DE1037569B - Einrichtung zur Erzeugung hoher Gleichspannungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Für eine Reihe von Meßgeräten wird zum Betrieb eine hohe konstante Gleichspannung benötigt etwa in der Größenordnung von 1000 Volt, z. B. zum Betrieb von Ionisationskammern, Zählrohren, Fotovervielfacherröhren. Kennzeichnend ist dabei, daß alle diese Geräte nur sehr schwache Ströme benötigen. Es ist nun natürlich möglich, als Spannungsquelle einfach eine Hochspannungsbatterie zu verwenden. Bekanntlich ist es aber technisch nicht möglich, die Zellen einer solchen Batterie unter ein gewisses Maß herunter zu verkleinern, so daß alle Typen dieser Batterien für den obengenannten Zweck viel zu groß sind und keineswegs durch Stromentnähme verbraucht werden, sondern längst durch Alterung verbraucht sind, bevor ihre Kapazität elektrisch verbraucht ist. Davon abgesehen hat dann ein mit einer solchen Batterie bestücktes tragbares Gerät ein ganz unnütz hohes Gewicht. Vergleichsweise sei noch angegeben, daß eine solche Batterie z. B. für eine Stromabnahme von 1 · 10—^s Amp. geeignet wäre, andererseits die obenerwähnten Geräte jedoch lediglich Ströme in der Größenordnung von 0,1 bis 1 · ΙΟ-⁶ Amp., also den lOOOsten bis lOOOOsten Teil benötigen. Es sind viele Versuche gemacht worden, dieses Problem, die Konstruktion einer leichten stabilen Hochspannungsquelle langer Lebensdauer auf andere Weise zu realisieren. Bekannt sind vor allem sogenannte Zerhackerschaltungen aller Art. Als primäre Spannungsquelle wird dort eine Batterie niederer Spannung, aber hoher Stromergiebigkeit verwendet, ein entnommener relativ starker Strom wird durch einen ebenfalls aus dieser Batterie betriebenen Zerhacker in Wechselstrom umgewandelt, hochtransformiert, wieder gleichgerichtet und die Hochspannung wieder gesiebt und eventuell durch spezielle Maßnahmen stabilisiert. Diesem Verfahren haften zwei prinzipielle Nachteile an: Für den Betrieb des Zerhackers wird Energie verbraucht, und da bekanntlich bei solchen Geräten kleiner Dimension der Wirkungsgrad der Umformung elektrischer in mechanische Energie besonders schlecht ist, muß die verwendete Stromquelle eine weit größere Leistung haben, zahlenmäßig eine etwa lOOmal größere, als der entnommenen »Hochspannungsleistung« entspricht. Der zweite prinzipielle Nachteil dieses Verfahrens ist, daß ein Hochspannungsgleichrichter benötigt wird sowie im allgemeinen eine Regelung für die Hochspannung durch einen bekannten Stabilisator, da es praktisch nicht möglich ist, die Betriebsbedingungen eines solchen Zerhackers, z. B. die Frequenz, die Kontaktzeit usw., konstant zu halten.

Ein ähnlicher Weg zur Hochspannungserzeugung ist der, die Wechselspannung nicht über einen Zerhacker, sondern mittels einer Röhrenschaltung zu erzeugen. Ein solcher Röhrenoszillator benötigt jedoch Einrichtung zur Erzeugung
hoher Gleichspannungen

Anmelder:

Dr. Berthold Schumacher,
Toronto, Ontario (Kanada)

Vertreter: R. Haußmann, Rechtsanwalt,
Stuttgart-S, Tübinger Str. 33

Dr. Berthold Schumacher, Toronto, Ontario (Kanada), ist als Erfinder genannt worden

außer der Heizbatterie mit niederer Spannung und hoher Stromergiebigkeit auch noch eine Anodenbatterie mittlerer Spannung. Ebenso wird unter allen Umständen ein Hochspannungsgleichrichter benötigt, meistens außerdem eine Hochspannungsregelung ähnlich der vorerwähnten. Bei dieser Art Hochspannungserzeugung hat man im Heizkreis eine Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie, und zwar völlig unabhängig von und zusätzlich zu der Hochspannungsenergie, auf die es allein ankommt. Insgesamt ist wiederum die notwendige Primärleistung rund lOOmal höher als die benötigte Sekundärleistung auf der Hochspannungsseite, und zwar muß diese Mehrleistung in Form elektrischer Energie zur Verfügung stehen, was ein hohes Gewicht und einen hohen Verbrauch an Batterien bedingt.

Eine weitere Art, hohe Spannung zu erzeugen, die auch schon vielfach angewendet wurde, besteht darin, eine Kette von Kondensatoren zuerst parallel an eine Spannungsquelle mittlerer Höhe, z. B. von 100 Volt, anzuschließen, diese Kondensatoren dort dann abzuhängen und unter sich in Reihe zu schalten. Verwendet man z. B. zehn Kondensatoren, so erhält man am Ende dieser Kondensatorenkette dann eine Spannung in der gewünschten Höhe von 1000 Volt. Der Umschaltungsmechanismus wurde bei allen seither bekanntgewordenen Geräten wiederum elektromechanisch angetrieben über eine Magnetspule mit Anker und Unterbrecher wie bei den vorerwähnten Zerhackern. Wiederum ergibt sich hier ein sehr schlechter Wirkungsgrad, der größte Teil der Batteriekapazität wird für diesen Antrieb des Umschalters verbraucht. Andererseits hat diese Anordnung den großen Vorzug, daß sie keinen Hochspannungsgleichrichter benötigt und von vorn-

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herein eine sehr konstante Hochspannung gibt; z. B. können Spannungsspitzen, die über das 1Ofache der Spannung der Primärbatterie hinausgehen, schon prinzipiell gar nicht auftreten.

Rechnet man nach, wie groß die Kondensatoren sein müssen, um eine Hochspannungsquelle dieser Art zu bauen, die bei einer Stromentnahme in der obenerwähnten Größenordnung von 10~⁷ Amp. eine Spannungswelligkeit von z. B. 2% oder weniger aufweist, so findet man, daß man schon bei niederen Umschaltfrequenzen zwischen Parallel- und Reihenschaltung mit Kondensatoren sehr kleiner Abmessungen auskommt. Damit fällt für diesen Anwendungsbereich auch der hohe Verschleiß weg, der bei hohen Umschaltfrequenzen an allen Teilen eines solchen Schalters auftritt und das Verfahren für höhere Ströme praktisch bedeutungslos macht. Eine der Lehren der Erfindung ist deshalb, die Umschaltfrequenz niedrig zu halten, etwa in der Größenordnung von einer Umschaltung pro Sekunde.

Um nun auf diese Weise zu einer leichten und konstanten Hochspannungsquelle zu kommen, die insbesondere den Nachteil aller seitherigen Schaltungen dieser Art vermeidet, nämlich schwere Batterien zu benötigen, die nicht ausgenutzt werden oder die nur wegen des schlechten elektromechanischen Wirkungsgrades der Schaltung groß und schwer sein müssen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Umschalter durch ein Federkraftuhrwerk anzutreiben. Dieses kann z. B. eines der üblichen billigen Weckeruhrwerke sein, das billiger ist als z. B. die außerdem benötigte Batterie von 100 Volt und auch nicht schwerer ist als diese Batterie und das lediglich dadurch ergänzt ist, daß auf der Achse eines schnell laufenden Rades noch ein Nockenstern angebracht ist, über den der Umschalter betätigt wird, oder es kann der Umschalter selbst leicht schwingend ausgebildet werden, so daß er an Stelle der sogenannten Unruh eines solchen Uhrwerks gleichzeitig die Umschaltfrequenz bestimmt.

Gleichgültig, welche Art der Anordnung verwendet wird, hat man damit die Umformung elektrischer Energie in mechanische Energie vermieden. Andererseits benötigt man als primäre Spannungsquelle lediglich eine Batterie von etwa 100 Volt, die billig ist, so daß es wirtschaftlich nicht ins Gewicht fällt, wenn selbst diese Batterie nicht durch Verbrauch ihrer elektrischen Kapazität, sondern durch Alterung das Ende ihrer Brauchbarkeit erreicht. Außerdem ist dieses Gerät jederzeit betriebsbereit, da das Aufziehen des Uhrwerks in dieser Hinsicht belanglos ist und keine etwa dauernd zu wartende Akkumulatorbatterie für Röhrenheizung oder Zerhacker benötigt wird. Da die letzteren Batterien überhaupt wegfallen, ist die Betriebsdauer des Gerätes mit einer einzigen Batterie außerdem weit höher als bei allen bekannten batteriebetriebenen Hochspannungsgeräten bisheriger Bauart, vergleichsweise 100- bis lOOOmal langer.

In Abb. 1 ist die an sich bekannte Schaltung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Uhrwerkumschaltung für den Betrieb einer Fotovervielfacherröhre noch dadurch ergänzt, daß nicht nur eine einzige Hochspannung entnommen wird, sondern auch genausoviel Stufenspannungen als Kondensatoren verwendet werden, wobei in bekannter Weise jede Stufenspannung noch über eine kleine Siebschaltung aus Widerstand und Kondensator geglättet ist. Dies ist insbesondere von Vorteil für den Betrieb von Fotovervielfacherröhren. Bekanntlich wurden diese Stufenspannungen für die Fotovervielfacherröhren bisher immer durch einen Spannungsteiler aus ohmschen Widerständen erzeugt, wobei dieser Spannungsteiler im allgemeinen den 10- oder lOOfachen Stromverbrauch der Vervielfacherröhre ihrerseits hat. Hier arbeitet die neue Schaltung mit einem dementsprechend besseren Wirkungsgrad. Zugleich ist eine absolute Konstanz der einzelnen Stufenspannungen des Fotovervielfachers gewährleistet. Zudem können die Gesamtspannung und proportional dazu die einzelnen Stufenspannungen in einfachster Weise dadurch geregelt werden, daß parallel zur Primärbatterie in an sich bekannter Weise ein Spannungsteiler 15 geschaltet wird, so daß die Kondensatoren mit einer stetig veränderbaren Spannung aufgeladen werden können. Auch diese Aiaßnahme verschlechtert den Wirkungsgrad der Schaltung praktisch nicht, da dieser zur Batterie parallel liegende Spannungsteiler sehr hohen Widerstand haben darf. Die letzte Stufe des Fotovervielfachers mit der niedrigsten Stufenspannung, in welcher der höchste Strom verbraucht wird, kann außerdem direkt an die Primärbatterie angeschlossen werden.

Im einzelnen wirkt die Schaltung nach Abb. 1 wie folgt: Die Kondensatoren 1 der Kondensatorkette werden zunächst dadurch parallel geschaltet und zwecks Aufladung mit der Batterie verbunden, daß die Umschalterlamellen 4a an den gezeichneten Kontakten der Kontaktreihe 2 anliegen und jeweils zwei nebeneinanderliegende Kontakte kurzschließen. Während dieser Zeit sind die Umschalterlamellen 4 b und 4 c von den ihnen zugehörenden Kontakten der Kontaktreihe 3 abgehoben und damit diese Kontaktpaare offen. Angetrieben vom erwähnten Uhrwerk heben sich dann die Lamellen 4a von den Kontakten ab, während 46 und 4 c noch nicht sofort schließen. Damit bleibt jeder der Kondensatoren 1 für einen gewissen Zeitraum ohne Verbindung zu irgendeinem anderen Teil der Schaltung. Dann schließen die Umschalterlamellen 4 & jeweils das dazu gehörende Kontaktpaar kurz, wodurch, wie aus der Abb. 1 ersichtlich, die Kondensatoren 1 derart in Reihe geschaltet werden, daß sich ihre Spannungen addieren. Der erste und letzte der Kondensatoren 1 wird gleichzeitig mit dem Hochspannungskondensator 11 verbunden. An der Klemme 16 kann die Hochspannung abgenommen werden. Falls erwünscht, kann durch die Umschalterlamellen 4c, die mit denen 4£ gleichsinnig arbeiten, jede der Stufenspannungen der Kondensatorkette 1 auf ein Siebglied aus z. B., wie gezeichnet, zwei Kondensatoren und zwei Widerständen übertragen werden und von dort den Vervielfacherelektroden 13 eines Fotovervielfachers zugeführt werden. Bei diesem bekannten Instrument stellt 12 die lichtempfindliche Kathode dar, die auf höchster Spannung liegt, 14 ist die Anode, 17 der sogenannte Arbeitswiderstand.

Es sei besonders darauf hingewiesen, daß die Schaltung keine Widerstände enthält, die parallel zu den Vervielfacherelektrodenstrecken von der Kathode zur Anode führen, daß also keine Leistung in einer Spannungsteilerkette vernichtet wird.

Abb. 2 zeigt noch einmal eine mögliche Ausführungsform des ganzen Gerätes. Die Kondensatoren 1 der Kondensatorkette sind direkt an den Kontaktfingern 2 und 3 montiert. Diese Kontaktfinger werden von den Umschalterlamellen 4, die abwechselnd die Funktion von 4a bzw. 4 fr, 4c der Abb. 1 übernehmen, paarweise kurzgeschlossen, wodurch abwechselnd die Parallel- bzw. Reihenschaltung erzeugt wird. Die Umschalterlamellen 4 sind gegeneinander isoliert an einer isolierenden Achse 10 befestigt, während die Kontaktfinger 2 und 3 von den Isolierstücken 5 getragen werden. Diese Bauart des Umschalters, bei

der — wie auch in x\bb. 1 gezeichnet — von den beweglichen Kontaktstücken lediglich immer zwei der festen Kontakte abwechselnd kurzgeschlossen werden, hat den wesentlichen Vorzug, daß zu dem beweglichen Teil keine Stromzuführungen nötig sind.

Über eine Hebelübersetzung 6, die aber nicht unbedingt nötig ist, und den Nockenstern 7 treibt das Federkraftuhrwerk 8 den Umschalter an. Mit einem Schlüssel 9 kann dieses Uhrwerk aufgezogen werden. Durch diese in Abb. 2 dargestellte Anordnung der Kontaktfeder und der Umschalterlamellen erreicht man eine flache, gedrängte Bauform, bei der trotzdem die Kontaktfinger und Umschalterlamellen lang und weich federnd ausgebildet werden können, wodurch sichergestellt ist, daß jedes Kontaktpaar bei jeder Umschaltung Kontakt gibt, ohne daß hohe Anforderungen an die Justierung der Kontakte auf gleichen Abstand usw. gestellt werden müssen.

Es ist auch möglich, die Achse 10 direkt mit der Achse der sogenannten Unruh eines solchen Uhrwerks zu verbinden, die bekanntlich ihrerseits bereits eine hin- und herschwingende Bewegung macht. Die Frequenz dieser Bewegung wird dann, wie bekannt, bestimmt durch das Trägheitsmoment der Achse 10 und der Umschalterlamellen 4 einerseits sowie die Kraft der Rückstellfeder der Unruh andererseits.

Verwendet man für das Uhrwerk ein solches, das sich selbst aufzieht, z. B. unter Ausnutzung von Luftdruck oder Temperaturschwankungen, so hat man damit eine von jeglicher Netzspannung unabhängige Hochspannungsquelle, die über sehr lange Zeiten keinerlei Wartung bedarf und praktisch nur durch Alterung der 100-Volt-Batterie ausfällt. Da die Lebensdauer einer solchen Batterie bei der vorliegenden schwachen Stromentnahme mindestens 1 Jahr beträgt, ist auch eine Hochspannungsquelle mit einem solchen Uhrwerk für wartungsfreien Betrieb über etwa 1 Jahr geeignet. Dieser Vorzug der erfindungsgemäßen Konstruktion hat insbesondere höchste Bedeutung im Zusammenhang mit dem Bau selbständiger Strahlungs-, Beobachtungs- und Warnstationen für Strahlenschutzmaßnahmen jeder Art.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   allel und in Reihe geschalteten Kondensatorkette, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung durch ein Uhrwerk angetrieben wird und mit einer Frequenz von weniger als zehn Umschaltungen je Sekunde erfolgt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur eine einzige Hochspannungabgenommen wird, sondern mehrere oder alle Kondensatorstufenspannungen auf eine weitere feste Kondensatorkette übertragen werden, eventuell über Siebglieder, speziell zum Betrieb einer Fotovervielfacherröhre.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu jedem Kondensator gehörenden feststehenden vier Kontaktfingerpaare zur Aufladung und Reihenschaltung der Kondensatoren (1) bzw. zur Abnahme der Kondensatorstufenspannungen in zwei Doppelreihen an zwei Isolierungen (5) derart befestigt sind, daß die Kontaktfinger (2,3) weich federnd nach rechts und links außen ragen, während zwischen ihnen, an einer isolierenden, vom Uhrwerk betätigten Achse (10) befestigt, die Umschalterlamellen (4 a, 4 6, 4 c), die die vorerwähnten Kontaktfingerpaare abwechselnd kurzschließen, ebenfalls weich federnd nach rechts und links außen ragen.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Uhrwerk (8) eine Nockenscheibe (7) trägt, die über einen Hebel oder über eine Hebelübersetzung mittels der auf der isolierenden Achse angebrachten Umschalterlamellen die Umschaltung der Kontaktfinger bewirkt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfingerachse (10) samt den Umschalterlamellen die sogenannte Unruh des Uhrwerkantriebs bilden, d. h. daß ihr Trägheitsmoment und eine zugehörige Rückstellfeder die Umschaltfrequenz selbst bestimmen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das antreibende Uhrwerk eine der an sich bekannten Vorrichtungen für Selbstaufzug besitzt.

   In Betracht gezogene Druckschriften: 1. Einrichtung zur Erzeugung hoher Gleich- 45 Funk, die Zeitschrift des Funkwesens, 1936, S. 289 spannungen, bestehend aus einer abwechselnd par- bis 293.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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