WO2021122722A1 - Hochfrequenz-hochspannungs-stromleiter-vorrichtung - Google Patents

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WO2021122722A1
WO2021122722A1 PCT/EP2020/086389 EP2020086389W WO2021122722A1 WO 2021122722 A1 WO2021122722 A1 WO 2021122722A1 EP 2020086389 W EP2020086389 W EP 2020086389W WO 2021122722 A1 WO2021122722 A1 WO 2021122722A1
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field distribution
contact
conductor
electrical conductor
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PCT/EP2020/086389
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Roland Lodholz
Florian Maier
Christian Wangler
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TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG
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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
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    • H05K2201/09236—Parallel layout

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency high-voltage current conductor device with an electrical conductor which is designed for operation with a high-frequency high voltage in relation to a gaseous environment and / or in relation to a mass body.
  • High voltage means voltages at which an ionization of the gaseous environment on the electrical conductor or a contact device contacting it would set in. This voltage cannot be limited by a specific value, as it depends very strongly on the gaseous environment, for example on pressure, temperature, gas composition, and also on the geometry of the electrical conductor and the electrically conductive devices in contact with it, especially if these are designed in such a way that they lead to higher fields. These can be points, corners and / or edges, for example. Such electrically conductive devices with edges occur, for example, in fastening devices for the electrical conductor.
  • ionization can occur, especially if the high field strength occurs in a gaseous environment, for example air.
  • This phenomenon has long been known and, for example, in wikipedia.org, Paschen's law fhttps: //de.wikipe- dia.org/wiki/Paschen-Gesetz) or dielectric strength fhttos: //de.wikioedia.ora / wiki / Sleep tightness) is described.
  • Paschen ionization occurs, for example in ambient air, from field strengths of typically 3 kV / mm. Paschen bases this on a homogeneous field. In reality, however, one often has other geometrical conditions.
  • the field is often not homogeneous because the electrical conductor with a high voltage has a shape that can have corners and edges. Very high field strengths, often not easily determinable, occur at these. On the other hand, especially in the case of a high-frequency field, a very strong field can also occur against the environment.
  • high frequency means frequencies greater than 1 MHz. Ionization occurs on conductors not only, but especially at such frequencies, even if the next reference potential body, ie electrically conductive body that is connected to reference ground, is very far away. This has to do with the fact that with such high-frequency vibrations, energy can also propagate in the gaseous environment without it is ionized. This creates a potential in the environment that is close to the ground reference. Discharges can occur at this ambient potential.
  • the object of the present invention is to avoid such ionizations on the electrical conductor or on electrically conductive devices attached to it.
  • a high-frequency high-voltage conductor device with an electrical conductor which is designed for operation with a high-frequency high voltage in relation to a gaseous environment and / or a mass body, the conductor touching an electrically conductive contact device at at least one point , which is arranged on an electrically insulating holder, wherein an electrically conductive Feldverottisan order is arranged on the electrically conductive contact device, which is electrically conductive to the contact device is the.
  • the field distribution arrangement can be arranged at least partially in the interior of the holder.
  • the electrical conductor can be arranged at a distance from the mass body.
  • the electrical conductor can be arranged at least in sections in a gaseous environment, in particular without insulation. At least in sections, the electrical conductor with its electrically conductive material can therefore be exposed to a gas, in particular air.
  • the electrically conductive field distribution arrangement can be arranged between the mass body and the electrically conductive contact device.
  • the field strengths at the electrically conductive contact device can thus be reduced. This can reduce the risk of ionization.
  • the electrically conductive field distribution arrangement can alternatively or additionally be arranged between the gaseous environment and the electrically conductive Kunststoffeinrich device.
  • the field strengths at the electrically conductive contact device can thus be reduced. This can reduce the risk of ionization.
  • high frequency is understood to mean frequencies> 1 MHz and ⁇ 500 MHz.
  • high voltage is understood to be a voltage which is large enough to lead to an ionizing field strength on the high-frequency, high-voltage current conductor device. Since, as mentioned above, this voltage depends on a large number of environment variables, an exact value cannot be given. However, it can be said that with peak voltages> 1 kV these phenomena occur with a very high probability. For this reason, a device that is designed for such a voltage and / or in which such a high voltage develops during operation is considered a high-voltage conductor device for the purposes of this disclosure.
  • This high voltage is measured against a reference potential, for example an earth.
  • the power and amperage play a subordinate role for this invention.
  • Ground is an electrical reference potential, for example grounding.
  • the high voltage can develop against this reference potential.
  • the high voltage can also develop in relation to the gaseous environment, as has already been explained above.
  • the mass body can be any have a geometric shape.
  • the mass body can be formed as a plate.
  • the mass body can have a flat surface parallel to the direction of extension of the electrical conductor.
  • the conductor can extend parallel to a plane, for example in a meandering manner, and the flat surface of the mass body can be arranged parallel to this plane.
  • the holder can be designed to hold the field distribution arrangement.
  • the holder can in particular also be designed to hold the electrical conductor. It can alternatively or additionally serve to hold the electrically conductive contact device.
  • the holder can ensure a predetermined distance between the conductor and the mass body, in particular the mass plate.
  • the contact device can have an in particular metallic coating, in particular on its surface and / or on the side facing the electrical conductor.
  • the contact device can be formed from copper.
  • the contact device can be designed as a printed conductor track.
  • the field distribution arrangement can be designed to be planar, at least in sections, in particular completely. In this way, the device according to the invention can be constructed in a particularly space-saving manner.
  • the field distribution arrangement can have an edge and / or tip with a thickness of ⁇ 0.25 mm, in particular a thickness of 35 ⁇ m.
  • the edge and / or tip can preferably be arranged completely in the interior of the electrically insulating holder.
  • a very high field strength of 2 kV / mm or greater can develop at the edge and / or tip. If the edge and / or tip is arranged in the interior of the electrically insulating holder, the electrically insulating holder can be designed in such a way that such a high field strength does not lead to flashovers.
  • a high-frequency, high-voltage electrical conductor can be arranged in the vicinity of one or more mass bodies in a space-saving, stable and cost-effective and reliable manner and also easy to produce.
  • the contact device can be designed to be planar, at least in sections, in particular completely.
  • the device can be built in a particularly space-saving manner.
  • the contact device can have an edge and / or tip with a thickness of ⁇ 0.2 mm, in particular ⁇ 0.1 mm, in particular ⁇ 0.05 mm, in particular 35 ⁇ m.
  • the device can thus be constructed in a very space-saving manner.
  • the device can be designed so that it is located on the edge and / or tip of the contact device Form fields that are smaller than the ionization field strength, especially in a gaseous environment, especially air, smaller than 3 kV / mm. In this way, the risk of a rollover at the edge and / or the tip of the contact device can be reduced even with a very thin edge and / or tip.
  • the holder can be designed to be planar at least in sections, in particular completely. In this way, the device can be constructed in a particularly space-saving manner.
  • the holder can have two electrically insulating holder parts.
  • the Hal sion parts can both be planar.
  • the holder parts can have the same thickness.
  • the mounting parts can enclose the field distribution arrangement between them, in particular without inclusions of gases, in particular without air inclusions.
  • the holder can be produced and / or formed by pressing the holder parts together.
  • the holder can be designed as a printed circuit card. In circuit board technology, a circuit board is often referred to as a PCB (abbreviation for Printed Circuit Board).
  • the contact device can be arranged on an outer side, in particular an upper side or an underside, of the circuit card.
  • the field distribution arrangement can be arranged in an inner layer of the printed circuit board, in particular free from inclusions of gases, in particular air inclusions.
  • the contact device can be connected in an electrically conductive manner to the field distribution arrangement by means of one or more plated-through holes. In circuit board technology, such a through-hole is also called "via".
  • a through-hole is also called "via”.
  • several through-contacts can be provided in the form of a matrix. This is advantageous because individual vias can break under mechanical stress and thus create redundancy. In addition, the contact area is more reliable
  • the matrix can cover 50% or more of the contact area.
  • the field distribution arrangement can have a field distribution area in a field distribution plane.
  • the contact device can have a contact surface in a contact plane.
  • the surfaces can be arranged at a distance from one another in parallel. In particular, they can be arranged overlapping in plan view (perpendicular to the planes).
  • the field distribution area can have an area which is equal to or larger than the area of the contact area. In particular, it can have an area that is at least 10% larger than the contact area.
  • the electrically conductive field distribution arrangement can be embedded in the holder, in particular without gas, for example air, inclusions.
  • This sealed, gas-free structure enables a dielectric strength that is more than ten times greater than that of most gaseous environments, in particular that of air. Above all, this ensures that the only area of field strengths greater than 2 kV / mm is within the holder. So that the parts of the high frequency high voltage current conductor Device which would lead to ionizations in the gaseous environment, kept in the holder free of gases in an insulating manner and cannot lead to ionization.
  • the high-frequency high-voltage current conductor device is designed in such a way that the field distribution arrangement reduces, in particular, an increase in the field on the conductor, in particular at the points where the conductor of the holder and / or the contact device comes close to or touches it reduced to such an extent that there is no ionization in the gaseous environment.
  • the field distribution area can be larger than the cross-sectional area of the electrical conductor's rule.
  • the field distribution surface can cover the contact surface to be assigned, ie cover the contact surface at all edges or protrude beyond it. However, at least the field distribution surface can protrude at the edges perpendicular to the direction of current flow in the conductor.
  • the electrical conductor can have a round or oval cross section. In this way, the electric field on its surface is kept small enough. This can prevent ionization from occurring at the points at which no contact device with a field distribution arrangement is provided.
  • the electrical conductor can be designed as a tube, in particular with a round cross section. With such a configuration of the electrical conductor, a coolant can be flown through the electrical conductor for cooling. In principle, however, it would also be conceivable to form the electrical conductor from solid material.
  • the electrical conductor can be made of copper.
  • the holder can be designed as a multilayer printed circuit card.
  • the high-frequency fields can lead to warming in the holder, in particular in the circuit card material, in particular in the circuit card material of the multilayer circuit card. This warming can change the material, in particular the circuit card material, in particular its insulating properties.
  • the holder can be made of FR4 material or a material with lower losses.
  • Low loss Material means that the material has a small loss angle tan d (Dissipation Factor).
  • FR4 has a dissipation factor of 0.017 and less (https: //en.wi- kipedia.org/wiki/FR-4).
  • the holder in particular the circuit card, serves as a catcher of the electrical field.
  • the holder in particular the printed circuit board, serves as an electrical field harmless device.
  • An insulator can be arranged between the holder and the mass body.
  • This insulator can be made of PTFE, for example.
  • the insulator can be formed from a material that is lower in noise for high-frequency fields than the material of the holder, in particular the printed circuit board.
  • the insulator can have a lower e G than the holder.
  • the insulator can have a recess in the area of the contact surface, which is bridged by the insulator.
  • a recess is understood to mean a material-free area. Only gas, in particular air, can be present in the area of the recess.
  • the recess can be a hollow space or a depression. The cavity or the depression can be filled with gas, in particular with air.
  • the recess can have a recess surface which lies in a recess plane which is parallel to the contact plane and / or the field distribution plane.
  • the recess can, for example, be cylindrical or cuboid.
  • the recess area can be equal to or larger than a contact area and / or field distribution area located above it and / or overlap them.
  • Two mass bodies can be provided and the electrical conductor can be arranged between the mass bodies, the electrical conductor touching a contact device on a holder at opposite points.
  • the mass bodies can be designed as plates. The mutually facing sides of the mass bodies can be parallel.
  • the electrical Conductors can be arranged between two parallel sides of two mass bodies.
  • the electrical conductor can be clamped between two mass bodies and insulators and thus be mechanically fastened.
  • the conductor can be clamped between the mass bodies and in particular additionally between the insulators and in particular additionally between the holders and in particular additionally between the contact devices and thus be held.
  • a conductor can also be fastened to the holder and / or contact device by screwing, welding, gluing, soldering, riveting, tying or other fastening options.
  • the holder can have a plurality of contact devices that touch the electrical conductor at different points, each contact device being assigned a field distribution arrangement that is electrically connected to it.
  • Two electrical conductors can be provided and, in particular, be arranged in different planes of the device, which in particular are each connected to a power connection for high-frequency power.
  • the conductors can be electrically connected at their second connection and connected to this connection point, in particular to a coupling connection for a coupled power signal.
  • Such a configuration of the device can in particular be used as a coupler (combiner), namely for coupling / combining two high-frequency power signals.
  • the conductor or conductors can be designed as a so-called impedance-controlled line. This means that he or she has a predetermined line impedance for the frequency at which they are operated, e.g. 25 W, 50 W, 100 W.
  • a compensation resistor preferably with a resistance value twice the line impedance, e.g. 50 W, 100 W, 200 W, can be connected between the power connections.
  • a balancing resistor in particular from one power connection to a star point, can preferably be used between several power connections be connected with a resistance value of the line impedance, for example 25 W, 50 W, 100 W.
  • the electrical conductors can each have a length of 1/4 or an integral multiple of 1/4 of the high-frequency power.
  • l is the wavelength of the electromagnetic wave formed by the high frequency.
  • the device according to the invention can be designed as a so-called Wilkinson combiner. With such a combiner, two in-phase power signals can be coupled to form a coupled signal with double the power.
  • a fixing unit which is designed to prevent the conductor from slipping, can be provided on the contact device. It can thus be ensured that the electrical conductor always touches the contact device.
  • the holder and / or the contact device can have a shape that receives the conductor and prevents it from slipping.
  • the contact surface and / or the field distribution surface can be rectangular, in particular with rounded corners. This enables a particularly good match to the conductor passing through it.
  • the electrical conductor preferably only makes contact with the contact surfaces of the circuit card and is otherwise surrounded by the gaseous environment, in particular by air.
  • the dimensions of the distance between the conductor and the mass body, insulator thickness, distance from the insulator field distribution arrangement and / or thickness of the bracket (conductor card) are preferably chosen so that the characteristic impedance is 1.414 (root-2) times the line impedance, e.g. 70.7 W. , is.
  • the dimensions are also preferably chosen so that the electric fields in the gaseous environment are smaller, in particular significantly smaller, than 2 kV / mm.
  • the conductor structure within the circuit card is preferably selected so that the only area of field strengths greater than 2 kV / mm is in an inner layer of the circuit card.
  • Preferably printed circuit cards are used that have a Loss angle less than or equal to 0.005 and a high dielectric strength in the range of more than 20 kV / mm, in particular of 31.2 kV /
  • the field distribution arrangement is preferably arranged at least partially in the holder at a point at which the distance from the mass body or the materials to be isolated is the smallest.
  • Fig. 1 is a partial cross-sectional view of a device according to the invention
  • Fig. 2 is a perspective partial view of the device according to the invention before;
  • Fig. 3 is an illustration to explain the contact on a holding tion;
  • FIG. 4 shows an illustration for explaining the plated-through hole
  • Fig. 5 is a perspective partial illustration of a device formed as a combiner. 6 shows an illustration of a further device according to the invention in
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of part of a high-frequency high-voltage current conductor device 10 in a gaseous environment 3.
  • An electrical conductor 13 is arranged at a distance from the mass bodies 11, 12 and is designed as a circular tube in the embodiment shown.
  • the electrical conductor 13 is designed for operation with a high-frequency high voltage, where the high voltage is present between the electrical conductor 13 and one of the mass bodies 11, 12, in particular both mass bodies 11, 12.
  • the electrical conductor 13 touches an electrically conductive contact device 15, 16 at opposite points, each of which is arranged on an electrically insulating holder 17, 18. Between a mass body 11, 12 and an electrically conductive contact device 15, 16, an electrically conductive field distribution arrangement 19, 20 is provided, which is electrically connected to one of the contact devices 15, 16. In the exemplary embodiment shown, the field distribution arrangements 19, 20 are arranged in the interior of the holders 17, 18.
  • Electrically insulating insulators 21, 22, which can be made of PTFE, for example, are arranged between the holders 17, 18 and the mass bodies 11, 12.
  • the insulators 21, 22 In the area of the contact devices 15, 16, the insulators 21, 22 each have a recess 23, 24 which are bridged by a respective holder 17, 18.
  • the recesses 23, 24 can in particular be designed as a gaseous environment 3 and in particular be filled with air.
  • Fixing units 28, 29, which prevent the electrical conductor 13 from slipping, can be provided on the contact devices 15, 16.
  • the electrically conductive contact layers 15, 16 are connected to the electrically conductive field distribution arrangements 19, 20 via plated-through holes 5, 6.
  • the field distribution arrangements 19, 20 have edges 8, 9 which are very thin. In the exemplary embodiment shown, the edges 8, 9 are arranged completely in the interior of the holders 17, 18. At the edges 8, 9, a high electric field strength can develop.
  • the electrical conductor 13 has a diameter c.
  • the diameter c is preferably (significantly) smaller than the width b of the field distribution arrangements 19, 20.
  • the width b of the field distribution arrangements 19, 20 is in turn preferably (significantly) smaller than the width a of the recesses 23, 24.
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of the arrangement according to FIG. 1. It can be clearly seen here that the electrical conductor 13 is held in the device 10 exclusively by the holders 17, 18 and only the contact devices 15 of the holders 17, 18 , 16 touched. It can also be seen that the mountings 17, 18 are web-like and bridge the recesses 23, 24. It can also be seen that the holder 17 has two parts 17a, 17b. The holder 18 can be constructed accordingly.
  • Both holder parts 17a, 17b are designed to be electrically insulating. Both holding parts 17a, 17b are planar and preferably have the same thickness.
  • the holding parts 17a, 17b can include the field distribution arrangement 19 between them.
  • the holder 17 can be produced by pressing the holder parts 17a, 17b together.
  • the holding parts 17a, 17b can be layers of a multi-layer printed circuit card.
  • the field distribution arrangement 19 can be arranged in an inner layer of the printed circuit card.
  • the contact device 15 has a contact surface 25.
  • the plated-through holes 5 can be arranged in the form of a matrix.
  • the field distribution arrangement 19 can have a field distribution surface 29.
  • the field distribution surface 29 and the contact surface 25 can be arranged parallel and spaced from one another.
  • the surfaces 25, 29 can be arranged so as to overlap.
  • the surface 29 is preferably made larger than the surface 25.
  • 4 shows an exploded view of the bracket 17 with the bracket parts 17a, 17b. It can be seen here that the contact surface 25 is arranged in a contact plane 35 and the field distribution surface 29 is arranged in a field distribution plane 39.
  • Fig. 5 shows the device 10 with the mass body 11 in an embodiment as a combiner or coupler with two power connections 26, 27 and an output connection 28.
  • the powers coupled in at the two power connections 26, 27 in each case can be phase-shifted by 0 ° and are coupled by the device 10 to form a coupled power and output at the output connection 28.
  • the conductor 13 is arranged in a meander shape and touches the holders 17, 18 at several points.
  • the conductor 14 is arranged in a meandering shape and also only touches associated brackets in places.
  • the mass body 11 has insulators 21, 29 on opposite sides. What is not shown in the illustration shown is that the device 10 each comprises a further mass body at the top and bottom. The other elements of the device 10 have the same reference numerals as in the previous illustrations.
  • FIG. 6 shows an illustration of a further device 10 according to the invention in the form of a measuring device.
  • the electrical conductor 13 is pressed into the likewise cylindrical insulator 21 in the shape of a cylinder, preferably avoiding gases between the insulator 21 and the conductor 13.
  • the insulator 21 has elevations around the protruding conductor 13 in order to prevent overheating from the conductor 13 to the mass body 11.
  • the mass body 11 is tubular and encloses the cylindrical insulating gate 21 in the lower area.
  • a metallic coating as a contact device 15.
  • This is electrically contacted with a field distribution arrangement 19, which is arranged in the interior of the holder 17 and is pressed gas-free.

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Abstract

Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung (10) mit einem elektrischen Leiter (13, 14), ausgelegt zum Betrieb mit einer Hochfrequenz-Hochspannung gegenüber einer gasförmigen Umgebung (3) und/oder dem Massekörper (11, 12), wobei der Leiter (13, 14) an zumindest einer Stelle eine elektrisch leitende Kontakteinrichtung (15, 16) berührt, die an einer elektrisch isolierenden Halterung (17, 18) angeordnet ist, wobei an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung (15, 16) eine elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung (19, 20) angeordnet ist, die elektrisch leitend mit der Kontakteinrichtung (15, 16) verbunden ist, und insbesondere zumindest teilweise im Inneren der Halterung (17, 18) angeordnet ist.

Description

Hochfreauenz-HochsDannunas-Stromleiter-Vorrichtuna
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung mit einem elektrischen Leiter, der ausgelegt ist zum Betrieb mit einer Hochfre quenz-Hochspannung gegenüber einer gasförmigen Umgebung und/oder gegen- über einem Massekörper.
In der Hochfrequenztechnik treten beim Einsatz von z.B. Leistungscombinern und Messeinrichtungen Schwierigkeiten auf, wenn sehr hohe Leistungen von ca. 10 kW und mehr generiert werden. Neben den Problemen mit den hohen Strömen um die 10 A und mehr kommen zusätzlich auch Probleme mit hohen Spitzenspannungen um die 1 kV und mehr hinzu.
In der Hochspannungstechnik müssen elektrische Bauteile neben hohen Strömen und Spannungen auch hohen elektrischen Feldstärken widerstehen können. Mit Hochspannung sind hier Spannungen gemeint, bei denen eine Ionisierung der gas förmigen Umgebung am elektrischen Leiter oder einer sie berührenden Kontaktein richtung einsetzen würde. Diese Spannung kann nicht durch einen spezifischen Wert eingegrenzt werden, da sie sehr stark von der gasförmigen Umgebung ab- hängt, z.B. von Druck, Temperatur, Gaszusammensetzung, und außerdem von der Geometrie des elektrischen Leiters und der ihn berührenden elektrisch leitfähigen Vorrichtungen, insbesondere wenn diese so ausgestaltet sind, dass sie zu Felder höhungen führen. Das können beispielsweise Spitzen, Ecken und/oder Kanten sein. Solche elektrisch leitfähigen Vorrichtungen mit Kanten kommen beispiels- weise bei Befestigungsvorrichtungen des elektrischen Leiters vor. Bei hohen Feld stärken kann es zu Ionisierung kommen, insbesondere, wenn die hohe Feldstärke in gasförmiger Umgebung, beispielsweise Luft, auftritt. Dieses Phänomen ist seit langem bekannt und z.B. in wikipedia.org, Paschen-Gesetz fhttps://de.wikipe- dia.org/wiki/Paschen-Gesetz) oder Durchschlagfestigkeit fhttos://de.wikioe- dia.ora/wiki/Durchschlaasfestiakeit) beschrieben. Nach den von Paschen erforsch ten Gesetzmäßigkeiten entsteht eine Ionisierung z.B. in Umgebungsluft ab Feld stärken von typisch 3 kV/mm. Paschen legt dabei ein homogenes Feld zu Grunde. In der Realität hat man jedoch oftmals andere geometrische Gegebenheiten. Zum einen ist das Feld oft nicht homogen, da der elektrische Leiter mit einer hohen Spannung eine Form aufweist, die Ecken und Kanten haben kann. An diesen treten sehr hohe, oftmals nicht einfach bestimmbare Feldstärken auf. Zum anderen kann insbesondere bei einem hochfrequenten Feld bereits ein sehr starkes Feld auch gegen die Umgebung auftreten. Mit Hochfrequenz sind hier Frequenzen größer 1 MHz gemeint. Nicht nur, aber insbesondere bei solchen Frequenzen treten Ionisie- rungen an Leitern auf, auch wenn der nächste Bezugspotentialkörper, also elektrisch leitfähige Körper, der mit Bezugsmasse verbunden ist, sehr weit entfernt ist. Das hängt damit zusammen, dass sich bei solchen hochfrequenten Schwingun gen Energie auch in der gasförmigen Umgebung ausbreiten kann, ohne dass diese ionisiert wird. So entsteht in der Umgebung ein Potential, das nahe an dem Mas sebezug liegt. Zu diesem Umgebungs-Potential können Entladungen entstehen.
Die freien Ionen können zu Überschlägen führen, was sehr unerwünscht ist. Sie können aber auch Isolatoren wie beispielsweise Teflon zersetzen. Diese Isolatoren können dabei ihre isolierenden Eigenschaften verändern und sogar verlieren. Auf diese Art und Weise wird die Isolationsstrecke verkürzt, wodurch Spannungsüber schläge entstehen können. Gerade bei einfachen Aufbauten, wie dem Übergang eines runden Rohrs auf einen flachen Isolator, kommt es in der gasförmigen Um- gebung, insbesondere Luft, zu großen Überhöhungen der Feldstärke.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Ionisierungen am elektrischen Leiter oder an an ihm angebrachten elektrisch leitenden Vorrichtungen zu vermei- den.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Hochfrequenz-Hochspan- nungs-Stromleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der Beschreibung offenbart. Offenbart ist eine Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung mit einem elektrischen Leiter, der ausgelegt ist zum Betrieb mit einer Hochfrequenz-Hochspannung ge genüber einer gasförmigen Umgebung und/oder einem Massekörper, wobei der Leiter an zumindest einer Stelle eine elektrisch leitende Kontakteinrichtung be- rührt, die an einer elektrisch isolierenden Halterung angeordnet ist, wobei an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung eine elektrisch leitende Feldverteilungsan ordnung angeordnet ist, die elektrisch leitend mit der Kontakteinrichtung verbun den ist. Die Feldverteilungsanordnung kann zumindest teilweise im Inneren der Halterung angeordnet sein.
Der elektrische Leiter kann beabstandet zum Massekörper angeordnet sein. Der elektrische Leiter kann zumindest abschnittsweise in einer gasförmigen Um gebung, insbesondere ohne Isolierung, angeordnet sein. Zumindest abschnitts weise kann der elektrische Leiter also mit seinem elektrisch leitenden Material ei nem Gas, insbesondere Luft, ausgesetzt sein.
Die elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung kann zwischen dem Massekörper und der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung angeordnet sein. So lassen sich die Feldstärken an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung verringern. So kann die Gefahr einer Ionisierung reduziert werden.
Die elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung kann alternativ oder zusätzlich zwischen der gasförmigen Umgebung und der elektrisch leitenden Kontakteinrich tung angeordnet sein. So lassen sich die Feldstärken an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung verringern. So kann die Gefahr einer Ionisierung reduziert wer- den. Unter Hochfrequenz im Sinne der Erfindung werden Frequenzen >1 MHz und < 500 MHz verstanden.
Unter Hochspannung im Sinne der Erfindung wird eine Spannung verstanden, die groß genug ist, an der Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung zu einer ionisierenden Feldstärke zu führen. Da wie oben erwähnt diese Spannung von sehr vielen Umgebungsvariablen abhängt, kann ein genauer Wert nicht an gegeben werden. Man kann aber sagen, dass bei Spitzenspannungen > 1 kV diese Phänomene mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auftreten. Deswegen gilt eine Vor richtung, die für eine solche Spannung ausgelegt ist und/oder bei der sich im Be- trieb eine solch hohe Spannung ausbildet, als eine Hochspannungs-Stromleiter- Vorrichtung im Sinne dieser Offenbarung. Gemessen wird diese Hochspannung je weils gegenüber einem Bezugspotential, zum Beispiel einer Erdung. Die Leistung und Stromstärke spielen für diese Erfindung eine untergeordnete Rolle. Unter Masse wird ein elektrisches Bezugspotential, zum Beispiel eine Erdung, ver standen. Die Hochspannung kann sich gegenüber diesem Bezugspotential ausbil den. Die Hochspannung kann sich auch gegenüber der gasförmigen Umgebung ausbilden, wie oben schon erläutert wurde. Der Massekörper kann eine beliebige geometrische Form aufweisen. Insbesondere kann der Massekörper als Platte aus gebildet sein. Der Massekörper kann eine ebene Fläche parallel zur Erstreckungs richtung des elektrischen Leiters aufweisen. Insbesondere kann sich der Leiter pa rallel zu einer Ebene, z.B. mäanderförmig, erstrecken und die ebene Fläche des Massekörpers kann parallel zu dieser Ebene angeordnet sein.
Die Halterung kann ausgebildet sein zur Halterung der Feldverteilungsanordnung. Die Halterung kann insbesondere zusätzlich ausgebildet sein zur Halterung des elektrischen Leiters. Sie kann alternativ oder zusätzlich zur Halterung der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung dienen. Die Halterung kann alternativ oder zusätzlich einen vorgegebenen Abstand des Leiters zum Massekörper, insbeson dere zur Masseplatte, sicherstellen.
Die Kontakteinrichtung kann eine insbesondere metallische Beschichtung, insbe- sondere an ihrer Oberfläche und/oder der zum elektrischen Leiter ausgerichteten Seite, aufweisen. Die Kontakteinrichtung kann aus Kupfer ausgebildet sein. Die Kontakteinrichtung kann als gedruckte Leiterbahn ausgebildet sein.
Die Feldverteilungsanordnung kann zumindest abschnittsweise, insbesondere voll- ständig, planar ausgebildet sein. Auf diese Art und Weise kann die erfindungsge mäße Vorrichtung besonders platzsparend aufgebaut werden.
Die Feldverteilungsanordnung kann eine Kante und/oder Spitze mit einer Dicke < 0,25 mm, insbesondere einer Dicke von 35 pm, aufweisen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung sehr platzsparend aufgebaut werden. Die Kante und/oder Spitze kann bevorzugt vollständig im Inneren der elektrisch isolierenden Halterung ange ordnet sein. An der Kante und/oder Spitze kann sich eine sehr hohe Feldstärke von 2 kV/mm oder größer ausbilden. Wenn die Kante und/oder Spitze im Inneren der elektrisch isolierenden Halterung angeordnet ist, kann die elektrisch isolierende Halterung so ausgelegt werden, dass eine solch hohe Feldstärke zu keinen Über schlägen führt. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf platzsparende, stabile und kos tengünstige sowie zuverlässige Art und Weise und außerdem einfach produzierbar ein Hochfrequenz-Hochspannung führender elektrischer Leiter in der Nähe eines oder mehrerer Massekörper angeordnet werden.
Die Kontakteinrichtung kann zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, planar ausgebildet sein. Somit kann die Vorrichtung besonders platzsparend auf gebaut werden. Die Kontakteinrichtung kann eine Kante und/oder Spitze mit einer Dicke von <0,2 mm, insbesondere < 0,1 mm, insbesondere < 0,05 mm, insbesondere von 35 pm, aufweisen. Somit kann die Vorrichtung sehr platzsparend aufgebaut werden. Ins besondere, wenn die Abmessungen der Feldverteilungsanordnung gleich groß oder größer als die der Kontakteinrichtung gestaltet und/oder in der Draufsicht über- lappend zur Kontakteinrichtung angeordnet sind, kann die Vorrichtung so ausge bildet sein, dass sich an der Kante und/oder Spitze der Kontakteinrichtung Felder ausbilden, die kleiner als die Ionisierungsfeldstärke, insbesondere bei gasförmiger Umgebung, insbesondere Luft, kleiner als 3 kV/mm, sind. Auf diese Art und Weise kann die Gefahr eines Überschlags an der Kante und/oder der Spitze der Kon- takteinrichtung sogar bei einer sehr dünnen Kante und/oder Spitze reduziert wer den.
Die Halterung kann zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, planar ausgebildet sein. Auf diese Art und Weise kann die Vorrichtung besonders platz- sparend aufgebaut werden.
Die Halterung kann zwei elektrisch isolierende Halterungsteile aufweisen. Die Hal terungsteile können beide planar ausgebildet sein. Die Halterungsteile können die gleiche Dicke aufweisen. Die Halterungsteile können die Feldverteilungsanord- nung, insbesondere ohne Einschlüsse von Gasen, insbesondere ohne Luftein schlüsse, zwischen sich einschließen. Die Halterung kann durch Zusammenpressen der Halterungsteile hergestellt und/oder ausgebildet sein. Die Halterung kann als bedruckte Leiterkarte ausgebildet sein. Eine Leiterkarte wird in der Leiterkartentechnik häufig als PCB (Abkürzung für Printed Circuit Board) bezeichnet. Die Kontakteinrichtung kann auf einer Außenseite, insbesondere Ober seite oder Unterseite, der Leiterkarte angeordnet sein.
Die Feldverteilungsanordnung kann in einer Innenlage der Leiterkarte, insbeson dere frei von Einschlüssen von Gasen, insbesondere von Lufteinschlüssen, ange ordnet sein. Die Kontakteinrichtung kann mit der Feldverteilungsanordnung mittels einer oder mehrerer Durchkontaktierungen elektrisch leitend verbunden sein. In der Leiterkartentechnik wird eine solche Durchkontaktierung auch „Via" genannt. Vorteilhafterweise können mehrere Durchkontaktierungen in Form einer Matrix vorgesehen sein. Das ist vorteilhaft, weil einzelne Vias bei mechanischer Bean spruchung brechen können und so eine Redundanz geschaffen wird. Zudem wird die Kontaktfläche so zuverlässiger auf der Halterung gehalten. Die Matrix kann 50% oder mehr der Kontaktfläche bedecken.
Die Feldverteilungsanordnung kann in einer Feldverteilungsebene eine Feldvertei lungsfläche aufweisen. Die Kontakteinrichtung kann in einer Kontaktebene eine Kontaktfläche aufweisen. Die Flächen können parallel beabstandet angeordnet sein. Insbesondere können sie in der Draufsicht, (senkrecht zu den Ebenen) über lappend angeordnet sein.
Die Feldverteilungsfläche kann eine Fläche aufweisen, die gleich groß oder größer ist als die Fläche der Kontaktfläche. Insbesondere kann sie eine zumindest um 10% größere Fläche aufweisen als die Kontaktfläche.
Die elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung kann, insbesondere ohne Gas- z.B. Lufteinschlüsse, in die Halterung eingebettet sein. Durch diesen versiegelten, gasfreien Aufbau kann eine Spannungsfestigkeit ermöglicht werden, die mehr als zehnmal größer ist als die von den meisten gasförmigen Umgebungen, insbeson dere die der Luft. Vor allen Dingen kann dadurch sichergestellt werden, dass sich der einzige Bereich von Feldstärken größer als 2 kV/mm innerhalb der Halterung befindet. Damit werden die Teile der Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter- Vorrichtung, die in der gasförmigen Umgebung zu Ionisierungen führen würden, in der Halterung isolierend frei von Gasen gehalten und können zu keiner Ionisie rung führen. Gleichzeitig ist die Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vor- richtung so ausgestaltet, dass die Feldverteilungsanordnung eine Feldüberhöhung am Leiter, insbesondere an den Stellen, an denen der Leiter der Halterung und/o der der Kontakteinrichtung nahe kommt oder diese berührt, verringert, insbeson dere soweit verringert, dass es zu keinen Ionisierungen in der gasförmigen Umge bung kommt. Die Feldverteilungsfläche kann größer sein als die Querschnittsfläche des elektri schen Leiters. Weiterhin kann die Feldverteilungsfläche in einer Draufsicht die zu geordnete Kontaktfläche überdecken, d.h. an allen Kanten die Kontaktfläche ab decken oder über diese überstehen. Zumindest kann die Feldverteilungsfläche aber an den Kanten senkrecht zu der Stromlaufrichtung in dem Leiter überstehen.
Der elektrische Leiter kann einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen. So wird das elektrische Feld an seiner Oberfläche klein genug gehalten. Damit kann verhindert werden, dass es an den Stellen, an denen keine Kontakteinrichtung mit Feldverteilungsanordnung vorgesehen ist, zu einer Ionisierung kommt.
Der elektrische Leiter kann als Rohr, insbesondere mit einem runden Querschnitt, ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausgestaltung des elektrischen Leiters kann zur Kühlung ein Kühlmittel durch den elektrischen Leiter geströmt werden. Grundsätz lich wäre es jedoch auch denkbar, den elektrischen Leiter aus Vollmaterial auszu- bilden. Der elektrische Leiter kann aus Kupfer ausgebildet sein.
Die Halterung kann als mehrlagige Leiterkarte ausgebildet sein. Die hochfrequen ten Felder können in der Halterung, insbesondere im Leiterkartenmaterial, insbe sondere im Leiterkartenmaterial der mehrlagigen Leiterkarte zu Erwärmung füh- ren. Diese Erwärmung kann das Material, insbesondere das Leiterkartenmaterial verändern, insbesondere seine Isoliereigenschaften verändern. Um die Gefahr ei ner negativen Veränderung zu reduzieren kann insbesondere die Halterung aus FR4-Material oder einem verlustärmeren Material ausgebildet sein. Verlustarmes Material bedeutet, dass das Material einen kleinen Verlustwinkel tan d (Dissipation Factor) hat. FR4 hat einen Dissipation Factor von 0,017 und kleiner (https://en.wi- kipedia.org/wiki/FR-4)· Bereits Leiter karten mit einem Dissipation Factor von 0,03 und kleiner können elektrische Feldstärken in sich binden und dadurch die elektri- sehen Felder in der angrenzenden gasförmigen Umgebung, insbesondere Luft, auf ein akzeptables Niveau von ca. 1,1 kV/mm reduzieren. Die Halterung, insbeson dere die Leiterkarte, dient quasi als Fänger des elektrischen Feldes. Man kann auch sagen das die Halterung, insbesondere die Leiterkarte, als elektrische-Felder-Un- schädlichkeitsvorrichtung dient.
Zwischen der Halterung und dem Massekörper kann ein Isolator angeordnet sein. Dieser Isolator kann beispielsweise aus PTFE ausgebildet sein. Insbesondere kann der Isolator aus einem Material ausgebildet sein, das für Hochfrequenzfelder ver lustärmer ist als das Material der Halterung, insbesondere der Leiterkarte. Insbe- sondere kann der Isolator ein niedrigeres eG aufweisen als die Halterung.
Der Isolator kann im Bereich der Kontaktfläche eine Ausnehmung aufweisen, die von dem Isolator überbrückt ist. Unter einer Ausnehmung wird dabei ein materi alfreier Bereich verstanden. Im Bereich der Ausnehmung kann lediglich Gas, ins- besondere Luft, vorhanden sein. Insbesondere kann die Ausnehmung ein Hohl raum oder eine Vertiefung sein. Der Hohlraum bzw. die Vertiefung kann mit Gas, insbesondere mit Luft, gefüllt sein. Die Ausnehmung kann eine Ausnehmungsflä che aufweisen, die in einer Ausnehmungsebene liegt, die parallel zu der Kontakt ebene und/oder der Feldverteilungsebene liegt. Die Ausnehmung kann beispiels- weise zylinderförmig oder quaderförmig sein. Die Ausnehmungsfläche kann gleich oder größer als eine über ihr liegende Kontaktfläche und/oder Feldverteilungsflä che sein und/oder diese überlappen.
Es können zwei Massekörper vorgesehen sein und der elektrische Leiter kann zwi- sehen den Massekörpern angeordnet sein, wobei der elektrische Leiter an gegen überliegenden Stellen jeweils eine Kontakteinrichtung an einer Halterung berührt. Die Massekörper können als Platten ausgebildet sein. Die einander zugewandten Seiten der Massekörper können parallel sein. Insbesondere kann der elektrische Leiter zwischen zwei parallelen Seiten von zwei Massekörpern angeordnet sein. Der elektrische Leiter kann zwischen zwei Massekörpern und Isolatoren einge klemmt sein und so mechanisch befestigt werden. Insbesondere kann der Leiter zwischen den Massekörpern sowie insbesondere zusätzlich zwischen den Isolato- ren sowie insbesondere zusätzlich zwischen den Halterungen sowie insbesondere zusätzlich zwischen den Kontakteinrichtungen eingeklemmt und so gehalten sein. Insbesondere kann ein Leiter aber auch durch Schrauben, Schweißen, Kleben, Lö ten, Nieten, Anbinden oder andere Befestigungsmöglichkeiten an der Halterung und/oder Kontakteinrichtung befestigt werden.
Die Halterung kann mehrere Kontakteinrichtungen aufweisen, die den elektrischen Leiter an unterschiedlichen Stellen berühren, wobei jeder Kontakteinrichtung eine damit elektrisch verbundene Feldverteilungsanordnung zugeordnet ist. Zwei elektrische Leiter können vorgesehen sein und insbesondere in unterschied lichen Ebenen der Vorrichtung angeordnet sein, die insbesondere jeweils mit einem Leistungsanschluss für Hochfrequenzleistung verbunden sind. Die Leiter können an ihrem zweiten Anschluss elektrisch verbunden sein und mit diesem Verbin dungspunkt, insbesondere mit einem Koppelanschluss für ein gekoppeltes Leis- tungssignal verbunden sein. Eine solche Ausgestaltung der Vorrichtung kann ins besondere als Koppler (Combiner) verwendet werden, nämlich zum Koppeln/Kom binieren von zwei hochfrequenten Leistungssignalen.
Der oder die Leiter können als so genannte Impedanz kontrollierte Leitung ausge- legt sein. Das bedeutet, dass er oder sie für die Frequenz, bei der sie betrieben werden, eine vorgegebene Leitungsimpedanz aufweisen, z.B. 25 W, 50 W, 100 W.
Zwischen den Leistungsanschlüssen kann ein Ausgleichswiderstand, vorzugsweise mit einem Widerstandswert von der doppelten Leitungsimpedanz z.B. 50 W, 100 W, 200 W, geschaltet sein.
Zwischen mehreren Leistungsanschlüssen kann jeweils ein Ausgleichswiderstand, insbesondere von je einem Leistungsanschluss zu einem Sternpunkt, vorzugsweise mit einem Widerstandswert von der Leitungsimpedanz z.B. 25 W, 50 W, 100 W, geschaltet sein.
Die elektrischen Leiter können jeweils eine Länge von l/4 oder einem ganzzahli- gern Vielfachen von l/4 der hochfrequenten Leistung aufweisen. Dabei ist l die Wellenlänge der sich durch die Hochfrequenz ausbildenden elektromagnetischen Welle. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise als so genannter Wilkinsoncombiner ausgebildet werden. Mit einem solchen Combiner können zwei phasengleiche Leistungssignale zu einem gekoppelten Signal doppelter Leistung gekoppelt werden.
An der Kontakteinrichtung kann eine Fixiereinheit vorgesehen sein, die ausgelegt ist, ein Verrutschen des Leiters zu verhindern. Somit kann sichergestellt werden, dass der elektrische Leiter stets die Kontakteinrichtung berührt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halterung und/oder die Kontakteinrichtung eine Formung aufweisen, die den Leiter aufnimmt und ein Verrutschen verhindert.
Die Kontaktfläche und/oder die Feldverteilungsfläche können rechteckförmig sein, insbesondere mit abgerundeten Ecken. Dadurch kann eine besonders gute Anpas sung an den über sie geführten Leiter erfolgen.
Der elektrische Leiter kontaktiert vorzugsweise ausschließlich die Kontaktflächen der Leiterkarte und ist ansonsten von der gasförmigen Umgebung, insbesondere von Luft, umgeben. Die Maße Abstand Leiter zum Massekörper, Isolatordicke, Ab stand Isolator-Feldverteilungsanordnung und/oder Dicke der Halterung (Leiter karte) werden vorzugsweise so gewählt, dass der Wellenwiderstand das 1,414 (Wurzel-2)-fache der Leitungsimpedanz, also z.B. 70,7 W, beträgt. Die Maße wer den weiter vorzugsweise so gewählt dass die elektrischen Felder in der gasförmi- gen Umgebung kleiner, insbesondere deutlich kleiner, als 2 kV/mm sind. Die Lei terstruktur innerhalb der Leiterkarte ist vorzugsweise so gewählt, dass sich der einzige Bereich von Feldstärken größer als 2 kV/mm in einer Innenlage der Leiter karte befindet. Vorzugsweise werden Leiterkarten verwendet, die einen Verlustwinkel kleiner gleich 0,005 und eine hohe Spannungsfestigkeit im Bereich von mehr als 20 kV/mm, insbesondere von 31,2 kV/mm aufweisen.
Um hohe elektrische Felder zu vermeiden, ist vorzugsweise die Feldverteilungsan- Ordnung zumindest teilweise in der Halterung an einer Stelle angeordnet, an der der Abstand zum Massekörper bzw. zu isolierenden Materialien am geringsten ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
Es zeigen:
Fig. 1 Eine teilweise Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vor richtung;
Fig. 2 eine perspektivische teilweise Ansicht der erfindungsgemäßen Vor richtung; Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Kontaktierung auf einer Halte rung;
Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Durchkontaktierung; Fig. 5 eine perspektivische teilweise Darstellung einer als Combiner ausge bildeten Vorrichtung. Fig. 6 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen weiteren Vorrichtung in
Form einer Messeinrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Teils einer Hochfrequenz-Hochspan- nungs-Stromleitervorrichtung 10 in einer gasförmigen Umgebung 3. Beabstandet zu den Massekörpern 11, 12 ist ein elektrischer Leiter 13 angeordnet, der im ge zeigten Ausführungsbeispiel als kreisrundes Rohr ausgebildet ist. Der elektrische Leiter 13 ist zum Betrieb mit einer Hochfrequenz-Hochspannung ausgebildet, wo bei die Hochspannung zwischen dem elektrischen Leiter 13 und einem der Masse- körper 11, 12, insbesondere beiden Massekörpern 11, 12, vorliegt.
Der elektrische Leiter 13 berührt an gegenüber liegenden Stellen jeweils eine elektrisch leitende Kontakteinrichtung 15, 16, die jeweils an einer elektrisch iso lierenden Halterung 17, 18 angeordnet sind. Zwischen jeweils einem Massekörper 11, 12 und jeweils einer elektrisch leitenden Kontakteinrichtung 15, 16 ist jeweils eine elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung 19, 20 vorgesehen, die elektrisch leitend mit jeweils einer der Kontakteinrichtungen 15, 16 verbunden ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Feldverteilungsanordnungen 19, 20 im Inneren der Halterungen 17, 18 angeordnet.
Zwischen den Halterungen 17, 18 und den Massekörpern 11, 12 sind elektrisch isolierende Isolatoren 21, 22 angeordnet, die beispielsweise aus PTFE ausgebildet sein können. Im Bereich der Kontakteinrichtungen 15, 16 weisen die Isolatoren 21, 22 jeweils eine Ausnehmung 23, 24 auf die von jeweils einer Halterung 17, 18 überbrückt sind. Die Ausnehmungen 23, 24 können insbesondere als gasförmige Umgebung 3 ausgebildet und insbesondere mit Luft gefüllt sein.
An den Kontakteinrichtungen 15, 16 können Fixiereinheiten 28, 29 vorgesehen sein, die ein Verrutschen des elektrischen Leiters 13 verhindern.
Die elektrisch leitenden Kontaktschichten 15, 16 sind mit den elektrisch leitenden Feldverteilungsanordnungen 19, 20 über Durchkontaktierungen 5, 6 verbunden. Die Feldverteilungsanordnungen 19, 20 weisen Kanten 8, 9 auf, die sehr dünn sind. Die Kanten 8, 9 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel vollständig im Inneren der Halterungen 17, 18 angeordnet. An den Kanten 8, 9 kann sich eine hohe elekt rische Feldstärke ausbilden.
Der elektrische Leiter 13 weist einen Durchmesser c auf. Der Durchmesser c ist vorzugsweise (deutlich) kleiner als die Breite b der Feldverteilungsanordnungen 19, 20. Die Breite b der Feldverteilungsanordnungen 19, 20 ist wiederum vorzugs weise (deutlich) kleiner als die Breite a der Ausnehmungen 23, 24.
Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Anordnung gemäß Fig. 1. Hier ist deutlich zu erkennen, dass der elektrische Leiter 13 ausschließlich durch die Halterungen 17, 18 in der Vorrichtung 10 gehalten ist und von den Halterungen 17, 18 lediglich die Kontakteinrichtungen 15, 16 berührt. Weiterhin ist zu erken- nen, dass die Halterungen 17, 18 stegartig ausgebildet sind und die Ausnehmun gen 23, 24 überbrücken. Außerdem ist zu erkennen, dass die Halterung 17 zwei Teile 17a, 17b aufweist. Die Halterung 18 kann entsprechend aufgebaut sein.
Die Fig. 3 zeigt zwei Teile 17a, 17b der Halterung 17. Beide Halterungsteile 17a, 17b sind elektrisch isolierend ausgebildet. Beide Halterungsteile 17a, 17b sind planar ausgebildet und weisen vorzugsweise die gleiche Dicke auf. Die Halte rungsteile 17a, 17b können die Feldverteilungsanordnung 19 zwischen sich ein schließen. Die Halterung 17 kann hergestellt sein durch Zusammenpressen der Halterungsteile 17a, 17b. Insbesondere können die Halterungsteile 17a, 17b Lagen einer mehrlagigen Leiterkarte sein. Die Feldverteilungsanordnung 19 kann in einer Innenlage der Leiterkarte angeordnet sein. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Kontakteinrichtung 15 eine Kontaktfläche 25 aufweist. Die Durchkontaktierungen 5 können matrixförmig angeordnet sein. Entsprechend kann die Feldverteilungs anordnung 19 eine Feldverteilungsfläche 29 aufweisen. Die Feldverteilungsfläche 29 und die Kontaktfläche 25 können parallel und beabstandet zueinander ange ordnet sein. Insbesondere können die Flächen 25, 29 überlappend angeordnet sein. Vorzugsweise ist dazu die Fläche 29 größer ausgebildet als die Fläche 25. Die Fig. 4 zeigt eine Explosionsdarstellung der Halterung 17 mit den Halterungstei len 17a, 17b. Hier ist zu erkennen, dass die Kontaktfläche 25 in einer Kontaktebene 35 und die Feldverteilungsfläche 29 in einer Feldverteilungsebene 39 angeordnet sind.
Die Fig. 5 zeigt die Vorrichtung 10 mit dem Massekörper 11 in einer Ausgestaltung als Combiner bzw. Koppler mit zwei Leistungsanschlüssen 26, 27 und einem Aus gangsanschluss 28. An den Leistungsanschlüssen 26, 27, die mit elektrischen Lei tern 13, 14 verbunden sind, kann elektrische Leistung eingekoppelt werden. Die an den beiden Leistungsanschlüssen 26, 27 jeweils eingekoppelten Leistungen können 0° phasenverschoben sein und durch die Vorrichtung 10 zu einer gekop pelten Leistung gekoppelt werden und am Ausgangsanschluss 28 ausgegeben wer den. Es ist zu erkennen, dass der Leiter 13 mäanderförmig angeordnet ist und an mehreren Stellen die Halterungen 17, 18 berührt. Entsprechend ist der Leiter 14 mäanderförmig angeordnet und berührt zugeordnete Halterungen ebenfalls nur stellenweise.
Der Massekörper 11 weist an gegenüber liegenden Seiten Isolatoren 21, 29 auf. Nicht gezeigt ist in der gezeigten Darstellung, dass die Vorrichtung 10 oben und unten jeweils einen weiteren Massekörper umfasst. Die übrigen Elemente der Vor richtung 10 tragen dieselben Bezugsziffern wie in den vorherigen Darstellungen.
Die Fig. 6 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen weiteren Vorrichtung 10 in der Form einer Messeinrichtung. Der elektrische Leiter 13 ist zylinderförmig in den ebenfalls zylinderförmigen Isolator 21 eingepresst, vorzugsweise unter Vermeidung von Gasen zwischen Isolator 21 und Leiter 13. Der elektrische Leiter 13 ragt jedoch funktionsbedingt aus dem Isolator 21 heraus. Der Isolator 21 weist rund um den herausragenden Leiter 13 Überhöhungen aus, um ein Über schlagen von dem Leiter 13 zu dem Massekörper 11 zu verhindern. Der Masse- körper 11 ist rohrförmig ausgestaltet und umschließt den zylinderförmigen Isola tor 21 im unteren Bereich. Im Betrieb mit hoher Spannung größer 1 kV Spitzen spannung hat sich herausgestellt, dass es an dem elektrischen Leiter 13 im obe ren Bereich, der sich in der gasförmigen Umgebung 3, nämlich Luft, befindet, zu Ionisierungen und Entladungen kommt. Eine Vergrößerung des Radius des elektrischen Leiters 13 hätte die Feldstärke reduziert. Aber der Radius des elektrischen Leiters 13 konnte funktionsbedingt nicht größer gestaltet werden. So wurde auch hier auf die erfindungsgemäße Lösung zurückgegriffen und eine scheibenförmige kreisrunde als Leiterkarte ausgebildete Halterung 17 vorgese hen. Die Halterung 17 ist aus zwei deckungsgleichen zusammengepressten Tei len 17a, 17b aufgebaut. Die Halterung 17 weist die in der Mitte eine Bohrung auf, die so ausgestaltet ist, dass sie mit festem Sitz auf den Leiter 13 montiert werden kann. Im Inneren der Bohrung befindet sich eine metallische Beschich- tung als Kontakteinrichtung 15. Diese ist elektrisch kontaktiert mit einer Feldver teilungsanordnung 19, die im Innern der Halterung 17 angeordnet ist und gasfrei verpresst ist. Mit dieser Vorrichtung konnte das elektrische Feld an dem Leiter 13 in der gasförmigen Umgebung abgeschwächt werden und die hohen Feldstärken dort reduziert werden. Die hohen Feldstärke, die sich am äußeren Rand der Feld- Verteilungsanordnung 19 ausbildet, kann durch die vorzugsweise gasfreie Ver- pressung im Innern der Halterung 17 unschädlich gemacht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Hochfrequenz-Hochspannungs-Stromleiter-Vorrichtung (10) mit einem elektrischen Leiter (13, 14), der ausgelegt ist zum Betrieb mit einer Hoch frequenz , insbesondere bei Frequenzen >1 MHz und < 500 MHz, und Hoch spannung gegenüber einer gasförmigen Umgebung (3) und/oder einem Massekörper (11, 12), wobei der Leiter (13, 14) an zumindest einer Stelle eine elektrisch leitende Kontakteinrichtung (15, 16) berührt, die an einer elektrisch isolierenden Halterung (17, 18) angeordnet ist, wobei an der elektrisch leitenden Kontakteinrichtung (15, 16) eine elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung (19, 20) angeordnet ist, die elektrisch leitend mit der Kontakteinrichtung (15, 16) verbunden ist, und insbesondere zumindest teilweise im Inneren der Halterung (17, 18) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldvertei lungsanordnung (19, 20) in einer Feldverteilungsebene (39) eine Feldver teilungsfläche (29) aufweist, dass die Kontakteinrichtung (15, 16) in einer Kontaktebene (35) eine Kontaktfläche (25) aufweist und dass die Flächen (25, 29) parallel beabstandet und, insbesondere senkrecht zu den Ebenen (35, 39) überlappend, angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldvertei lungsfläche (29) eine Fläche aufweist, die gleich oder größer ist als die Kon taktfläche (25).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die elektrisch leitende Feldverteilungsanordnung (19, 20), insbesondere ohne Gaseinschlüsse, in der Halterung (17, 18) eingebettet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Feldverteilungsfläche (29) größer ist als die Querschnitts fläche des elektrischen Leiters (13, 14).
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Halterung (17, 18) als mehrlagige Leiterkarte ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zwischen der Halterung (17, 18) und dem Massekörper (11, 12) ein Isolator (21, 22) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Isolator (21, 22) im Bereich der Kontaktfläche (25) eine Ausnehmung (23, 24) aufweist, die von dem Halterung (17, 18) überbrückt ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zwei Masseblöcke (11, 12) vorgesehen sind und der elektri sche Leiter (13, 14) zwischen den Masseblöcken (11, 12) angeordnet ist, wobei der elektrische Leiter (13, 14) an gegenüber liegenden Stellen jeweils eine Kontakteinrichtung (15, 16) an einer Halterung (17, 18) berührt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Halterung (17, 18) mehrere Kontakteinrichtungen (15, 16) aufweist, die den elektrischen Leiter (13, 14) an unterschiedlichen Stel len berühren, wobei jeder Kontakteinrichtung (15, 16) eine damit elektrisch verbundene Feldverteilungsanordnung (19, 20) zugeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Halterung (17, 18), insbesondere die als Leiterkarte ausgebildete Halterung, insbesondere die als mehrlagige Leiterkarte ausge bildete Leiterkarte, derart ausgestaltet ist, dass sie durch die hochfrequen ten Felder erwärmt werden kann.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Leiter (13,14) als Impedanz kontrollierte Leitung ausge legt sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zwei Leiter (13,14) vorgesehen sind, die insbesondere in un terschiedlichen Ebenen der Vorrichtung angeordnet sind, die insbesondere jeweils mit einem Leistungsanschluss (26,27) für Hochfrequenzleistung ver bunden sind, wobei die Leiter (13,14) insbesondere an ihrem zweiten An schluss elektrisch miteinander verbunden sind und dieser Verbindungspunkt insbesondere mit einem Koppelanschluss für ein gekoppeltes Leistungssig nal verbunden ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mehreren Leistungsanschlüssen (26, 27) jeweils ein Ausgleichswiderstand, insbesondere von je einem Leistungsanschluss (26,27) zu einem Stern punkt, vorzugsweise mit einem Widerstandswert von der Leitungsimpedanz z.B. 25 W, 50 W, 100 W, geschaltet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (13,14) jeweils eine Länge von l/4 oder einem ganzzahligem Vielfachen von l/4 der hochfrequenten Leis tung aufweisen.
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