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Anordnung zur Stromumformung mit Hilfe von Gas- oder Dampfentladungsgefäßen
' mit lichtbogenartiger Entladung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stromumformung
mit Hilfe von Entladungsapparaten mit Gas- oder Dampffüllung, lichtbogenartiger
Entladung und flüssiger oder Glühkathode, deren Anoden in vom Kathodenraum getrennten
rohrförmigen Ansätzen untergebracht sind. Bei Entladungsapparaten mit Gas- oder
Dampffüllung ist es bekanntlich zur Erhöhung der Durchschlagsspannung notwendig,
den Druck niedrig zu halten. Während der Sperrperiode des Entladungsgefäßes entsteht
nämlich eine Glimmentladung, bei der einzelne Anoden des Entladungsgefäßes von positiven
Ionen mit sehr hoher Geschwindigkeit getroffen werden. Dadurch treten bei den bekannten
Anordnungen sehr leicht Rückzündungen auf, weil unter dem Einfluß der auftreffenden
Ionen eine lokale Erwärmung von Teilchen stattfindet, die im erwärmten Zustand zum
Aussenden von Elektronen befähigt sind. Zur Verminderung dieser Gefahr ist es gebräuchlich,
bei Gas- oder Dampfentladungsapparaten für hohe Spannung den Druck erheblich niedriger
zu wählen als bei niedriger Anodenspannung. Dieses Verfahren zum Betriebe von Gas-
oder Dampfentladungsapparaten für hohe Spannung hat jedoch den Nachteil, daß sehr
leicht erhebliche Überspannungen zwischen den Anoden der Kathode und dem Gefäß auftreten.
Besonders in den Anodenarmen bzw. Anodenschutzrohren tritt bei großer Stromstärke
bei der niedrigen Dichte des Dampfes oder Gases ein Mangel an positiven Ionen auf.
Zur Herstellung betriebssicherer Vakuumentladungsapparate ist es deshalb notwendig,
einen Gasdruck zu wählen, bei dem auch bei hoher Anodenspannung nur eine geringe
Glimmentladung auftritt und bei dem andererseits während der Durchlaßperiode auch
bei großer Stromstärke kein Mangel an Ionen auftritt.
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Es ist selbstverständlich nicht immer möglich, beide Bedingungen gleichzeitig
in vollkommener Weise zu erfüllen. Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet
deshalb eine Anordnung zur Stromumformung mit Hilfe von Gas-, oder Dampfentladungsgefäßen
mit lichtbogenartiger Entladung und flüssiger oder Glühkathode, deren Anoden in
vom Kathodenraum getrennten rohrförmigen Ansätzen (Anodenarmen) untergebracht sind,
die sich von dem Bekannten dadurch unterscheidet, daß der Druck in dem Entladungsgefäß
derart niedrig gewählt ist, daß bei der vorhandenen Betriebsspannung
trotz
ausreichenden Elektrodenabstandes eine merkliche Entladung in der Durchlaß- und
in der Sperrichtung wegen der geringen Zahl der möglichen Zusammenstöße zwischen
Elektronen und Gasteilchen aus sich heraus weder einsetzen noch bestehen kann, und
bei der ferner je Anodenarm eine oder mehrere Magnetspulen vorgesehen sind, die
nur während der Dauer der Durchlaßperiode oder während eines Teiles derselben eingeschaltet
sind und in dieser Zeit Magnetfelder solcher Feldrichtung erzeugen, daß die Elektronenbahnen
erheblich verlängert werden. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit zu Zusammenstößen
zwischen Elektronen und Gasteilchen derart erhöht, daß eine Entladung zwischen Anode
und Kathode durch die ionisierten Gasteilchen zustande kommen kann.
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Die Erfindung soll an Hand der Abbildung auseinandergesetzt werden,
die in schematischer Darstellung als Ausführungsbeispiel einen Glühkathodengleichrichter
mit Gas- oder Dampffüllung «-iedergibt. Einen Teil der von der Kathode a ausgesandten
Elektronen bewegt sich unter dem Einfluß der positiven Spannung der in einem rohrförmigen
Ansatz befindlichen Anode z auf die Anode zu. Da der Gasdruck in dem Entladungsgefäß
sehr niedrig ist, so ist die Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße zwischen den Elektronen
und den Gasmolekülen verhältnismäßig gering, so daß nur eine außerordentlich geringe
Anzahl von positiven Ionen gebildet wird. Infolgedessen ist die zur Einleitung des
Stromes in der Vorwärtsrichtung erforderliche Zündspannung außerordentlich hoch.
Auf der anderen Seite hat der niedrige Druck zur Folge, daß nur sehr wenig positive
Ionen während der Sperrperiode zur Anode gelangen und umgekehrt von den wenigen
von der Anode ausgehenden Elektronen nur ein möglichst geringer Bruchteil imstande
ist, Ionen zu bilden. Bei der vorhandenen Betriebsspannung liegen die Verhältnisse
derart, daß trotz ausreichenden Elektronenabstandes in der Durchlaß- und in der
Sperrichtung eine merkliche Entladung weder einsetzen noch bestehen kann. Nach der
Erfindung werden nun an dem die Anode enthaltenden rohrförmigen Ansatz Magnetspulen
vorgesehen, die in der Durchlaßperiode magnetische Felder mit solcher Feldrichtung
erzeugen, daß die Elektronen, die sich von der Kathode während der Durchlaßperiode
auf die Anode zu bewegen, unter dem Einfluß des magnetischen Feldes sich auf längeren
Bahnen bewegen, als wenn das Feld nicht vorhanden wäre. Die Folge davon ist, da,ß
die Zahl der Zusammenstöße zwischen Elektronen und Atomen oder Molekülen erheblich
zunimmt. Auf diese Weise kommt die für die Ausbildung und Aufrechterhaltung der
Entladung erforderliche Ionisation zustande, obgleich die Gasdichte nur sehr gering
ist. Während der Sperrperiode müssen selbstverständlich diese Magnetfelder ganz
wegfallen. Es können dann aber mit Hilfe geeigneter Spulen Magnetfelder solcher
Feldrichtung erzeugt werden, daß die Entionisierung der Gasstrecke unterstützt wird.
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Die in der Durchlaßperiode oder während eines Teiles derselben wirksamen
Magnetfelder werden bei der in der Abbildung dargestellten Röhre durch eine oder
mehere den Anodenarmansatz umschließendeMagnetspulen 3 und q. erzeugt, die so gespeist
sind, daß das Feld ebenso auf die Anode zu gerichtet ist, wie es in der Abbildung
durch die voll ausgezogenen Pfeile angedeutet ist. Die Elektronen, die von der Kathode
aus in den Bereich dieses Magnetfeldes gelangen, laufen dann auf schraubenlinienförmigen
Bahnen in demselben, so daß sie sehr viel häufigere Zusammenstöße mit den Gasmolekülen
erleiden als ohne die Wirkung des Magnetfeldes. Die Magnetspulen werden zweckmäßig
mit periodischen Spannungen von gleicher Frequenz wie die Anodenspannung gespeist.
Handelt es sich um eine Steuerung des Einsetzens der Entladung während der Durchlaßperiode,
so kann entweder das magnetische Feld in jeder Periode mehr oder weniger verspätet
durch einen entsprechenden phasenverschobenen Strom erzeugt werden, oder aber es
kann wie bei den bekannten gittergesteuerten Entladungsapparaten ein elektrisch
geladenes Gitter vorgesehen werden, das die Elektronen aus dem Entladungsraum während
einer einstellbaren Zeit zu Beginn jeder Durchläßperiode am Eintritt in das Magnetfeld
hindert. Es ist zweckmäßig, dieses Steuergitter in einem solchen Abstand anzuordnen,
daß die einzelnen Elektronen nicht in den Bereich der großen Feldstärke der einzelnen
Magnetspulen gelangen.
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In vielen Fällen wird es notwendig sein, das Magnetfeld über einen
verhältnismäßig langen Teil des im Anodenarm verlaufenden Lichtbogeneeges auszudehnen.
Es treten nämlich häufig Schwierigkeiten dadurch auf, daß selbst, wenn die Entladung
bis zu dem der Kathode nächsten Gitter eingesetzt hat, die Entladung sich nicht
in die der Anode näher liegenden Teile des Schutzrohres oder Anodenarmes hinein
fortpflanzt. Vorteilhaft kann es auch sein, mehrere Gitter 5 und 6 vorzusehen, die
beispielsweise, wie-bereits anderweit vorgeschlagen, über Widerstände mit einander
und mit der Steuerungseinrichtung verbunden sind. Wenn dann- die Entladung zu dem
untersten Gitter 5 eingesetzt hat, so werden die Elektronen auch unter dem Einfluß
des zweiten Gitters 6 dem Magnetfeld der Spule 3 zugeführt.
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Während der Sperrperiode werden die Magnetspulen 3 und q. nicht erregt,
so daß die Bahnen der Elektronen, die von der Anode z ausgehen, nicht verlängert
werden.
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Es ist jedoch zur Verstärkung der Entionisierung
oft
zweckmäßig, während dieser Zeit mit Hilfe der zusätzlich vorhandenen Magnetspulen
7 und 8 ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das die Entionisierung der Entladungsstrecke
unterstützt und vorzugsweise senkrecht zur Entladungsbahn gerichtet ist, wie es
in der Abbildung durch die punktiert gezeichneten Pfeile angedeutet ist. Die Entionisierung
kann auch in an sich bekannter Weise mit Hilfe von Entionisierungsflächen oder ähnlich
wirkenden Hilfselektroden unterstützt werden.
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Die Erfindung kann sinngemäß Anwendung finden auf Vakuumentladungsapparate
mit Gas-oder Dampffüllung und lichtbogenartiger Entladung, die mit mehreren in Anodenrohren
untergebrachten Anoden oder mit einer flüssigen Kathode statt mit einer Glühkathode
ausgerüstet sind. Bei Entladungsapparaten mit flüssiger Kathode, beispielsweise
bei Quecksilberdampfgleichrichtern, ist es in manchen Fällen zweckmäßig, zu Beginn
jeder Brennperiode die Elektronenemission der Kathode in an sich bekannter Weise
neu einzuleiten. Für die meisten Zwecke empfiehlt es sich jedoch, durch einen Erregerlichtbogen
den Katkodenfleck dauernd aufrechtzuerhalten. Wegen des geringen Gasdruckes treten
dabei unter Umständen dieselben Schwierigkeiten auf wie bei der Hauptentladung,
so daß es manchmal notwendig ist, auch die Entladung zu den Erregeranoden durch
entsprechend gerichtete Magnetfelder zu unterstützen.
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Bei den Entladungsgefäßen, bei denen der OOuerschnitt nur in dem die
Anode enthaltenden Ansatz gering, in der Umgebung der Kathode aber sehr groß ist,
genügt es im allgemeinen, wenn, wie oben angegeben, nur in dem engen Teil der Entladungsbahn
die Ausbildung und Aufrechterhaltung des Lichtbogens mit Hilfe von Magnetfeldern
unterstützt wird. Wenn jedoch die Entladungsbahn auch in der Umgebung der Kathode
verhältnismäßig eng ist, ist es vorteilhaft, die gesamte Entladungsstrecke mit während
der Durchlaßperiode wirksamen Magnetspulen auszurüsten.
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Die Erfindung kann nicht nur bei der Umformung von Wechselstrom in
Gleichstrom, sondern auch bei der Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom und
zur Umwandlung der Frequenz Anwendung finden.
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Die Verwendung von Magnetfeldern zur Steuerung der Entladung in einer
Gas- oder Dampfentladungsröhre bzw. zur Erhöhung des Ionisierungsgrades in einer
solchen Röhre durch Verlängerung der Elektronenwege ist an sich nicht neu. Im vorliegenden
Falle handelt es sich aber darum, solche Magnetfelder, wie oben angegeben, bei Entladungsgefäßen
bestimmter Bauart in Verbindung mit einem außerordentlich geringen Gasdruck in der
Röhre und in bestimmter Weise zu benutzen. Durch die Erfindung sind Entladungsgefäße
mit lichtbogenartiger Entladung geschaffen, die mit sehr hohen Spannungen beanspruchbar
sind, ohne daß die Gefahr einer Rückzündung besteht.