DE2733403B2 - Spannungsvervielfacher - Google Patents

Description

Vorzugsweise wird in jeder Kondensatorgruppe ein thermoplastisches dielektrisches Material benutzt das unter dem Einfluß von Wärme schrumpft, wobei die zwei Gruppen nach dem Ablauf des Wickelvorgangs einer Wärmebehandlung ausgesetzt werden. Hierdurch werden nicht nur die gewickelten Kondensatoren stabilisiert, sondern werden auch die Diodendrähte fest zwischen angrenzenden Windungen der betreffenden Wickel eingeklemmt

Die zwei Kondensatorgruppen können auf eigenen Kernen gew'rkelt werden, aber werden vorzugsweise auf einem gemeinsamen Kern gewickelt Die sich aus der Verwendung eines gemeinsamen Kernes ergebenden Vorteile bestehen -darin, daß die zwei Wickelgruppen automatisch axial ausgerichtet und weiter weniger Handlungen zum Vorbereiten der Wickelmaschine erforderlich sind.

Nachstehend wird beispielsweise ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild eines bekannten Cockcroft-Walton-Spannungsverdreifachers,

F i g. 2 scliematisch das Verfahren nach der Erfindung zum Wickeln der Kondensatoren des Verdreifachers nach Fig. 1,

Fig.3 eine aufgearbeitete Wiedergabe der Anordnung der Teile eines Spannungsverdreifachers nach der Erfindung und

Fig.4 einen kompletten Spannungsverdreifacher nach der Erfindung.

F i g. 1 stellt einen bekannten Spannungsverdreifacber mit sechs Dioden DX bis D 6, die in Serie geschaltet sind, und fünf Kondensatoren Cl bis C 5 dar, die derart angeordnet sind, daß jeder Kondensator über ein angrenzendes Diodenpaar geschaltet ist Eine erste Eingangsklemme IPX ist mit dem Knotenpunkt der Dioden DX und D 2 und des Kondensators CX verbunden. Eine zweite Eingangsklemme IP2 ist mit dem Knotenpunkt der Diode D1 und des Kondensators C3 verbunden. Eine erste Ausgangsklemme OP X ist mit *o dem Knotenpunkt der Diode D 6 und des Kondensators C 5 und eine mögliche zweite Ausgangsklemme OP 2 mit dem Knotenpunkt der Dioden D 2 und D 3 und der Kondensatoren C3 und CA verbunden; diese Verbindung ist mit Hilfe einer gestrichelten Linie dargestellt «

Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß die Kondensatoren C X bis CS als zwei Gruppen gebildet sind, und zwar eine erste Gruppe mit den in Serie geschalteten Kondensatoren CX und C2 und eine zweite Gruppe die die seriengeschalteten Kondensatoren C3, C4 und CS enthält.

Es sei angenommen, daß im Betrieb des Vervielfachers an der Eingangsklemme IPX Impulse erscheinen, die in bezug auf die Klemme IP2 positiv cind, die beispielsweise als geerdet dargestellt ist. Wenn ununterbrachen positive Impulse an die Klemme IPX gelangen, wobei die Impulse einen Spitzenspannungspegel V in bezug auf die Klemme IP2 führen, wird eine Spannung, die sich Vdicht nähert, über den Kondensator C3 über die Diode D 2 aufgebaut. Auf diese Weise versucht der ⁶" Kondensator CX über die Diode D 3 eine Spannung V über seine Klemme aufzubauen, so daß beim Fehlen eines Eingangsimpulses an der Klemme IPX die Spannung am Knotenpunkt der Kondensatoren CX und C2 ungefähr gleich + V ist. Wenn die Spannung an der Klemme IPX gleich + Vwährend jedes Eingangsimpulses wird, nimmt die Spannung am Knotenpunkt der Kondensatoren CX und C2 ungefähr den Wert +2 V an und diese Spannung lädt den Kondensator C 4 über die Diode D 4 auf, bis die Spannung an den Klemmen dieses Kondensators ungefähr gleich V ist. Die Spannung am Knotenpunkt der Kondensatoren C4 und CS hat somit einen nahezu konstanten Wert von ungefähr +2 V in bezug auf die Spannung (Erde) an der Klemme IP2; über die Diode DS wird eine konstante Spannung V an den Klemmen des Kondensators C 2 aufgebaut Jeder zugeführte Impuls erhöht wie bereits beschrieben das Potential am Knotenpunkt CX-C2 auf +2 V und auf diese Weise wird das Potential am Knotenpunkt DS — D6 auf etwa +3 Verhöht Infolgedessen lädt sich der Kondensator CS über die Diode D 6 auf, so daß die Spannung an seinen Klemmen auf etwa V ansteigt Da die Spannung an jedem der Kondensatoren C3, C4 und CS auf einen mittleren Gleichspannungswert aufgebaut wird, der sich dem Wert V nähert nähert die Spannung an der Klemme OPl sich dem Wert +3 V, d.h dreimal den Spitzenpegel V der Eingangsimpulse an der Klemme IPi. Durch verschiedene Verluste in der Schaltung und durch den Ausgangsstrom, der über die Klemme OP X bezogen wird, beträgt die Spannung an der Klemme OPl selbstverständlich weniger als dreimal die Spitzeneingangsspannung. Die Spannung + V, die an der Klemme OP2 erscheint, wird häufig zum Erzeugen der niedrigeren Spannung benutzt, die für die Fokussierungsanode mancher Bildröhren erforderlich ist

Aus obiger Beschreibung ist ersichtlich, daß die Kondensatoren CX und C 2 eine Gruppe von Wechselspannungskondensatoren (impulszuführende Kondensatoren) bilden, während die Kondensatoren C3, C4 und CS eine Gruppe von Gleichspannungskondensatoren (Speicherkondensatoren) bilden. Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung kann zu einem Spannungsverdoppler durch Auslassen der Teile C2, CS, DS und D 6 und durch die Verbindung der Klemme OP1 mit der Kathode der Diode D 4 umgesetzt werden. Die Gruppe von Wechselspannungskondensatoren enthält dabei nur den Kondensator CX. Höhere Vervielfachungskondensatoren können durch Hinzufügen einer geeigneten Stufenzahl erreicht werden, wobei jede Stufe gleich der dargestellten Stufe mit den Teilen C2, C5,D5undD6ist.

Erdindungsgemäß wird die Gruppe von Wechselspannungskondensatoren Cl und C2 als ein erster Kondensatorwickel gewickelt und wird die Gruppe von Gleichspannungskondensatoren C3, C4 und CS als ein zweiter Kondensatorwickel gewickelt, wobei die beiden Wickel derart liegen, daß ihre Achsen fluchten und daß die Dioden zwischen den zwei Wickeln liegen. Fig.2 zeigt schematisch den Wickelvorgang der zwei Kondensatorgruppen. Die freien Enden zweier Streifen 10 und U einer dielektrischen Folie, die von nicht dargestellten Folierollen zugeführt wird, werden an einem Wickeldorn Afeiner Wickelmaschine festgesetzt, beispielsweise mit Hilfe eines Schlitzes, in dem die Folie eingeklemmt wird. Die freien Enden zweier weiterer Streifen 8 und 9 einer dielektrischen Folie werden auf entsprechende Weise an einem Wickeldorn M' befestigt.

Die Dorne M und M' sind koaxial angeordnet oder können ein Teil eines einzigen Wickeldorns sein. Die Streii'jnpaare 8, 9 und 10, 11 werden nebeneinander angeordnet, wobei zwischen den beiden Paaren genügend Zwischenraum für die Dioden DX bis D 6 gelassen wird, die in dem nachfolgenden Wickelverfah-

ren eingeführt werden. Die Dorne M und M' werden danach einige Male in Richtung der Pfeile gedreht, um die Streifen auf den Dornen festzusetzen und eine isolierende Schicht zu erhalten. Das freie Ende eines Streifens von Aluminiumfolie 1 wird in den Wickel ■ zwischen die Folien 10 und 11 eingeführt, und das freie Ende eines Aluminiumfolienstreifens 2 wird unter dem Streifen 10 in den Wickel eingeführt. Auf gleiche Weise werden Streifen von Aluminiumfolie 4 und 5 in den anderen Wickel entsprechend der Figur eingeführt. Die ui Dorne werden danach gedreht, bis eine genügende Länge der Streifen 1 und 4 auf die betreffenden Wickel aufgewickelt ist, um die zwischen den Folienstreifen 1 und 2 bzw. 4 und 5 erforderliche Kapazität für die Kondensatoren Ci bzw. C 3 zu erhalten. Die Folien- :·> streifen 1 und 4 werden danach von den Vorratsrollen abgerissen oder abgeschnitten, und die Dorne werden nochmals gedreht. Ein Folienstreifen der Vorratsrolle, die ursprünglich den Streifen 4 lieferte, wird jetzt wiederum dem Wickel zugeführt, aber jetzt als ein :o Folienstreifen 6. Die Dorne werden nochmals rotiert, bis eine ausreichende Überlappung zwischen den Streifen 5 und 6 besteht, um die erforderliche Kapazität für den Kondensator CA zu schaffen. Der Streifen 5 wird darauf von der Vorratsrolle abgeschnitten und die Dorne werden abermals rotiert. Die freien Enden der Streifen der Vorratsrollen, die die Streifen 1 und 5 geliefert haben, werden wiederum in die Wickel eingeführt, aber jetzt als Folienstreifen 3 und 7, und die Dorne werden abermals gedreht, bis eine Überlappung zwischen den i» Streifen 2, 3 und 6, 7 erhalten ist, die zum Erhalten der erforderlichen Kapazität für die Kondensatoren C 2 bzw. CS ausreicht. Die Folien 2,3 und 7 werden danach von ihrer betreffenden Vorratsrolle abgeschnitten und die Dorne werden abermals einige Male gedreht, um :" einige äußere Folienwindungen auf jedem Wickel zu erhalten. Die Folienstreifen 8, 9, 10, 11 werden danach von ihren Vorratsrollen abgeschnitten und die äußere Windung wird fixiert, beispielsweise mit Hilfe eines Klebstreifens oder durch Verkleben dieser Windung am in Wickel oder vorzugsweise durch stellenweise Erwärmung.

Beim Wickeln der zwei Kondensatorgruppen werden an den geeigneten Stellen Dioden Dl bis D 6 eingeführt, wobei jeder der zwei Anschlußdrähte jeder Diode mit einem Folienstreifen im betreffenden der zwei Wickel in Kontakt stehen. Um die Kontaktoberfläche zwischen jedem Diodendraht und dem betreffenden Folienstreifen zu vergrößern, wird das freie Ende des Diodendrahtes durch Hämmern oder Pressen abgeplattet. um eine blattförmige Klemme zu erhalten. Weiter ist es möglich, statt dessen (oder außerdem) kleine Metallfolienstücke zuvor an den Enden der Drähte anzuschweißen, um die Kontaktoberfläche zu vergrößern. Die Anschlußdrähte für IPX, IP2, OPX, OP2 werden ebenfalls während des Wickeins an den dazu geeigneten Punkten angebracht

Die Dome M und M' werden vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise zusammen angetrieben. Die Verwendung gesonderter Antriebe für die zwei Dorne &o würde es dem Operateur ermöglichen, jeden der zwei Wickel gesondert zu wickeln, bis ein Punkt erreicht wird, an dem die entsprechende Elektrode in jedem Wickel freiliegt, so daß zwischen diesen zwei Elektroden eine Diode gelegt werden kann, die durch die folgenden Windungen an ihrem Platz gehalten wird. Bei diesem Verfahren ist der Materialverbrauch minimal, aber es hat sich herausgestellt, daß die Dorne Mund M' vorzugsweise entsprechend einem bestimmten Programm angetrieben werden müssen, da die Arbeitskosten dabei bedeutend niedriger sind, während die Materialkosten nur wenig höher sind. Ein derartiges Programm könnte beispielsweise mit folgenden Bedienungshinweisen anfangen:

1. tiic Folien8,9,10,11 in die Dorne einstecken;

2. die Dorne fünfmal drehen;

3. die Folien 4 und 5 auf M'anbringen;

4. eine halbe Umdrehung rotieren;

5. die Anschlußdrähte an die Folien 4 und 5 stellen;

6. dreimal umdrehen;

7. die Folien 1 und 2 auf Manbringen;

8. eine halbe Umdrehung machen;

9. den Anschlußdraht an die Folie 1 und die Diode D1 zwischen den Folien 4 und i stellen;

10. eine halbe Umdrehung ausführen;

11. die Folie abschneiden;

12. zweimal umdrehen usw.

Würde man die Wickel einer auf oben beschriebenen Weise gebildeten kompletten Einheit abwickeln und würde man die Streifen trennen, so würde diese aufgearbeitete Einheit ungefähr aussehen wie in F i g. 3 (nicht maßstabgerecht) dargestellt. In F i g. 3 werden die gleichen Bezugsziffern für die Teile gemäß F i g. 1 und/oder 2 verwendet Die Enden der Diodendrähte und die Anschlußdrähte sind wie bei 12 und 13 dargestellt abgeplattet um blattförmige Kontakte zu erhalten. Die Anschlußdrähte 14, 15, 16 und 17 entsprechen den Drähten zu den Klemmen IPl bzw. OP2, IP1, OP1 der F i g. 1. Die Kondensatoren Ci, C 2, Ci, C4, CS und C6 entsprechend F i g. 1 werden in den Fig.2 und 3 durch die überlappenden Gebiete der Folienpaare 1,2; 2,3; 4,5; 5,6 bzw. 6,7 gebildet

In den F i g. 2 und 3 sind die Metallfolien durch ein dielektrisches Material voneinander getrennt das durch einfache Streifen 8,9,10 und 11 dargestellt wird. In der Praxis besteht jeder dieser Streifen vorzugsweise aus einem zusammengesetzten Streifen, der zumindest einen Polyesterstreifen und mindestens einen Polystyrenstreifen enthält Derartige zusammengesetzte Streifen werden allgemein bei der Herstellung von Kondensatoren verwendet und können beispielsweise einen oder zwei Polystyrenstreifen oder umgekehrt enthalten.

Vorzugsweise ist mindestens einer der dielektrischen Streifen in Form eines unter dem Einfluß von Wärme schrumpfenden Streifens angeordnet Wenn das Wikkelverfahren vollendet ist und die Einheit aus der Wickelmaschine entfernt wird sie auf die Temperatur erwärmt bei der der dielektrische Streifen durch das Verschwinden der zuvor angebrachten Spannungen schrumpft Durch dieses Schrumpfen werden die Diodendrähte und die Anschlußdrähte der Einheit sehr fest zwischen den Wickelschichten eingeschlossen, wodurch ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Drahten und den Folien entsteht und ebenfalls eine sehr große mechanische Steifheit der Einheit erhalten wird. Die ganze Einheit kann noch in ein Isolationsmaterial, beispielsweise ein Kunstharz, eingekapselt werden.

Das bisher beschriebene Ausfuhrungsbeispiel enthält Kondensatorwickel vom »selbsttragenden« oder »kernlosen« Typ. Diese Wickel können selbstverständlich auf einem gemeinsamen Kern oder nach Bedarf auf getrennten Kernen gewickelt werden. Wenn die Kerne zwischen den beiden Wickeln mit Flanschen versehen sind, müßten Rillen in den Flanschen vorhanden sein, so

daß die Gleichrichter über diese Rillen über die betreffenden Folien angebracht werden können.

F i g. 4 zeigt einen Spannungsvervielfacher nach der Erfindung mit zwei Kondensatorwickeln 21 und 22, die nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse angebracht sind, und ebenfalls mit Dioden Di bis D 6, die zwischen den beiden Wickeln angeordnet sind. Dabei sei angenommen, daß der Wickel 21 die Kondensatoren Cl und C2 und der Wickel 22 die Kondensatoren C3, C4 und C5 enthält Die Wickel 21 und 22 sind auf Kernen 23 und 24 gewickelt, die Teile eines rohrförmigen Elementes 25 bilden; die elektrischen Verbindungen zwischen den Dioden und den Kondensatoren sind innerhalb der Wickel mit gestrichelten Linien angegeben.

Es sei bemerkt, daß im Rahmen der Erfindung mehrere Änderungen hinsichtlich der Struktur und/oder des Verfahrens möglich sind. Beispielsweise sind andere Spannungsvervielfacher vom beschriebenen Typ bekannt, bei denen die Kondensatoren in jeder der zwei Gruppen statt seriengeschaltet parallel geschaltet sind. Dies läßt sich durch eine entsprechende Änderung in der Situation der Elektroden, die aus Metallfolienstreifen bestehen, leicht erreichen. Auch wird bei manchen Schaltungen die Diode Di ausgelassen. Bei einer weiteren bekannten Schaltung sind die Verbindungen mit D 1 und d nach außen als gesonderte Drähte statt als ein gemeinsamer Draht herausgeführt.

Es sei ebenfalls bemerkt, daß erfindungsgemäß andere Vervielfachungsfaktoren benutzt werden können, beispielsweise 2 χ (Verdopolung), 4 χ (Vervielfachung), usw.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Spannungsvervielfacher mit mehreren in Serie geschalteten Dioden und mehreren Kondensatoren, die über je ein Paar angrenzender Dioden geschaltet sind, wobei die Kondensatoren in zwei gesonderten Kondensatorwickeln angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickel (21, 22) nebeneinander mit ihren Achsen fluchtend angeordnet sind, wobei die Anschlußdrähte der Dioden als Verbindungsdrähte zwischen den Kondensatorelektroden (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) und den Dioden (D) arbeiten.

2. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Wickel auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.

3. Spannungsvervielfacher nach Anspruch J oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material, das für die Kondensatorwickel benutzt wird, mindestens einen Poiystyrenfifm und mindestens einen Polyesterfilm enthält.

4. Verfahren zum Herstellen eines Spannungsvervielfacher mit mehreren seriengeschalteten Dioden und mehreren Kondensatoren, die über je ein Paar angrenzender Dioden gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt: das Wickeln der Kondensatoren in zwei Wickeln nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse und das Anbringen einer jeweiligen Diode in geeigneten Augenblicken beim Wickeln derart, daß einer ihrer Anschlußdrähte mit einer Kondensatorelektrode in einem der zwei Wickel und der andere Anschlußdraht mit einer Kondensatorelektrode im anderen Wickel im Kontakt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickeln beider Kondensatorwikkel gleichzeitig erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum der Kondensatoren in Form eines Films gewickelt wird, der unter dem Einfluß von Wärme schrumpft, und daß das Verfahren einen weiteren Schritt umfaßt, währenddessen das gewickelte Gefüge erwärmt wird, um diesen Film schrumpfen zu lassen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material, das für die Kondensatoren benutzt wird, mindestens einen Polyesterfilm und mindestens einen Polystyrenfilm enthält.

Die Erfindung betrifft einen Spannungsvervielfacher mit mehreren in Serie geschalteten Dioden und mehreren Kondensatoren, die über je ein Paar angrenzender Dioden geschaltet sind, wobei die Kondensatoren in zwei gesonderten Kondensatorwikkeln angeordnet sind. Ein derartiger Vervielfacher wird häufig als ein Cockroft-Walton-Vervielfacher bezeichnet, da er zum ersten Male in »Experiments with hig velocity positive ions — (1) Further developents in the method of obtaining high velocity positive ions«, von J. D. Cockroft und E. T. S. Walton, »Proc. Roy. Soc.« (Londen) A. Volume 136, 1932, S.619...630 beschrieben wurde. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Spannungs-

vervielfachers.

Derartige Spannungsvervielfacher werden zur Zeit beispielsweise zum Erzeugen der Hochspannung für die Ausgangsanode der Bildröhre eines Fernsehempfängers und in manchen Fällen ebenfalls zum Erzeugen einer niedrigeren Spannung für die sogenannte Fokussierungsanode derartiger Röhren benutzt

Mit Rücksicht auf das Verfahren eines derartigen Vervielfachers können die Kondensatoren als in eine erste and eine zweite Gruppe verteilt betrachtet werden. Die erste Gruppe verteilt die Eingangsspannungsimpulse zu den Kondensatoren der zweiten Gruppe, die als integrierende oder als Speicherkondensatoren arbeiten. Die Kondensatoren der ersten Gruppe werden daher normalerweise Wechselspannungskondensatoren genannt, während die der zweiten Gruppe als Gleichspannungskondensatoren bezeichnet werden.

Aus der US-PS 39 27 364 ist es bekannt, die Kondensatoren der zwei Gruppen als gesonderte Wickel zu wickeln und diese Wickel derart in eine Einheit einzuordnen, daß ihre Achsen parallel verlaufen. Die Dioden werden dabei mit Anschlußdrähten verbunden, die aus den Wickeln herausragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Spannungsvervielfacher zu schaffen, der preisgünstiger als die erwähnten bekannten Vervielfacher hergestellt werden kann.

Der Spannungsvervielfacher nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wickel nebeneinander derart angeordnet sind, daß ihre Achsen fluchten und die Anschlußdrähte der Dioden als Verbindungsdrähte zwischen den Kondensatorelektroden und den Dioden arbeiten.

Durch diese Maßnahme wird eine gerdrängte Einheit erhalten und können die gesonderten Anschlußdrähte der Elektroden entfallen.

Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die zwei Kondensatorwickel an einem gemeinsamen Kern angeordnet. Dies ergibt nicht nur eine feste Einheit, sondern vereinfacht ebenfalls das Zusammensetzen des Vervielfachers.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Spannungsvervielfachers, der mit mehreren seriengeschalteten Dioden und mehreren Kondensatoren versehen ist, die über je ein Paar angrenzender Dioden geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt: das Wickeln der Kondensatoren in zwei Wickeln, die nebeneinander auf einer einzigen gemeinsamen Achse liegen, und das Anbringen einer jeweiligen Diode in geeigneten Augenblicken während des Wickelvorgangs derart, daß einer ihrer Anschlußdrähte mit einer Kondensatorelektrode in einem der zwei Wickel in Kontakt ist und der andere Anschlußdraht mit einer Kondensatorelektrode im anderen Wickel in Verbindung ist.

Entsprechend diesem Verfahren werden die zwei Gruppen gleichzeitig derart gewickelt, daß die Diodendrähte leicht an den entsprechenden Punkten in die Wicklungen hineingesteckt werden können. Dies ergibt ein vereinfachtes Verfahren für die Herstellung. Die Diodendrähte können abgeplattet sein, beispielsweise mit Hilfe einer Pressebearbeitung an der Stelle, an der sie mit den betreffenden Kondensatorelek.troden in Kontakt stehen, um die Kontaktoberfläche zu vergrößern. Auch kann zunächst an jedem Diodendraht eine Metallfolie zur Erhaltung einer größeren Kontaktoberfläche angeschweißt werden.