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Elektrischer Vakuumschalter Bei elektrischen Schaltern, deren Kontakte
im Vakuum angeordnet sind, treten bekanntlich durch die plötzliche Unterbrechung
beim Schalten induktiver oder kapazitiver Stromkreise beträchtliche Überspannungen
auf. Diese Spannung wirkt besonders ungünstig auf die Schalterelektrode, die Kathode
ist. Wenigstens einige Teile der Kathode werden bei der Trennung der Kontakte infolge
des kurz vor der Trennung bestehenden Übergangswiderstandes erwärmt. Beim Schalten
größerer Leistungen steigt dabei sehr bald die Temperatur auf die Emissionstemperatur
der Kathode an. Hierbei wird auch meistens Gas frei, oder die Elektroden verdampfen.
Unter dem EinfluB der kurz nach der Unterbrechung an den Schalterkontakten liegenden
hohen Spannung gelangen die von der Kathode emittierten Elektronen zur Ionisierung
der Gas- öder Dampfmoleküle, und es entsteht eine Entladung zwischen den Schalterkontakten,
die die Trennung des Stromkreises verhindert.
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Hierbei unterscheidet sich der Vakuumschalter grundsätzlich vom Hochdruckschalter.
Die im Elektrodenzwischenraum eines Hochdruckschalters vorhandenen Elektronen treffen
infolge der geringen freien Weglänge sehr bald beim Vorhandensein einer Spannung
an den Elektroden auf Gasmoleküle und können diese nur ionisieren, wenn die erreichte
Geschwindigkeit groß genug ist. Die von der Kathode emittierten Elektroden verhalten
sich nicht anders als die im Elektrodenzwischenraum vorhandenen, d. h. vor dem Erreichen
der Durchschlagspannung treffen sie infolge ihrer kleinen freien Weglänge auf Gasmoleküle,
bevor sie die Ionisierungsgeschwindigkeit erreicht haben. Dadurch beeinflussen sie
die Durchschlagsfestigkeit der gesamten Elektrodenstrecke nur unerheblich.
Beim
Vakuumschalter dagegen ist die freie Weglänge' so groß, daß die von der Kathode
emittierten Elektronen auf ihrem Weg zur Anode mit großer Wahrscheinlichkeit die
lonisierungsspannung durchfliegen können. Geringer ist dabei die Wahrscheinlichkeit,
daß sie auf Gasmoleküle treffen. Da beim Abschalten aber meistens Elektrodendampf
entsteht, ist die Emission der Kathode eines Vakuumschalters in hohem Maße verantwortlich
für die geringen Leistungen, die mit diesen Schaltern bisher nicht überschritten
werden konnten.
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Um die nach der Abschaltung auftretende Überspannung klein zu halten,
ist vorgeschlagen worden, etwas Gas in das Schaltergefäß zu füllen. Dadurch begibt
man sich der Vorteile eines Vakuumschalters. Ferner ist es sehr schwierig, den erforderlichen
Gasdruck aufrechtzuerhalten.
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Um die entstehenden Ladungsträger zu neutralisieren, hat man nach
einem anderen Vorschlag konkave Metallschirme angebracht. An diese geben die Träger
ihre Ladung beim Auftreffen ab.
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Nach der Erfindung wird durch die Anwendung elektrischer oder magnetischer
Felder bewirkt, daß die von der Kathode emittierten Elektronen nicht zur Stoßionisation
oder zu einer unerwünschten Anregung von Dampf oder Restgasmolekülen kommen. Diese
Gefahr ist besonders groß, wenn sich die Kathode unter dem Einfluß hoher Ströme
so stark erwärmt hat, daß sie nicht nur verdampft, sondern daß auch Gasausbrüche
daraus erfolgen. Die Anode erwärmt sich bei der Abschaltung genau so, und es erfolgen
von ihr ebenfalls Dampf- und Gasausbrüche. Die Erfindung läßt sich nicht nur auf
die thermisch emittierten Elektronen anwenden, sondern auf jegliche Art von Emission.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Leistungsfähigkeit der Vakuumschalter
ganz erheblich gesteigert wird.
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Die benötigten elektrischen Felder können durch eine Hilfselektrode
von geeigneter Form hervorgerufen werden, die ein geeignetes Potential erhält und
auf die Kathode einwirkt. An Hand der Abb. i sei die Erfindung näher erläutert.
i und :2 stellen die Kontaktstücke eines Vakuumschalters dar. Zwischen diesen ist
eine ringförmige Elektrode 3 angeordnet. Zwischen der Kathode i und der Anode 2
besteht ein elektrisches Feld. Dieses Feld, das auf die von i emittierten Elektronen
einwirkt, wird nach der Erfindung an der Oberfläche von i durch eine Einwirkung
der gegen i negativ vorgespannten Elektrode 3 mindestens: so stark vermindert, daß
im Elektrodenzwischenraum keine unzulässigeEntladung auftritt.
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Um die Elektronenemission von i zu unterbinden, muß unter Vernachlässigung
der Austrittsgeschwindigkeit der Elektronen die nachstehende Beziehung erfüllt sein:
U13. C13 - U12 . C12. Hierin bedeutet Lr12 Spannung zwischen i und 2, U13 Spannung
zwischen i und 3, C12 Kapazität zwischen i und 2, C13 Kapazität zwischen i und 3.
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Diese Beziehung muß aber für jeden emittierenden Punkt der Kathode
erfüllt sein, d. h. für jeden emittierenden Punkt der Kathode muß die elektrostatische
Beeinflussung durch die Hilfselektrode mindestens so groß sein wie die durch die
Anode. Die Beeinflussung muß jedoch in entgegengesetztem Sinn erfolgen.
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Bei der Unterbrechung kleinerer Leistungen ist es nicht erforderlich,
die Emission der Kathode vollständig aus dem Kontaktzwischenraum fernzuhalten, sondern
es genügt, sie nahezu fernzuhalten. Deshalb genügt es in diesem Fall, die Kathode
durch eine Hilfselektrode zu beeinflussen, die ihr eigenes Potential haben kann.
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Es ist eine Anordnung bekanntgeworden, in der zum Schutz der Gefäßwand
vor abspritzenden Elektrodenteilen ein Schirm, der das Potential der ihn tragenden
Elektrode besitzt, verwendet wird. Diese Anordnung hat mit der vorliegenden Erfindung
nichts zu tun, denn durch den Schirm wird keine Einwirkung erreicht, wie sie zur
Durchführung der Erfindung nötig ist.
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In den Abb. 2 und 3 sind weitere Ausführungsbeispiele dargestellt.
Die Anordnung, die in Abb. 2 dargestellt ist, besitzt eine Kathode, die aus mehreren
stabförmigen Teilen 4 besteht. Zum Ausschalten werden die Stäbe in die Hilfselektrode
5 hineingezogen. In Abb. 3 ist eine rohrförmige Kathode 7 dargestellt, die zwischen
den rohrförmigen Hilfselektroden 8 und 9 bewegt wird. Die Hilfselektroden lassen
sich auch bei derartigen Anordnungen durch isolierende, beispielsweise durch keramische
Zwischenstücke oder solche aus Glas oder OOuarz von der Kathode isolieren.
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In Äbb. 4 befindet sich die Hilfselektrode io im Innern der Anode
i i. Abb. 5 zeigt eine Anordnung, in der eine rohrförmige Anode 14 von einer in
zwei rohrförmige Teile unterteilten Hilfselektrode umgeben ist. Der Teil 13 befindet
sich außerhalb und der Teil 14 innerhalb der Anode. Die Hilfselektroden lassen sich
auch in noch mehr Teile aufteilen. Diese können voneinander isoliert werden und
verschieden vorgespannt sein. Die Hilfselektrode 15 in Abb. 6 befindet sich innerhalb
der beiden Schalterelektroden 16 und 17. Die Hilfselektrode, die in Abb. 7 dargestellt
ist, besteht aus den Scheiben 18 und i9, die beim Öffnen des Schalters zwischen
die Kontakte 20 und 21 geschoben werden.
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Die Hilfselektrode kann auch außerhalb des Vakuumgefäßes angebracht
werden. Ebenso läßt sich ein leitendes Vakuumgefäß als Hilfselektrode verwenden.
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Die Vorspannung der Hilfselektrode kann durch bekannte Spannungsquellen
erzeugt werden. Als ganz besonders einfach zur Erzeugung dieser Spannung haben sich
die in den Abb. 8 und 9 dargestellten Anordnungen erwiesen. Der Vakuumschalter 22
in Abb. 8 besitzt die Hilfselektrode 23. Der Kondensator 24 wird über das Ventil
25 auf die Netzspannung aufgeladen. Die Spannung des Kondensators liefert die Spannung
für die Hilfselektrode. Durch das Ventil wird erreicht, daß auch beim Auftreten
eines Kurzschlusses beim Verbraucher 26 der Kondensator 24 seine Ladung behält.
Der Kondensator kann auch vor dem Schalter liegen und beim Betätigen von 22 an die
richtigen Elektroden
mit der richtigen Polarität gelegt werden.
Dabei lassen sich mehrere aufgeladene Kondensatoren in Reihe schalten.
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Die Anordnung nach Abb. 9 erzeugt die Hilfsspannung als Spannungsabfall
am Widerstand 27. Um zu vermeiden, daß dauernd dieser Widerstand in die Strombahn
eingeschaltet ist, wird er durch den Schalter 28 überbrückt, der vor dem Abschalten
durch 29 geöffnet wird. Der Widerstand 27 läßt sich so bemessen, daß die Schaltleistung
von 28 gering bleibt. Beispielsweise kann dazu ein normaler Vakuumschalter verwendet
werden.
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Werden die Hilfselektroden besonders gut isoliert, so ist es möglich,
die Anordnung so zu treffen, daß sie sich durch von der Kathode kommende Elektronen
auf das erforderliche negative Potential aufladen.
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Die Erfindung kann auch so durchgeführt werden, daß starke magnetische
Felder die von der Kathode emittierten Elektronen von ihrem Weg zur Anode so stark
ablenken, daß sie entweder ohne eine schädliche Ionisation hervorzurufen zur Kathode
zurückkehren oder in ein Gebiet gelangen, in dem sie unschädlich sind. Die Elektronen
können dabei auch von einer Elektrode abgesaugt werden, die schwach positiv ist,
deren Spannung beispielsweise unter der Ionisierungsspannung des Elektrodendampfes
und der Restgase liegt.
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Für die Abschaltung von Wechselstromkreisen sind symmetrische Anordnungen,
von denen in den Abb. i, 6 und 7 Ausführungsbeispiele dargestellt sind, ohne weiteres
zu brauchen. Bei unsymmetrischen Anordnungen lassen sich zwei in Reihe geschaltete
Elektrodenanordnungen verwenden. Die Reihenschaltung findet dabei so statt, daß
eine Elektrode, deren Emission nach der Erfindung verhindert wird, mit einer Elektrode
verbunden wird, bei der diese nicht stattfindet.
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Auch die bekannte synchrone Steuerung von Schaltern kann auf die Erfindung
angewandt werden. Sie bietet den Vorteil, daß dann in der Halbwelle geschaltet werden
kann, in der die Beanspruchung der beeinflußten Elektrode durch ein negatives Potential
stattfindet. Die synchrone Steuerung kann auch periodisch durchgeführt werden. Die
bekannten Mittel zur Lichtbogenlöschung, wie Kondensatorentladungen oder die Überlagerung
von Wechselströmen über die Schaltstrecke, lassen sich auch auf die Erfindung anwenden.
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Diese Ströme lassen sich auch durch den Schalter nach der Erfindung
erregen. Die bei Röhrengeneratoren üblichen bekannten Anordnungen lassen sich dazu
verwenden. In Abb. io ist ein Beispiel dargestellt. Die von der Schalterelektrode
30 emittierten Elektronen werden dabei elektrisch gesteuert. Die Steuerung kann
auch magnetisch nach der Erfindung erfolgen.