-
Stromrichter, insbesondere Gleich- oder Wechselrichter, mit Bogenentladung
und gegebenenfalls Glühkathode Die Erfindung bezieht sich auf Stromrichter, insbesondere
Gleich-, Wechsel- oder Umrichter, mit Bogenentladung und gegebenenfalls Glühkathode
und ferner mit mindestens einem jeder Anode unmittelbar vorgelagerten Steuergitter.
Es ist bekannt, Stromrichter mit Hilfe der Gittersteuerung dadurch zum Löschen zu
bringen, daß die Raumladeschichten in den Gitteröffnungen zum Überschneiden gebracht
werden. Dies ist aber nur bei ganz kleinen Gitteröffnungen und ganz geringen Stromdichten
möglich, außerdem müssen hierbei die Gitter in einem Raum geringer Ionisation untergebracht
sein. Bei den bekannten Stromrichtern handelt es sich um eine im wesentlichen stetige
Steuerung des ,Anodenstromes. Diese Gittersteuerungen arbeiten nur unter der Bedingung,
daß im Anoden- und Gitterraum keine Stoßionisation auftreten darf, so daß ein hoher
innerer Widerstand von dem Anodenstrom überwunden werden muß.
-
Versuche haben gezeigt, daß für das Arbeiten des Stromrichters die
Vorgänge, die sich im Raume zwischen Gitter und Anode abspielen, von größter Wichtigkeit
sind. Wichtig ist vor allen Dingen die Ionisation im Raume zwischen Anode und Gitter.
Die Ionenbildung in diesem Raume ist notwendig, wenn man große Anodenströme wirtschaftlich,
d. h. ohne großen Spannungsabfall, steuern will. Wie unwirtschaftlich infölge des
großen Spannungsabfalles eine Steuerung ohne Ionisation zwischen Gitter und Anode
wird, zeigt die folgende Überlegung.
-
Bei vollständigem Fehlen von positiven Ionen im Raum zwischen Anode
und Gitter berechnet sich die Elektronenstromdichte I, welche zwischen zwei parallelen
Ebenen auftreten kann, nach dem Langmuir-Schottkyschen Raumladegesetz
wobei V die Spannung und X den Abstand zwischenAnodeundGitterbedeuten. Bei einem
Gitterabstand von beispielsweise X = 5 mm ergibt sich für einen Spannungsabfall
von Tl = 2-o Volt eine Stromdichte von ' nur 0,083 X i0-2 A/cm2, und für
eine Anodenstirnfläche von 300 cm2 würde der Uesamtstrom nur o,2-5 A betragen.
Oder bei einer Stromdichte von etwa 3 A/cm=, wie sie bei den heutigen Großgleichrichtern
an der Anodenoberfläche vorkommt, müßte der Gitterabstand X nur o,o8q. mm betragen,
was praktisch unmöglich ist, oder der Spannungsabfall V würde auf etwa
7400 Volt ansteigen.
Vorliegende Erfindung behandelt nun
eine diskontinuierliche Steuerung großer Anodenströme (mehrere hundert Ampere),
ohne dala zwischen Gitter und Anode während der Brenndauer ein unzulässig großer
Spannungsabfall infolge des inneren Widerstandes der Entladungsstrecke entsteht.
Unter dein Ausdruck diskontinuierlich ist dabei verstanden, daß der Anodenstrom
beim Anlegen einer sinusförmig veränderlichen negativen Gitterspannung nicht kontinuierlich
atif lull abnimmt, sondern zunächst konstant bleibt und dann ini Vergleich zur Periode
der Gitterspannung rasch verschwindet. Dadurch, daß während der Brenndauer Ionisation
zwischen Gitter und Anode ermöglicht wird, bleibt in diesem Rautne die Bedingung
der Ouasineutralität, d. h. gleich viele negative und positive Ladungen pro Raumelement,
aufrechterhalten, und der Spannungsabfall bleibt nur gering. Plötzliches Abschneiden
des Anodenstrome hat gegenüber kontinuierlich wirkenden Steuerungen den Vorteil.
daß während dem Löschvorgang infolge seiner äußerst kurzen Dauer wenig Energie verlorengeht.
Die Schalterarbeit, als welche man diese Löscharbeit auch bezeichnen kann. muß schon
deshalb klein gehalten «-erden, weil diese sich hier mit der Frequenz und der Anodenzahl
niederholt und nicht wie bei einem gewöhnlichen Schalter nur in gewissen Zwischenräumen
bewältigt werden muß. Man kann zwar bei einer kontinuierlich wirkenden Steuerung
die Zeitdauer des Löschvorganges dadurch verkleinern, daß man nicht eine sinusförinige
Span nung normaler Frequenz, sondern eine sehr steile, spitzenförmige Gitterspannung
anwendet. Kontinuierlich wirkende Steuerungen sind aber immer an die Bedingung der
nicht vorhandenen Ionisation zwischen Gitter und Anode und damit an großen Spannungsabfall
gebunden.
-
Die Erfindung betrifft somit einen Stromrichter, insbesondere Gleich-
oder Wechselrichter, mit Bogenentladung und gegebenenfalls Glühlizathode, ferner
mit mindestens einem der Anode unmittelbar vorgelagerten Steuergitter, das bei negativer
Aufladung den Anodenstrom zu einem beliebig wählbaren Zeitpunkt innerhalb der Brenndauer
der Anode zu. löschen vermag. Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß das
Verhältnis der gesamten freien Durchtrittsfläche aller gleichmäßig über die ganze
Gitterfläche verteilten Gitteröffnungen, deren Größe derart gewählt ist, daß sie
bei brennendem Anodenstrom auch bei negativ aufgeladenem Gitter durch die positiven
Innenschichten nicht verschließbar sind, zur gesamten für die Aufnahme und Ableitung
des positiven Ionenstrotnes aus dem während des normalen Stromdurchganges (luasi
neutralen Raunte zwischen Anode und Gitter in Frage koniinenden Gitteroberfläche
so gewählt ist, daß bei jedem Löschvorgang die im Raunte zwischen Gitter und Anode
herrschende Ouasineutralität durch Ableitung positiver Innenladungen über das negativ
geladene Steuergitter so weit gestört wird, da!,) der Lichtbogen diskontinuierlich
verschwindet.
-
Der Löschvorgang beruht detngemä ß auf einer willkürlichen Beeinflussung
oder Steuerung der Quasineutralität ini Raunte zwischen Gitter und Anode. Die Ouasineutralität
muf, wie schon wiederholt betont, willirend der zugelassenen Brenndauer des Anodenstromes
aus Gründen des möglichst geritigcit Spannungsabfalles erfüllt sein. Soll aber der
Anodenstrom ausgelöscht werden, so geschieht das dadurch, daß die Ouasineutralität
durch die ne-ativ e Gitteraufladung gest'cirt tvird. indem durch die Ableitung eines
negativen Gitterstromes ein Mehrverbrauch von positiven Ionen auf der Anodenseite
des Gitters auftritt, dem zugleich noch eine verminderte Zufuhr und -Neubildung
solcher Ionen gegenübersteht. Mehrverbrauch und verminderte Neubildung und Zufuhr
von positiven Ionen unterstützen sich gegenseitig derart, daß die Ouasineutralität
im Raunte zwischen Anode und Gitter sehr rasch versch,vindet und der Elektronenstrom
nur noch raumladebegrenzte Werte von so kleiner Größe annimmt. wie es obige Rechnung
gezeigt hat. Damit nun hei negativer Gitterspannung die Innenzufuhr und die Stoßionisation
vermindert, der Innenverbrauch, d. h. der negative Gitterstrom. aber möglichät groß
wird. sind die Steuergitter so zu bemessen, daß die freie (#uerschnittsfläche der
Durchtrittsöffnungeny der Gitter. #,%-elche sotohl für die lonenzufuhr als auch
für die Ionenbiidung maßgebend ist. in einen bestitninten Verhältnis steht zur innenverbrauchenden
Gitteroberfläche. Dabei kominc in erster Linie derjenige Teil der Gitteroberfläche
in Frage, der der Anode zugekehrt ist. sowie -auch die U mgrenzungsoltet-fläclie
der Gitteröffnungen, während der der Kathode zugewendete Teil weniger ins Gewicht
fällt.
-
Es ist offensichtlich, daß eine möglichst kleine Oberfläche der Durchtrittsöftnungen
zusammen mit einer möglichst großen Gitteroberfläche dem Löschvorgang giinsti" sind.
Die Neubildung von Ionen ist aber außerdem noch von der Gas- oder Dampfdichte und
vorn Abstand zwischen Gitter und Anode abhängig, je größer der Abstand zwischen
beiden und die Dampf- oder Gasdichte ist, desto größer muß das Verhältnis der innenverbrauchenden
Oberfläche 0 zur freien Durchtrittsfläche F gewählt werden. Außerdem ist die freie
Durchtrittsfläche eine Funktion der
negativen Gitterspannung, weil
sich urn die Gitteröffnungen ein positiver Dunkelraum (LangmuirsclierDunkelraum)
ausbildet, dessen Dicke der Gitterspannung
proportional ist. Es ist aber nicht -möglich, die negative Gxitterspannung beliebig
hoch zu wählen, weil die Gefahr des Umschlages der unselbständigen Gitterentladung
in eine selbständige Bogenentladung mit zunehmender Spannung rasch größer wird (Gitterrückzündungen).
-
Versuche haben nun gezeigt, daß bei einem Abstand a zwischen Gitter
und Anode von der Größenanordnung einer freien Elektronenweglänge2?, das Verhältnis
von
> 2,5 sein muß, wenn man mit einem solchen Gitter durch eine negative Gitterspannung,
die unterhalb der kritischen Rückzugsspannung liegt, die Bedingung der Oüasineutralität
derart stören will, daß der Anodenstrom auslöscht. Ist der Abstand a wesentlich
kleiner als die mittlere freie Elektronenweglänge, so kann das Verhältnis F noch
kleiner gemacht werden als 2,5.
Da man aber die Dampf- öder Gasdichte z_ wisehen
Anode und Gitter nur innerhalb gewisser Grenzen konstant halten kann, so muß man
in der Wahl von
eine gewisse Sicherheit zugeben.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele zur Durchführung der Erfindung
schematisch in Abb. i a, i b, 2a, 2b im Schnitt durch Anode und Gitter bzw. in Aufsicht
auf das Gitter dargestellt.
-
Mit A ist die Anode bezeichnet, G ist. das der Anode
unmittelbar vorgelagerte Steuergitter, das mit Hilfe des kappenförmigen Teiles
K an dem Einführungsisolator T für die Anode aufgehängt ist. Das Gitter
ist mit Öffnungen o versehen, die auf der Gitteroberfläche gleichmäßig verteilt
sind.
-
Um die ionenverbrauchende Oberfläche auf der Anodenseite des Gitters
zu vergrößern, sind bei Abb. ia und ib auf der Gitterebene vertikal stehende Zusatzflächen
f angebracht. Diese Zusatzoberflächen können z. B. als runde oder eckige Stifte
s in die Gitteroberfläche eingesetzt sein oder als flache Stäbe t parallel zur Mittellinie
der Gitterflächen verlaufen.
-
Im Ausführungsbeispiel Abb. 2 a und 2 b ist zur Vergrößerung der ionenverbrauchenden
Oberfläche zwecks rascher und sicherer Steuerung der Quasineutralität die Anode
A mit Rippen R versehen, die sowohl auf der der Kathode zugekehrten Anodenfläche
als auch auf ihrer Zylindermantelfläche angebracht sein können. Zwischen diesen
Rippen R liegen dann die Zusatzflächen des die Anode haubenartig umgebenden Steuergitters.
Diese Zusatzflächen können gegebenenfalls auch meclianisch vorn Gitter getrennt
sein (Gitterstäbe B, Abb. -2b). Die elektrische Verbindung der Zusatzflächen mit
dem Gitter kann entweder direkt oder über Widerstand erfolgen.
-
Vor dem Steuergitter kann noch ein Erreger- bzw. Ableitergitter (Kontmutierungsgitter)
angebracht sein, das dauernd über einen Widerstand mit der zugehörigen Anode verbunden
ist.
-
Es können ferner die Zusatzflächen zwischen Gitter und Artode vorn
Steuergitter isoliert sein und entweder dauernd oder auch über einen Kontaktgeber
periodisch nur auf ein solches negatives Potential gebracht werden, bei dein der
1)o-,itive Zonenstrom den Sättigungswert erreicht liat.
-
Das bz@v. die Steuergitter können auch zusätzlich geheizt werden.