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Vorrichtung zur Gleichrichtung von Wechselstrom hoher Spannung mit
mindestens einer aus einem Wechselstromnetz gespeisten lonenentladungsröhre Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gleichrichtung von Wechselstrom hoher Spannung,
z. B. von 500 Volt oder mehr, mit mindestens einer aus einem Wechselstromnetz
gespeisten. Ionenentladungsröhre mit kalter Kathode und einem Gas- bzw. Dampfdruck
von 1o-4 bis Io-2mm Hg, deren Entladungsbahn von einem Magnetfeld durchsetzt wird.
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Unter kalter Kathode ist eine Kathode zu verstehen, welche nicht auf
thermischem Wege Elektronen emittiert. So arbeitet z. B. eine Glimmlichtröhre mit
kalter Kathode.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein Magnetfeld in der Entladungsbahn
einer Ionenentladungsröhre anzuordnen.. Hierbei wurden verschiedenartige Ziele verfolgt;
man beabsichtigte z. B., der Entladung einen bestimmten Weg vorzuschreiben, die
Stärke des Entladungsstromes zu regen oder mittels eines magnetischen Wechselfeldes
die Ruhm abwechselnd durchlässig und nichtdurchlässig für den Entladungsstrom zu
machen.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Gleichrichtung in einer
Ionenentladungsröhre mit kalten Elektroden in dem Sinne, d.aß vorzügliche Sperreigenschaften
erzielt wenden,- ohne daß hierdurch eine unzulässige Steigerung' der Zündspannung
in der Durchlaßrichtung verurs:ächt wird. Bei dem Betrieb von Gleichrichterröhren
mit kalten Elektroden bei einer hohen Anodenwechselspannung ergaben sich oft praktische
Schwierigkeiten. Diese bestanden darin, daß zu hohe Entladungsströme in der Sperrichtung
auftreten. Diese Ströme nahmen mitunter derartige Werte an, daß sogar Rückzündüngen
in den Röhren vorkamen.
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Außerdem machte der Spannungsabfall in den bekannten Röhren immer
einen verhältnismäßig großen Teil der gleichzurichtenden Spannung aus, so daß der
Nutzeffekt ungünstig ausfiel.
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Auch war meistens nur ein geringer Unterschied zwischen den Zündspannungen
in den beiden Richtungen vorhanden. Es war bis jetzt nicht immer möglich, diese
Nachteile bei dem Bau von Röhren für hohe Spannungen durch. Herabsetzung des Gas-
bzw. Dampfdruckes auf einwandfreie Weise zu vermeiden, weil dadurch ddr Spannungsverlust
sowie die Zündspannung in der Durchlaßrichtung sehr stark anstiegen.
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Die Erfindung bezweckt die Überwindung dieser Schwierigkeiten durch
Herabsetzung der sonst mit den niedrigen Drücken verbundenen hohen Zündspannung
in der Durchlaßrichtungohne =zulässige Herabsetzung der hohen Zündspannung in der
Sperrichtung.
Hierzu werden erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung
zur Gleichriehtung von Wechselstrom hoher Spannung der eingangs genannten Art, die
eine kalte Kathode und einen Gasdruck von i o-4 bis r o-2 mm Hg hat, das Magnetfeld
und die Elektroden der Ionenentladungsröhre sowie die Elektroden untereinander derart
angeordnet, d:aß der größte Teil der :durch die wirksame Kathodenoberfläche hindurchgehenden
magnetischen Kraftlinien auch die zwischen dieser Kathodenoberfläche und der Anode
gelegene Entladungsbahn durchsetzt und sowohl bei seinem Eintritt wie auch bei seinem
Austritt aus der Entladungsbahn einen Teil der wirksamen Kathodenoberfläche durchsetzt
und die wirksame Anodenoberfläche praktisch nicht trifft.
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Es hat sich gezeigt, daß in. einer derartigen Vorrichtung der obenerwäbnte
Zweck auf einwandfreie Weise erreicht wird, und daß außerdem die Stromdichte durch
die Anwendung des Magnetfeldes erheblich gesteigert wird. Eine möglich Erklärung
dieser Erscheinung kann in :dem Sinne gegeben werden, d.aß in der angegebenen Weise
die in der Entladungsbahn befindlichen Elektronen durch ein hinreichend starkes
Magnetfeld gezwungen werden, an den magnetischen Kraftlinnen entlang oder in schraubenförmigen
Bahnen um diese herumzuwandern. Bei dieser Wanderung geraten sie in die Nähe eines
durch die magnetischen Kraftlinien durchsetzten Kathodenteiles, werden von seinem
negativen eljektrostatischen Feld abgestoßen, wandern zurück und geraten in die
Nähe des an der anderen Seite gelegenen Kathodenteiles, worauf sich dasselbe Spiel
wiederholt, so daß die Elektronen erst nach wiederholtem Hinundherwandern von, dem
elektrostatischen Feld der Anode angezogen werden.
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Obige Verlängerung des Elektronenweges liat eine entsprechende Vergrößerung
der Möglichkeit von Zusammenstößen mit neutralen Gasmolekülen oder Gasatomen zur
Folge, so daß bei ein und :derselben Molekül- oder Atomzahl ein erhöhter Ionisationseffekt
und dadurch eine größere Stromdurchlässigkeit der Röhre bei demselben Spannungsabfall
,oder ein geringerer Spannungsabfall bei demselben Röhrenstrom in der Durchlaßrichtung
erzielt werden kann.
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Es ist bereits bekannt, :das Sperrvermögen einer Gleichrichterröhre
der im Anfang dieser Beschreibung erwähnten Gattung durch Anlegung eines Magnetfeldes
zu erhöhen, voz dem Kraftlinien sowohl bei ihrem Eintritt als auch bei Austritt
aus der Entladungsbahn ausgehen, ohne die Anode praktisch zu treffen. Es wurde hierbei
jedoch nicht erkannt, daß es darauf ankommt, praktisch alle den eigentlichen Entladungsraum
vom Kathodenteil zu Kathodenteil durchsetzenden Kraftlinien von der Anode fernzu.halten,
so daß wertvolle Elektronenbahnen für die lonisierungsarbeit verlorengingen. Bei
der Erfindung kommt es im Gegensatz zur bekannten Bauart darauf an, die die Kathode
zweimaldurchsetzenden Kraftlinien möglichst auf den verfügbaren Entladu gsraum auszudehnen
und durch Fernhaltung von der Anode möglichst restlos für die Ionisierungsarbeit
zu verwerten.
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Es soll angenommen werden, daß die die Kathode zweimal schneidenden
magnetischen Kraftlinien die Anodenoberfläche praktisch nicht treffen, wenn dieses
für nicht mehr als ro°/o derselben der Fall ist.
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Es kann der erfindungsgemäßen Forderung vorteilhaft :dadurch entsprochen
werden, daß der an die Entladungsbahn grenzende wirksame Teil der Anode außerhalb
des magnetischen Krafthnienbündels gelegen ist und dieses zusammen mit der eigentlichen
Entladungsbahn vorzugsweise in Form eines konzentrischen Zylinders umfaßt. Man hat
hierbei den Vorteil, daß die Entladungsbahn auf wirks.arne Weise gegen störende
Einflüsse abgeschirmt ist, und es erweist sich als vorteilhaft, an jedem der beiden
offenen Enden des Anodenzylinders senkrecht zur Anodenachse eine Platte anzuordnen
und die beiden Platten als die Kathode zu verwenden. Auf diese Weise wird eine vollkommene
Abschirmung auch in der Richtung der Zylinderachse :erzielt.
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Andererseits ergibt sich eine besonders leichte und einfache Bauart,
bei der auch sehr wenig Kraftlinien verlorengehen, wenn man den an die Entladungsbahn
grenzenden wirksamen Teil der Anode innerhalb ds magnetischen Kraftlinienbündels
und des eigentlichen Entladungsraumes in solcher Ausgestaltung anordnet, daß in
der ganzen Ausdehnung des Entladungsraumes und in der Richtung senkrecht zu den
Kraftlinien des Bündels der Querschnitt der Anode gegenüber dem Querschnitt des
Kraftlinienbündels vernachlässigt werden kann.
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Bei dieser Bauart empfiehlt es sich, eine gerade, stab- oder drahtförmige
Anode zu verwenden und an jedem der beiden Enden der Anode rund senkrecht zu ihr
eine Platte anzuordnen und die beiden Platten zusammen die Kathode bilden zu lassen.
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DJe obigen Lösungsformen sind alle auf die Verwendung eines homogenen
3lagnetfeldes abgestimmt; :es ist jedoch gerade im Falle eines inhomogenen Magnetfeldes
möglich, auch eine drahtförmige, in der Röhrenachse liegende Anode zu verwenden,
und zwar dadurch, daß die verwendete Ionenentladungsröhre
mit einer
hohlzylindrischen Kathode und einer zu dieser koaxial angeordneten draht- oder stabförmigen
Anode ausgeführt wird und ,derart in der Mitte eines. irrhomogenen, rotationssymmetrischen
Magnetfeldes angeordnet wird, daß die gemeinschaftliche Achse der Elektronen mit
der Feldachse zusammenfällt, und daß die magnetischen Kraftlinien die beiden Enden
des Kathodenzylinders durchsetzen.
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Bei der letztgenannten Bauart empfiehlt es sich, die zur Erzeugung
des Magnetfeldes dienende zylindrische Magnetspule koaxial um den mittleren Teil
des Kathodenzylinders anzuordnen und ihre axiale Länge nicht größer als die Hälfte
der axialen Länge des Kathodenzylinders zu wählen und den Durchmesser dieses letzteren,
so groß zu nehmen, daß der größte Teil der magnetischen Kraftlinien von ihm umfaßt
wird. Bei dieser Anordnung ergibt sich, daß die Anzahl der die Kathode zweimal durchsetzenden
Kraftlinden verhältnismäßig groß ist als Folge der größeren Länge des Kathodenzylinders
und seiner verhältnismäßig geringen radialen Entfernung von der Innenseite der Magnetspule.
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Zu den oben beschriebenen Elektronenanordnungen ist zu bemerken, daß
auch bei geiwsssen Abweichungen von den gestellten Symmetrieforderungen eine befriedigende
Wirkung der verwendeten Röhre möglich bleibt. Man kann z. B. an Stelle eines Kathodenzylinders
eine Anzahl von Platten verwenden, sofern diese eitlen annähernd zylindrischen Raum
umfassen, auch kann man bis zu gewisser Höhe von der streng symmetrischen Anordnung
der Elektroden, besonders der Anode, in dem Magnetfeld abweichen, ohne d:aß dieses
zu dem Ergebnis einer im Sinne der Erfindung unbrauchbaren Röhre führt.
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In manchen Fällen erweist es sich als vorteilhaft, die Röhre mit der
Achse des Magnetfeldes einen kleinen Winkel einschließen zu lassen, wobei sich eine
Herabsetzung der Zündspannung erzielen läßt. , Die Erfindung läßt sich mittels eines
konstanten Magnetfeldes verwirklichen, dessen Polarität für die Wirkung uniwesentlich
ist. Besonders wenn die Ausmaße der verwendeten Röhre nicht allzu groß sind, kann
dieses Feld mittels eines Dauermagneten hervorgerufen -,werden. Es ist dann möglich,
den Erregungsstrom des Magneten zu sparen und durch Fortfall der Elektromagnetspule
mit weniger Raum auszukommen.
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Da die Polarität des Magnetfeldes gleichgiiItig ist, ist es in vielen
Fällen möglich, ein magnetisches Wechselfeld zu verwenden, dessen Erregungsstrom
auf einfachste Weise dem Wechselstromnetz entnommen werden kann, besonders wenn
dasselbe Wechselstromnetz auch die Anodenspannung liefert, so daß Magneterregung
und Anodenspannung synchron verlaufen. Die Schaltung ist dann derart vorzunehmen,
daß während der Stromdurchlässigen Phase der Anode eine hinreichende Erregung des
Elektromagneten vorhanden ist und :das Magnetfeld ausschäeßlich an den Zeitpunkten
verschwindet, an denen es nicht vorhanden zu sein braucht. Man kommt dann ohne die
Komplikation einer Gleichstromerregung aus.
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Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung beispielsweise wiedergegebenen
Kennlinien und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In Fig. i der Zeichnung sind die Zündkennlinien einer Gleichrichterröhre
mit kalten Elektroden mit und ohne Maignetfeld abgebildet.
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In Fig. 2, 3, q. und 5 sind teilweise schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäßen Anordnungen von Magnetfeld und Röhre wiedergegeben.
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Die Kennlinien in Fig. i zeigen den Einfluß des Fülldruckes p auf
die Zündspannung h einer Gleichrichterröhre mit kalten Elektroden, zur Verwendung
in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und zwar beziehen sich die punktierten Kurven
auf die Zündspannung ohne Magnetfeld, die ausgezogenen Kurven auf die Zündspannung
mit Magnetfeld. Ferner sind die Zündkennlinien in der Durchlaßrichtung mit einem
d, die Zündkennlinien in der Sperrichtung mit einem s angedeutet.
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Das bei der Aufnahme der ausgezogenen Kennlinien verwendete Magnetfeld
hatte eine Feldstärke von ungefähr 300 Oerstad. Es ist ohne weiteres ersschtlich,
daß die Zündspannungen ohne Magnetfeld außerordentlich nahe beisammen liegen und
bereits bei einem-,Druck von etwa 2 # I o-2 mm Hg einen Wert von mehreren
tausend Volt erreichen, wohingegen die Zündspannungen mit Magnetfeld erheblich niedriger
liegen und große Unterschiede zwischen beiden Richtungen aufweisen. Unterhalb eines
Druckes von ungefähr 5. xo-3mm Hg ergeben sich außerordentlich hohe Zündspannungen
in der Sperrrichtung; die Zündspannung in, der Durchlaßrichtung hingegen erreicht
erst bei etwa q.. 10-'- mm Hg den Wert von 5oo Volt, eine Zündspannung von iooo
Volt wird erst bei einem für die Erfnldung nicht mehr in Betracht kommenden Druck
von weniger als I o-5 mm Hg erreicht.
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Selbstredend können die bei der Messung von Röhren einer mehr oder
weniger abweichenden Bauart erzielten Ergebnisse erheblich
von
den obigen abweichen. Insbesondere kann es vorkommen, daß hei Vorrichtungen nach
der Erfindung der steile Anstieg der Zündspannung in der Sperrichtung mit Magnetfeld
schon bei Druckwerter- von der Größenordnung von 10-° mm H- erfolgt.
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In Fig. 2 ist eine Entladungsröhre für eine Vorrichtung nach der Erfindung
dargestellt, deren Elektroden in einem konstanten Magnetfeld angeordnet sind, das
z. B. mittels eines Dauermagneten i hervorgerufen werden kann. Das annähernd zylindrische
Entladungsgefäß der Röhre enthält zwei kreisförmige Kathodenplatten 3 und 4, welche
an den Enden einer sie durchsetzenden drahtförmigen Anode und senkrecht zu dieser
angeordnet sind. Am oberen und am unteren Ende des Entladungsgefäßes i sind Füßchen
6 und 7 an:geschmolzen, welche die Stromzuführungsdrähte 8 und g der Elektroden
enthalten. Die Röhre ist derart in dem Magnetfeld angeordnet, daß der in der Röhre
anwesende Teil desselben praktisch homogen ist, die Anode 5 in seiner Achse angeordnet
ist und seine Kraftlinien nacheinander die Kathodenplatten 3 und 4 praktisch, ohne
die Anode 5 zu treffen, durchsetzen. Es werden die Elektronen dadurch gezwungen,
wiederholte 'Tale parallel zu der Anode 5 an den Kraftlinien entlang zu wandern,
bevor sie die Anode erreichen können.
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Bei einer Umpolung der Elektroden könnte dieser Effekt unmöglich auftreten,
de Elektronen würden dann sofort von den jetzt positiv aufgeladenen Kathodenplatten
angezogen werden und hätten keine Gelegenheit, in stark verlängerten Laufbahnen
eine hinreichende Stoßionisation hervorzurufen.
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In. Fig. 3 ist der Anode io der Röhre eine hohlzylindrische Gestalt
erteilt worden; die Kathodenplatten i i und 12 hingegen sind auf dieselbe Weise
angeordnet wie in der Röhre nach Fig.2. Die übrigen Röhrenteile und das Magnetsystem
entsprechen. vollkommen den in jener Figur abgebildeten und tragen dieselben Bezugsziffern.
Auch hier durchsetzt das Magnetfeld die Kathodenplatten wie in Fig. 2, nur befindet
sich die Anode außerhalb anstatt innerhalb des dieKathodenplatten durchsetzenden
magnetischen Kraftlinienbündels.
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In Fig.4 ist eine Gleichrichterröhre zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung maßstäblich -dargestellt, in der die Elektroden in der Weise der Fig.
3 angeordnet sind und die von einem mittels einer Zylinderspule hervorgerufenen
Magnetfeld durchsetzt wird.
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Das Entladungsgefäß 13 enthält zwei kreisförmi,ge Kathodenplatten
14, deren Stromzuführungsdrähte 15 in entgegengesetzten Richtungen mittels Füßchen
16 und 17 durch die Enden des annähernd zylindrischen Entladungsgefäßes hindurchgeführt
sind. In dein Füßchen 17 ist das Glasrohr i8 vakuumdicht befestigt, in das der Stromzufüh.rungsdraht
i9 der ringförmigen Anode2o vakuumdicht eingeschmolzen ist. Sowohl .die Strornzuführungsdrähte
15 der Kathodenplatten 1I als auch der Stromzuführungsdraht i9 der Anode 2o sind
mit aus Metall bestehenden Schirmen 21 bz-w. 22 versehen, so daß Teile der zwischen
den Elektroden vorhandenen Isolationsstrecken in an sich bekannter Weise gegen die
Elektroden derart abgeschirmt sind, daß sich an ihnen kein elektrisch leitender
Niederschlag aus zerstäubtem Elektrodenmaterial ausbilden kann. Hierdurch wird unter
allen Umständen eine hochwertige Isolation der Elektroden in dem kähreninnern gewährleistet.
Die Röhre ist koaxial in einer zylindrischen Magnetspule 23 angeordnet, welche zwischen
den Elektroden das erforderliche homogene Magnetfeld hervorruft.
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In einer praktischen Ausführung ist die Röhre mit einer Argonfüllung
von etwa io-jmm Hg versehen, und vermag Uodenwechselspannungen von mehreren tausend
Volt Effektivwert mit Sicherheit zu sperren, wobei die Zündspannung in der Durchlaßrichtung
in der Größenordnung von 4oo Volt liegt. Es ist hierbei möglich, der Röhre einen
einphasig gleichgerichteten Strom in der Größenordnung von io Milliam.pere zu entnehmen.
Die Länge des Entladungsgefäßes beträgt 280 mm, sein Durchmesser 70 mm; die
übrigen Maße der Röhrenteile sind hieraus ohne weiteres zu errechnen.
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Obwohl die praktischen Ausführungsbeispiele mit Edelgasfüllung ausgeführt
wurden, so ist dennoch eine Onecli:silberdampffiillung aus dem Grunde zu bevorzugen,
da es damit möglich ist, den Druck während der ganzen Lebensdauer der Röhre in derselben
Höhe zu erhalten, sofern ein kleiner Vorrat von flüssigem Ouecksilber in der Röhre
angeordnet ist und dafür Sorge getragen wird, daß die Temperatur dieses Quecksilbervorrates
innerhalb der den noch zulässigen Dampfdruckwerten zugeordneten Temperaturgrenzen
bleibt. Auch kann die Kathode selbst ans einem Metall von niedrigem, vorzugsweise
unterhalb 30° C liegendem Schmelzpunkt hergestellt werden, z. B. aus Caesfnm oder
Quecksilber, da. sich in diesem Falle das zerstäubende Material wieder an, der Kathode
ansammelt.
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Bei entsprechenden Ausmaßen der Elektroden sowie der Verwendung einer
Quecksilberkathod,e, durch die das Vorhandensein einer -.\Ietall,dampffüllung gesichert
ist, ist es möglich, erheblich höhere Stromwerte zuzulassen als bei den für die
Röhre gemäß Fig. 4
angegebenen Daten, z. B. einen Strom in der Größenordnung
von i Ampere ioder mehr. An erster Stelle ist dies auf die Tatsache zurückzuführen,
daß sich mit einer Quecksilberkathode auf vorteilhafte Weise eine lichtbogenartige
Entladung erzielen läßt.
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Fig.5 zeigt eine Anordnung mit einer Gleichrichterröhre, deren Kathode
24 als Hohlzylinder ausgebildet ist, der wie auch die drahtförmige Anode 25 koaxial
in dem Entladungsgefäß 26 ange6rdnet ist. Eine Magnetspule 27, deren axiale Länge
ein Fünftel :der axialen Länge des Kathodenzy linders beträgt, bildet ein rotationssymmetrisches
inhomogenes Magnetfeld, das eine große Anzahl von Kraftlinien aufweist, welche durch
ihre starke Krümmung -den Kathodenzylinder an beiden Enden durchsetzen, ohne die
Anode zu treffen. Dieser Verlauf ist in der Figur schematisch angedeutet und sichert
den erfindungsgemäßen Gleichrichtereffekt der Röhre.