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Vorrichtung und Verfahren zur Unterbrechung eines elektrischen Stromes
Es ist bekannt, daß die Schwierigkeiten, auf die man beim Unterbrechen eines elektrischen
Stromes mittels einer gas- oder dampfgefüllten löschbaren Entladungsröhre in bezug
auf die Löschung stößt, in dem Maß zunehmen, wie die nach der Löschung an der Röhre
auftretende Spannung wächst. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß infolge der
verbleibenden Restionisation die Möglichkeit erneuter Zündung der Röhre oder der
Entstehung einer Glimmentladung, die zwei Hauptursachen der Löschstörungen, mit
wachsender Spannung ebenfalls größer ist. Dies gilt sowohl für Röhren mit Löschung
auf dem Gitter als auch für Röhren, die mittels eines Spannungsstoßes auf der Anode
und gegebenenfalls auch auf einer Hilfsanode gelöscht werden.
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In praktisch vorkommenden Fällen, z. B. bei Gleichstromenergieübertragung
bei hoher Spannung und großer Leistung, bei der am Ende der Leitung diese Energie
in Wechselstromenergie von n-mal niedrigerer Spannung umgewandelt werden muß, handelt
es sich um Spannungen von etwa io bis Zoo kV und mehr und um Ströme von einigen
Ampere bis einige z ihn Ampere.
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Die Erfindung bezweckt, die vorerwähnten Nachteile in bezug auf die
Löschung zu beseitigen.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dazu parallel zu der zu löschenden
Entladungsröhre (Hauptröhre
) eine steuerbare Hochvakuumröhre (Hilfsröhre)
geschaltet, die imstande ist, im Augenblick des Löschens kurze Zeit praktisch den
ganzen Strom der Hauptröhre bei einer derart niedrigen Spannung zu übernehmen, daß
eine unerwünschte Wiederzündung der Hauptröhre durch Restionisation in dieser Röhre
nicht erfolgen kann. Wenn der Strom nun unterbrochen werden muß; so wird kurz vor
dem Augenblick des Löschens der Hauptröhre die Hilfsröhre leitend gemacht und so
lange (Größenordnung von 1o 4 bis io 5 Sek.) leitend gehalten, daß nach der darauffolgenden
Löschung der Hauptröhre die Entionisation in dieser Röhre hinreichend fortgeschritten
ist.
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An Hand der Figuren der Zeichnung wird die Erfindung mittels eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Fig. i zeigt die Schaltung einer Vorrichtung, bei der die Hauptröhre
in Reihe mit einer Belastung an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist; Fig.
2 zeigt die Spannung an der Haupt- und .Hilfsröhre während des Betriebes als Funktion
der Zeit.
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In Fig. i sind mit -i die Klemmen einer Gleichspannungsquelle von
etwa einigen zehn kV dargestellt, an die in Reihe eine Belastung 2 und eine Entladungsröhre
3 mit Quecksilberkathode 4 und Anode 5 angeschlossen sind. Die Röhre ist mit einer
Zündelektrode 6 ausgestattet, die in diesem Fall als dauernd in das Kathodenquecksilber
eingetauchter Halbleiter gewählt ist.
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Parallel zur (Haupt-) Röhre 3 liegt eine Hochvakuumtriode (Hilfsröhre)
7 mit einer Glühkathode 8, einem Gitter 9 und einer Anode io.
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Ebenfalls parallel zur Hauptröhre ist eine Vorrichtung zum Löschen
dieser Röhre geschaltet, die im gewählten Beispiel aus der Reihenschaltung eines
an eine Gleichspannungsquelle ii angeschlossenen Löschkondensators 12, einer gas-
oder dampfgefüllten Röhre 13 und eines kleineren Kondensators 14 besteht. Die Röhre
13 ist mit einer Anode 15 und einer Quecksilberkathode 16 versehen und kann ebenso
wie die Hauptröhre mittels einer in das Quecksilber eingetauchten, aus einem Halbleiter
bestehenden Hilfsanode 17 durch einen Spannungsimpuls zur Zündung gebracht werden.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltung ist folgende: Es wird
von dem Zustand ausgegangen, in dem die Röhre 3 leitend ist, die Röhre 7 durch eine
negative Spannung auf dem Gitter gesperrt gehalten wird und die Löschvorrichtung
12, 13, 14 außer Tätigkeit ist. Die Spannung auf den beiden Röhren 3 und 7 entspricht
in diesem Fall der Bogenspannung der Röhre 3, d. h. etwa 2o bis 30 V.
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Kurz, von dem Augenblick, in dem der Strom durch die Belastung 2 durch
Löschen der Entladung in der Röhre 3 unterbrochen werden muß, wird die Spannung
am Gitter 9 der Röhre 7 weniger negativ, gegebenenfalls positiv gemacht, so daß
die Röhre leitend wird und imstande ist, bei einer Anodenspannung von der Größenordnung
von 5oo bis i ooo V praktisch den vollen Belastungsstrom der Röhre kurze Zeit zu
übernehmen. Solange die Röhre 3 aber noch nicht gelöscht worden ist und die Anodenspannung
der Röhre 7 somit immer noch der Brennspannung der Röhre 3 entspricht, wird der
weitaus größte Teil des Belastungs stromes diese Röhre durchfließen.
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Dann wird die Entladung in der Röhre 3 gelöscht was dadurch erfolgt,
daß mittels der Zündelektrode i; die Röhre 13 gezündet wird. Der vorher aufgeladen(
Löschkondensator 12, der mit der negativen Seite mii der Röhre verbunden ist, entlädt
sich dann über dic Röhre 13 und der anfänglich ungeladene Konden. sator 14 über
die Röhre 3, wodurch das Potential dei Anode 5 kurze Zeit gegenüber der Kathode
derart herabgesetzt oder sogar negativ gemacht wird, daß die Entladung gelöscht
wird.
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Weil aber die vorher leitend gemachte Röhre parallel zur Röhre 3 geschaltet
ist, kehrt in diesem Zustand verringerter Durchschlagsicherheit der Röhre 3 infolge
der vorhandenen Restionisation die volle Netzspannung hierauf nicht unmittelbar
zurück, sondern es wird die Röhre zunächst der viel geringeren Anodenspannung der
Röhre 7 von etwa 5oo bis iooo V ausgesetzt. Bei dieser Spannung ist trotz der nach
der Löschung in der Röhre 3 noch vorhandenen, obwohl abnehmenden Restionisation
eine Wiederzündung oder sonstige Störung im Zustand der Röhre nicht zu befürchten.
Erst nachdem die Entionisation hinreichend fortgeschritten ist, wozu eine Zeit von
der Größenordnung von i o-4 bis i o--1 Sek. erforderlich ist, und die Röhre 3 ihre
volle Spannungssicherheit wiedererhalten hat, wird der Stromdurchgang durch die
Röhre 7 gesperrt und kehrt die volle Netzspannung auf die Röhren 3 und 7 zurück.
Der Kondensator 14 dient dazu, im Parallelzweig diese Spannung zum größten Teil
aufzunehmen, so daß nur ein Bruchteil davon auf dem Kondensator i1 zu stehen kommt.
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Den an der Hochvakuumröhre zu stellenden Anforderungen kann beim heutigen
Stand der Technik für einen ausgiebigen Bereich von Spannungen und Strömen entsprochen
werden. Es ist nicht erforderlich, eine Röhre mit Gittersteuerung zu verwenden.
Brauchbar ist ebenfalls eine Röhre mit magnetischer Steuerung, die den Vorteil hat,
daß die Gitterverluste erspart werden und die Steuerenergie beträchtlich geringer
ist.
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In Fig. 2 ist der Spannungsverlauf der Röhren 3 und 7 als Funktion
der Zeit dargestellt. Mit t, ist die Zeit bezeichnet, während der die Röhre 3 leitend
ist, so daß die Spannung Ei auf den Röhren 3 und 7 der Brennspannung der Röhre 3
entspricht. Während t2 ist die Röhre 3 gelöscht, und es entspricht die Spannung
EZ an der Röhre der Anodenspannung der Röhre 7. Die Zeitdauer t2 ist von der Größenordnung
von io 4 bis io 5 Sek., und zwar derart, daß in dieser Zeit die Restionisation in
der Röhre 3 verschwindet. Die Röhre 7 wird nun gesperrt, so daß während der darauffolgenden
Zeitdauer t3 die volle Netzspannung E3 auf die Röhren zurückkehrt.
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Darauf beginnt, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wieder ein neuer Zyklus
mit der Zündung der Röhre 3.
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Aus Fig. 2 ist ebenfalls ersichtlich, daß durch periodisches Zünden
und Löschen bzw. Sperren der Röhren 3 und 7 die erfindungsgemäße Schaltung im Prinzip
dazu geeignet ist, als Wechselrichter verwendet zu werden mit einer Belastung von
z. B. einem Transformator zur Umwandlung hoher Gleichspannung in niedrigere
Wechselspannung.
Hierbei ist dann die Periodizität in den aufeinanderfolgenden Zuständeänderungen
der Röhren im Einklang mit der Frequenz der erzeugten Wechselspannung zu wählen.
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Es ist aber auch möglich, die Schaltung zum einmaligen oder periodischen
Ein- und Ausschalten von Wechselströmen zu verwenden, wobei die Ausschaltung in
einem beliebigen Augenblick innerhalb einer halben Periode stattfinden kann. In
diesem Fall werden häufig zwo i antiparallel geschaltete Röhren 3 bzw. 7 verwendet,
um die beiden Hälften der Periode des Wechselstromes durchlassen zu können.