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Vorrichtung zum Löschen einer Entladungsröhre mit Quecksilberkathode
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Löschen einer gas- oder dampfgefüllten
Entladungsröhre mit Quecksilberkathode, insbesondere zur Verwendung in mit Gleichstrom
gespeisten Hochspannungsanlagen mit großer Leistungsfähigkeit.
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Die Erfindung bezweckt, eine Verbesserung einer Löschvorrichtung zu
schaffen, mittels welcher das Löschen durch einen Spannungsstoß erfolgt, der aus
einem vorher aufgeladenen Kondensator erhalten wird, welcher im Zeitpunkt der Löschung
über ein Schaltorgan einen Entladestoß über die Entladungsröhre und/oder auf eine
oder mehrere Hilfselektroden der letzteren, gibt. Dieses Löschverfahren eignet sich
im allgemeinen vorzüglich zum Löschen von Röhren mit einer Quecksilberkathode mit
Rücksicht auf den Umstand, daß es möglich ist, in der äußerst kurzen, zum Löschen
verfügbaren Zeitdauer den Kathodenfleck verschwinden zu lassen und so die Entladung
abzubrechen.
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Diesem Verfahren haftet aber vielfach der Nachteil an, daß die nach
dem Löschen an die Entladungsröhre zurückkehrende Spannung, die meistens wesentlich
größer ist als die vor dem Löschen vorhandene Brennspannung, gleichfalls an -dem
Parallelzweig auftreten. wird, der aus der Reihenschaltung des obenerwähnten Schaltorgans
und des Löschkondensators besteht. Dies bedeutet, .daß der Löschkondensator für
eine viel höhere Spannung ausgebildet werden .muß, als es. auf Grund seiner Funktion
,in .der Löschperiode erforderlich
ist. Dieser Nachteil tritt, insbesondere
in den Fällen auf, in denen Entladungsröhren mit Quecksilberkathode wegen ihrer
grundsätzlichen Fähigkeit zum Durchlassen von verhältnismäßig großen Strömen von
der Größenordnung von Hunderten vonAmpere bei sehr hohen Spannungen, z. B. von der
Größenordnung von Zehntausenden von Volt, verwendet werden. Es kann .dann außerdem
vorkommen, daß das Schaltorgan, der Kondensator und das zu ihm parallel geschaltete
Speisegerät sofort nach dem Löschen einen Stromstoß zu bewältigen haben, der ein
Vielfaches des Löschstromes, z. B. hundertmal so groß sein kann. Dieser Nachteil
kann allerdings für,das Speisegerät dadurch vermieden werden., W letzteres zeitweise
ausgeschaltet wird, was abereine -zusätzliche Handlung erfordert. Auch liegt der
Nachteil vor, daß der Löschkondensator mehr oder weniger entladen, unter bestimmten
Verhältnissen sogar umgeladen wirdund für die nächsteLöschung nicht rechtzeitig
genug wieder verfügbar ist. Letzteres ist insbesondere erschwerlich, wenn die Entladungsröhre
wegen ihrer Funktion in einer bestimmten Schaltung periodisch gezündet und gelöscht
werden muß.
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Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht darin, daß in Reihe mit
dem Löschkondensator und ,dem Schaltorgan ein zweiter (Hilfs-)Kondensator liegt,dessen
Kapazität im Verhältnis zu der Kapazität des Löschkondensators derart gewählt ist,
daß er. die nachdem Löschen zurückkehrende Spannung an der Entladungsröhre in der
Hauptsache aufnimmt. Es wird mit Rücksicht auf das Vorhergehende einleuchtend sein,
daß mit dem Ausdruck »in der Hauptsache« hier ein solcher Teil der Spannung gemeint
wird, daß die obenerwähnten Nachteile nicht .auftreten können.
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Wenn z. B. die nach dein Löschen an der Entladungsröhre zurückkehrendeSpannung
einige Yilovolt beträgt, was bei einer -Energieüberträgung mit Gleichstrom von hoher
Spannung vorkommen kann, und die für das Löschen am Löschkondensator liegende Spannung
von .der Größenordnung von Hunderten von Volt, z. B. 500'V, ist, so wird
die Spannung nach dem Löschen höchstens von .der gleichen Größenordnung sein. Im
.allgemeinen kann gesagt werden, daß das Verhältnis zwischen den Kapazitäten des
Löschkondensators und des Hilfskondensators 5o bis zoo beträgt, wobei die Kapazität
des Löschkondensators natürlich von der zur Löschung erforderlichen Energiemenge
bedingt ist. Obgleich der Hilfskondensator in bezug auf die Hochspannung isoliert
sein muß, ist .dies mit Rücksicht auf die geringe Kapazität gegenüber derjenigen
des Löschkondensators keinesfalls ein Nachteil, sondern nur vorteilhaft im Vergleich
zu dem Fall, daß der Hilfskondensator nicht vorhanden wäre und der verhältnismäßig
große Löschkondensator in bezug auf die gleiche hohe Spannung isoliert sein müßte,
da zur Erzielung der benötigten Isolierung der Urnfiang eines Kondensators etwa
dem Quadrat der Spannung proportional ist.
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Um in besonderen Fällen ein Wiederzünden der Röhre infolge von Schwingungserscheinungen
(Unstabilität) der Entladung zu vermeiden, welche auftreten, wenn nach der Löschung
.die zurückkehrende Spannung an der Röhre an den zu ihr parallel liegendem Kondensatoren
liegen; bleiben. wurde, ist es erwünscht, sofort nach dem Löschen das Schaltorgan
zu öffnen, was stromlos erfolgen kann, sobald der Hilfskondensator von der zurückkehren-.den
Spannung aufgeladen ist und- praktisch kein Ladestrom mehr fließt. Obgleich grundsätzlich
als Schaltorgan jeder geeignete Schalter verwendbar ist, ist es vorteilhaft, eine
steuerbare, gegebenenfalls von einer Hilfselektrode zu sperrende *(Hilf s-) Entladungsröhre
.mit einer Gas- oder Dampffüllung zu verwenden, da infolge der Ventilwirkung das
Auftreten von Schwingungen dann jedenfalls vermieden werden kann.
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In vielen. Fällen wird der Hilfskondensator nach erfolgter Löschung
nach einiger Zeit so weit entladen sein, daß die Hauptröhre nach der Wiederzündung
wieder aufs neue gelöscht werden kann in der Weise, daß man mittels des Schaltorgans
den aufs neue aufgeladener; Löschkondensator sich über den Hilfskondensator wieder
über die Röhre entladen läßt. Falls die Zeitpunkte der Löschung weit genug auseinander
liegen, werden, bezüglich der Löschung keine Schwierigkeiten auftreten. Es kommt
aber häufig vor, daß die Röhre so schnell nacheinander gezündet und gelöscht werden.
muß, .daß die Entladung des Hilfskondensators zu langsam vor sich geht. Für solche
Fälle ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ,der Kondensator von einem ausschaltbaren
oder nicht ausschaltbaren veränderlichen Widerstand von solchem Wert überbrückt,
daß es, möglich ist, die Entladung sich innerhalb einer einstellbaren Zeitdauer
abspielen zu lassen. Dies spielt insbesondere eine Rolle, wenn die Hauptröhre periodisch,
z. B. fünfzigmal in der Sekunde, selbsttätig gezündet und gelöscht werden muß. Der
gewünschte Effekt kann .dann .dadurch erreicht werden, daß zu dem Hilfskondensat-
ein Widerstand parallel geschaltet wird, der derart bemessen ist, daß die Entladung,des
Kondensators. innerhalb .der Zeitdauer der Periode weit genug fortgeschritten .ist.
Die 7.eitkonstante, RC muß dazu von derselben Größenordnung sein wie die Zeitdauer
zwischen. zwei aufeinanderfolgen@den Löschungen.
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Es sei hierzu bemerkt, daß infolge des Vorhandenseinsdes Widerstands
nach erfolgter Löschung der Hauptröhre an der Hilfsröhre gleichfalls eine hohe Spannung
auftreten wird, durch welche in der Hilfsröhre unverhofft von neuem eine Bogenen:tladung
hervorgerufen werden könnte. Bei Verwendung einer Hilf sentladungsröhre mit einer
Quecksilberkathode läßt sich ,dieser Nachteil aber mit Sicherheit durch eine solche
Wahl des Widerstandswerts beseitigen, daß der etwaige Strom weit unter dem Mindeststrom
einer Quecksilberkathode. liegen würde. Hierdurch können Störungen im Löschverfahren.
infolge des Durchschlags der Hilfsentladungsröhre nicht auftreten. Bei Verwendung
anderer Schaltorgane, z. B. einer Hilfsentladungsröhre .mit einer Glühkathode, braucht
-der Überbrückungswiderstand nicht vor dem Ablauf des
Löschverfahrens
und der Unterbrechung des Parallelzweiges eingeschaltet zu sein. Im Fall der '\/erwendung
einer derartigen Röhre tritt ,die über den Widerstand an der Röhre liegende Spannung
erst dann auf, wenn der Stromdurchgang durch die Röhre bereits unterbrochen ist.
Diese Maßnahme ist erforderlich mit Rücksicht auf die bekannte Tatsache, daß es
für eine Gasentladungsröhre mit einer Glühkathode keine Mindeststromstärke gibt,
bei der -die Entladung abbricht. Die Maßnahme ist gleichfalls vorteilhaft bei einer
Röhre mit Quecksilberkathode, falls in ihr unter dem Einfluß von Gasdruck und Spannung
zwar keine Bogenentladung, sondern eine Glimmentladung auftreten würde.
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Mit,der Hauptentladungsröhre kann grundsätzlich sowohl Wechselspannung
als, auch Gleichspannung geschaltet werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltung hat sich insbesondere beim Ausschalten
von großen Leistungen bei hoher Gleichspannung von einigen Zehntausenden von Volt
als wirksam erwiesen.
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Beim Ausschalten dieser großen Gleichstromleistungen ist die beste
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung diejenige, bei der als Hilfsentladungsröhre
eine Röhre mit einer Quecksilberkathode verwendet wird, @da eine Wiederzündung derHilfsentladungsröhrenach
demLöschen der Hauptentladungsröhre infolge der äußerst geringen Zeitdauer von io-9
Sekunden, innerhalb welcher der Kathodenfleck verschwindet, mit Sicherheit vermieden
werden kann, auch wenn der Hilfskondensator dauernd vom Widerstand überbrückt ist.
Schwingungserscheinungen in der Hauptenitl.adungsröhre infolge einer Kapazität parallel
zu der Röhre können daher, sogar bei den höchsten Spannungen, selbsttätig vermieden
werden.
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Für ein. gutes Verständnis der Wichtigkeit der Erfindung für dasAusschalten
vonHochspannungsgleichstrom mittels eines Löschstoßes aus einem Kondensator auf
eine parallel zum Schalter liegende Entladungsröhre wird in ,dieser Beziehung bemerkt,
daß eine der Ursachen für den. Umstand, daß bisher in, der Starkstromtechnik Ströme
bei solchen Spannungen. nicht ausgeschaltet werden konnten und :daher keine Schaltvorrichtungen
für diesen Zweck im Handel erhältlich waren, in dem bisher nicht zu vermeidenden
Schwingungsproblem liegt. Die Verwendung eines Hilfskondensators nach der Erfindung
schafft hierfür eine Löschungsmögl:ichkeit, :die in, verbesserter Form zu der Kombination
mit einer Ouecksilberkathodenhilfsentladungsröhre als Schaltorgan führt. Durch Verwendung
eines Widerstands geeigneten Werts parallel zum Hilfskondensator wird es außerdem
zum ersten Mal grundsätzlich möglich, bei. Hochspannung Gleichströme von, Hunderten
von Ampere sogar mit einer Periodizität von fünfzigmal in der Sekunde auszuschalten.
Letzteres hat sich insbesondere für die in der französischen; Patentschrift
847 401 beschriebene Kaskadenschaltung für das Umformen von Hochspannungsgleichstrom
in Niederspannungslvechselstrom zwecks Energieübertragung auf große Entfernung von
großer Wichtigkeit erwiesen, weil in diesem Fall die periodische Löschung der bei
der Umformung verwendeten Entladungsröhren eine wichtige Rolle spielt.
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Die Erfindung wird an; Hand des in der Zeichnung :dargestelltenAusführungsbeispiels
noch näher erläutert.
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Mit i ist :die mit z. B. einer Gleichspannungsquelle von einigen Zehntausenden
von Volt über einen Verbraucher verbundene Hauptentladungsröhre bezeichnet, die
periodisch, z. B. fünfzigmal in der Sekunde, gelöscht werden muß. Die Röhre, für
die im Ausführungsbeispiel eine sogenan.nte I:gntronröhre gewählt ist, wird periodisch
auf die bekannte Weise ,dadurch gezündet, d.aß ein Spannungsstoß zwischen der in
die Onecksilberkathode 3 eingetauchten Zündelektrode .4 aus halbleitendem Material
und, dieser Ouecksilberkath.ode angelegt wird.
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Parallel zu der Hauptentladungsröhre:, d.. h. zwischen der Kathode
3 und der Anode 5, .ist die erfindungsgemäße Löschvorrichtung eingeschaltet. Sie
umfaßt den Löschkondensator 6, der mit :der in der Figur angegebenen. Polarität
ununterbrochen aus einen Gleichspannungsspeiseapparat 7 aufgeladen wird.
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In Reihe mit dem Löschkondensator liegt eine Hilfsentladungsröhre
8 mit einer Quecksilberkathode 9 und einer Anode r o, für welche hier gleichfalls
eine soge:nannte Ignitronröhre mit einer Zündelektrode i i gewählt ist, und ein
Hilf fsk ondensator 12, der von einem Widerstand. 13 überbrückt ist. Wie oben beschrieben
wurde, kann der Widerstand grundsätzlich weggelassen werden, falls keine periodische
Löschung erforderlich ist.
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Die Wirkung der beschriebenen Vorrichtung ohne den Widerstand 13 ist
wie folgt: Wenn die Röhre 8 mittels der Zündelektrode i i leitend gemacht wird und
angenommen wird, daß in diesem Zeitpunkt :die Röhre i leitend und der Kondensator
12 ungeladen sowie der Löschkondensator 6 auf die angegebene Weise aufgeladen ist,
so wird der Löschkondensator sich teilweise, und zwar stoßweise, entladen, wobei.
der ungeladene Kondensator 12 .imstande ist, ,diesen: Stoß an die Anode der Röhre
i weiterzugeben, zwischen :deren Anode und Kathode .in diesem Zeitpunkt die verhältnismäßig
niedrige Brennspannung von einigen zehn Volt herrscht. Die Hilfsentladungsröhre
8 ist nur stromführend während der äußerst kurzen. Zeitdauer, welche für .die Aufladung
:des Kondensators 12 erforderlich ist. Darauf bricht :der Strom ab.
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Der auf diese Weise aus dem Hauptkondensator erhaltene S.tro:mstoß
verursacht in dem aus dem Kondensator 6:, der Röhre 8, dem Kondensator 12 und der
Röhre i bestehenden Kreis einen kurzzeitigen Spannungsfall an der Anode 5 der Röhre
i (gegebenenfalls eine negative Spannung), durch welchen,die Haupten.tladungsröhre
i gelöscht wird. Bekanntlich ist ein Spannungsfall während io-9 Sekunden bereits
ausreichend, um den Kathodenfleck einer Entladungsröhre mit Quecksilberkathode verschwinden
zu lassen.
In diesem Zeitpunkt wird zwischen der Anode und oder
Kathode der Röhre i die zurückkehrende Spannung von z. B. einigen Zehntausenden
von Volt auftreten. Das Verhältnis zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 6
und 12 ist derart gewählt, daß diese Spannung in,der Hauptsache am Kondensator i2
auftritt.
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Im beschriebenen Fall ohne ,den Widerstand 13 kann eine genügende
Löschung nach der Wiederzündung der (Röhre i mittels der Zündelektrode 4 erst stattfinden,
wenn der Kondensator 12 sich auf irgendeine Weise in genügendem Maß entladen hat.
Ohne Verwendung des Widerstands 13 ist dies prak= tisch nicht gut möglich, wenn
das Löschen periodisch, z. B. fünfzigmal in der Sekunde, erfolgen muß. Der Werk
des: Widerstands 13 ist nun -derart gewählt, daß das- Produkt °RC von der Größenordnung
der Dauer einer Periode oder kleiner ist, wodurch die Entladung des Kondensators
12 nach einer Löschung in genügendem Maß erfolgt ist, bevor die nächste Löschung
stattfindet.
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Infolge des Vorhandenseins des: Widerstands 13 wird nach der Löschung
an. der Röhre 8 zwar eine hohe Spannung auftreten. Der Wert des Widerstands ist
andererseits aber derart gewählt, daß, wenn die Hilf sentladungsröh.re 8 aufs neue
leitend werden sollte, der durch diese Röhre fließende Strom weit unter dem Mindeststrom
:der Quecksilberkathode bleiben würde, so daß Störungen infolge einer Bogenentladung
in der Hilfsentladungsröhre 8 nicht auftreten: können.
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Nach :der Löschung der Hauptentladungsröhre i ist der Löschkondensator
6 inzwischen wieder aus dem Speiseapparat 7 bis auf die volle Spannung aufgeladen,
und es kann nach der Wiederzündung .der Hauptentladungsröhre i periodisch d:i@ nächste
Löschung daadurch stattfinden, daß die Hilfsentladungsröhre B periodisch gezündet
wird.
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Wenn die Hilfsentladungsröhre 8 durch ein anderes Schaltorgan, z.
B. eine Funkenstrecke, ersetzt wird, ist die beschriebene Wirkung grundsätzlich
dieselbe. Die Spannung des Kondensators 6 wird bei Verwendung einer Funkenstrecke
mit Rücksicht auf die Durchschlagspannung einer Funkenstrecke firn allgemeinen höher
sein müssen, oder es werden Mittel, z. B. eine Induktionsspule, vorhanden sein müssen.,
um den Durchschlag der Funkenstrecke zu bewirken. Auch andere Schaltelemente, die
periodisch mit der erforderlichen Geschwindigkeit ein- und ausgeschaltet werden
können, sind verwendbar, jedoch ist eine Entladungsröhre mit Quecksilberkathode
auch wegen ihrer nahezu trägheitslosen Wirkung zu bevorzugen. Als solche kann jede
Entladungsröhrentype mit Quecksilberkathode verwendet werden. Es empfiehlt sich,
eine, Röhre .mit kapazitiver Zündelektrode zu verwenden, da die für diese erforderliche
Zündenergie in bezug auf die für andere Eu:tladungsrährentypen erforderliche Zündenergie
sehr gering ist. Eine solche Röhrentype ist gleichfalls als Haupientladungsröhre
verwendbar.
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Beim Ausschalten einfies Gleichstroms von 6 A bei 2o kV mit oder in
der Figur dargestellten Schaltung betrug die Kapazität des Hilfskondensatorrs i2
etwa o,i bis o,o,5,uF und die :des Hauptkondensators ,6 einige Mikrofarad, während
.der Wert des Widerstands 13 von der Größenordnung von 5o ooo his im ooo Ohm war.
Die Spannung am Kondensator 6 war etwa 6oo V.