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Hochspannungskondensatorenbatterie. Pitr diese Anmeldung ist gemäß
dem Unionsvertrage -vom z. Juni igi i die Priorität auf Grund der Anmeldung in der
Schweiz vom 29. Januar igi8 beansprucht. Schaltet man eine Anzahl von Kondensatoren
hintereinander und legt an die Batterie eine Potentialdifferenz v an, so verteilt
sich dieselbe auf die einzelnen Kondensatoren in ganz bestimmter Weise, und zwar
läßt sich die Potentialdifferenz an jedem einzelnen Kondensator, wenn die Kapazitäten
bekannt sind, nach rein elektrostatischen Gesetzen berechnen. Im besonderen Fall,
daß n gleiche Kondensatoren hintereinandergeschaltet sind, verteilt sich die Spannung
v gleichmäßig auf alle Kondensatoren, so daß jeder via Volt auszuhalten hat.
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Dies ist der theoretische Fall. In Wirklichkeit verteilt sich die
Spannung, namentlich bei starker Beanspruchung der Kondensatoren, nicht nach diesen
rein elektrostatischen Gesetzen. Die verwendeten Dielektrica der Kondensatoren sind
keine idealen Isolatoren. Sie besitzen u. a. eine gewisse elektrische Leitfähigkeit.
jeder Kondensator ist demnach in Wirklichkeit als eine Kapazität mit parallel geschaltetem
(großem) Widerstand aufzufassen. Dieser Widerstand bewirkt nun, daß bei statischer
Aufladung der Kondensatorbatterie (Gleichspannung) die Kapazitäten der Kondensatoren
durchaus nicht für die Potentialverteilung maßgebend sind, diese sich vielmehr einzig
nach den Isolationswiderständen der Kondensatoren richtet. Ist die angelegte Spannung
v keine Gleichspannung, 'sondern z. B. Wechselspannung, so werden weder die Kapazitäten
allein noch die Widerstände allein, sondern beide zusammen maßgebend sein.
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Die Art der Potentialverteilung ist nun von großer technischer Bedeutung.
Da man die Reihenschaltung dazu verwendet, um möglichst hohe Spannungen anlegen
zu können, so kommt es darauf an, jeden einzelnen Kondensator auf die größte zulässige
Spannung beanspruchen zu können. Der ideale Fall wäre also dann erreicht, wenn man
die Spannung an der Batterie so hoch steigern kann, daß alle Teilspannungen sich
gleichzeitig dem maximalen, für jeden Teilkondensator zulässigen Werte nähern. Wird
bei einem der Kondensatoren die Durchschlagspannung früher erreicht als bei den
anderen, so kann die Batterie nicht ihre maximale Leistung entwickeln.
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Für Gleichstrombeanspruchung ließe sich der ideale Fall dadurch verwirklichen,
daß man jedem Kondensator die passende Leitfähigkeit erteilte. Dies ist aber praktisch
schwer ausführbar. Nicht einmal der einfachste Fall, daß man bei gleichgebauten
Kondensatoren auf eine gleiche Leitfähigkeit
rechnen kann, ist praktisch
verwirklicht. Es wird dies auch kaum zu erreichen sein, da die Leitfähigkeit der
Kondensatoren sich mit vielen -Faktoren ändert (mit der Höhe der Spannung, mit der
Luftfeuchtigkeit, mit der Zeit usw.). Die Folge davon ist, daß der Kondensator mit
kleinster Leitfähigkeit (also gerade der beste) die höchste Teilspannung auszuhalten
hat und zuerst durchschlägt. Damit sinkt dann auch sofort die Widerstandsfähigkeit
(Durchschlagfestigkeit) der ganzen Batterie, so daß leicht auch noch die anderen
Kondensatoren vernichtet werden.
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Die Erfindung bezweckt nun eine solche Anordnung zu schaffen, daß
unbeschadet der verschiedenen und veränderlichen Leitfähigkeit kein Kondensator
eine zu große Teilspannung erhält, auch wenn die Batterie auf die theoretisch zulässige
Höchstspannung geladen wird, die ferner zugleich ein Durchschlagen einzelner Kondensatoren
bzw. der ganzen Batterie verhindert. Dies wird dadurch erreicht, daß man zu den
in Reihe geschalteten Kondensatoren Funkenstrecken parallel schaltet, die unterhalb
der Durchschlagspannung der einzelnen Kondensatoren in Tätigkeit treten.
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Zwei beispielsweise Anordnungen gemäß Erfindung sind in den Figuren
schematisch wiedergegeben.
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Es bedeuten c,., c2, c3 . . . c" die za hintereinandergeschalteten
Kondensatoren. Zu diesen sind n Funkenstrecken f l, f2, f 3
... f n parallel geschaltet. Der Entladungswiderstand, d. h. der Funkenabstand
ist so gewählt, daß ein Funke jeweils dann übergeht, wenn die betreffende Teilspannung
den maximal zulässigen Betrag erreicht bzw. zu überschreiten droht. $s entlädt sich
dann der betreffende Kondensator teilweise. Seine Spannung sinkt auf einen ungefährlichen
Betrag. Erst wenn seine Ladung durch die Leitfähigkeit der benachbarten Kondensatoren
wieder einen bedrohlichen Betrag angenommen hat, tritt auch die Parallelfunkenstrecke
wieder in Tätigkeit usw. Ein unnötiger Elektrizitätsverlust ist damit nach Möglichkeit
vermieden, ein Ausgleich findet nur bei Überanspruchung der Kondensatoren statt.
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Um dieses Ziel möglichst vollkommen zu erreichen, weist die Anordnung
im einzelnen noch einige höchst zweckmäßige Verbesserungen auf, die bezwecken, i.
daß die Entladung durch den Funken die richtige Intensität und Qualität hat, insbesondere,
daß die Wirkung möglichst gleichmäßig ist und keine störenden Spannungsschwankungen:
im übrigen Teile der Batterie auftreten, z. daß der Funke auch sicher bei der gewünschten
Spannung einsetzt.
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Zunächst ist vor jede Funkenstrecke ein .größerer Widerstand geschaltet,
der einesteils eine zu starke Funkenentladung verhindert, andernteils dafür sorgt,
daß die Entladung des Kondensators nicht oszillatorisch erfolgt, was schädliche
Überspannungserscheinungen hervorrufen könnte. Der Vorschaltwiderstand besteht in
der Fig. z für jede Funkenstrecke aus zwei vorgeschalteten Widerständen w, w'1,
bzw. w2, w'2 bzw. w3, w'3 ... wn, w' n, von welchen an jeder Seite
der Funkenstrecke einer vorgeschaltet ist. Die Widerstände w'1, w'2, w'3 ...
w'" könnten auch Null sein.
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Wie Fig. z zeigt, können die Widerstände Z"1 und w2 sowie w'2 und
w3 usw. jeweils zusammengezogen werden zu einem einzigen Widerstand w, bzw. w2.
. ., wenn die Funkenstrecken parallel zu hintereinandergeschalteten Kondensatoren
c, e2, c3 ... c. liegen. In die Zuführung zu zwei aufeinanderfolgenden Funkenstrecken
ist nur ein Widerstand gelegt worden. In diesem Fall sind alle Funkenstrecken direkt
in Reihe geschaltet.
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Unter Umständen, d. h. bei gewissen Abmessungen der Widerstände und
Funkenstrecken ist es angezeigt, noch eine besondere Einrichtung dafür zu treffen,
daß die Funkenströme nicht zu lange andauern, die Entladung der Kondensatoren also
nicht zu weit erfolgt. In diesem Falle würden zu große und unregelmäßige Schwankungen
der Teilspannungen und damit ein ungleichmäßiges Arbeiten der Kondensatorenbatterie
die Folge sein. Das wird nun gegebenenfalls dadurch vermieden, daß man die Funken
oszillatorisch macht. Dabei muß aber immer dafür gesorgt sein, daß die Entladung
der Kondensatoren c, c2, c3 . . . c" selbst nicht oszillatorisch sei. Dies
wird erreicht, indem man zu -den Funkenstrecken Hilfskondensatoren parallel schaltet,
wobei j e eine Funkenstrecke mit einer Hilfskapazität einen Schwingungskreis bildet.
Die Hilfskapazitäten sind in Wirklichkeit klein gegenüber c,, c2, C
... cn und haben nur den Zweck, dafür zu sorgen, daß die einsetzende Entladung
infolge ihres oszillatorischen Charakters schnell wieder abreißt.
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Damit eine Funkenstrecke bei einem bestimmten Potential (dem Funkenpotential)
sicher entspricht; ionisiert man zweckmäßigerweise die Luft zwischen den Elektroden,
weil man sonst oft bedeutend höhere Spannungen an die Elektroden anlegen kann, ohne
daß ein Funke- eintritt. Diese Funkenverzögerung. wird vorteilhaft durch Anbringen
l einer radioaktiven Substanz an den Funkenstrecken t1, f 2, ß . . . f n
aufgehoben, so daß die Funkensicherungen sicher bei der gewünschten Spannung arbeiten.
Die radioaktive Substanz (etwa Uranoxyd) kann so angebracht
-werden,
daß sie die Funkenstrecke dauernd bestrahlt, aber selbst vor mechanischen Einflüssen,
etwa durch den Funken selbst, geschützt ist. Sie- kann z. B. in einer Aushöhlung
der Funkenelektroden angebracht sein.
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Es ist ersichtlich, @laß die Kondensatoren cl, c2, c2 . . .
c, wieder aus mehreren parallel geschalteten Kondensatoren bestehen können, ohne
daß dadurch die Anordnung dem Sinne nach geändert würde. Ferner kann der Fall eintreten,
daß einzelne der Funkenstrecken weggelassen -werden können. Die Funkenstrecken selbst
können entweder in freier Atmosphäre oder in einem abgeschlossenen Gefäß angebracht
sein. In letzterem Fall können der Gasdruck und die Gasfüllung zweckentsprechend
gewählt -werden.