DE2919562A1

DE2919562A1 - Hochleistungs-kondensator mit gasdielektrikum

Info

Publication number: DE2919562A1
Application number: DE19792919562
Authority: DE
Inventors: Klaus Kuelper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-16
Filing date: 1979-05-15
Publication date: 1979-11-29
Also published as: DE2919562C2; SE415420B; SE7805611L; US4342066A

Description

Die Erfindung "betrifft einen Kondensator und insbesondere einen Kondensator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochfrequenzkondensatoren und Leistungsverstärker in Radiosendern, die im Klasse-G-Betrieb mit Hochvakuumröhren betrieben werden, erfordern Schwingkreise mit hoher Blindleistung. Hochfrequenzgeneratoren mit einer Leistung von beispielsweise 100 kW können eine Blindleistung von 10 MVA aufweisen. Bei einer Spannungsamplitude mit einem Effektivwert von 8 kV , die durch die Anodenspannung der Senderöhre ge-

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geben ist, erreicht der Strom im Schwingkreis 1250 A. Bei der Betriebsfrequenz müssen die Induktivität und die Kapazität des Kreises eine Reaktanz von + oder - 8000V/1250A = 6,4 Ohm aufweisen. Bei den für Industriegeneratoren üblichen Frequenzen von 0,5 MHz (für induktive Heizung) oder 27 P¹IHz (für dielektrische Heizung), betragen die Kapazitätswerte 50 oder 1 nF.

Die Kapazität von 50 nF, wie sie für die Frequenz von 0,5 erforderlich ist, wird gewöhnlich als Batterie von wassergekühlten keramischen Kondensatoren aufgebaut, die aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante des Keramikmaterials sehr kompakt sind, ,jedoch unglücklicherweise zu hohen Verlusten führen. Bei dem gewählten Beispiel betragen die Verluste 5 kV/ in der Keramikmasse und 2 bis 3 kW bei den erhöhten Anodenverlusten. Bei höheren Frequenzen mit entsprechend niedrigeren Kapazitätswerten bevorzugt man gewöhnlich Kondensatoren mit einem Dielektrikum in Gestalt eines Gases ohne Verluste, wie bei Luft-, Druckgas- oder Vakuumkondensatoren.

Ein Luftkondensator mit Metallelektroden und atmosphärischer Luft als Dielektrikum erfordert bei den gewählten Beispiel (1 nF, 8 kV) einen Luftspalt von etwa 13 mm und eine Elek-

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ρ
trodenflache von etwa 1,5m · Bei Vakuum oder Druckgas kann der Abstand zwischen den Elektroden und folglich auch die Elektrodenfläche auf etwa 1/5 herabgesetzt werden. Die Elektroden müssen dann in eine gasdichte Umhüllung eingeschlossen werden, wobei wenigstens eine isolierte Durchführungsleitung vorgesehen ist. Aufgrund der begrenzten Eindringtiefe muß der Hochfrequenzstrom in diesem Fall unausweichlich die Grenzschicht zwischen dem Isolator und dem Zuführungsdraht passieren, die bei Keramikmaterial aus Lötzinn und bei Glas aus einer Legierung mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Glas besteht. Diese beiden Arten von Metallen haben eine viel geringere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer. Da gleichzeitig die Verbindung zwischen dem Zuführungsdraht und der Elektrode, an der der Draht angeschlossen ist, sehr hitzeempfindlich ist, ist die Strombelastbarkeit des Kondensators auf einige 1oo A begrenzt. Bei Verwendung eines Vakuum- oder Druckgaskondensators bekannter Bauart muß daher bei dem beispielsweise gewählten 100 kW-Generator eine Vielzahl von Kondensatoreinheiten parallelgeschaltet v/erden. Die Induktivitäten und Streukapazitäten der Verbindungen zwischen den Einheiten bilden neue abgestimmte Kreise, die es schwieriger machen, eine gleichmäßige Stromverteilung zwischen den Kondensatorenzu ersielen und die leicht in. Resonanz mit einer Oberschwingung der Oszillatorfrequenz stehen können, insbesondere bei Hochfrequenzgeneratoren mit veränderlicher Last. Luftkondensatoren sind daher trotz ihrer höheren Empfindlichkeit gegen Staub und Feuchtigkeit brauchbarer.

Bei einem 27 MHz-Generator der Leistungsklasse von 400 kW hat jedoch auch der Luftkondensator seine Begrenzungen. Einerseits führen die großen Oberflächen der Elektroden dazu, daß die stets in Gestalt von stehenden Wellen auftretenden internen Resonanzen eine Frequenz in der Nähe der zweiten oder

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dritten Harmonischen der Betriebsfrequenz aufweisen, so daß eine ungleichmäßige Spannungsverteilung und die Gefahr eines Spannungsdurchbruchs auftreten können. Andererseits führt der verhältnismäßig große Abstand zwischen der Senderöhre und dem Kondensator dazu, daß die Summe der Induktivitäten der Zuleitungen zu den Elektroden zusammen mit der Ausgangs-kapazität der Röhre in einen Resonanzzustand unterhalb oder sehr nahe der zweiten Harmonischen (der doppelten Betriebsfrequenz) treten, wodurch der Wirkungsgrad des Generators auf einen nicht akzeptierbaren Pegel vermindert würde.

Der Druckgaskondensator gemäß der Erfindung kombiniert die Strombelastbarkeit des Luftkondensators mit der kompakten Bauform und geringen Empfindlichkeit gegenüber der Umgebungsatmosphäre des Druckgas- oder Vakuumkondensators.

Bekannte Druckgaskondensatoren bestehen aus einer Anzahl von Metallzylindern, die entweder durch eine äußere Glas— oder Keramikumhüllung mit Anschlüssen in beiden Enden zur Bildung eines rotationssymmetrischen Musters zusammengehal- -ten sind, oder die in einem topfförmigen metallischen Druckgefäß untergebracht sind, welches einen Anschluß des Kondensators bildet, während der andere Anschluß in einem Durchführungs-Isolierelement im Deckel des Behälters angeordnet ist. In beiden Fällen ist der gesamte Behälter zur Erzielung einer kompakten Bauform mit einer Vielzahl von konzentrischen Zylinderelektroden gefüllt.

Ein derartiger Kondensator ist beispielsweise aus dem deutschen Patent 17I II7 aus dem Jahr I905 bekannt, also aus einer Zeit, als die Hochfrequenzleistung mittels einer Funkenstrecke in Verbindung mit einem Schwingkreis erzeugt wurde.

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Die kennzeichnenden Merkmale eines Kondensators gemäß der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben.

Der Kondensator gemäß der Erfindung (Fig. 1) besteht aus nur zwei Metallröhren 1 und 2 mit einem verhältnismäßig geringen Durchmesserunterschied. Das Rohr mit geringerem Durchmesser stellt den äußeren Mantel des Druckgefäßes dar. Der Spalt zwischen den Rohren beträgt ein paar Millimeter, und zwar in Abhängigkeit von der Spannung für die der Kondensator bestimmt ist. Die Rohre sind gegeneinander mittels ringförmiger Isolatoren 3, 4- an beiden Enden festgelegt, wobei diese Isolatoren gleichzeitig den Spalt zwischen den Rohren abdichten, so daß dieser Spalt mit einem Elektronen-Fanggas, beispielsweise SFg gefüllt werden kann. Nach den Ergebnissen von durchgeführten Untersuchungen kann ein Kondensator mit einem Luftspalt von 2 mm und einem Gasdruck von 4- Bar eine Hochfrequenzspannung mit einem Spitzenwert von 15 kV verarbeiten. Die Abdichtung zwischen den Isolierringen und den Metallrohren kann die Gestalt von Gummi-Packungen bzw. -Dichtungen aufweisen, wenn diese Dichtungen beispielsweise durch Einziehen in das Metall nicht dem elektrischen Feld ausgesetzt sind. Die Kondensatoranschlüsse können die Gestalt von Flanschen jedss Rohrs aufweisen und können aufgrund ihrer großen Oberflächen ohne nennenswerte Wärmeentwicklung Tausende von Amperes leiten.

Der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Kondensator und den bekannten Kondensatoren besteht neben der Fähigkeit, erheblich höhere Ströme zu leiten, im Aufbau der Rohre, durch den es möglich ist, die Senderöhre im Mittelpunkt des Kondensators anzuordnen. Dadurch kann die Induktivität der Verbindung zwischen der Röhre und dem Schwingkreis sehr klein gehalten werden, was für den Wirkungsgrad der Oszillatorröhre

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von entscheidender Bedeutung ist.

Der Kondensator ist sehr geeignet zur Kombination mit einem Parallel-Schwingkreis, der eine Induktivität in Gestalt eines toroid-förmigen Hohlraums 5 gemäß Fig. 2 aufweist. Wenn die metallische Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Hohlraum gasdicht ist, dann kann einer der Isolierringe weggelassen werden. Der hohe Strom im Schwingkreis muß in diesem Fall keinen Isolatorrand passieren, so daß sich neben anderen Vorteilen eine Verringerung der Verluste im Schwingkreis auf sehr niedrige Werte ergibt. Ein entsprechender Schwingkreis mit gleicher Induktivität und gleichem Zylinderdurchmesser, jedoch mit atmosphärischer Luft als Dielektrikum im Kondensator würde einen fünf mal größeren Luftspalt erfordern und deshalb auch fünf mal längere Zylinder, die ihrerseits zu fünf mal größeren Verlusten führen wurden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde praktisch in einem Oszillator für 2^r/ MHs untersucht, der mit einer modernen wassergekühlten 180 kW-Senderöhre ausgestattet war, wie in der Fig. 3 dargestellt. Der äußere Durchmesser beträgt wenig mehr als 1/2 m und die Höhe des Schwingkreises 0,35 m. Bei geringfügig größeren Abmessungen könnte eine Senderöhre mit der doppelten Leistung bei der gleichen Betriebsfrequenz betrieben werden.

Der Schwingkreis umfaßt zwei Kupfertöpfe 1' und 2¹, die durch Drücken hergestellt wurden. Diese Kupfertöpfe sind miteinander über ein Kupferrohr 3¹ verbunden. Die Verbindung ist derart aufgebaut, daß eine Zinnlötung ausreichend stark und stabil ist, wobei gleichzeitig die Zinnverbindung einen Platz für die Kühlschleifen 4' bildet. Der ringförmige Isolierring 5' besteht aus Polypropen und wird durch einen leichten Metallring 6 an seinem Platz gehalten. Die Abdich-

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tung zwischen den unterschiedlichen Ringen weist die Gestalt von Gummidichtungen auf.

Die im Zentrum 7 des Kreises angeordnete Senderöhre ist durch sechs keramische Scheibenkondensatoren 8 abgestützt, die die Anode mit dem Kreis durch eine Verbindung verbinden, welche Hochfrequenzspannung oder -strom überträgt. Die Anodengleichspannung und das Kühlwasser werden der Röhre von unten zugeführt. Die Verbindung ist frei von Hochfrequenzspannung und daher ist für die Funktion des Oszillators keine Anodendrossel erforderlich.

Die Rückkopplung wird mittels eines wassergekühlten Kupferrohrs 9 (welches zu dem gleichen Kühlkreislauf gehört, wie die Schleifen 4-') herbeigeführt. Die Induktivität dieses Kupferrohrs 9 in Verbindung mit den Eigenkapazitäten des Rohrs ergibt das erforderliche Phasen- und Amplitudenverhältnis zwischen der Gitter- und der Anodenspannung. Ein wassergekühlter Kondensator 10 sperrt die Gittervorspannung und leitet jedoch den kapazitiven Gitterstrom von etwa 100 A. Die Gittergleichspannung wird über die Drossel 11 zum Gitterableitttfiderstand weggeführt. Die Kathode ist mittels einer Kupferfolie mit dem geerdeten Ring 6 verbunden.

Bei dem geprüften Ausführungsbeispiel erfolgt die Herausführung der Leistung mittels einer Spule, die mit dem Oberteil des Schwingkreises zwischen den Kondensatoren 8 verbunden ist. Diese Ausgangsverbindung kann alternativ auch in mehr konventioneller Weise mittels einer Induktionsschleife und eines Durchführungsdrahts im Unterteil des Behälters verwirklicht sein. Aufgrund des geringen Abstands zwischen den Kondensatoren wird der Kapazitätswert in starkem Maß von einer geringen Veränderung-des Durchmessers be-

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einflußt, wie sie beispielsweise durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem äußeren Zylinder und dem inneren Zylinder hervorgerufen wird. Es ist daher wesentlich, daß das Kühlwasser in den Kühlschleifen der Zylinder die gleiche Temperatur aufweist. Andererseits kann die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen im Durchmesser zur genauen Einstellung der Kapazität und der Frequenz genutzt werden, indem innerhalb der Proportionalitätsgrenze des Metalls das äußere Rohr zusammengedrückt oder das innere Rohr ausgeweitet wird. Am einfachsten kann dies mittels eines um den Behälter 1 herumgewickelten elastischen Schlauches 13 erfolgen, der im druckfreien Zustand etwas durch einen Plattenmantel 14 komprimiert ist. Durch Steuerung des Luft- oder Fluiddruckes in dem Schlauch kann die Frequenz sehr rasch um einen Betrag von einigen Prozent verändert werden. Bei Industriegeneratoren mit stark veränderlicher Blindlast kann beispielsweise ein Diskriminator zur Steuerung zweier Magnetventile angeordnet sein, der durch Erhöhung oder Verminderung des Drucks die Frequenz innerhalb einer Grenze von 1/2 % bei 27,12 MHz hält.

Bei praktischen Untersuchungen zeigte dieser Aufbau die folgenden Vorteile:

1. Hoher Gesamtwirkungsgrad, teilweise aufgrund des hohen Q-Werts des Kreises, der gemäß einem kalorimetrischen Verfahren zu etwa 5000 gemessen wurde, teilweise aufgrund der niedrigen Induktivität zwischen dem Kreis und der Senderöhre. Ein ähnlich hoher Wirkungsgrad kann bei Leistungen bis zu 400 kW bei 27 MHz erwartet werden.

2. Keine Neigung zu parasitären Schwingungen.

3. Sehr schwache Abstrahlung aufgrund der sorgfältigen Abschirmung des Hauptmagnetfeldes.

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4-, Geringe Empfindlichkeit gegen Staub und Luftfeuchtigkeit 5· Raumersparnis.

6. Geringe Produktionskosten wegen des einfachen Zusammenbaus von ziemlich kleinen durch Drücken hergestellten Teilen.

Die Erfindung betrifft also einen Kondensator für hohe Leistung mit einem gasförmigen Dielektrikum, der vorzugsweise für Tankkreise in Hochfrequenzgeneratoren und Radiosendern bestimmt ist. Die Elektroden des Kondensators bestehen aus zwei Metallrohren mit unterschiedlichen Durchmessern, die relativ zueinander konzentrisch angeordnet sind. Diese Rohre sind an beiden Enden gasdicht miteinander verbunden, so daß durch den Luftspalt zwischen den Rohren ein Hohlraum gebildet ist, der mit unter Druck stehendem Gas gefüllt werden kann. Der Raum innerhalb des Rohrs mit dem kleinsten Durchmesser ist offen und kann zur Unterbringung einer Senderöhre genutzt werden.

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Claims

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HELMUTSCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL.-ING.

no-kü-10 Klaus Külper 15. Mai 1979

Hochleistungs-Kondensator mit Gasdielektrikum

Patentansprüche

M.JHochleistungs-Kondensator mit Gasdielektrikum, vorzugsweise für Tankkreise in Hochfrequenzgeneratoren und Radiosendern, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden des Kondensators aus zwei Metallrohren (1, 2) mit unterschiedlichen Durchmessern bestehen, die ineinander angeordnet sind, und daß diese Rohre an beiden Enden gasdicht gegeneinander abgedichtet sind, so daß der Luftspalt zwischen den Rohren einen Hohlraum bildet,der mit unter Druck stehendem Gas füllbar ist, während der Raum entlang der Mittelachse des Kondensators frei bleibt und zur Unterbringung der Senderöhre zugänglich ist.
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die gasdichte Abdichtung des Luftspalts zwischen den Rohren an beiden Enden der Rohre ringförmige Isolatoren (3$ 4-) aufweist, die gleichzeitig die Rohre (1, 2) gegeneinander fixieren.

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3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Luftspalt zwischen den zwei Metallrohren (1, 2) an einem Ende des Kondensators mittels eines ringförmigen Isolators (3) und an dem anderen Ende des Kondensators mittels eines metallischen, rotationssymmetrischen Hohlraums abgedichtet ist, dessen Induktivität zusammen mit dem Kondensator einen Parallel-Schwingkreis bildet.

4·. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kapazität des Kondensators dadurch veränderbar ist, daß die Metallrohre von der Außenseite des Kondensators her einem radialen Druck ausgesetzt werden, der den Durchmesser des Rohrs (1') innerhalb der Proportionalitätsgrenze des Metalls verändert.