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Anordnung zur Erzeugung hoher Spannungen Es ist bekannt, hohe elektrische
Spannungen mit einer Stromquelle für geringere Spannung dadurch zu erzeugen, däß
man eine Reihe von Kondensatoren in P,aralleIschaltung über Widerstände auflädt
und sie dann über Zündfunkenstrecken in Reihe schaltet. Dabei muß man den Versuchsvorgang
sich so schnell abspielen lassen, daß die Entladung über die Widerstände während
der Versuchsdauer nicht stört. Einrichtungen nasch diesem Verfahren haben den Nachteil,
.daß die Serienschaltüng und .damit die Erzeugung hoher Spannung nur so lange aufrechterhalten
bleibt, wie Strom durch die Funkenstrekken fließt. Man pflegt daher den Versuchskreis
so auszubilden, daß während der Versuchsdauer Strom aus den Kondensatoren entnommen
wird. Dadurch wird .aber die an sich schon kurze Versuchsdauer erheblich beschränkt,
und die Spannung fällt nach Erreichen des Maximalwertes bald ab, um so schneller,
je geringer die aufgespeicherte Ladung gegenüber .der in der Zeiteinheit abgeführten
ist.
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Füi viele Zwecke ist es aber erwünscht, die hohe Spannung bei geringer
Stromentnahme möglichst lange ;aufrechtzuerhalten.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe auf einem neuen Wege.
Es wird erreicht, daß die hohe Spannung auch ohne jede Stromentnahme in der angeschlossenen
Versuchsschaltung wesentlich länger als bei den bisher bekannten Vervielfachungsschaltungen
,aufrechterhalten wird; sie fällt dann nämlich nur in dem Maße ab, in dem über Aufladewiderstände
ein Rückfluß der Ladung erfolgt.
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Nach der Erfindung wird eine Reihenschaltung von beliebig vielen Kondensatoren,
Kondensatorabschnitten oder Kondensatorgruppen ohne Zwischenschaltung von Funkenstrecken
verwendet, welche, wie an sich bekannt, in Parallelschaltung über Widerstände abwechselnd
in entgegengesetzter Richtung aufgeladen werden; es werden aber nach der Aufladung
die geradzahligen oder die 'ungeradzahligen Kondensatoren umgeladen, und zwar geschieht
die Umladung über Schwingungskreise, welche die in diesen Kondensatoren :aufgespeicherte
elektrische Energie zunächst in magnetische und dann wieder in elektrische bei umgekehrter
Polarität verwandeln. Bei Erreichung des Spannungsmaximums geht der Strom im Umladekreis
durch Null und kann nun durch bekannte Mittel endgültig unterbrochen werden, so
daß eine erneute Umladung vermieden wird. Abb. i zeigt diesen Vorgang am Diagramm.
Die Umladung beginnt mit der Zündung a. Beim Nulldurchgangspunkt b kann der
Strom i
zum Erlöschen gebracht werden; die Spannung u hat dann wieder annähernd
den Ausgangswert
erreicht, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen.
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Es sind Anordnungen bekannt, die nach dem eingangs erwähnten Verfahren
der Reihenschaltung der Hauptkondensatoren über Funkenstrecken arbeiten, bei denen
aber weitere Kondensatoren parallel zu diesen Funkenstrecken liegen. Sie haben mit
der Erfindung, rein schaltungstechnisch betrachtet, die Merkmale gemeinsam; daß
Kondensatoren ohne Zwischenschaltung von Funkenstrecken miteinander verbunden sind,
und daß Kreise vorhanden sind, welche aus diesen Kondensatoren, den Zündfunkenstrecken
und ihrenVerbindungsleitungen bestehen. Diese haben aber dort nur die nebensächliche
Aufgabe der Verstärkung des Zündfunkens. Entsprechend dieser völlig verschiedenen
Aufgaben sind sie auch nach ganz anderen Gesichtspunkten zu bemessen.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Erfinddung ist in Abb. 2a dargestellt.
Hier ist als Beispiel eine einpolig geerdete Anlage gewählt.
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An die Klemmen a und b sei die Strom -9 quelle angeschlossen, deren
Spannung in der Schaltung zur Vervielfachung benutzt werden soll. Von ihr wird eine
Reihe von Kondensatoren, im Beispiel i bis 7; ,aufgeladen, und zwar über Widerstände
R.
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Diese Kondensatoren, deren Anzahl gerade oder ungerade und beliebig
hoch sein kann, sind, wie die Abbildung zeigt, fortlaufend miteinander verbunden,
und zwar ohne Zwischenschaltung von Funkenstrecken.
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Die Widerstände 12 sind in Abb. 2a in. Parallelschaltung ,angeordnet.
Sie können aber auch, wie in Abb.2b ,angedeutet, in Reihe geschaltet sein.
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Die Schwingungskreise sind in Abb.2a parallel zu den geradzahligen
Kondensatoren 2, 4, 6 angeordnet. Sie bestehen aus den Drosselspulen L und den Unterbrechungsstellen
F. In der Abbildung sind je zwei Spulen L in jedem Kreise vorgesehen; es kann jedoch
auch die erforderliche Induktivität durch je eine Spule gebildet werden.
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Die Kondensatorenkette ist an .einem Ende e im Beispiel ,geerdet;
das andere Ende c dient zur Stromentnahme.
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Abb.3a zeigt die Polarität der Ladungen vor dem Ansprechen der Unterbrechungsstellen
F, die Abb.3b dagegen nach der Umladung.
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Für die Unterbrechungsstellen F können beliebige Funkenstrecken bzw.
Lichtbogenstrecken, welche genügende Löschwirkung haben, verwendet werden. Als Beispiel
seien genannt: Mehrfachfunkenstrecken, Funkenstrecken mit großen Elektroden aus
Material, welches die Wärme gut ableitet, Lichtbogenstrecken mit magnetischer Blaswirkung
oder Preßgasbeblasung, Lichtbogenhörner oder äbnliclie Vorrichtungen, bei denen
die Lö--.S.Ghung durch den aufsteigenden Luftstrom erleichtert wird. Da derartige
Hilfsmittel in ',der.'----Flochspannungs- und Hochfrequenztechnik längst bekannt
sind, ist auf die Wiedergabe der verschiedenen Möglichkeiten in den Abbildungen
verzichtet worden und die Löschfähigkeit lediglich durch Hintereinanderschaltung
zweier Luftstrecken angedeutet. Für die praktische Ausführung sei besonders auf
die in der Hochfrequenztechnik vielfach verwendeten Löschfunkenstrecken hingewiesen,
bei denen zwischen einer Anzahl meist plattenförmiger Elektroden mit guter Wärmeableitung
kurze, hintereinandergeschaltete Unterbrechungsstellen liegen.
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Um die sichere Löschung beim ersten Nulldurchgang des Stromes zu erzwingen,
kann man auch, wie Abb. ¢ zeigt, in Reihe mit den Funkenstrecken F Ventile V legen,
welche nur für eine bestimmte Stromrichtung durchlässig sind: Dann bestimmt die
Funkenstrecke F das Ansprechen, während die Löschung vom Ventil besorgt wird.
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In Abb. q: sind die Vorzeichen der Ladungen vor der Umladung eingezeichnet.
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Man kann aber auch Ansprechfunkenstrecke und Ventil vereinigen, indem
man eine unsymmetrische Funkenstrecke verwendet, welche an sich schon eine Ventilwirkung
besitzt. Als Beispiel sei die Anordnung Spitze-Plätte genannt. Man wird sie so anordnen,
daß zwecks Umladung positive Ladung aus der Spitze strömen muß. Der Überschlag wird
in dieser Richtung erleichtert. Ist der Kondensator dann umgeladen, so ist der Überschlag
und damit die Rückströmung bei negativer Spitze wesentlich erschwert. Durch, solche
unsymmetrische Ausbildung der Funkenstrecke werden die vorhergenannten Löschmaßnahmen
wesentlich unterstützt; sie können in vielen Fällen sogar entbehrlich werden.
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Bei dem Beispiel der Funkenstrecke Spitze-Platte ist die Unsymmetrie
durch verschiedene Formgebung erreicht worden.
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Andererseits kann auch die Unsymmetrie-Wirkung durch einseitige Löscheinflüsse
hervorgerufen werden; z. B. kann man die eine Elektrode stärker kühlen, anblasen
oder bestrahlen als die andere. e In Abb.5 ist eine Abart der Schaltung nach Abb.2b
dargestellt, bei welcher die Spulen in die Zuleitungen von den Widerständen zu den
Kondensatoren geschaltet sind, wodurch das Leitungssystem vereinfacht wird.
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In Abb.6 sind die Spulen in die Verbindungsleitungen zwischen den
Kondensatoren gelegt.
Auch bei Abb.5 und 6 könnte man mit der halben
Zahl der Spulen auskommen.
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In vielen Fällen kann man den Einbau-besonderer Spulen dadurch ersparen,
daß man die Verbindungsleitungen so lang oder die Schleifen so weit macht, daß,
die natürliche Induktivität der Kreise schon ausreicht.
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Sieht man davon ab, die Spulen nach Art der Abb.6 zwischen die Kondensatoren
zu legen, so kann man die Belegungen benachbarter Kondensatorenvereinigen. Dann
kommt man zu Anordnungen nach Abb. 7, bei denen man die Kondensatorenreihe durch.
einen Kondensatorblock mit Zwischenbelegungen ersetzen kann.
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In Abb.7 ist außerdem der vorerwähnte Gedanke, die Einschaltung besonderer
Spulen durch genügend lange Zuleitungen zu ersetzen, angewendet. Auch hier -kann
die Länge der Zuleitungen durch größere öffnungsweite der Schleife ersetzt werden.
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Der unterteilte Kondensator soll durch Abb. 7 nur grundsätzlich ,angedeutet
sein. Außer einem Stapel von aufeinandergeschichteten Plattenanordnungen mit beliebigem
Dielektrikum kann man auch ineinandergeschachtelte Zylinder verwenden, die man zweckmäßig
nach Art der bekannten Kondensatordurchführung in der Länge so abstuft, daß die
Einzelkapazitäten etwa einander gleich sind.
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Als Isolationsmittel kann man in allen Fällen außer festen Stoffen
oder Luft gewöhnlichen Drucks auch Preßluft, sonstiges Preßgas, Öl und ,auch komprimiertes
Öl u.. a. m. verwenden.
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Eine besonders zweckmäßige Abart der zylindrischen Anordnung bilden
Kabel mit leitenden Zwischenschichten. Einen solchen Aufbau zeigt Abb.8.
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Baut man eine Anlage nach Schaltung Abb.7 in Form von ineinandergeschachtelten
Zylindern ,auf, so hat diese eine gewisse Ähnlichkeit mit der bekannten Anordnung
nachdem Vorschlag von T u v e in Physical Review Band 36, Heft io vom 15. November
193o. Dort sind ,auch Metallzylinder ineinandergeschachtelt, die in ähnlicher Weise
über Widerstände mit abwechselnder Polarität aufgeladen werden. Es. sind auch zwischen
je zwei Zylinder Funkenstrecken geschaltet. Ein grundsätzlicher Unterschied gegenüber
der Anordnung nach der Erfindung besteht, aber darin, d,aß T u v e die Zuleitungen
zwischen Belegung und Funkenstrecke ganz kurz macht und ,auch keinerlei Maßnahmen
zur Funkenlöschung trifft. Eine Umladungswirkung kann daher nicht eintreten. In
der Tat rechnet T u v e auch nicht mit ihr. Die Funkenstrecken bei der bekannten
Anordnung sollen vielmehr dazu dienen, die zu. ihnen parallel liegenden Kapazitäten
zu entladen. Es wird so die Hälfte der aufgespeicherten Energie durch Entladung"
aller Kondensatorabschnitte der einen Polarität vernichtet, um dann die Abschnitte
der anderen Polarität in Hintereinanderschaltung auszunutzen. Nach erfolgter Entladung
der störenden gegenpoligen .Kapazitäten kann die Hintereinanderschaltung nur bei
Stromfluß über die Funkenstrecken aufrechterhalten bleiben. Hier wird also gerade
der Vorteil des Erfindungsgedankens nicht erreicht, außerdem wird .die Anlage bei
etwa gleichem Aufwand im Aufbau und an Betriebskosten nur zur Hälfte und insbesondere
nur für die halbe Spannung ,ausgenutzt. Die Ähnlichkeit mit Anordnungen zur Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ,also nur eine rein äußerliche.
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Da ein gleichzeitiges Ansprechen aller Funkenstrecken erwünscht ist,
wird man sie im ,allgemeinen auf möglichst gleiche Ansprechspannung einstellen.
Darüber hinaus kann man durch gleichzeitige Bestrahlung sämtlicher Funkenstrecken
durch iultraviolettes Licht, Kathoden- oder Röntgenstrahlen und schließlich durch
mechanische Steuerung der Elektrodenabstände durch ein gemeinsames Gestänge die
Gleichzeitigkeit des Ansprechens erzwingen.
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Ein Beispiel hierfür ist in Abb.9 dargestellt.
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Gegenüber den Unterbrechungsstellen F1 und F2 der Umladekreise sind
in geeignetem Abstand Anregefunkenstrecken A1 und A. ,angeordnet. Sie sind im Beispiel
unmittelbar in Serie geschaltet; ihre Speisung erfolgt aus einem Hilfskondensator
C, der über den Widerstand Ro etwa in der gleichen Zeit aufgeladen wird, wie die
Hauptkondensatoren i, 2, 3, ¢ und 5 über die Widerstände R. Die Einstellung der
Funkenstrecken erfolgt so, daß zunächst A, und A2 ansprechen -und durch die Bestrahlung
F1 und F2 mitreißen. Will man den Zeitpunkt der Ingangsetzung willkürlich bestimmen,
so kann man in den Hilfskreis einen Schalter G beliebiger Bauart, z. B. eine Schaltfunkenstrecke,
legen.
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Weiterhin bietet sich bei der vorliegenden Erfindung ein besonders
wirksames Mittel, das Zurückbleiben einzelner Funkenstrecken zu verhüten. Es besteht
in einer maZnetischen Koppelung der Schwingungskreise, wie sie in Abb. i o und i
i an Beispielen erläutert ist. Die Aufladeschaltung ist in diesen Abbildungen nicht
mitgezeichnet. Sie kann sowohl der Abb.2,a Aals auch 2b entsprechen.
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In Abb. io sind die Spulen L2, L1, L6 benachbarter Umladekreise in
entgegengesetzter Richtung gewickelt und mit gleicher Achse einander möglichst genähert.
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Ein Stromaufbau in einem Kreise erzeugt
dabei in den
Nachbarkreisen Induktionsspannungen solcher Richtung, daß sie sich zu den zugehörigen
Kondensatorspannungen addieren und damit das Ansprechen der Unterbrechungsstellen
F fördern.
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Auf diese Weise kann eine einzige ;ansprechende Funkenstrecke sämtliche
andere in schneller Folge mitreißen.
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Die gleiche Wirkung tritt ein, wenn man, wie Abb. i i zeigt, die benachbarten
Leitungen Z der Schwingungskreise einander möglichst nähert, was natürlich auch
auf Abb.7 anwendbar ist.
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Sind die Spulen nach Abb.5 angeordnet, so wird bei gleichsinniger
Wicklung, wie sie in Abb. 5 gezeichnet ist, die gleiche günstige Wechselwirkung
zwischen benachbarten Spulen erreicht.
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Abb. 12 zeigt ein weiteres Mittel, die Gleichzeitigkeit des Ansprechens
der Unterbrechungsstellen F zu fördern. Es besteht darin, daß in einem Hilfskreis
in Serie geschaltete Spulen H so angeordnet sind, däß sie sauf die Spulen L der
Umladekreise gleichzeitig einwirken in dem Sinne, daß beim Entstehen eines Stromimpulses
im Hilfskreis in allen Umladekreisen Zusatzspannungen induziert werden, welche die
Spannung ran den Unterbrechungsstellen bis zur Ansprechspannung erhöhen.
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Die Speisung des Hilfskreises erfolgt durch einen Hilfskondensator
C, wie in Abb. 9. In Abb. 12 sind auch, wie bei Abb. g, zur weiteren Förderung der
Zündung Anregefunkenstrecken A in den Hilfskreis gelegt; die aber hierbei nicht
unbedingt nötig sind. Ebenso kann der Schalter G -je nach den Betriebsbedingungen.
von Fall zu Fall angewendet werden.
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Die Schwingungsdauer der Umschaltkreise wird zweckmäßig so bemessen,
da.ß die Umschaltzeit verhältnismäßig klein ist gegenüber den Zeitkonstanten, welche
für die Aufladung der Kondensatoren in Betracht kommen. Nach dem Vollzug der Umladungen
steht dann die volle Spannung .der Anlage als nahezu ruhende Spannung zur Verfügung.
Sie sinkt, wenn kein Strom entnommen wird, in dem Maße des allmählichen Stromflusses
über die Aufladewiderstände iab. Die Einrichtung eignet sich also besonders für
solche Versuche, bei denen eine ruhige Gleichspannung benötigt wird.
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Die Aüfla Jung der Einrichtung kann grundsätzlich mit .den gleichen
Mitteln erfolgen wie bei den bisher bekannten .ähnlichen Einrichtungen. Beispielsweise
kann Gleichspannung verwendet werden, die mittels eines Transformators über ein
Ventil oder - einen Nadelgleichrichter erzeugt wird. Man kann aber .auch Wechselspannung
verwenden, wenn die Gesamtzeit für Aüfladung, Umladung und Entladung so kurz ist,
daß sie innerhalb einer Halbwelle liegt.
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Die in den Abbildungen dargestellten Einrichtungen sind sämtlich einpolig
geerdet. Die Erfindung soll aber nicht etwa auf solche. beschränkt sein. Sie kann
ohne weiteres auch auf symmetrische Anlagen mit geerdeter Mitte angewendet werden.
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Der konstruktive Aufbau der Einrichtungen kann ganz beliebig sein.
Z. B. können die Kondensatoren stehend oder hängend angeordnet sein. Die Spulen
können die Kondensatoren konzentrisch umgeben oder seitlich angebracht sein, sie
können auch innerhalb von ringförmigen Kondensatoren liegen. Zur Ersparung von Isolationsmaterial
ist in der Regel stufenweiser Aufbau zu empfehlen.
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Zur Erleichterung der Isolation, insbesondere für hohe Spannungen,
kann man die ganze Anlage oder einzelne ihrer Teile unter t51 setzen. Die Löschwirkung
der Funkenstrecken, die durch Eintauchen in Öl an sich schon erhöht wird, kann durch
künstliche Ölströmung weiter gesteigert werden.