NL8901806A - Vermogensgenerator voor het leveren van een hoogfrequente hoogspanning. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken.

Vermogensgenerator voor het leveren van een hoogfrequentehoogspanning.

De uitvinding betreft een vermogensgenerator voor hetleveren van een hoogfrequente hoogspanning, uitgevoerd met een aktiefelement, een frequentiebepalend circuit in serie met de AC-hoofdstroombaan van het aktieve element, en een op een stuurelektrodeaangesloten stuurcircuit.

Een dergelijke vermogensgenerator is bekend uit hetNederlandse octrooischrift nr. 67258 (ÜSP 2,554,087).

Voor het bedrijven van hoogfrequenteverhittingsapparatuur voor industriële toepassingen zoals bijvoorbeeldplasmabranders is het gewenst om een hoogfrequente hoogspanning metgroot vermogen te genereren.

Uit het genoemde Nederlandse octrooischrift nr. 67258 iseen vermogensgenerator bekend voor het inductief verhitten van eenwerkstuk. Dit werkstuk veroorzaakt een aanzienlijke demping van hetfrequentiebepalende circuit, hetgeen betekent dat de resonantieweerstandvan het frequentiebepalende circuit laag uitvalt. Ter bereiking van eenredelijk rendement van de vermogensgenerator wordt de impedantie van hetfrequentiebepalende circuit omhoog getransformeerd. Het gevolg hiervanis, dat de AC-uitgangsspanning van het aktieve element omlaaggetransformeerd wordt, terwijl juist voor veel hoogfrequentverhittingsprocessen een hoge AC-uitgangsspanning gewenst is.

In de vermogensgenerator uit het genoemde Nederlandseoctrooischrift nr. 67258 is voorts de maximaal haalbare werkfrequentiebeperkt door de aanwezigheid van parasitaire reactanties. Zo isbijvoorbeeld parallel aan de inductiespoel in het frequentiebepalendecircuit altijd een relatief grote parasitaire capaciteit aanwezig. Dezecapaciteit beperkt de maximaal haalbare werkfrequentie.

Ook is het gewenst om bij een gegeven maximalevoedingsspanning het aktieve element te beschermen tegen defect rakendoor overbelasting.

De uitvinding stelt zich ten doel een vermogensgeneratorte verschaffen die een hoogfrequente hoogspanning met groot vermogen kan leveren waarbij de door het aktieve element geleverde stroom bij eengegeven maximale voedingsspanning instelbaar is.

Daartoe heeft de vermogensgenerator volgens de uitvindinghet kenmerk, dat het frequentiebepalende circuit is uitgevoerd in devorm van een coaxiale golfgeleider met een elektrische lengte van eenvierde deel van de bij de werkfrequentie behorende golflengte, van welkegolfgeleider één uiteinde is kortgesloten en het andere uiteindeopen is en waarvan de aansluitingen met de AC-hoofdstroombaan zichbevinden in de omgeving van het kortgesloten uiteinde en dat ten minsteéén aansluiting zich bevindt op een instelbare plaats.

De amplitude van de spanning over een éénzijdigafgesloten coaxiale golfgeleider die aan het andere uiteinde open is,verloopt sinusvormig met de plaats. Doordat één uiteinde van dezegolfgeleider is kortgesloten en het andere uiteinde open is, bereikt deamplitude van de spanning aan het open uiteinde een maximum. Indien deaansluitingen met de AC-hoofdstroombaan zich bevinden in de omgeving vanhet kortgesloten uiteinde, kan in een praktische uitvoering in belastetoestand een omhoog transformering van de AC-uitgangsspanning van hetaktieve element met een faktor 5 bereikt worden.

De coaxiale golfgeleider heeft in de bovenbeschrevenstructuur een dubbele funktie: hij transformeert de AC-uitgangsspanningvan het aktieve element omhoog en hij bepaalt met zijn elektrischelengte de werkfrequentie.

Doordat de plaats van de aansluitingen met de AC-hoofdstroombaan instelbaar is, wordt de bij een gegeven maximalevoedingsspanning door het aktieve element geleverde stroom aan decoaxiale golfgeleider instelbaar.

Het aktieve element kan bij een gegeven maximalevoedingsspanning een bepaald maximaal vermogen leveren. Indien er meervermogen wordt gevraagd, raakt dit aktieve element defect doordat destroom te groot wordt, waardoor overbelasting van dit element optreedt.Door deze stroom te begrenzen wordt voorkomen dat het aktieve elementbij de gegeven voedingsspanning defect kan raken. Aangezien de plaatsvan de aansluitingen de omhoogtransformeringsfactor van de AC-uitgangsspanning van het aktieve element bepaalt en deomhooggetransformeerde uitgangsspanning van de coaxiale golfgeleider bijeen gegeven belasting de stroom bepaalt, kan de maximale door het aktieve element te leveren stroom op een maximale waarde begrensd wordendoor een hierbij behorende keuze van de plaats van de aansluitingen. Destroom wordt dan bij de gegeven maximale voedingsspanning en de gegevenbelasting op de maximale waarde begrensd. Indien de gegeven belastingverandert (in het geval van een plasmabrander door keuze van een anderte verhitten werkstuk of keuze van een ander gas), zal de plaats van deaansluitingen ook veranderd moeten worden om de stroom weer op dezelfdemaximale waarde te begrenzen.

Hiermee wordt dus voorkomen dat het aktieve element bijeen gegeven maximale voedingsspanning en een gegeven belasting defectraakt door overbelasting. Tijdens het in bedrijf zijn van devermogensgenerator (het verhitten van het werkstuk), kan het vermogengeregeld worden door de voedingsspanning te regelen.

Een uitvoeringsvorm van de vermogensgenerator volgens deuitvinding is gekenmerkt doordat de binnengeleider is uitgevoerd in devorm van een buis die in de omgeving van het kortgesloten uiteinde vande coaxiale golfgeleider open is evenals ter plaatse van het anderuiteinde.

Deze uitvoering maakt de vermogensgenerator volgens deuitvinding geschikt voor toepassing als plasmabrander. Het daarvoorbenodigde werkgas kan door de binnengeleider worden aangevoerd.

Daarnaast is het voordelig om het gas in de omgeving van hetkortgesloten uiteinde, dus op een plaats van relatief lage spanning, aande binnengeleider toe te voeren, ter vermijding van de kans ophoogspanningsdoorslag naar de gastoevoerapparatuur.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand vaneen in de figuren weergegeven uitvoeringsvoorbeeld.

Daarbij toont:

Figuur 1: een schema van de vermogensgenerator volgens deuitvinding waarin tevens is afgebeeld het verloop van de spanning in decoaxiale golfgeleider;

Figuur 2: een praktische uitvoering van devermogensgenerator volgens de uitvinding.

De vermogensgenerator volgens figuur 1 bevat eenelektronenbuis 1 met een anode 2, een kathode 3 en een stuurelektrode4. De anode 2 is verbonden met één uiteinde van smoorspoel 5 waarvanhet andere uiteinde is verbonden met de positieve pool van een voedingsspanningsbron 6. De negatieve pool van deze voeaingsspanningsbron 6 is verbonden met aarde, evenals de kathode 3 vanelektronenbuis 1.

Stuurcircuit 7 bestaat uit een serieschakeling vaninductiespoel 8 en condensator 18. Het gemeenschappelijke punt van dezeserieschakeling is verbonden met stuurelektrode 4. De ander zijde vancondensator 18 is verbonden met anode 2 en de andere zijde vaninductiespoel 8 is verbonden met één zijde van instelcircuit 16,waarvan de andere zijde is verbonden met aarde. Instelciruit 16 (auto-bias circuit) wordt gevormd door een parallelschakeling van weerstand 10en condensator 9.

Het frequentiebepalende circuit wordt gevormd door eencoaxiale golfgeleider 11 met een elektrische lente van een vierde deelvan de bij de werkfrequentie behorende golflengte. Deze golfgeleider 11,die aan één zijde open is en aan de andere zijde kortgesloten is, isopgebouwd uit een buitengeleider 12 en een binnengeleider 13. Debuitengeleider 12 is verbonden met aarde en de binnengeleider 13 is inde omgeving van het kortgesloten uiteinde ter plaatse van punt 14verbonden met één zijde van condensator 15. De andere zijde van dezecondensator 15 is verbonden met de anode 2.

Doordat golfgeleider 11 beschouwd kan worden als hetelektrisch equivalent van een parallelle RLC-kring, wordt de spanning opgolfgeleider 11 sinusvormig. Deze sinusvormige spanning verschijnt viacondensator 15 op anode 2 en komt in fase gedraaid op stuurelektrode 4via een spanningsdelend fasedraainetwerk dat wordt gevormd door deserieschakeling van condensator 18, inductiespoel 8 en instelcircuit16. Inductiespoel 8, condensator 9, 18 en weerstand 10 zijn zodaniggedimensioneerd, dat de sinusvormige spanning op stuurelektrode 4 alleengedurende de top van de sinus positief is. Hierdoor trekt stuurelektrode4 alleen gedurende deze top stroom, waardoor elektronenbuis 1 pulserendgeleidend en niet-geleidend is. Elektronenbuis 1 en golfgeleider 11vormen zo een oscillator die oscilleert op een werkfrequentie waarvan debijbehorende golflengte gelijk is aan vier maal de elektrische lengtevan golfgeleider 11.

Instelcircuit 16, dat wordt gevormd door eenparallelschakeling van condensator 9 en weerstand 10, is niet.vanessentieel belang voor het fasedraainetwerk, doch dient alleen ter instelling van de DC-spanning op stuurelektrode 4. Dit geschiedt doordatcondensator 9 en weerstand 10 een RC-netwerk vormen dat wordt opgeladendoor de pulserende stuurelektrodestroom. Inductiespoel 8 vormt voor dezeDC-spanning een kortsluiting.

In plaats van condensator 18 is het ook mogelijk gebruikte maken van de parasitaire anode-stuurelektrode capaciteit 17, mitsdeze een geschikte waarde heeft. Het is ook mogelijk beiden tecombineren.

De amplitude van de spanning ü in de coaxialegolfgeleider 11 verloopt sinusvormig met de plaats. Doordat éénuiteinde van deze golfgeleider 11 is kortgesloten en het andere uiteindeopen is, bereikt de amplitude van de spanning ü aan het open uiteindeeen maximum.

De smoorspoel 5 is in de vermogensgenerator aanwezig omhet in de schakeling opgewekte hoogfrequente vermogen te verhinderen inde voedingsspanningsbron 6 door te dringen en aldaar schade teveroorzaken door vermogensdissipatie. Bovendien verhindert dezesmoorspoel 5 dat de voedingsspanningsbron 6 een kortsluiting vormt voorde in de schakeling opgewekte hoogfrequente spanning. De condensator 15blokkeert een eventuele gelijkstroomweg die verloopt vanaf devoedingsspanningsbron 6 via smoorspoel 5, de aan één zijdekortgesloten coaxiale golfgeleider 11 terug naar devoedingsspanningsbron 6. Deze condensator 15 vormt de anode-scheidingscapaciteit.

Ter plaatse van punt 14 staat op de binnengeleider 13 eenspanning met een amplitude U1. Ter plaatse van de kortsluiting is despanning nul. Door het sinusvormige verloop van de spanning wordt deamplitude omhoog getransformeerd naar een amplitude U2 terplaatse van het open uiteinde van de coaxiale golfgeleider 11.

Indien de lengte van de coaxiale golfgeleider 11overeenkomt met een fasehoek van 90 graden van de sinusvormigespanning, en de afstand van het kortgesloten uiteinde tot aan punt 14overeenkomt met a graden van de sinusvormige spanning, dan blijkt deverhouding van U2 tot gelijk te zijn aan de verhouding van desinus van 90 graden tot de sinus van a graden.

In de praktijk blijkt een omhoogtransformering in belastetoestand met een factor 5 goed realiseerbaar te zijn.

De vermogensgenerator in figuur 2 in een praktischeuitvoering omvat een coaxiale golfgeleider 11 die is opgebouwd uit eenbuitengeleider 12 en een buisvormige binnengeleider 13. Verder omvat devermogensgenerator de elektronenbuis 1, inductiespoel 8 en hetinstelcircuit 16.

Van de elektronenbuis 1 is de anode 2 elektrischgeïsoleerd herbonden met de binnengeleider 13 via isolatieplaat 21.

Deze capacitieve koppeling tussen de anode 2 en de binnengeleider 13 isin figuur 1 weergegeven door de condensator 15.

Isolatieplaat 21 is bijvoorbeeld bevestigd op een niet infiguur 2 weergegeven 'beugel die zich om binnengeleider 13 bevindt. Dezebeugel is in de lengterichting van binnengeleider 13 verplaatsbaar,waarmee de aansluitplaats van de AC-hoofdstroombaan met binnengeleider13 instelbaar wordt.

Het is eveneens mogelijk anode 2 elektrisch geïsoleerdmet binnengeleider 13 te verbinden via een condensator. In dit gevalwordt de capacitieve koppeling tussen anode 2 en binnengeleider 13gerealiseerd door een reële condensator, die wel bestand dient te zijntegen de ter plaatse aanwezige hoogspanning.

De kathode 3 is verbonden met de wand van debuitengeleider 12, welke geaard is. De stuurelektrode 4 is verbonden metinductiespoel 8, die zich buiten buitengeleider 12 bevindt. Eén zijdevan de inductiespoel 8 is verbonden met de stuurelektrode 4, de anderezijde is verbonden met één zijde van instelcircuit 16, dat wordtgevormd door een parallelschakeling van de condensator 9 en weerstand10. De andere zijde van instelciruit 16 is verbonden met debuitengeleider 12. In deze uitvoeringsvorm wordt condensator 18 dus inzijn geheel gerealiseerd door paracitaire capaciteit 17.

De binnengeleider 13 is uitgevoerd met 2 openingen,één opening 22 ter plaatse van het kortgesloten uiteinde van degolfgeleider 11 en één opening 23 ter plaatse van het open uiteinde.

De binnengeleider 13 is ter plaatse van het open uiteinde23 van de golfgeleider voorzien van een niet in de figuur weergegevenspitse punt, die deeluitmaakt van een branderkop, zodat daar ter plaatseeen zeer hoge veldsterkte kan ontstaan. Wanneer door de opening 23 indeze punt een werkgas naar buiten stroomt, ontstaat er door de hogeveldsterkte in het werkgas een elektrische ontlading, zodat het uitstromende, geïoniseerde werkgas in het hoogfrequente veld eenplasmavlam vormt, waardoor het uiteinde van de coaxiale golfgeleider 11een plasmabrander wordt.

Zoals eerder beschreven, wordt het door het aktieveelement geleverde vermogen, bij een gegeven maximale voedingsspanningafkomstig van voedingsspanningsbron 6, ingesteld door de keuze van deplaats van punt 14. Bij gebruik van een ander werkgas en/of een anderwerkstuk zal de plaats van punt 14 moeten worden aangepast ten eindeaktief element 1 weer maximaal vermogen te kunnen laten leveren bij degegeven maximale voedingsspanning zonder defect te raken.

Indien er tijdens een verhitting een minder sterkeplasmavlam gewenst is, kan dit uiteraard gerealiseerd worden door devoedingsspanning te verminderen. De keuze van de instelbare plaats vanpunt 14 is alleen bedoeld om de stroom door aktief element 1 tebegrenzen op een nog toegestane waarde bij de gegeven maximalevoedingsspanning en bij een gegeven belasting.

Claims (3)

1. Een vermogensgenerator voor het leveren van eenhoogfrequente hoogspanning, uitgevoerd met een aktief element, eenfrequentiebepalend circuit in serie met de AC-hoofdstroombaan van hetaktieve element, en een op een stuurelektrode aangesloten stuurcircuit,met het kenmerk, dat het frequentiebepalende circuit is uitgevoerd in devorm van een coaxiale golfgeleider met een elektrische lengte van eenvierde deel van de bij de werkfrequentie behorende golflengte, van welkegolfgeleider één uiteinde is kortgesloten en het andere uiteinde open is en waarvan de aansluitingen met de AC-hoofdstroombaan zichbevinden in de omgeving van het kortgesloten uiteinde en dat ten minsteéén aansluiting zich bevindt op een instelbare plaats.

2. Een vermogensgenerator volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de binnengeleider is uitgevoerd in de vorm van een buis diein de omgeving van het kortgesloten uiteinde van de coaxialegolfgeleider open is evenals ter plaat.se van het andere uiteinde.

3. Een vermogensgenerator volgens conclusie 1 of 2, met hetkenmerk, dat het aktieve element is uitgevoerd in de vorm van eenelektronenbuis, die in de coaxiale golfgeleider is ingebouwd, waarvan dekathode elektrisch is verbonden met de wand van de binnengeleider viaeen isolatieplaat waarbij deze constructie de anode-scheidingscapaciteitvormt.