DE2919562C2

DE2919562C2 - Hochleistungskondensator

Info

Publication number: DE2919562C2
Application number: DE2919562A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ekerö Külper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-16
Filing date: 1979-05-15
Publication date: 1987-04-30
Also published as: SE415420B; US4342066A; DE2919562A1; SE7805611L

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungskondensator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hochfrequenzkondensator und Leistungsverstärker in Radiosendern, die im Klasse-C-Betrieb mit Hochvakuumröhren betrieben werden, erfordern Schwingkreise mit hoher Blindleistung. Hochfrquenzgeneratoren mit einer Leistung von beispielsweise 100 kW können eine Blindleistung von 10 MVA aufweisen. Bei einer Spannungsamplitude mit einem Effektivwert von 8 kV_rms, die durch die Anodenspannung der Senderöhre gegeben ist, erreicht der Strom im Schwingkreis 1250 A. Bei der Betriebsfrequenz müssen die Induktivität und die Kapazität des Kreises eine Reaktanz von + oder - 8000 V/ 1250 A = 6,4 Ohm aufweisen. Bei den für Industriegeneratoren üblichen Frequenzen von 0,5 MHz (für induktive Heizung) oder 27 MHz (für dielektrische Heizung) betragen die Kapazitätswerte 50 oder 1 nF.

Die Kapazität von 50 nF, wie sie für die Frequenz von 0,5 MHz 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 kW 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 Metallbelägen und atmosphärischer Luft als Dielektrikum erfordert bei dem gewählten Beispiel (1 nF, 8 kV) einen Luftspalt von etwa 13 mm und eine Belagfläche von etwa 1,5 m². Bei Vakuum oder Druckgas kann der Abstand zwischen den Belägen und folglich auch die Belagfläche auf etwa ¹/₅ herabgesetzt werden. Die Beläge 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 dem Belag, an dem der Draht angeschlossen ist, sehr hitzeempfindlich ist, ist die Strombelastbarkeit des Kondensators auf einige 100 A begrenzt. Bei Verwendung eines Vakuum- oder Druckgaskondensators bekannter Bauart muß daher bei dem beispielsweise gewählten 100 kW-Generator eine Vielzahl von Kondensatoreinheiten parallelgeschaltet werden. Die Induktivitäten und Streukapazitäten der Verbindungen zwischen den Einheiten bilden neue abgestimmte Kreise, die es schwieriger machen, eine gleichmäßige Stromverteilung zwischen den Kondensatoren zu erzielen 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 Beläge dazu, daß die stets in Gestalt von stehenden Wellen auftretenden internen Resonanzen eine Frequenz in der Nähe der zweiten oder 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 Belägen zusammen mit der Ausgangskapazität 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.

Ein Hochleistungskondensator der eingangs genannten Gattung ist in der DE-PS 1 71 117 beschrieben. Diese bekannte Kondensatoranordnung besitzt ein Druckgas-Dielektrikum und besteht aus einer Vielzahl von Röhrenkondensatoren aus im Abstand konzentrisch angeordneten Metallrohren, die parallel zueinander ringförmig angeordnet sind. Diese Anordnung von Rohrkondensatoren ist in einem gasdicht geschlossenen Behälter aufgenommen, der insgesamt mit Druckgas gefüllt ist. Wenn eine derartige Kondensatoranordnung mit einem weiteren elektrischen Bauelement, beispielsweise einer Senderöhre verbunden werden soll, sind Verbindungsleitungen der Kondensatoren mit der Senderöhre erforderlich, die eine unerwünscht hohe Induktivität aufweisen, welche den Einsatz im Hochfrequenzbereich, beispielsweise im Kurzwellenband, verbietet.

Aus DE-PS 5 18 497, sowie DE-OS 16 64 169 und DE-GM 17 96 813 sind ferner hohlzylindrische Wickelkondensatoren bekannt, die aus einer aufgewickelten Metallfolie mit festem zwischenliegendem Isolierstoff als Dielektrikum bestehen. Dabei ist jeweils vorgesehen, daß der Innenraum des hohlzylindrischen Kondensators längs der Mittelachse zur Aufnahme eines weiteren Bauelements zugänglich ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Hochleistungskondensator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, der mit geringer Induktivität mit einer Verstärkerröhre koppelbar ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich also dadurch aus, daß die Metallrohre an beiden Enden gasdicht gegeneinander abgedichtet sind, so daß ein besonderer Druckbehälter entfällt, und daß der Innenraum des Innenrohrs zur Unterbringung einer Verstärkerröhre frei zugänglich ausgebildet ist. Dadurch ergeben sich sehr günstige Verbindungsmöglichkeiten des Kondensators mit der entsprechenden Anschlußelektrode der Verstärkerröhre, so daß auch niedrige Induktivitätswerte dieser Verbindung ohne weiteres erzielbar sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Radialschnitt einer ersten Ausführungsform eines Kondensators;

Fig. 2 einen Radialschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Kondensators; und

Fig. 3 eine teilweise radial geschnittene Darstellung eines mit dem Kondensator ausgestatteten Oszillators.

Der Kondensator mit den Merkmalen der Erfindung (Fig. 1) besteht aus nur zwei Metallröhren 1 und 2 mit einem verhältnismäßig geringen Durchmesserunterschied. 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 SF₆, gefüllt werden kann. Nach den Ergebnissen von durchgeführten Untersuchungen kann ein Kondensator mit einem Spalt von 2 mm und einem Gasdruck von 4 Bar eine Hochfrequenzspannung mit einem Spitzenwert von 15 kV verarbeiten. Die Abdichtung zwischen den ringförmigen Isolatoren und den Metallrohren kann die Gestalt von Gummi- Dichtungen aufweisen, wenn diese Dichtungen durch Einziehen in das Metall nicht dem elektrischen Feld ausgesetzt sind. Die Kondensatoranschlüsse können die Gestalt von Flanschen an jedem Rohr aufweisen und können aufgrund ihrer großen Oberflächen ohne nennenswerte Wärmeentwicklung Tausende von Ampere 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, eine Senderöhre im Mittelpunkt des Kondensators anzuordnen. Dadurch kann die Induktivität der Verbindung zwischen der Röhre und dem Kondensator sehr klein gehalten werden, was für den Wirkungsgrad der Senderöhre 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 ringförmigen Isolatoren 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 niedriger Weite ergibt. Ein entsprechender Schwingkreis mit gleicher Induktivität und gleichem Zylinderdurchmesser, jedoch mit atmosphärischer Luft als Dielektrikum im Kondensator würde einen fünfmal größeren Luftspalt erfordern und deshalb auch fünfmal längere Zylinder, die ihrerseits zu fünfmal größeren Verlusten führen würden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde praktisch in einem Oszillator für 27 MHz untersucht, der mit einer 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&min; und 2&min;, die durch Pressen hergestellt wurden. Diese Kupfertöpfe sind miteinander über ein Kupferrohr 3&min; verbunden. Die Verbindung ist derart aufgebaut, daß ein Zinnlötung ausreichend stark und stabil ist und gleichzeitig einen Platz für Kühlschleifen 4&min; bildet. Ein Isolierring 5&min; besteht aus Polypropen und wird durch einen leichten Metallring 6 an seinem Platz gehalten. Die Abdichtung zwischen den unterschiedlichen Ringen besteht aus Gummidichtungen.

Die im Zentrum 7 des Schwingkreises angeordnete Senderöhre ist durch sechs keramische Scheibenkondensatoren 8 abgestützt, die die Anode mit dem Schwingkreis 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 Kühlschleifen 4&min;) 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 eine Drossel 11 zum Gitterableitwiderstand weggeführt. Die Kathode ist mittels einer Kupferfolie mit dem geerdeten Metallring 6 verbunden.

Bei dem 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 die Beläge bildenden Metallrohren wird der Kapazitätswert in starkem Maße von einer geringen Veränderung des Durchmessers beeinflußt, wie sie beispielsweise durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem äußeren Metallrohr und dem inneren Metallrohr hervorgerufen wird. Es ist daher wesentlich, daß das Kühlwasser in den Kühlschleifen die gleiche Temperatur aufweist. Andererseits kann die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen im Durchmesser der Metallrohre 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 das äußere Rohr 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 ein Diskriminator zur Steuerung zweier Magnetventile angeordnet sein, der durch Erhöhung oder Verminderung des Drucks die Frequenz innerhalb einer Grenze von ¹/₂% bis 27,12 MHz hält.

Bei praktischen Untersuchungen zeigte dieser Aufbau die folgenden Vorteile:

1. Hoher Gesamtwirkungsgrad, teilweise aufgrund des hohen Q-Werts des Schwingkreises, der gemäß einem kalorimetrischen Verfahren zu etwa 5000 gemessen wurde, teilweise aufgrund der niedrigen Induktivität zwischen dem Schwingkreis 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.
4. Geringe Empfindlichkeit gegen Staub und Luftfeuchtigkeit.
5. Raumersparnis.
6. Geringe Prokuktionskosten wegen des einfachen Zusammenbaus von ziemlich kleinen durch Pressen hergestellten Teilen.

Claims

1. Hochleistungskondensator mit zwei im Abstand ineinander angeordneten, die Beläge bildenden Metallrohren unterschiedlichen Durchmessers, wobei ein Spalt zwischen den Metallrohren mit unter Druck stehendem Gas als Dielektrikum gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallrohre (1, 2) an beiden Enden gasdicht gegeneinander abgedichtet sind und daß der Innenraum des inneren Rohrs (2) zur Aufnahme einer Verstärkerröhre ausgebildet und zugänglich ist.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte Abdichtung des Spalts zwischen den Metallrohren an beiden Enden ringförmige Isolatoren (3, 4) aufweist, die gleichzeitig die Metallrohre (1, 2) gegeneinander fixieren.

3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen den zwei Metallrohren (1, 2) an einem Ende des Kondensators mittels eines ringförmigen Isolators (3) und an dem anderen Ende mittels eines metallischen, rotationssymmetrischen Hohlraums (5) abgedichtet ist, dessen Induktivität zusammen mit dem Kondensator einen Parallel-Schwingkreis bildet.

4. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (13, 14) zur Veränderung der Kapazität des Kondensators vorgesehen ist, mit der durch Ausübung einer Radialkraft auf das äußere Rohr (1) dessen Durchmesser veränderbar ist.