Schaltbild

der Spannungsversorgung nach Pig. 8 und^

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Pig. 10 ein schematisches elektrisches Schaltbild eines Dreiphasen-Ganzwellen-Spannungsverdopplers unter Verwendung der mechanischen Konstruktion der vorliegenden Erfindung.

In den Fig. 1 und 3 ist ein metallenes, zylindrisches, gasdichtes, hohles Druckgefäß 1 gezeigt. Das Gefäß kann ein Paar Endummantelungen 2 und 3 umfassen, die in geeigneter Weise an dem zylindrischen G-efäß 1 befestigt sein können, beispielsweise durch Bolzenverschraubung. Innerhalb des Gefässes 1 sind ein Transformator 4 und eine Vielzahl von Kondensatoren und Festkörper-Gleichrichtern eingeschlossen, die die Spannungsversorgung der vorliegenden Erfindung bilden. Der Transformator 4 umfaßt eine Primärwicklung 6 und eine Sekundärwicklung 7» wobei die Primärwicklung beispielsweise an einen 10 kHz - Generator 8 angeschlossen sein kann. Die Sekundärwicklung 7 weist eine geerdete Mittelanzapfung 9 auf, die über eine Leitung 40 mit einem Anschluß 22 auf einem Schaltbrett 21 verbunden ist. Der Anschluß 22 des Schaltbrettes 21 ist geerdet und mit einem Anschluß 23 des Schaltbrettes 21 über ein Paar in Reihe miteinander verbundener Festkörper-Gleichrichter 11 und 10 verbunden, wobei der positive Anschluß des Festkörper-Gleichrichters 11 mit dem Anschluß 22 verbunden und der negative Anschluß des Gleichrichters 10 mit dem Anschluß 23 verbunden ist. Wahlweise können die Gleichrichter 11 und 10 weggelassen werden und stattdessen eine Drossel verwendet werden, um eine Glättung zu erreichen. 309839/0917

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Die Kondensatoren umfassen gemäß der "vorliegenden Erfindung in diesem Ausfübrungsbeispiel vier axial verlaufende bohle-,Meta!!zylinder 13» 14.» 16 und 17, die je in einem verschiedenen Quadranten des Gefässes 1 angeordnet sind. Um jeden der länglichen Zylinder ist 'eine Vielzahl hohler zylindrischer Hülsen angeordnet, beispielsweise 18 und 19, die zwei der um den Zylinder 13 angeordneten Hülsen darstellen. Die Zylinder 13» 14, 16 und 17 erstrecken sich im ■wesentlichen über die länge des Gefässes 1 und bilden eine Anode eines jeden einer "Vielzahl von Kondensatoren der Einrichtung. Die Zylinder 13 und 16 sind galvanisch miteinander über eine leitung 5 verbunden, wie auch die Zylinder 14 und 17 über eine Leitung 15 miteinander verbunden sind. Die Zylinder 13 und 16 sind mit einem Ende der Sekundärwicklung 7 verbunden, und die Zylinder 14 und 17 sind an das andere Ende der Sekundärwicklung 7 angeschlossen.

Die Hülsen 18, 19 und 20 sind axial entlang dem Zylinder 13 ausgerichtet und umfassen in Verbindung damit eine.Vielzahl von Kondensatoren 27, 28 und 29. Obwohl nur drei solcher Hülsen dargestellt sind, ist die Zahl der um jeden der hohlen Zylinder angeordneten Hülsen bestimmt durch die Zahl der Gleichrichterstufen und/oder die notwendige Kapazität zur Bereitstellung der Spannung und/oder des Stromes, wofür die Einrichtung ausgelegt ist. Dem Zylinder 16 sind Hülsen 25, 30 und 35 zugeordnet, die Kondensatoren 31, 32 und 33 umfassen. Der Zylinder 14 ist mit einer Vielzahl axial ausgerichteter Metallhülsen versehen, die mit dem Mittelzylinder 14 Kondensatoren 34, 36 und 38 umfassen,

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■während dem langgestreok-ten Zylinder 17 Hülsen 39, 41 und 42 zugeordnet sind, die Kondensatoren 43, 44 und 46 umfassen. In der Fig. 4 ist der Anschluß 23 'über eine Vielzahl von Festkörper-Gleichrichtern, die allgemein mit der Bezugsziffer 47 verseben sind, mit dem Anschluß 26 verbunden, der mit der Hülse .18 verbunden ist, die dem Zylinder 13 zugeordnet ist, um einen Kondensator 27 zu bilden.

Die Zahl der Gleichrichtersperrschichten, die zwischen jeweils zweien der Sohaltbrettanschlüsse geschaltet sind, bildet eine Gleichriohterstufe und kann jede Zahl umfassen, die geeignet ist, die Spitzen- oder Stoßsperrspannung pro Stufe auszuhalten. In der Eingangsstufe werden zwei solcher Gleichrichtersperrsohiohten 11 und 10, wie in den Zeichnungen dargestellt ist, und in den folgenden Stufen, mit Ausnahme der letzten Stufe, drei solcher Gleiohriohtersperrschichten verwendet, wobei die letzte Stufe nur zwei Gleichrichtersperrschiohten aufweist, da über dieser Stufe nur die halbe Transformatorspannung liegt.

Der elektrische Schaltkreis der in den Pig. 1 bis 3 dargestellten Anordnung ist in der Pig. 4 gezeigt. In der in der Pig. 4 gezeigten Ausführungsform sind fünf vollständige Gleiohriohterstufen gezeigt und mit den Bezugszeichen 47» 48, 49, 51 und 52 versehen. Eine Eingangsgleichriohterstufe, die die Gleicbriohtersperrsohiohten 11 und 10 umfaßt, und eine End-Gleichriohterstufe 53, die nur zwei Gleiobriohtersperrsohiohten umfaßt, sind ebenfalls zur Vervollständigung des Kreises vorgesehen.

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Bei Betrieb, wenn das obere Ende der Sekundärwicklung 7 dee Transformators positiv ist bezüglich der Mittelanzapfung 9, wie in der Fig. 4 dargstellt, werden die Kondensatoren 34, 43, 36, 44, 38, 46 über die verschiedenen Gleicbrichterstufen aufgeladen. Wenn das* untere.Ende der Sekundärwicklung/des Transformators bezüglich der Mittelanzapfung positiv wird, werden die Kondensatoren 27 und 31, 28 und 32 und 29 und 33 aufgeladen. Die Drossel 12 und eine andere Drossel 54 zwischen der Gleichrichterstufe 53 und dem Hochspannungsausgangsanschluß 56 können anstelle von Gleichrichtern verwendet werden, um die Gleichspannung zu glätten. Die Drosseln und Ha-lb-Gleiohrichterstufen sollten normalerweise wahlweise verwendet werden und nicht zusammen, da beide in der gleichen Einrichtung nicht erforderlich sind, und dies gilt für alle Ausführungsformen- der vorliegenden Erfindung. Die Gleichrichternordnung liefert höhere Spannungen, und die Drossel-anordnung schafft eine bessere Filterung, d.h. . bewirkt eine bessere Glättung. Palis gewünscht, können natürlich beide gleichzeitig verwendet werden.

Man sieht, daß jede der Stufen zwei Kondensatoren parallel auflädt, im Falle der ersten Stufe die Kondensatoren 34 und 43. Auf diese Weise wird eine hohe Kapazität pro Stufe erreicht. Die hohe Kapazität pro Stufe beruht nicht nur auf der Verwendung von parallel geschalteten Kondensatoren, sondern auch auf der spezifischen Anordnung der Kondensatoren, die eine große Kapazität schafft relativ zu dem zur Verfügung stehenden Raum.

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Bezüglich des physikalischen Aufbaus der Spannungsversorgung sind mehrere bedeutende Merkmale vorhanden. Man erkennt, daß an den Zylindern 13, 14, 16 und 17 eines jeden Kondensatoren die Wechselspannung anliegt'. Diese Zylinder sind auf Grund ihres Abstandes und der Isolationswirkung durch die äußeren Hülsen gut voneinander isoliert. Außerdem ist keine Diskontinuität bei irgendeinem der einzelnen Zylinder vorhanden, so daß die bei den bekannten Geräten so nachteiligen Randeffekte eliminiert sind. Die länge der äußeren Zylinder, beispielsweise der Zylinder 18 und 19, ist so groß, •wie es die Spannungsbeanspruchung zwischen den Stufen gestattet, um eine maximale Abschirmung der Zylinder zu erreichen. Der Abstand zwischen den Hülsen jedoch muß so sein, daß unzulässige Gleichspannungsbeanspruchungen zwischen den Stufen nicht auftreten. Um diesen Abstand auf ein Minimum herabzu-

gegenüberliegenden drücken, sind die/Enden der Zylinder abgerundet, so daß keine Bereiche extremer Spannungsbeanspruchungen aufgebaut werden. Es soll vermerkt werden, daß die Hülsen relativ zur Wechselspannung in Phase sind, und daß keine Wechselspannungsbeanspruchung zwischen benachbarten Hülsen auftritt.

Die Anordnung der Gleichrichter ist so, daß kein. Gleichrichter in der Nähe eines Bereiches zwischen benachbarten Hülsen, wie beispielsweise 18 und 19, angeordnet ist, so daß die örtlichen Spannungsbeanspruchungen pro Stufe, die auf Grund der Gleichspannungsdifferenzen zwischen benachbarten Zylindern erzeugt werden, keinen großen Effekt auf die Gleichrichter haben und daher die effektive Spitzensperrspannung

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über d ie verschiedenen Gleicfarichterstufen oder Gleichrieh— tersperrsohicbten nicht erhöben. '

Der große zentrale Bereich, der zwischen den Kondettsatorkonstruktionen gebildet ist, schafft reichlich Raum, um, falls notwendig, die einzelnen Gleiehrifihter anzubringen und zu kühlen, so daß Schwierigkeiten auf Grund einer Erwärmung nicht zu erwarten sind. Das Gefäß 1 kann mit einem Gas unter Druck gesetzt werden, das hohe Durchschlagfestigkeit hat, beispielsweise Scbwefelhexacblorid (SSV). Das Unterdrucksetzen des Gefässes unterstützt die Wärmeableitung von den Gleichrichtern und verringert daher die wärmebedingten Probleme in den Pestkörpereinrichtungen. - - ■·

Wie zuvor "aufgezeigt-, ist bei der vorliegenden Er- ^λ findung von primärer Bedeutung, die Gesamtgröße der bekannten Spannungsversorgungseinrichtungen zu reduzieren und in der lage zu sein, Festkörpereinrichtungen zu verwenden, um die durch Vakuum- oder gasgefüllte Röhren bedingten Fehlerraten herabzusetzen. Ebenfalls muß, wie bereits erwähnt, die Frequenz der Einrichtung relativ zu der in bekannten Systemen verwendeten Frequenz reduziert ,werden, um Festkörpereinrichtungen besser verwenden zu können. Jedoch verringert sich die Ausgangsspannung direkt proportional zur Verrlagerung der Frequenz.

Die vorliegende Erfindung beseitigt die Probleme bezüglich der Verminderung der Ausgangsspannung durch Erhöhung der zur Verfügung stehenden Kapazität durch die Verwendung der spezifischen, bier dargelegten, Kondensatorgestaltung und

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durch Reduzierung der Zahl der Stufen, was ebenfalls eine

hat

direkte Auswirkung auf die Ausgangsspannung/. Um eine Anpassung an die Spitzen- oder Stoßsperrspannung zu erhalten, müssen mehrere Gleichrichtersperrschichten pro Stufe verwendet werden, wobei die Zahl der Schichten größer sein kann als die Zahl der Gleichrichtersperrschichten pro Stufe, die in den herkömmlichen Geräten verwendet wird. Jedoch, auf Grund des großen zentralen durch die verwendete besondere Kondensatorkonstruktion gebildeten Raumes und auf Grund der Tatsache, daß lestkörpergleichrichter kleiner sind als die entsprechenden gasgefüllten oder Vakuum-Gleichrichter, kann eine große Zahl von Gleichrichtersperrsohichten im mittleren Raum angeordnet sein, und es kann daher eine große Zahl von Gleichrichtersperrsohichten pro Stufe verwendet werden. Weiterhin werden extreme IPeldeffekte auf Grund der Auslegung der Kondensatoren reduziert. Der zylindrische Aufbau der Kondensatoren ist beträchtlich preiswerter als der Aufbau herkömmlicher Kondensatoren, und zwar auf Grund der Tatsache, daß ziemlich komplizierte Kondensator-Anoden-Anordnungen nicht erforderlich sind, um die Spannungsbeanspruchung pro Stufe in annehmbaren Grenzen zu halten.

Der offenbarte Kondensatoraufbau ist ein gasgefüllter Kondensator. Grundsätzlich sind die Anoden, wie dargestellt, im Abstand angeordnet, und das gesamte Gefäß ist gefüllt mit einem Isolationsgas, wie SPg, das unter Druck steht. Solche Kondensatoren haben den Vorteil, selbstheilend zu sein, d.h.,

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■wenn ein Funkenüberschlag oder ein lichtbogen gebildet wird, wird der Funkenüberscblag oder der lichtbogen durch Entladen des Kondensators bei Phasenumkehr des Wechselstromes unterbrochen, und Resteffekte treten nicht auf. Die Strom-(l)-Kapazität der Einrichtung kann erhöht werden durch Verwendung von Kondensatoren mit festen Dielektrika. Wenn in solch einem Falle jedoch ein Funke oder ein Bogen über dem Kondensator auftritt, tritt Zerstörung ein, und ein Ersetzen ist erforderlich. Zu einem gewissen Ausmaß kernen diese Erobleme durch Endenlassen des Dielektrikums im Abstand von einem Ende eines jeden Kondensators abgebaut werden, so daß der Funke oder Bogen, wenn er auftritt, mit größter Wahrscheinlichkeit in den Bereich des Gas-Dielektrikums fällt, das eine geringere Durchschlagskraft als das feste"Dielektrikum hat.

Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet vier Kondensatorgruppierungen mit parallel geschalteten gegenüberliegenden Kondensatorgruppierungen. Dies ist für die Wirkungsweise der Einrichtung nicht wesentlich, ist jedoch verwendet, um einen hohen Ausgangsstrom zu erhalten. In den Fig. 5 und 6 der beigefügten Zeichnungen-ist eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der eine Hochspannung?- und Niederstromeinrichtung geschaffen ist durch Reihenschaltung aller Kondensatoren und zugeordneter Gleichrichterstufen anstelle einer Serien-Parallel-Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform. In der in

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den Pig. 5 und 6 gezeigten Anordnung wird jeder einzelne Kondensator über eine "besondere Gleichrichterstufe aufgeladen, und die Kondensatoren sind daher nicht parallel geschaltet, wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 4. Die Zahl der Stufen wird auf diese Weise um einen Faktor 2 erhöbt, jedoch wird die Kapazität pro Stufe um einen Faktor 2 reduziert. Daraus ergibt sich das Doppelte der Ausgangsspannung und die Hälfte des Ausgängsstromes der ersten Ausführungsform. Die ursprüngliche Stroramenge kann bei der höheren Ausgangsspannung durch Verdoppelung der Länge der einzelnen Kondensatoren und dementsprechend ,der Gesamtlänge des Systems aufrechterhalten werden.

Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Kondensatoren und Gleichrichter miteinander verbunden, so daß zwei parallele Halbwellen-Spannungsverdoppler-Kreise geschaffen werden. In der Fig. 7 ist die Mit te !anzapfung 9 der Primärwicklung 7 des Eingangstransformators wiederum geerdet und mit dem Verbindungspunkt der Gleichrichter 57 und 58 verbunden. Die Wechselstromleitungen 61 und 64 sind mit den in Fig. 7 gezeigten oberen und unteren Anschlüssen der Sekundärwicklung 7 des Transformators verbunden, wobei die Leitungen 61 und 64 an die Zylinder 13 und 16 bzw. 14 und 17 angeschlossen sind. Der Terbihdungspunkt des Gleichrichters 57 und des Kondensators 59 ist über einen Gleichrichter .62 und über einen Kondensator 63 mit der Wechse!stromleitung 64 verbunden. Der Verbindungspunkt des Gleichrichters 62 und des Kondensators 63 ist über einen weiteren Gleichrichter 66 und dann über*>n <?>■» )<·<>» 0/tfmo.tor 67 mit der

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leitung 61 und über einen weiteren. Gleichrichter 68 und dann über einen Kondensator 69 mit der Leitung 64 verbunden. Der Gleichrichter 58 ist über einen Kondensator 71 mit der leitung 64 verbunden und außerdem über einen Gleichrichter 72 mit der Verbindungsstelle eines Kondensators 75 und Gleichrichters 74. Der Kondensator 73 ist zwischen die zuvor genannte Verbindungsstelle und die leitung 61 geschaltet. Der Verbindungspunkt ist über einen Gleichrichter 74 und einen Kondensator 76 mit der leitung 64 verbunden, und der Gleichrichter ist außerdem mit dem Verbindungspunkt eines Kondensators 78 und Gleichrichters 79 über einen Gleichrichter 77 verbunden. Die zuletzt erwähnte Verbindungsstelle ist über den Kondensator 78 mit der leitung 61 und über den Gleichrichter 79 mit dem Hochspannungsanschluß 82 verbunden. Die Verbindungsstelle des Gleichrichters 68.und des Kondensators 69 ist über einen Gleichrichter 83 mit dem Anschluß 82 verbunden.

Die speziellen/ zuvor beschriebenen, Schaltkreise der vorliegenden Erfindung sind Halbwellen-Spannungsverdoppler-Schaltkreise, wobei die erfindungsgemäße Spannungsverdoppler-Arbeitsweise die Spannung über den Spannungswert hebt, der durch die durch den Stand der Technik bekannten Gleichrichter-Schaltkreise erreichbar ist. In der Pig. 7 sind zwei solcher Schaltkreise parallelgesohaltet, um einen gewünschten Stromwert zu erhalten. Das Gerät gemäß Mg. 7 verwendet die gleiche physikalische Grundstruktur wie die Vorrichtung gemäß Pig. 1,

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jedoch ist die Verbindung der verschiedenen Gleichrichter

in und Kondensatoren untereinander anders als die/den zuvor

dargestellten und beschriebenen Figuren. ·

Die Spannun-gsverdoppler-Wirkung der Spannungsversorgung gemäß Fig. ? und ebenso gemäß den zuvor erwähnten Ausführungsformen ergibt sioh aus der Tatsache, daß, wenn beispielsweise die leitung 61 positiv ist, die Kondensatoren 59» 73, 67» 78 usw. aufgeladen werden. Wenn die Leitung 64 positiv wird, wird die in den zuvor genannten Kondensatoren gespeicherte Ladung auf die Kondensatoren 63» 76, 69 usw. übertragen zusammen mit der Ladung auf Grund der tatsächlichen Spannungssohwingung zwischen den Leitungen 64 und, 61. Auf diese Weise ergibt sioh eine Verdopplungswirkung.

Die verschiedenen bisher beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden vier Kondensatoren, die in verschiedenen Quadranten dee Gefässes 1 angeordnet sind. Es besteht keine Notwendigkeit, vier Kondensatoren zu verwenden, und andere Anordnungen können verwendet werden. Beispielsweise können zwei große Kondensatoren mit verschiedenartigen Gleiohriohterstufen verwendet werden, die in gegenüberliegenden Quadranten des Raumes angeordnet sind, in dem die Kondensatoren bei der Einrichtung mit vier Kondensatoren normalerweise vorhanden wären. Bei soloh einer Anordnung können die Kondensatoren größer sein als wenn vier Kondensatoren verwendet werden würden, jedoch nicht so groß, daß die äußeren Hülsen einander so nahe kommen, daß ein

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Spannungszusammenbruch zwischen den verschiedenartigen äußeren Hülsen der verschiedenen Stufen auftritt.

Palls.es erforderlich ist, eine Gleichspannung geringer Welligkeit zu erzeugen, können gemäß der vorliegenden Erfindung Spannungsversorgungseinrichtungen vorgesehen werden, die Wecbselstromquellen mit mehr als zwei Phasen verwenden. Drei- und Vierphasen-Quellen können leicht zur Verfügung gestellt werden, wobei eine zunehmende Glattung der Ausgangs-Gleichspannung erzielt wird. Besondere Vorteile entstehen bei Verwendung einer Dreiphasen- Spannungsquelle. Es sind insbesondere nur drei Kondensatoren erforderlich, und diese ' können in der Größe so gewählt werden, daß eine große Koppelkapazität geschaffen wird, während ein großer zentraler Bereich zur Anbringung der Gleichrichter aufrechterhalten werden kann. Ein solches System ist in den Fig. 8 und 9 der beigefügten Zeichnungen dargestellt, auf die nachfolgend Bezug genommen wird. .

Die Vorrichtung ist mit einem Dreiphasen-Eingangstransformator versehen mit drei Einzelphasen-Sekundärwicklungen 92, 93 und 94, von denen 3ede eine andere Phase aufweist. Die Wicklungen sind an einem Mittelpunkt, der allgemein mit dem Be.zugszeicben 96 versehen ist, miteinander verbunden, und die äußeren Anschlüsse der drei Wicklungen sind mit hohlen, langgestreckten Metallzylindern 97, 98 und 99 verbunden. Die Zylinder erstrecken sich in etwa über die Länge der Versorgungseinrichtung und entsprechen in ihrer Funktionsweise den Zylindern 13, 14, 16 und 17 der Fig. 1. Der Zylinder 97 hat

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eine Hülse 100, die um das Ende des Zylinders herum und nahe der Wicklung 92 angeordnet ist. Die Hülse 100 bildet zusammen mit dem Zylinder 97 einen Kondensator 111, und zwar auf die gleiche Art und Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Der Zylinder 98 umfaßt eine erste Hülse 101, und der Zylinder 99 umfaßt eine erste Hülse 102. Die Hülsen 100, 101 und 102 sind über entsprechende Filterdrosseln 103, 104 und 106 geerdet. Der Zylinder 97 umfaßt ■weiterhin eine Vielzahl axial im Abstand voneinander angeordneter Hülsen, wobei drei solcher Hülsen zusätzlich in der Zeichnung dargestellt und mit den Bezugszeiohen 107, 108 und 109 versehen sind, Sie zusammen mit der Hülse vier Kondensatoren bilden, die mit den Bezugszeichen 111, 112, 113 und 114 versehen sind. Auf ganz ähnliche Weise umfaßt der Zylinder 98 zusätzliche koaxia„le Hülsen, die um den Zylinder herum angeordnet und mit den Bezugszeichen 116, 117 und 118 versehen sind, und die mit dem Zylinder 98 Kondensatoren bilden, die mit den Bezugszeichen 119, 121, und 123 versehen sind. Dem Zylinder 99 sind zusätzliche koaxiale Hülsen 124, 126 und 127 zugeordnet, die mit dem Zylinder 99 und der ersten Hülse 102 die Kondensatoren 128, 129, 131 und 132 bilden.

Ein Gleichrichter 133 ist zwischen die Hülsen und 107 geschaltet, und Gleichrichter 134 und 136 sind zwischen die Hülsen 107 und 117 bzw. 117 und 109 geschaltet. Zusätzliche Gleichrichter sind wie folgt geschaltet: Gleichrichter 137 zwischen Hülsen 102 und 116, Gleichrichter 138 zwischen Hülsen 116 und 126 und Gleichrichter 139 zwischen Hülsen

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126 und 118. Weitere Gleichrichter 141, 142 und 143 sind zwischen, die Hülsenpaare 10.0 und 124, 124 und 108 bzw. 108 und

127 geschaltet. Die Hülsen 109, 118 und 127 sind über einzelne verschiedene Drosseln 144, 1.46 bzw. 147 mit einem Hochspannungsanschluß 148 verbunden. Die verschiedenartigen Gleichrichter sind tatsächlich Viel fache von Gleichrichtern, wie zuvor beschrieben.

.Die soeben beschriebene Spannungsversorgung umfaßt einen Dreipbasen-Halbwellen-Spannungsverdoppler-Schaltkreis. An Hand der Eig. 9 soll eine Beschreibung der Wirkungsweise dieses Schaltkreises erfolgen'. Für die Beschreibung dieser Wirkungsweise sei angenommen, daß die Wicklungen 92 - 93 die Nullpbase haben (Phase AB), die Wicklungen 93 - 94 die 120°-Phase(Phase BC), die Wicklungen 94 - 92 die 270°- Phase (Phase AC) der Dreiphasen-Versorgung, die darüber und daher über den entsprechenden Zylindern aufgebaut wird. Anfangs sei angenommen, die Phase AC sei positiv relativ zu den Phasen CB und BA. Als Folge werden die Kondensatoren 111, 129, 113 und 132 aufgeladen. Wenn sich die Phasen umkehren, entlädt sich der Kondensator 129 auf den Kondensator 113 und der Kondensator 132 zum Hocbspannungsanscbluß, wodurch die Spannungsverdoppler-Wirkung eintritt. Wenn die Phase AB positiv ist relativ zu den Phasen BC und CA, werden die Kondensatoren 119 und 112 aufgeladen über den Gleichrichter 133 und die Kondensatoren 122 und 114 über den Gleichrichter 136.

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Bei Umkehr der Pbase entlädt sich der Kondensator 112 auf den Kondensator 122, und der Kondensator 114 entlädt Bich über die Drossel 144 zum Hochspannungsanschluß 148. Ähnliches gilt für jede Phase, die relativ zu den anderen positiv ist. Die zuvor beschriebene Spannungsverdopplerwirkung tritt auf, weil ein während einer Phase des Zyklusses aufgeladener Kondensator sich während der entgegengesetzten Phase in den nächsten Kondensator entlädt. Der Halbwellen-Betrieb ergibt sich, da das Entladen zum Hochspannungsanschluß von jedem Endkondensator nur dann auftritt, wenn jener Kondensator positiv oder - genauer gesagt =■ sein Zylinder positiv relativ zu dem Hocbspannungsanschluß ist.

Ein Dreipbasen-Ganzwellen-Spannungsverdoppler ist in der Fig. 10 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Bei dieser Anordnung ist zu sehen, daß jeder Kondensator über eine Diode mit dem Kondensator der näohsten Stufe eiier jeden der

verbunden ist
anderen Hülsen/und wiederum über einen Gleichrichter von jedem Kondensator der vorhergehenden Stufe aufgeladen wird. Auf diese ¥eise wird jeder Kondensator während jedes HaIbzyklusses seiner Phase aufgeladen, anstatt während jedes vollen Zyklusses, wie bei den Vorrichtungen gemäß Pig. 8 und 9. Als Beispiel sei auf den Kondensator 112, dem der Zylinder 97 zugeordnet ist, verwiesen. Er ist über eine Diode sowohl mit dem Kondensator 119 als auch mit dem Kondensator 128 verbunden, denen die Zylinder 98 und 99 zugeordnet sind, während

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in der Vorrichtung gemäß Pig. 8 der Kondensator 112 lediglich vom Kondensator 119 aufgeladen wird. Dies bewirkt, daß sämtliche Kondensatoren, beispielsweise 112, 119, 122 und 128 und 131, in dieser Reihe aufgeladen werden, wenn die Wicklung 95 relativ zu den Wicklungen 92 und 94 positiv ist. Auf diese Weise werden alle Kondensatoren in der Ausführungsform gemäß dieser Pigur bei jedem Halbzyklus aufgeladen, während sie bei der Ausführungsform gemäß Eig. 8 bei jedem vollen Zyklus aufgeladen werden.

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Claims

3? a -ß\e ntansprüche

/1.Kondensatoraufbau für eine Spannungsversorgung, gekennzeichnet durch eine Vielzahl langgestreckter leitender Zylinder (13, 14, 16, 17), durch eine Vielzahl von Gruppen hohler leitender Hülsen (18, 19, 20 ...)» wobei jede Gruppe von Hülsen einem anderen Zylinder zugeordnet ist, und wobei die Hülsen jeder Gruppe koaxial zu dem ihr zugeordneten Zylinder und in einem Abstand voneinander entlang der Achse des Zylinders angeordnet sind, derart, daß Spannungszusammenbrüche zwischen benachbarten Hülsen nicht auftreten.
2. Kondensatoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (13, 14, 16, 17) hohl sind.
3. Kondensatoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
4. Kondensatoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Hülsen abgerundet sind.
5. Kondensatoraufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet« daß vier Zylinder vorgesehen sind, die in den vier Ecken einer im -wesentlichen quadratischen Anordnung vorgesehen s ind.

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6. Kondensatoraufbau nacb Anspruch'2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Zylinder vorgesehen sind, die in den Ecken einer im -wesentlichen einem gleichseitigen Dreieck entsprechenden Anordnung vorgesehen sind.
7. Einrichtung zur Spannungsversorgung, gekennzeichnet durch einen Kondensatoraufba'u gemäß Anspruch 1, durch eine Einrichtung, die entgegengesetzte Polaritäten einer Wechselspannung an die verschiedenartigen Zylinder anlegt, und durch Gleichrichter, die zwischen die Hülsen der mit Wecbselspannungeri entgegengesetzter Polaritäten gespeisten Zylinder geschaltet sind.
8. Einrichtung zur Spannungsversorgung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder im wesentlichen parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß ein zentraler Raum zwischen ihnen gebildet

ist, in dem die Gleichrichter durch eine Haltevorrichtung gehalten sind. . ■
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter entfernt von den Räumen zwischen den Hülsen angeordnet sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter Pestkörper-Gleichrichter sind, daß die

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Einrichtung, die Spannung entgegengesetzter Polarität an die verschiedenartigen Zylinder anlegt, eine Wechsel Spannungsquelle umfaßt mit einer Frequenz , deren Maximum näherungsweise bei 10 kHz liegt, und daß die Gleichrichter eine Vielzahl von Gleichrichtern umfassen, die zwischen jeweils zweien der Hülsen geschaltet sind.

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