DE977687C

DE977687C - Arrangement for generating high DC voltages

Info

Publication number: DE977687C
Application number: DEZ4373A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr-Ing Panzer
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1954-08-15
Filing date: 1954-08-15
Publication date: 1968-05-09

Description

AUSGEGEBEN AM 9. MAI 1968ISSUED MAY 9, 1968

Z 4373 VIIIb/'21 d* Z 4373 VIIIb / '21 d *

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung von hohen Gleichspannungen, insbesondere für Leistungsentnahmen von ioo Watt und mehr. Für eine Vielzahl von Anwendungen, wo hohe Spannungen bei kleinen Strömen benötigt werden, z. B. in Elektronenmikroskopen, Elektronenbohreinrichtungen oder in Anlagen zum elektrostatischen Beflocken von Oberflächen oder zum elektrostatischen Farbspritzen, ist eine Kennlinie erwünscht, bei der die Spannung innerhalb eines gewissen Strombereiches einen geringen Abfall aufweist, jedoch oberhalb eines bestimmten Stromes sehr schnell auf Null sinkt, so daß bei Kurzschluß überhaupt kein Strom mehr fließt. Nach Aufhören des Kurzschlusses soll jedoch die ursprüngliche Spannung sofort wieder erreicht werden.The present invention relates to an arrangement for generating high DC voltages, especially for power consumption of 100 watts and more. For a wide variety of applications, where high voltages are required with small currents, e.g. B. in electron microscopes, Electron drilling devices or in systems for electrostatic flocking of surfaces or for electrostatic paint spraying, a characteristic curve is desired in which the voltage is within has a small drop in a certain current range, but above a certain one Current drops very quickly to zero, so that in the event of a short circuit, no current flows at all. After the short circuit has ceased, however, the original voltage should be reached again immediately will.

Eine derartige Charakteristik läßt sich bei Hochspannungsquellen durch Verwendung eines selbsterregten oder durch die Hochspannung gesteuerten Senders als Generator für eine Vervielfacherkaskade erzielen. Eine bekannte Anlage verwendet in der Vervielfacherkaskade Gleichrichterröhren, die über Isoliertransformatoren, z. B. mit Hochfrequenz, geheizt werden, da sie auf zunehmendem Hochspannungspotential liegen.Such a characteristic can be obtained in high voltage sources by using a self-excited or by the high-voltage controlled transmitter as a generator for a multiplier cascade achieve. A known system uses rectifier tubes in the multiplier cascade, which via isolating transformers, e.g. B. with high frequency, are heated as they are increasing High voltage potential.

Weiterhin ist eine mit einer Sendefrequenz von io kHz betriebene Hochspannungsanlage bekannt, bei welcher die Vervielfacherkaskade aus Trockengleichrichtern aufgebaut ist. Die Schaltelemente der Vervielfacherkaskade sind bei dieser Anlage in vier untereinander angeordneten Schichten aufgebaut, welche von einem gemeinsamen Bakelit-Aufbau getragen werden. Zur Verringerung des mit dem Ansteigen der Betriebstemperatur ansteigenden Verlustwinkels der Trockengleichrichter ist die die Gleichrichter enthaltende Vervielfacheranordnung in einem ölgefüllten Behälter untergebracht.Furthermore, a high-voltage system operated with a transmission frequency of 10 kHz is known, in which the multiplier cascade is made up of dry rectifiers. The switching elements the multiplier cascade are built up in this system in four layers arranged one below the other, which are supported by a common bakelite structure. To reduce the with the increasing loss angle of the dry rectifier is the increase in the operating temperature the rectifier-containing multiplier arrangement housed in an oil-filled container.

809 546/1809 546/1

Diese bekannte Anlage hat den Nachteil, daß das ölvolumen des Behälters, in welchem die Vervielfacherschaltung untergebracht ist, relativ groß sein muß. Dadurch ist auch der Platzbedarf der Hoch-Spannungsanlage relativ groß, was in einer Vielzahl von Anwendungsfällen nachteilig ist und die Verwendbarkeit der Anlage beeinträchtigt.This known system has the disadvantage that the oil volume of the container in which the multiplier circuit is housed, must be relatively large. This also reduces the space required by the high-voltage system relatively large, which is disadvantageous in a large number of applications and impairs the usability of the system.

Dieser Nachteil wird bei der Anordnung nach der Erfindung vermieden, welche zudem noch weitere, im folgenden beschriebene Vorteile mit sich bringt. Auch bei der neuen Anordnung wird eine Hochfrequenzspannung über einen Resonanztransformator einer mit Trockengleichrichtern ausgestatteten Greinacher-Kaskade oder anderen Vervielfacherschaltung zugeführt. Gemäß der Erfindung sind die Schaltelemente der Kaskaden- oder Vervielfacherschaltung in zwei baulich getrennte, in demselben ölgefüllten Behälter untergebrachte und nebeneinander mittels eines Isolierstoffträgers ao an dem Abschlußdeckel des Behälters befestigte Baueinheiten unterteilt, und es ist der Potentialaufbau dieser Baueinheiten gleichlaufend gewählt, derart, daß die Schaltelemente des Kaskaden- oder Vervielfachereinganges der ersten Baueinheit und die Schaltelemente des Ausganges der zweiten Baueinheit an verschiedenen Seiten des ölgefüllten Behälters angeordnet sind.This disadvantage is avoided in the arrangement according to the invention, which also has further, brings advantages described below. Even with the new arrangement, a High frequency voltage through a resonance transformer equipped with dry rectifiers Greinacher cascade or other multiplier circuit fed. According to the invention, the switching elements of the cascade or multiplier circuit are divided into two structurally separate, housed in the same oil-filled container and side by side by means of an insulating carrier ao subdivided structural units attached to the end cover of the container, and it is the potential build-up of these units selected concurrently, such that the switching elements of the cascade or Multiplier input of the first unit and the switching elements of the output of the second unit are arranged on different sides of the oil-filled container.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß bei einer Hochspannungsquelle das Verhältnis von Höhe zu Grundfläche sehr günstig wird, so daß das ölvolumen des Behälters, in welchem die Vervielfacherschaltung untergebracht ist, klein gewählt werden kann. Dadurch wird auch der Platzbedarf der Hochspannungsquelle klein, was in einer Vielzahl von Anwendungsfällen von außerordentlicher Wichtigkeit ist. Ferner wird durch das kleine Ölvolumen der Hochspannungsquelle die technische Sicherheit wesentlich erhöht. Beispielsweise ist es bei Farbspritzanlagen vorgeschrieben, daß die Hochspannungsquelle nur ein ganz bestimmtes kleines Ölvolumen haben darf (Brandgefahr). Diese Vorschrift läßt sich mit einer gemäß der Erfindung aufgebauten Hochspannungsquelle ohne weiteres erfüllen.Through these measures it is achieved that in a high voltage source the ratio of Height to base area is very favorable, so that the oil volume of the container in which the multiplier circuit is housed, can be chosen small. As a result, the space requirement of the high-voltage source is small, and there are many of use cases is extremely important. Furthermore, the small oil volume the high voltage source significantly increases the technical safety. For example it is in paint spraying systems it is prescribed that the high voltage source is only a very specific small one Oil volume (risk of fire). This rule can be with one according to the invention meet built high voltage source easily.

Durch die Maßnahme, den Potentialaufbau der Baueinheiten gleichlaufend zu wählen, wird erreicht, daß die Potentialdifferenz zwischen den Baueinheiten an jeder Stelle gleich groß ist. Der gegenseitige Abstand der Baueinheiten kann deshalb entlang der gesamten Höhe des ölgefüllten Behälters gleichbleibend klein gewählt werden, was wiederum zur Verminderung des ölvolumens beiträgt. The measure of choosing the potential build-up of the structural units at the same time achieves that the potential difference between the structural units is the same at every point. Of the mutual spacing of the structural units can therefore be along the entire height of the oil-filled container consistently small, which in turn contributes to reducing the oil volume.

Durch den gleichlaufenden Potentialaufbau der Baueinheiten wird weiterhin eine hohe Spannungsfestigkeit der Hochspannungsquelle erreicht. Dies bedeutet, daß ein solches Gerät für sehr hohe Spannungen ausgelegt werden kann, ohne daß man gezwungen ist, einen großen Isolationsweg zwischen den Baueinheiten einzuhalten.A high dielectric strength of the high-voltage source is achieved through the simultaneous potential build-up of the structural units. this means that such a device can be designed for very high voltages without being forced is to maintain a large isolation path between the units.

Es ist bekannt, bei der Reihenschaltung einer größeren Anzahl von Trockengleichrichtern jeweils eine bestimmte Anzahl von Gleichrichtern in einem Rahmen zu haltern und mehrere solcher Rahmen in parallelen Ebenen übereinander anzuordnen. Dabei ist jeweils der Potentialaufbau der Gleichrichter in den einzelnen Rahmen gleichlaufend gewählt. Die Unterteilung einer mit einer Hochfrequenzspannung betriebenen Vervielfacherkaskade in zwei baulich voneinander getrennte Baueinheiten und die in den nachfolgenden Patentansprüchen beschriebene Anordnung dieser Baueinheiten ist durch die bekannte Reihenschaltung einer großen Anzahl von Trockengleichrichtern nicht nahegelegt, da es sich in beiden Fällen um vollständig verschiedene Schaltungen handelt.It is known to connect a larger number of dry rectifiers in series to hold a certain number of rectifiers in a frame and several such frames in to be arranged in parallel planes one above the other. The potential build-up of the rectifier is in each case the individual frames selected simultaneously. The division of one with a high frequency voltage operated multiplier cascade in two structurally separate units and those in the The following claims arrangement of these structural units is by the known Series connection of a large number of dry rectifiers is not recommended, as it is in both Cases are completely different circuits.

Es.ist zweckmäßig, diejenigen Kondensatoren der einzelnen Baueinheiten der Kaskaden- bzw. der Vervielfacheranordnung, die schaltungsmäßig in Serie liegen, auch räumlich in Reihe anzuordnen und als bauliche Einheit in Form eines luft- und öldicht abgeschlossenen Vielfachhochspannungskondensators auszubilden. Die Trockengleichrichter sind dabei wechselseitig zwischen den beiden Kondensatorreihen angeordnet. Dabei sind bei Verwendung von Gleichrichtern mit relativ kleiner Sperrspannung je Gleichrichterplatte die für eine bestimmte Sperrspannung notwendigen Gleichrichter in eine ungerade Anzahl aufgeteilt und so zwischen den Kondensatoren angeordnet, daß ein möglichst geringes Volumen der Anordnung und gleichzeitig eine gleichmäßige Spannungsdifferenz zwischen den an den gleichen Isolierstoffträgern befestigten benachbarten Enden der Gleichrichtereinheiten auftritt. .Es.ist expediently those capacitors of the individual units of the cascade or the Multiplier arrangements, which are connected in series, also to be spatially arranged in series and as a structural unit in the form of an air- and oil-tight sealed multiple high-voltage capacitor to train. The dry rectifiers are alternately between the two rows of capacitors arranged. When using rectifiers with a relatively low reverse voltage the rectifier necessary for a certain reverse voltage for each rectifier plate divided into an odd number and arranged between the capacitors so that a possible low volume of the arrangement and at the same time a uniform voltage difference between occurs at the adjacent ends of the rectifier units fastened to the same insulating material carriers. .

Zur Vermeidung von direkten Überschlagen wird der Zwischenraum zwischen den Baueinheiten zweckmäßig mit Isolierstoffplatten hoher Durchschlagfestigkeit, vorzugsweise mit Platten aus Polyvinylchloriden, vollständig ausgefüllt, wobei diese Platten derart gestaltet sind, daß auch der Kriechweg allseitig ausreichend groß ist.To avoid direct rollover, the space between the structural units expediently with insulating panels with high dielectric strength, preferably with panels Polyvinyl chlorides, completely filled, these plates are designed in such a way that also the The creepage distance is sufficiently large on all sides.

Weiterhin' kann es vorteilhaft sein, der den Hochspannungspol der Kaskaden- bzw. der Vervielfacheranordnung enthaltenden Baueinheit eine geringere Anzahl von Stufen zu geben als der eingangsseitigen Baueinheit und an dem hochspannungsseitigen Ende der Baueinheit zusätzlich Schutzwiderstände ebenfalls in öl unterzubringen. Die Schaltelemente des Hochfrequenzsenders sind dabei in einer Baueinheit in unmittelbarer Nähe der Eingangsseite der Kaskaden- bzw. der Vervielfacheranordnung untergebrachtFurthermore, it can be advantageous to use the high-voltage pole of the cascade or multiplier arrangement containing structural unit to give a smaller number of stages than the input side Housing unit and at the high-voltage end of the unit additional protective resistors also in oil. The switching elements of the high-frequency transmitter are in the immediate vicinity in a structural unit housed the input side of the cascade or the multiplier arrangement

Im übrigen ist es zweckmäßig, zur Vermeidung des starken Spannungsanstiegs bei geringer Strombelastung der Gleichrichteranordnung Belastungswiderstände zwischen dem Hochspannungspol und dem geerdeten Pol der Gleichrichteranordnung einzuschalten. Den gleichen Zweck erfüllt annähernd auch die Einschaltung von Belastungswiderständen parallel zu dem erdseitig angeordneten Kondensator der ersten Kaskaden- bzw. Vervielfacherstufe. In addition, it is useful to avoid the sharp rise in voltage with a low current load the rectifier arrangement load resistances between the high voltage pole and the grounded pole of the rectifier arrangement. Serves approximately the same purpose also the connection of load resistors parallel to the capacitor arranged on the ground side the first cascade or multiplier stage.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigtThe invention is illustrated below with reference to FIGS. 1 to 5, which illustrate the exemplary embodiments explained in more detail. It shows

Fig. ι eine gemäß der Erfindung aufgebaute Hochspannungsquelle in perspektivischer Darstellung, wobei die äußere Behälterwand teilweise aufgeschnitten ist, um den inneren Aufbau zu zeigen, Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch die in Fig. ι dargestellte Hochspannungsquelle,Fig. Ι a high voltage source constructed according to the invention in a perspective view, with the outer container wall partially cut away to show the internal structure, Fig. 2 is a vertical section through the high voltage source shown in Fig.

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch eine andere Ausführungsform der Hochspannungsquelle,
Fig. 4 die in Fig. 3 dargestellte Hochspannungsquelle in perspektivischer Darstellung, wobei die äußere Behälterwand teilweise aufgeschnitten ist, Fig. 5 eine Teilansicht einer Hochspannungsquelle, bei welcher Gleichrichter mit relativ kleiner Sperrspannung je Gleichrichterplatte verwendet sind.3 shows a horizontal section through another embodiment of the high-voltage source,
4 shows the high-voltage source shown in FIG. 3 in a perspective illustration, the outer container wall being partially cut open, FIG. 5 a partial view of a high-voltage source in which rectifiers with a relatively low reverse voltage are used per rectifier plate.

In den Fig. 1 bis 4 bedeutet 1 die obere Abschlußplatte eines ölgefüllten Behälters 2 aus Metall. Dieser Behälter trägt als innere Auskleidung eine Isolierstoffabdeckung 3. An der Abschluß-In Figs. 1 to 4, 1 denotes the upper end plate an oil-filled container 2 made of metal. This container carries as an inner lining an insulating cover 3. At the end

ao platte 1 ist ein Isolierstoffträger 4 befestigt, von dem nebeneinander angeordnete, die Schaltelemente enthaltende Baueinheiten 5 und 6 getragen werden. Der Potentialaufbau dieser beiden Baueinheiten ist gleichlaufend gewählt. Mit 7 sind Gleichrichterelemente bezeichnet, welche wechselseitig zwischen den beiden Kondensatorreihen 8 angeordnet sind. Dabei sind diejenigen Kondensatoren der einzelnen Baueinheiten, die schaltungsmäßig in Serie liegen, auch räumlich in Reihe angeordnet und als bauliche Einheit in Form von Vielfachhochspannungskondensatoren in Kunststoffrohren luft- und öldicht abgeschlossen untergebracht.ao plate 1 is attached to an insulating support 4, from the juxtaposed, the switching elements containing units 5 and 6 are carried. The potential build-up of these two structural units is chosen to run at the same time. With 7 are rectifier elements denotes which are arranged alternately between the two capacitor rows 8. The capacitors of the individual components that are connected in series are also spatially arranged in series and as a structural unit in the form of multiple high-voltage capacitors housed in plastic pipes sealed airtight and oil-tight.

Die die Hochspannungsausführung 9 enthaltende Baueinheit 6 enthält eine geringere Anzahl von Kaskadenstufen als die eingangsseitige Baueinheit 5, und es sind am hochspannungsseitigen Ende der kürzeren Baueinheit 6 Schutzwiderstände ebenfalls in öl untergebracht. Zur Zuführung der Spannung von der eingangsseitigen Baueinheit 5 zur zweiten Baueinheit 6 dienen Kabel 15.The assembly 6 containing the high-voltage version 9 contains a smaller number of Cascade stages as the input-side structural unit 5, and there are at the high-voltage end the shorter unit 6 protective resistors also housed in oil. For supplying the voltage Cables 15 are used from the input-side structural unit 5 to the second structural unit 6.

Die einzelnen Baueinheiten 5 und 6 sind je von einem Gehäuse 11 aus Isoliermaterial umgeben, um die Sprühneigung zwischen den beiden Baueinheiten herabzusetzen.The individual structural units 5 and 6 are each surrounded by a housing 11 made of insulating material reduce the tendency to spray between the two structural units.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform der neuen Hochspannungsquelle sind an die Stelle der die einzelnen Baueinheiten vollständig umgebenden Gehäuse 11 um die Stabgleichrichter 7 gebogene Platten 12 aus Isoliermaterial vorgesehen. Der gesamte Zwischenraum zwischen diesen Platten 12 ist durch eine weitere Platte 13 aus Isoliermaterial hoher Durchschlagsfestigkeit ausgefüllt. Die Anordnung der Isolierplatten 12 und 13 ist so getroffen, daß die Kriechwege zwisehen den auf verschiedenem Potential liegenden Bauelementen der beiden Baueinheiten 5 und 6 allseitig ausreichend groß genug sind. Durch Ersatz des zur Isolierung zwischen den beiden Baueinheiten 5 und 6 notwendigen ölwegs durch die Isolierstoffplatte 13 wird das öl volumen des Behälters wesentlich verringert.In the embodiment of the new high voltage source shown in FIGS. 3 and 4 in place of the housing 11, which completely surrounds the individual structural units, around the rod rectifier 7 curved plates 12 made of insulating material are provided. All the space between These plates 12 are supported by a further plate 13 made of insulating material with high dielectric strength filled out. The arrangement of the insulating plates 12 and 13 is such that the creepage distances are between the components of the two structural units 5 and 6 lying at different potentials on all sides are big enough. By replacing the insulation between the two structural units 5 and 6 necessary oil path through the insulating plate 13 is the oil volume of the container significantly reduced.

Durch den gleichlaufenden Potentialaufbau der beiden Baueinheiten 5 und 6 wird erreicht, daß die Spannungsdifferenz zwischen diesen Baueinheiten an jeder Stelle gleich groß ist. Es kann also der gegenseitige Abstand der beiden Baueinheiten gleichbleibend relativ gering gewählt werden.The simultaneous potential build-up of the two units 5 and 6 ensures that the Voltage difference between these units is the same at every point. So it can be mutual distance between the two structural units are chosen to be constant and relatively small.

In den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen der Hochspannungsquelle sind Gleichrichtereinheiten mit relativ hoher Sperrspannung je Gleichrichterplatte vorgesehen. Die Fig. 5 zeigt in schematiseher Darstellung dagegen den Fall, daß Gleichrichter mit relativ kleiner Sperrspannung je Gleichrichterplatte verwendet werden sollen. Derartige Gleichrichter haben daher auch eine größere Länge, bezogen auf die gleichzurichtende Wechselspannung. Das Beispiel der Fig. 5 zeigt den Aufbau der dabei notwendigen Gleichrichter in einer Unterteilung zu je drei Baueinheiten 7', 7" und 7'" pro Kaskadenstufe.In the embodiments shown in FIGS The high voltage source are rectifier units with a relatively high reverse voltage each Rectifier plate provided. In contrast, FIG. 5 shows, in a schematic representation, the case that Rectifiers with a relatively low reverse voltage should be used per rectifier plate. Such Rectifiers therefore also have a greater length in relation to the alternating voltage to be rectified. The example of FIG. 5 shows the structure of the rectifier required in this case in one Subdivision into three units 7 ', 7 "and 7'" per cascade level.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Arrangement for generating high DC voltages, in particular for drawing power of 100 watts and more, with a high frequency voltage through a resonance transformer a Greinacher cascade or other multiplier circuit equipped with dry rectifiers is thereby supplied characterized in that the switching elements of the cascade or multiplier circuit in two structurally separate, housed in the same oil-filled container and side by side by means of an insulating carrier attached to the cover of the container structural units are divided and that the potential build-up of these units is concurrent, such that the switching elements of the cascade or multiplier input of the first structural unit and the Switching elements of the output of the second unit on different sides of the oil-filled Container are arranged.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that that those capacitors of the individual units of the cascade or multiplier arrangement, the circuit-wise lie in series, also spatially arranged in a row and as a structural unit in form of a multiple high-voltage capacitor are housed in airtight and oil-tight manner, while the rectifier is arranged alternately between the two capacitor banks are.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that when using Rectifiers with a relatively small reverse voltage per rectifier plate for a specific Reverse voltage necessary rectifier divided into an odd number and iao are arranged between the capacitors so that the smallest possible volume of the Arrangement and at the same time a uniform voltage difference between the on the same Insulating supports attached adjacent ends of the rectifier units occur.

4- arrangement according to one of claims ι to 3, characterized in that in order to avoid direct flashovers the gap between the structural units with insulating panels with high dielectric strength, preferably made of polyvinyl chlorides, is completely filled and that the panels are designed in such a way are that the creepage distance is sufficiently large on all sides.

ίο 5. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the high voltage pole of the cascade or the multiplier arrangement containing structural unit contains a smaller number of stages than the input side Unit and that at the high-voltage end of the unit additional protective resistors also housed in oil are.

6. Arrangement according to claim 1, characterized

ao indicates that the switching elements of the high-frequency transmitter in a unit in the immediate vicinity of the entrance side of the cascade or the multiplier assembly are housed.

7. Arrangement according to claim 1, characterized in that that in order to avoid a sharp rise in voltage when the current load of the rectifier arrangement is low, load resistances parallel to the earth side Neten capacitor of the first cascade or multiplier stage are connected.

Considered publications:

German patent specifications No. 534702, 562913, 644063;

German utility model No. 1 535 546; British Patent No. 550826; U.S. Patent No. 1474486;

Karl May er, "Dry Rectifier", Munich and Berlin, 1938, pp. 30, 31, 198, 199, 206;

WO Schumann, "Advances in High Voltage Technology", Leipzig, 1944, Vol. 1, pp. 183 to 200;

ASEA Journal, 1948, pp. 112 to 115; Direct Current, December 1952, pp. 69/70;

"The development of heavy current technology at Siemens-Schuckertwerke", published by the Siemens-Schuckertwerken AG, 1953, p. 517;

Journal of Scientific Instruments, June 1954, pp. 200-205;

Philips publication WA 16-A1, "Scientific

equipment / Nuclear and high voltage equipment ", December 1953, pp. 7, 10, 16;

Excerpt from the conference booklet of the "International Conference on Electron Microscopy" from the am July 17, 54 in London, Lecture “A new experimental high voltage electron microscope”;

Translation of the book published by Isdatelstvo Sovetskoye Radio Moscow, 1950 "Cathode Ray Tube Displays" from the Massachusetts series "Radiation Laboratory Series" Institute of Technology, Section 11 "Power Supply", Chapter IV.

1 sheet of drawings