DE294914C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Alle bisher konstruierten Potentialverstärker, Multiplikatoren und andere Vorrichtungen, die mit Schaltungen von Kondensatoren arbeiten, um hochgespannten Gleichstrom zu. erzielen, beruhen mehr oder minder auf dem Prinzip, parallel geschalteten Kondensatoren eine niedrige Spannung zuzuführen und ihnen dann in Reihenschaltung die hineingeführte Elektrizitätsmenge als Hochspannung zu entnehmen. Hierdurch erreichte man aber nur einen sehr stark intermittierenden, hochgespannten Gleichstrom. Selbst wenn man diesen nun erst dazu benutzte, um eine große Kapazität aufzuladen, war der dieser Kapazität entnommene Entladungsstrom für die meisten Laboratoriumsversuche unbrauchbar; denn selbst diese große Kapazität hatte kein bei gleicher "Belastung konstantes Potential, weil der Ladestrom ja in der Sekunde zwanzig- bis fünfzigmal auf Null sank. Auch Maschinen, die mit anderen Schaltungen von Kondensatoren arbeiteten, wie z. B. mit ,dauernder Reihenschaltung, konnten wegen des starken ■Funkens am Schaltwerk, der entstehenden elektrischen Schwingungen und vieler anderer Ubelstände nie in die Laboratoriumspraxis eingeführt werden.

So war man also immer auf die kostspieligen Hochspannungsakkumulatorenbatterien oder auf die noch teureren Gleichstrom-Hochspannungs-Dynamomaschinen oder aber auf die inkonstanten und energieschwachen Influenzmaschinen angewiesen.
Unter Anwendung des vorliegenden Verfahrens ist es nun möglich, bei ein und derselben Belastung der Maschine sehr konstanten hochgespannten Gleichstrom zu erzielen.

Das Verfahren besteht darin, daß eine Reihe ständig in Reihe geschalteter Kapazitäten (elektrostatischer Kondensatoren, elektrolytischer Kapazitäten oder Akkumulatoren) durch ein Schaltwerk, das mit Vorrichtungen zur Vermeidung des zerstörenden Ladefunkens versehen ist, einzeln von einer Gleich- oder Wechselstromquelle aufgeladen wird, während an den beiden Enden der Kondensatorenreihe nahezu die Summe dieser einzelnen Ladespannungen als Hochspannung abgenommen wird.

Eine Ausführungsform des Verfahrens zeigt Fig. I. Die ständig in Reihe geschalteten Kondensatoren C₁, C₂ ... C₁₀ sind feststehend angebracht. Die Enden der einzelnen Kondensatoren sind mit Messingsektoren eines feststehenden Glimmerringes in der Weise verbunden, wie es aus der Fig. 1 hervorgeht. Der umlaufende Messingarm JIi trägt zwei durch Spiralfedern gegen die Sektoren gepreßte Kohlezylinder, wie sie für die Schleifbürsten von Motoren verwendet werden. Diese· beiden Kohlekontakte stehen mit zwei auf der Achsel sitzenden Schleifringen in Verbindung, denen die Metallfedern K₁ und K₂ den Ladestrom der Niederspannungsbatterie oder Gleichstrommaschine B zuführen. Durch Drehung des Armes JIf wird die Ladung den einzelnen Kondensatoren nacheinander zugeführt, indem der jedesmalige Ladestrom erst durch die mit S₁ bezeichneten Sektoren und die Dämpfungswiderstände W in

geschwächter Form und daher ohne Funkenbildung den Kapazitäten zufließt, die erst nach Kontakt der Bürsten mit den Sektoren S₂ voll aufgeladen werden. Die Dämpfungswiderstände W bestehen aus mit Graphit bestrichenen Papierstreifen, die jedem Sektorenpaar S₁S₂ untergelegt sind. Die Dämpfungswiderstände brauchen selbstverständlich nicht an jedem Kondensator einzeln, wie eben beschrieben, angebracht werden, sondern können gemeinsam als ein Widerstand für alle Kondensatoren durch Anwendung von drei rotierenden Bürsten anstatt zweier ausgebildet werden, wie Fig. 2 zeigt. Von den Klemmen K₃ und if₄ kann der hochgespannte Gleichstrom abgenommen werden. Für Präzisionsversuche wird noch parallel zu K₃ und K_i eine Kapazität geschaltet, um die bei starker Hochspannungsstromentnahme auftretende, schwach undulierende Stromkurve in eine Gerade zu verwandeln. Da bei Erdung der Klemme K₃ sich die Batterie B, nachdem sie den Kondensator C₁₀ geladen hat, auf einem sehr hohen Potential gegen Erde befindet, würde sich beim Nähern der Kohlebürste an den ersten zum Kondensator C₁ gehörigen, geerdeten Messingsektor ein Gleitfunke ausbilden und den Kollektor an dieser Stelle bald zerstören. Um' dies zu verhindern, wird der Funke durch den vorstehenden Drahtbüschel D abgefangen.

Den hochgespannten Gleichstrom kann man in einer zweiten Vorrichtung, die der eben beschriebenen analog ist und mit ihr in einfacher Weise auf derselben Achse kombiniert ist, wieder als Ladestrom benutzen und so eine weitere Multiplikation der Spannung erreichen.

Die kinematische Umkehr der ganzen Anordnung ist natürlich ebenfalls möglich, z. B.

kann der Messingarm M stillstehen und der Glimmerring mit Sektoren und Kondensatoren in Gestalt eines zylinderförmigen Körpers ähnlich wie der Kollektor einer Gleichstromdynamomaschine umlaufen.

" Es sind früher solche ähnlichen Einrichtungen . mit dauernder »Reihenschaltung« der Kondensatoren gebaut worden, doch sind sie niemals zur, praktischen Verwendung gekommen, weil beim jedesmaligen Aufladen der Einzelkapazität am Kollektor ein starker Funke auftrat, der bei Entnahme von Hochspannungsstrom von mehr als 1 Milliampere den Kollektor nach kurzer Zeit zerstörte. Auch entstanden schnelle elektrische Schwingungen, die die An-Wendung des hochgespannten Gleichstroms für die genaue Laboratoriumsarbeit unmöglich machten.

Die Wichtigkeit der Funkenvermeidung geht aus folgenden Überlegungen besonders klar hervor: .Es werde eine konstante Ladespannung, z. B. 220 Volt, beim Umlaufen der Bürsten an ! je einen Kondensator nacheinander angelegt. Der zu ladende Kondensator ist dabei gewöhnlich stark entladen, so daß er entweder die Spannung 0 oder höchstens die Hälfte der Ladespannung, z. B. 110 Volt, hat; beim Laden steigt dann die Spannung des zu ladenden Kondensators sinusförmig auf den Scheitelwert 220 Volt. Zur Zeit kurz vor Aufladung des Einzelkondensators besteht also eine große Differenz zwischen Ladespannung und Spannung des zu ladenden Kondensators. Es tritt daher im ■ Augenblick der ersten Berührung der Ladebürsten mit den Lamellen, wo de; Kontakt also noch recht mangelhaft ist, infolge der noch ungeheuer kleinen, oft punktförmigen Berührungsfläche ein starker Ladestoß auf mit allerlei schädlichen Begleiterscheinungen, wie z. B. schnelle elektrische Schwingungen, spritzender Hochfrequenzfunke. In dem Augenblick, in dem die Ladebürsten die Lamellen völlig berühren, ist die Ladung schon fast vollständig erfolgt; in ungefähr V₁₀₀₀₀ Sek. ist die ganze Energie auf den Kondensator übergegangen, was vielleicht einer Stromstärke von vielen Hunderten Ampere entsprechen kann. Um dies zu vermeiden, wird erfmdungsgemäß eine aperiodische, langsam ansteigende Ladung über die beschriebenen Dämpfungs-, widerstände mittels Gleichstroms gewählt. go

Bei sehr großen Energien wird Funken freiheit durch Verwendung von Wechselstrom als Ladestrom erzielt, dessen Phase so gewählt ist, daß jedesmal im Augenblick der beginnenden Berührung der Ladebürsten mit irgend zwei Lamellen, zwischen denen der gerade zu ladende Kondensator liegt, die Amplitude des Wechselstroms von Null sinusförmig auf den Scheitelwert- ansteigt. Wenn der Scheitelwert erreicht ist, müssen die Ladebürsten auch gerade wieder im Begriff sein, die Lamellen zu verlassen und den Kontakt aufzuheben. Hat also der Kondensator die Scheitelspannung erreicht, so ist die Ladestromstärke gerade gleich Null; die Bürsten verlassen die Lamellen ebenso funkenlos, wie sie bei Beginn der Ladung an sie herangekommen sind.

Entsprechend dem sinusförmigen Potentialanstieg des einzelnen zu ladenden Kon densators des Hochspannungsgenerators wird die Spannung der ladenden Stromquelle auch sinusförmig gestaltet, und zwar von einer Schwingungsdauer, die es bequem gestattet, daß die Ladebürste die Lamelle ganz und unter sicherem Kontakt berührt, bevor die Scheitelspannung des Ladestroms erreicht ist. Während also die Bürste von einer Lamelle zur darauffolgenden Lamelle sich bewegt, muß eine Periode des Wechselstroms verflossen sein.

Eine mögliche Ausführung dieses Gedankens ist folgende: Die Kondensatormaschine wird

mit der Achse einer hochperiodigen Wechselstromdynamo gekuppelt, und immer in der eben beschriebenen Weise eine, bestimmte Strecke der aufsteigenden Kurve jedes Wechsels zum Lader} je eines Einzelkondensators benutzt, und zwar, i wenn sehr hohe Sekundärgleichspannungen verlangt werden, unter Zwischenschaltung eines Transformators. Der Anzahl der Messingsektoren des Hochspannungsmultiplikators muß natürlich eine bestimmte Polzahl der Wechselstrommaschine entsprechen. Kuppelt man z. B. eine kleine 12 polige Wechselstromdynamo von 2 K.W., 30 Touren und 180 Perioden pro Sek. mit einem Hochspannungsmultiplikator aus 10 (2 M.E.) Kondensatoren, die durch Transformator auf je 2000 Volt geladen wurden, so erhält man 20 000 Volt und 0,1 Ampere (2 K.W.) vollkommen exakten Gleichstrom.
Die Wechselstrommaschine kann bei kleineren Leistungen durch einen Schwingungskreis ersetzt werden, indem man in den Ladestromkreis ein 3 regelbare Selbstinduktion L und einen großen Hilfskondensator Ch einschaltet, die mit jedem Einzelkondensator C ein schwingungsfähiges Gebilde darstellen. Ist die Periode dieser Schwingung synchron mit dem Tempo der Ladungsstöße, so erreicht man ebenfalls einen vollkommen funkenfreien Gang der Maschine. Führte man dieser aus zwei kleinen Hochspannungsakkumulatorenkästen von »Klingelfuß« eine Gesamtspannung von 240 Volt zu, so lieferte die Vorrichtung ohne Entnahme von Hochspannungsstrom eine Sekundärspannung von 12 X 240 = 2880 Volt, da 12 Kondensatoren in Reihe geschaltet waren. Bei Belastung fiel natürlich die Spannungskurve, wie es ja bei den Charakteristiken der Hochspannungs-Gleichstrom-Dynamomaschinen auch der Fall ist. Bei 50 Milliampere Belastung zeigte das Voltmeter noch 2000 Volt an. _t Die Maschine lief nur mit 20 Touren pro Sekunde. Bei größerer Drehzahl kann man natürlich bedeutend größere Stromstärken entnehmen, ohne daß die Spannung wegsinkt.

Claims (2)

Patent-An Sprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung hochgespannten Gleichstroms durch eine Reihe ständig hintereinander geschalteter Kapazitäten (elektrolytische Kapazitäten, elektrostatische Kondensatoren, Akkumulatoren), die durch ein Schaltwerk einzeln nacheinander aufgeladen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung des Ladefunkens beim Umlaufen der Bürsten der Ladestrom durch einen Kontakt mit schmalen Metall-Lamellen

o. dgl. erst einen Dämpfungswiderstand durchfließen muß, bevor er widerstandslos die Einzelkapazität auflädt.

2. Verfahren zur Erzeugung hochgespannten Gleichstroms nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Laden der einzelnen Kapazitäten ein Wechselstrom benutzt wird, dessen Spannung entsprechend dem sinusförmigen Potentialanstieg des einzelnen zu ladenden Kondensators ebenfalls sinubförmig gestaltet wird und eine Schwingungsdauer besitzt, die gestattet, daß die Ladebürste die Lamelle unter sicherem Kontakt berührt, bevor die Scheitelspannung des Ladestroms erreicht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.