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Anordnung zur Erhöhung der maximalen Sperrspannung an Funkenstrecken-Gleichrichtern
mit unsymmetrischen Elektroden Es ist bekannt, daß in unhomogenen, unsymmetrischen
elektrischen Feldern die Überschlagspannung bei positiver Polarität der kleineren
Elektrode bedeutend geringer ist als bei negativer Polarität. Es ist weiter bekannt,
derartige Anordnungen, die wohl meistens aus Funkenstrecken Spitze-Platte bestehen,
als Gleichrichter zu benutzen.
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Die Grenzen des Arbeitsbereiches eines derartigen Gleichrichters ergeben
sich aus den Charakteristiken: Überschlagspannung als Funktion des Elektrodenabstandes
für positive und für negative Polarität der Spitze (Abb. i). Diese Kurven stellen
für die gleichzurichtende Wechselspannung den Verlauf der Zündungs-(Kurve a) bzw.
der Rückzündungspannung (Kurve b) des Gleichrichters dar und gelten in gewisser
Hinsicht für alle Schaltungsarten der Funkenstrecke, gleichgültig, ob die Spitze
oder die Platte an Erde gelegt, d. h. gleichgültig, ob die negative oder positive
Gleichspannung gegen Erde erzeugt werden soll. Für die Zündungskurve wird nämlich
die Spitze immer positiv gegenüber der Platte sein, während im Rückzündungsmoment,
das ist im Augenblick der größten Sperrspannung, die Platte immer positiv gegenüber
der Spitze ist.
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Die Benutzung des Gleichrichters für höhere Spannungen, also größere
Abstände der Elektroden, begegnet verschiedenen Schwierigkeiten, die man aus dem
Verlauf der Rückspannungskurven leicht ersehen kann. Von einem kritischen Elektrodenabstand
d ab weist die Kurve b knickartig eine Änderung des Steigungsmaßes auf. Die Differenz
zwischen Zündungspannung und Rückzündungspannung wird mit zunehmendem Abstand immer
kleiner, weil die Zündungskurve das gleiche Steigungsmaß behalten hat. Es kommt
deshalb eine Verwendung derartiger Funkenstrecken als Gleichrichter ohne weiteres
nicht mehr in Frage. Besonders stark tritt die genannte Erscheinung auf, wenn zur
Erzeugung negativer Gleichspannung gegen Erde die große Elektrode an den nicht geerdeten
Wechselspannungspol gelegt wird. Aus photographischen Aufnahmen ist genau ersichtlich,
daß der Überschlagfunke nicht den kürzesten Weg wählt, sondern von dem Rand der
Platte :z ausgeht und zum Spitzenschaft bzw. zur Spitze i läuft. Die Überschlagfunken
zwischen der kleinen Elektrode i und der großen Elektrode 2 für Zündung Z und Rückzündung
R beschreiten also verschiedene Wege (Abb. 2). Die Ursache für die Änderung der
Charakteristik dürfte auf Einflüsse des Plattenrandes zurückzuführen sein, die sich
besonders bei geringem Radius des Plattenrandes und bei Vorhandensein kleiner Unebenheiten,
die praktisch schwer zu vermeiden sind, geltend machen.
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Um diese Einflüsse zu vermeiden bzw. zu verringern, müßten die Platten
größer gewählt werden, als dies zur Erreichung einer genügenden
Unsymmetrie
des Feldes nötig wäre, und müßten sehr gute gleichmäßige Abrundungen besitzen. Die
Herstellung einer solchen Anordnung für hohe Spannungen über 2ookV Sperrspannung
würde sehr viel Platz und hohe Kosten verursachen.
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Die Vermeidung der Randwirkungen trotz Verwendung von Platten, deren
Größe nur durch die nötige Unsymmetrie des elektrischen Feldes bedingt sind und
ohne jede Abrundung ausgeführt werden können, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Die am Plattenrande durch Stoßionisation entstehenden Büschel werden
hervorgerufen durch Elektronen, die von der in der Sperrzeit positiven Plattenelektrode
angezogen werden. Da die Geschwindigkeit der Elektronen weitaus größer ist als die
der positiven Ionen, entstehen positive Raumladungen, die das positive Potential
vom Plattenrande in fast voller Höhe weit in das elektrische Feld vorschieben und
so eine stark vergrößerte Beanspruchung des Restweges zur Platte und damit eine
starke Herabsetzung der Überschlagspannung bewirken. Diese Wirkung wird noch besonders
dadurch gesteigert, daß diese Raumladungen in scharfen Spitzen enden, so daß die
Feldstärke am Ende der Raumladungen besonders hoch ist.
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Durch einen Schirm 3 (vgl. Abb. 3), der in der Nähe der Platte 2 parallel
zu dieser in das Feld hineingestellt wird, können die Elektronen in ihrer Bewegung
zum Plattenrande aufgehalten werden, so daß die Möglichkeit der Stoßionisation und
damit das Vorschieben positiver Ladungen begrenzt wird. Als Material für den Schirm
dürfte im allgemeinen ein Isolierstoff in Frage kommen. Da dieser Schirm ja nur
die Elektronenbewegung hemmen soll, ist für die Stärke des Schirmes 3 in der Hauptsache
die mechanische Festigkeit des Materials maßgebend.
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Es wurde durch eingehende Versuche festgestellt, daß bei Einführung
eines solchen Schirmes eine Veränderung der Rückzündspannungscharakteristik vom
kritischen Abstand jetzt nicht mehr eintritt; die Rückzündspannung verläuft jetzt
nach der Kurve c in Abb. z ; es nehmen trotz großer Elektrodenabstände die maximalen
Sperrspannungen den dreifachen Wert der Zündspannungen an, so daß die Gleichrichterwirkung,
soweit sie auf Grund der Feldunsymmetrie möglich ist, wiederhergestellt wird. Um
die Gleichrichterwirkung voll zu erhalten, darf andererseits aber die Zündungsspannung
in ihrer Höhe nicht vergrößert werden. Der Schirm 3 erhält deshalb in dem der Plattenmitte
gegenüberstehenden Teil eine Aussparung q. (Abb. 3), so daß die durch die Zündspannung
hervorgerufenen, von der Spitze z ausgehenden Überschlagfunken ungehindert und ohne
den Schirm zu beschädigen, zur Mitte der großen Elektrode 2 gelangen können.
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Es wird also die Erkenntnis, daß die durch Randwirkung beeinflußten
Rückzündungsüberschläge einen anderen Weg wählen als die Zündungsüberschläge, angewandt
zur Anordnung einer Teilschirmung. Der gewollte Zündungsüberschlag_ kann von der
Spitze zur Plattenmitte ugehindert erfolgen, der Weg vom Plattenrand zum Spitzenschaft
ist für den Rückzündungsüberschlag verbaut; es bleibt auch hier nur der Weg von.
der Plattenmitte zur Spitze. Das ist aber der Weg für den Rückzündungsüberschlag,
der nicht durch den Elektrodenrand beeinflußt ist.
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Es wird darauf hingewiesen, daß es an sich bekannt ist, bei Funkenstrecken-Gleichrichtern
parallel zur großen Elektrode eine Isolierfläche anzuordnen, und daß es weiterhin
noch bekannt ist, bei derartigen Gleichrichtern ausdrücklich zur Verhinderung der
Rückzündung Isolierschirme vorzusehen. Die zu diesem Zweck angebrachten Isolierschirme
sind jedoch nicht in der Nähe der größeren Elektrode parallel zu dieser angeordnet
und ergeben daher auch nicht die gerade durch die Anordnung des Isolierschirmes
parallel zu der größeren Elektrode erreichte vorteilhafte Wirkung der Verhinderung
des Vorschiebens positiver Raumladungen von der größeren Elektrode aus.