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Anordnung zur Erzeugung hoher Gleichspannung Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Erzeugung hoher Gleichspannung, insbesondere zur Speisung von
Röntgenröhren. Gemäß der Erfindung speist eine Wechselspannungsquelle vergleichsweise
niedriger Spannung eine Reibenscbialtung mehrerer auf die Frequenz der Spannungsquelle
abgestimmter Reihenreson.anzkreise, und es werden Kondensatoren enthaltende Abschnitte
dieser Reihenschaltung mittels gleichrichten.-der Elemente überbrückt, und an diesen-
Abschnitten werden Gleichspannungen abgegriffen. Durch die Ausnutzung der Resonanz.
gelingt es bei Anordnungen nach der Erfindung, mit einer verhältnismäßig niedrigen
Primärspannung eine sehr hohe Ausgangsgleichspannung mit einfachen Mitteln zu erreichen.
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Die Erfindung sei an Hand der Abbildun: gen näher erläutert. In der
Fig. r ist eine Anordnung nach der Erfindung zur Speisung einer Röntgenröhre dargestellt.
Die Anordnung besteht aus zwei gleichartigen Gruppen von Reithhenresonanzkreiisen
mit den Drossein
io... i,~ und den Iiondenisatoren i8...25. Die
Drosseln können vorteilhaft Eisenkerne besitzen.
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Die beiden Gruppen sind durch Verbinden entsprechender Punkte (Erde
r und oberes Ende z:) zu einem geschlossenen Stromkreis zusammengeschaltet. Dieser
wird durch die Wechselspannungsquelle 30 Tiber den Transformator 31 gespeist.
Die Spannungsquelle 30 deckt die Verluste., die in den Resonanzkreisen auftreten,
und liefert die Energie für die angeschlossene Belastung. Die Spannung 3o kann im
Verhältnis z11 der erzeugten hohen Gleichspannung sehr klein sein.
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Die Spannungsverteilung an der bisher beschriebenen Schaltung ist
bei Vernachlässigung der noch weiterhin dargestellten Einzelteile durch das Vektordiagramm
in Fig. 2 dargestellt. In dieser Fig. 2 entsprechen die einzelnen Buchstaben den
gleichlau.tend bezeichneten Punkten in der Anordnung nach Fig. i. Voraussetzung
für das Diagramin wie auch für die folgenden Ausführungen ist eine Speisung des
Stromkreises mit seiner Resonanzfrequenz. Kein Punkt in einer Anordnungshälfte weist
in bezug auf einen anderen Punkt der gleichen Hälfte eine wesentlich größere Spannung
au,f, al-s durch dle-nVe@htorab dargestellt ist. Die größte im Kreise erhältliche
Potentialdifferenz ist nur wenig größer und durch den nichtgezeichneten Vektor ih
dargestellt. Diese Abweichung entsteht dadurch, daß die Spannung an jeder Induktivität
nicht ganz um i 8o' phasenverschoben: ist gegenüber der Spannung am folgenden Kondensator.
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Die Strecken ar, ce usw. entsprechen den zur Lieferung der Energieverluste
in den Kreisen erforderlichen Spannungskomponenten. Diese Komponenten, die durch
den Transformator 31 geliefert werden, sind verhältnismäßig klein gegenüber den
an den Drosseln und Kondensatoren auftretenden Spannungen.
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Man sieht, daß zwischen dem Punkt i und der Erde r zwei Reihenschaltungen.
von mehreren Kondensatoren liegen. wenn es gelingt, jedem. dieser Kondensatoren
eine konstante Ladung geeigneter Polarität zu: geben, so kann am Punkt i eine konstante
Spannung erheblicher Höhe auftreten. So würde bei einem Gesamtaufwand von zwanzig
Kondensatoren in dem Kreise, von denen jeder ioo j;V konstante Spannung aufweist,
zusammen iooo kV geliefert werden.
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Die Erfindung gibt nun Mittel an, um diese Aufgabe zu lösen. Dies
wird durch Einschaltung von gleichrichtenden Elementen erreicht, die eine Gleichspannung
an den Kondensatoren in den Resonanzkreisen entstehen lassen. Die Elemente mit eindeutiger
Stromdurchlaßrichtung können dabei in verschiedener Weise angeordnet werden; mehrere
solcher Anordnungen sind in den Abbildungen dargestellt.
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Eine sehr einfache Schaltung ist in Fig. i gezeigt, in der eine Reihe
von Gleichrichtern 35 ... 38 an die Kondensatoren 18, 19, 20, 21
angeschlossen
ist. Die verwendeten Gleichrichter können Kontaktgleichrichter, Elektronenröhren
oder solche mit Dampf- oder Gasfüllung sein. Bei der dargestellten Anordnung wird
jeder Kondensator so lange einen Ladestrom erhalten, bis die Anode des zugeordneten
Gleichrichters während keines Teiles der "echselspannungsperiode mehr positiv gegenüber
der Kathode wird. Danach werden am Kon@d,e"ns,ator eine Gleichspannung und eine
Wechselspannung desselben Scheitel-,vertes liegen. Die Wechselspannung wird jedoch
durch die Spannung an der zugeordneten Drossel für den gesamten Resonanzkreis aufgehoben,
so daß die resultierende Spannung an jedem Resonanzkreis eine oberwellenfreie Gleichspannung
ist. Die Spannung an der Reihe der aufeinanderfolgende-n Resonanzkreise ist ebenfalls
eine Gleichspannung, die der Summe, der einzelnen. Gleichspannungen entspricht.
Die Kondensatoren in der linken Gruppe, d, h. die Kondensatoren. 22, .213,
2,., 25, werden automatisch dieselbe Ladungsverteilung annehmen wie die Kondensatoren,
zu denen Gleichrichter parallel liegen, vorausgesetzt, daß ihre Verluste die gleichen
sind.
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Die zeitlichen Spannungsverläufe können an Hand der Fig.3 übersehen
werden. Die Kurve A stellt die Spannung des Punktes b gegenüiber dem tP'unkt a dar,
also die Spannung an der Induktivität io. Die Kurve B gibt den ähnlichen Spannungsverlauf
des Punktes c gegenüber dem Punkt b, d. h. die Spannung am Kondensator 18. Die Drosselspannung
verläuft symmetrisch zum Punkt a, während der obere Beleg des Kondensators 18 infolge
des parallel geschalteten Gleichrichters 35 niemals erheblich positiv werden kann
gegenüber dem unteren Beleg. Es entsteht also die Wirkung, daß die obere Platte
des Kondensators i8 im wesentlichen eine konstante negative Spannung erhält oder,
mit anderen Worten, daß das Potential an jedem Reihenresonanzkreis mit Kondensator
18 und Drossel io konstant ist. Die an den Kondensatorklemmen auftretende Spannung
ist eine Gleichspannung mit überlagerter Wechselspan:nung von der gleichen Amplitude
wie die Größe der Gleichspannung. Bei der Reihenschaltung der beiden Elemente, des
Kondensators und der Drossel, wird jedoch die Wechselspannung am Kondensator durch
die ähnlich verlaufende, aber in Gegenphase liegende Spannung an der Drossel aufgehoben,
Die
resultierende Gleichspannung des Punktes i o gegenüber der Erde ist durch die Ho.ri.zontallinie
C in Fig. 3 dargestellt. Die gesamte resultierende Gleichspannung der Einrichtung
wird dargestellt durch die Linie Ci, die die Summe der an den einzelnen in Reihe
geschalteten Kondensatoren liegenden Gleichspannungen darstellt.
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Man erkennt, daß die erzeugte Gesamtspannung nicht allein von der
Spannung der Quelle 30 oder des Transformators 3.f abhängig ist, da der betrachtete
Stromkreis ein Resonanzkreis ist. Die Gesamtspannung wird vielmehr nur begrenzt
durch die Widerstandsverluste in der Einrichtung und kann sehr hoch werden, wenn
die Verluste von einer entsprechenden Stromquelle 30 gedeckt werden. Weiterhin erkennt
man, daß jeder Reihenresonan.zkreis nur einen proportiona,len Anteil der Gesamtspannungerhält,
so daß die Spannungsbeanspruchung der einzelnen Kreise nicht groß ist. Es braucht
daher jedes einzelne Element nicht für sehr hohe Beanspruchung ausgelegt zu werden.
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Die, beschriebene Einrichtung kann zur Speisung der verschie @denstenBelastungskreise
dienen, welche eine konstante Gleichspannung erfordern. In der Fig. i ist als Belastungskreis
beispielsweise eine Röntgenröhre 40 angenommen, die eine Kathode 4, eine Anode q.2
und Zwischenelektroden 43, 44, 45 besitzt. Letztere dienen zur Aufrechterhaltung
einer bestimmten Spannungsverteilung längs der Röhre. Der Betriebsstrom der Röntgenröhre
4o, der durch die an ihre Klemmen angelegte Spannung verursacht wird, findet einen
geschlossenen Stromkreis über Gleichrichter 38, Drossel 13, Gleichrichter
37, Drossel 12, Gleichrichter 36, Drossel i i, Gleichrichter 35, Drossel i o, Transformator
3 1 und Erde. Die gezeigte Einrichtung kann beliebig erweitert werden, sofern
nur die Schaltung einen geschlossenen Stromkreis für den Belastungsstrom und den
Ladestrom der verschiedenen Kondensatoren enthält.
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Die Arbeitsweise der Einrichtung nach der Erfindung bei Belastung
ist in Fig. 4a bis 4c dargestellt. Die erste stellt den zeitlichen Verlauf des Laststromes
dar, der nach dem Einschalten im wesentlichen konstant ist. Als Ergebnis der Ladungsverluste
der Kondensatoren während der Zeitdauer der Belastung erscheint eine Oberwelligkeit
in der Gleichspannung der Einrichtung. Dies ist in Fig. 4c dargestellt, wobei die
jeweilige Spannungsabsenkung durch die Entladung der Kondensatoren entsteht. Der
Ladungsverlust wird jedoch automatisch während jeder Schwingungsperiode des Resonanzkreises
durch einen Strom durch die Gleichrichter ausgeglichen, der in Fig.4b dargestellt
ist. Es ist klar, daß die Stromflächen in Fig. 4a und 4b die gleichen sein müssen.
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Die Größe der Oberwelligkeit, die in der Gleichspannung auftritt,
ist abhängig von der Kapazität der verwendeten Kondensatoren. Sie kann durch geeignete
Kondensatoren auf einen gewünschten Wert begrenzt werden. Die Größe der Oberwelligkeit
wird außerdem abnehmen und ihre Frequenz verdoppelt werden, wenn weitere Gleichrichter
parallel zu den Kondensatoren 22, 23, 24, 25 der linken Gruppe von Resonanzkreisen
geschaltet werden. Wie bereits oben ausgeführt, kann die Einrichtung durch Hintereinanderscha,lten
einer beliebigen Anzahl von Resonanzkreisen eine sehr hohe Gleichspannung erzeugen.
Um demgemäß die Klemmen der Einrichtung mit dem hohen Potential von der Erde zu
isolieren, kann die gesamte Einrichtung in einen Behälter mit einem. guten Dielektrikum,
z. B. O1 oder Gas, eingebaut werden.
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Unter der Annahme, daß die in den beiden Gruppen verwendeten. Schaltungselemente
gleich sind, wird entlang jeder Gruppe die gleiche Spannungsverteilung auftreten.
Dies ist besonders dann der Fall, wenn der Verlustwinkel der in der linken Gruppe
verwendeten Kondensatoren der gleiche ist wie der der in der rechten Gruppe verwendeten
Kondensatoren. Daher ist es möglich, jeweils zwei entsprechende Drosseln auf einem.
gemeinsamen Kern anzuordnen. Dies ist in F'ig.5 dargestellt, wobei die gleichen
Schaltungselemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. i erhalten. haben. Die
Drosseln io und 14 sind auf dem gemeinsamen Kern 5o angeordnet, in ähnlicher Weise
die übrigen Drosseln auf den Kernen 51 und 52. Hierdurch wird die Wirtschaftlichkeit
verbessert, da diese Anordnung eine leichte und räumlich kleine Ausführung der ganzen
Einrichtung gestattet. Falls es gewünscht wird, kann ein gemeinsamer magnetischer
Kreis für :sämtliche Drosseln verwendet werden, wobei eine geeignete Isolation zwischen
den verschiedenen Teilen eines solchen Kreises vorgesehen werden muß.
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Als weitere Folge des symmetrischen Au.fbaues zwischen den beiden
Gruppen braucht nur. jedem zweiten Kondensator einer Gruppe ein Gleichrichter parallel
geschaltet zu, werden, wie dies in Fig.6 dargestellt ist. In der rechten Gruppe
sind nur den Kondensatoren f9 und 2f Gleichrichter 36, 3,8 parallel geschaltet,
während in der linken Gruppe nur für die Kondensatoren 22 und 24 Gleichrichter 53,
54 vorgesehen sind. Um. einen geschlossenen Kreis für den Laststrom zu bilden, sind
die Äquipotentialpunkte der beiden Gruppen durch Glättungsdrosseln 55, 56,
57 verbunden. Dadurch ist ein Gleichstrom zwischen den
Punkten
i und r möglich. Der verhältnismäßig hohe Wechselstromwiderstand der Glättungsdrosseln
verhindert einen wechselstrommäßigen Kurzschluß. Die Wirkungsweise der Einrichtung
nach Fig. 6 ist im wesentlichen dieselbe wie die der Einrichtung nach Fig. i mit
der Ausnahme, daß die Oberwellen: der Gleichspannung von doppelter Frequenz sind.
Dies erklärt sich dadurch, daß die Gleichrichter in den beiden Gruppen in verschiedenen
Halbwellen Strom durchlassen. Es ist nicht notwendig, daß die Gleichrichter, die
eine Gleichstromladung der Kondensatoren erzwingen, direkt diesen Kondensatoren
parallel geschaltet werden, sofern nur ein: Gleichstromweg besteht, der eine Aufladung
der Kondensatoren ermöglicht. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 7 dargestellt,
in der eine Anzahl Gleichrichter 65, 66, 67, 68 zwischen die beiden Gruppen geschaltet
sind. Man sieht, daß jeder Gleichrichter zwischen die untere Belegung eines Kondensators
der einen Gruppe und den oberen Beleg des entsprechenden Kondensators der anderen
Gruppe geschaltet ist. Daher ergibt sich ein geschlossener, im Zickzack verlaufender
Stromkreis für den Ladegleichstrom der verschiedenen Kondensatoren über die Gleichrichter
und die Drosseln. Die Wirkungsweise ist im: wesentlichen die gleiche wie bei dein
vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
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Bei nochmaliger Betrachtung der Kurve B in Fig. 3 wird man sich vergegenwärtigen,
d@aß die an jedem Kondensator auftretende Speisewechselspannung von Scheitel zu
Scheitel zweimal so groß ist wie die Gleichspannung, die an dem zugehörigen Resonanzkreis
auftritt, d. h. daß ein 2oo-kV-Kondensa.tor nur iookV zur resultierenden Gleichspannung
beiträgt. Es ist wünschenswert, dieses Verhältnis zu verbessern.
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In Fig.8 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem dies erreicht
wurde. Dort sind 69...71 hochohmige Widerstände, die die Spannungsverteilung nvischeu
den beiden Gruppen vergleichmäßigen. In dem Ausführungsbeispiel ist der Scheitelwert
der Wechselspannung an Kondensator und Drossel kleiner als die Gleichspannung an
jedem Reihenresonanzkreis. So hat beispielsweise, die Wechselspannung einen Scheitehvert
von nur 30 kV, obwohl die Gleichspannung einen Wert von ioo kV erreicht.
In diesem Fall braucht der Kondensator nur für 13o kV ausgelegt zu sein, da dies
seine maximale Beanspruchung ist. Um den Kondensator auf den Mittelwert von ioo
kV aufzuladen, wird jede Drossel To ... 13 mit einer Hilfswicklung iö . ..
13' versehen. Die Hilfswicklung wird mit der Hauptdrossel transformatorisch in der
Weise gekoppelt, daß eine Spannungserhöhung stattfindet, und zwar soll nach vorstehendem
Zahlenbeispiel das Verhältnis der Wicklungen so sein, daß der Spannung von 3o kV
in der Hauptwicklung eine Spannung von 7o kV in der Hilfswicklung entspricht. Jede
Hilfswicklung liegt in Reihe mit einem Gleichrichter parallel zu, dem Kondensator,
wie oben beschrieben.
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Da der Kondensator ohne Hilfswicklung eine Scheitelspannung von 6o
kV erreicht, bringt die Hinzufügung der Hilfswicklung eine Auf ladung des Kondensators
auf 13o kV, wobei der Kondensator auf einen Gleichspannungsmittelwert von ioo kV
aufgeladen wird. Ein Vergleich der Scheitelspannung von 13o kV mit der erzeugten
Gleichspannung von ioo kV zeigt, daß auf diese Weise eine hohe Ausnutzung des Kondensators
erreicht wird.
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Außerdem zeigt Fig. 8 eine Anordnung, bei der die Glühkathoden der
verschiedenen Gleichrichter durch Energieentnahme aus den Resonanzkreisen gespeist
«-erden. Dies wird durch weitere Hilfswicklungen 10" . . . 13" erreicht.
Eine Regelung der Heizung kann durch di.e Regelwiderstände 72 ... 75 erreicht
werden, die gemeinsam durch die Steuerwelle 76 geregelt werden können. In ähnlicher
Weise kann die Kathode .ii der Röntgenröhre .Io transformatorisch aus dem Hauptkreise
gespeist werden. Dies geschieht, wie dargestellt, über den Transformator 78 und
den Regelwiderstand 79 mit der Steuerwelle 8o.