DE1263175B

DE1263175B - Elektrischer Starkstrom-Impulsgenerator

Info

Publication number: DE1263175B
Application number: DEU11089A
Authority: DE
Inventors: Richard Anthony Fitch
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1963-10-10
Filing date: 1964-10-03
Publication date: 1968-03-14
Also published as: GB1087933A; US3289015A; NL6411721A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 d3-3/01

Nummer: 1263 175

Aktenzeichen: U11089 VIII b/21 d3

Anmeldetag: 3. Oktober 1964

Auslegetag: 14, März 1968

Das Hauptpatent 1 223 944 betrifft einen elektrischen Starkstrom-Impulsgenerator zur Erzeugung hoher Impulsspannungen, insbesondere Stoßspannungen, bestehend aus zwei elektrisch leitenden und zwei elektrisch isolierenden Folien, die, abwechselnd iibereinandergeschichtet, nach Art eines Wickelkondensators zu einer Rolle zusammengewickelt sind, aus einer Einrichtung zum Aufladen des so gebildeten Kondensators mit einer Gleichspannung und aus einem Schalter, durch welchen zur Erzeugung und Abgabe eines Impulses an einen an die beiden Enden der einen leitenden Folie angeschlossenen Verbraucher die beiden leitenden Folien an einer Stelle im Bereich zwischen den Enden jeder leitenden Folie leitend miteinander verbunden weräen, wobei die Anschlußstellen für den Schalter auf den Folien unmittelbar einander gegenüberliegen.

Ein derartiger Impulsgenerator ist bereits bekannt.

Der durch diesen bekannten Generator erzeugte Impuls hat eine relativ langsame Anstiegszeit und ist im wesentlichen dreieckig in der Form. Bei gewissen Anwendungen kann ein Impuls mit einer schnelleren Anstiegszeit notwendig sein.

Beim Spitzenwert des dreieckigen Impulses kann 3er bekannte Generator als eine kurze Länge einer aufgeladenen Koaxialleitung betrachtet werden, deren Länge gleich der Breite der Folien ist.

Die Dauer des Impulses, der in die Verbraucher-Stelle gegeben wird, ist durch die Breite der Folien iestimmt, d. h. durch die Länge der kurzen Koaxialeitung, welche sie bilden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Starkstrom-Impulsgenerator zu schaffen, der einen Rechteckimpuls erzeugt, dessen Dauer in der übichen Weise durch die Länge der Koaxialleitung, 3. h. durch die Breite der Folien, bestimmt wird.

Um dies zu erreichen, sind erfindungsgemäß die Anschlüsse des Verbrauchers, in axialer Richtung jesehen, seitlich, und zwar auf der gleichen Seite, an Jen beiden Enden der einen leitenden Folie angeordnet, und in Reihe mit diesen Anschlüssen und lern Verbraucher liegt ein weiterer Schalter, der jeveils im Augenblick des Spitzenwertes der an den Anschlüssen auftretenden Spannungsimpulse leitend vird.

Bei bestimmten Anwendungen ist es erwünscht, laß die Ausgangsimpedanz des Generators derenigen der Verbraucherstelle angepaßt wird. Die Ausgangsimpedanz eines Koaxialleitungsgenerators, vie er im vorangehenden erwähnt wurde, ist ohmig md ist — als guter Annäherungswert — seinem Durchmesser umgekehrt proportional, wobei voraus-

Elektrischer Starkstrom-Impulsgenerator

Zusatz zum Patent: 1223 944

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,
London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

5900 Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

Richard Anthony Fitch, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 10. Oktober 1963 (39 995)

gesetzt wird, daß die Radialdicke der Gesamtheit aus gerollten Folien und zwischengelegter Isolierung relativ zum Durchmesser gering ist, wie es normalerweise der Fall ist. Somit ist bei einem solchen Generator der leere Raum innerhalb des Formstücks bzw. Wicklungshalters, auf welchen die Folien aufgerollt sind, gewöhnlich für die Masse des Gesamtvolumens verantwortlich. Eine gewisse Verlängerung der äußeren Abmessungen kann durch Verwendung eines ferromagnetischen Kerns erzielt werden, jedoch ist dies kostspielig und bringt zusätzliche Isolierprobleme mit sich.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind zwei Impulsgeneratoreinheiten vorgesehen, die konzentrisch ineinander angeordnet sind und Schaltmittel aufweisen, die gleichzeitige Spannungsimpulse von entgegengesetzter Radialpolarität in den beiden Generatoren erzeugen, und es sind Anschlüsse zum Verbinden der Ausgänge der beiden Generatoren in Reihe oder parallel vorgesehen.

Ferner kann, einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zufolge, die Verbindung zwischen dem äußeren Ende der einen leitenden Folie des äußeren Leitungspaares und dem inneren Ende dieser Folie des inneren Leitungspaares, in Axialrichtung gesehen, auf der gleichen Seite der Folie wie die Ver-

809 518/256

braucheranschlüsse angeordnet werden. Dadurch werden die beiden Koaxialleitungen, die durch den Generator gebildet werden, der Wirkung nach mit den Ausgangsverbindungen parallel geschaltet.

Alternativ kann die Verbindung, in axialer Richtung gesehen, auch auf derjenigen Seite der Folie angeordnet werden, welche der die Verbraucheranschlüsse aufweisenden Seite entgegengesetzt ist. Dadurch werden die beiden Koaxialleitungen, die

schaltet.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt

F i g. 1 schematisch eine Axialansicht eines erfindungsgemäßen Generators,

F i g. 2 einen schematischen Aufriß des Generators gemäß Fig. 1,

wird, sich als eine kurze Länge einer koaxialen Übertragungsleitung zu entladen, ist bestimmt durch die folgenden Gleichungen:

Generatoren weist ein Paar von leitenden Folien 1 -und 2 und der innere ein ähnliches Paar von Folien Γ und 2' auf, die durch Folien aus einem isolierenden Dielektrikum (welches der Klarheit wegen weggelassen wurde) voneinander getrennt sind. Die Folien 1 und 1' bilden in Wirklichkeit eine kontinuierliche Folie, deren Mittelpunkt mit einer Anzapfung 3 verbunden ist, während die Folien 2 und 2' neben der Anzapfung 3 nicht kontinuierlich sind. Die Mittel-

durch den Generator gebildet werden, ihrer Wirkung io punkte der Folien 1 und 2 sind jeweils mit Annach in Reihe mit diesen Ausgangsverbindungen ge- zapfungen 4 und 5 verbunden und die Mittelpunkte

der Folien 1' und 2' ebenfalls mit Anzapfungen 4' und 5'. Die Anzapfungen 4 und 4' sind mit der einen Seite eines Schalters 6 (normalerweise eine Funkenstrecke) verbunden, und die Anzapfungen 5 und 5' stehen mit der anderen Seite in Verbindung.

Im Betrieb werden die Folien 1 und 1' mit einei gegebenen Polarität relativ zu den Folien 2 und 2' aufgeladen. Schließt sich der Schalter 6, dann wird

F i g. 3 eine schematische Axialansicht eines wei- 20 die eine Leitung jedes Paares von Streifenübertrateren erfindungsgemäßen Generators, während gungsleitungen, die zwischen den Folien gebildet F i g. 4 einen schematischen Aufriß des Genera- werden, durch die Wellen, die durch die horizontors gemäß F i g. 3 wiedergibt. talen Pfeile angedeutet sind, in der Weise entladen, Der Aufbau eines Impulsgenerators derjenigen wie sie im einzelnen im Hauptpatent beschrieben ist Gattung, wie sie im Hauptpatent beschrieben ist und 25 Als Folge davon werden das äußere Ende der Folie 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dazu verwendet und das innere Ende der Folie 1' für die Dauer eines

Dreieckimpulses gleichzeitig negativ relativ zur Anzapfung 3, d. h die Impulse, die zwischen den Enden der Folien 1 bzw, 1' erzeugt werden, sind von ent* gegengesetzter Radialpolarität. Diese letzteren Enden

V — 2 · η · B · E_sx ■ I_x,, sind zusammengeschlossen, um die eine Seite des

± Ausgangs, wie bei 7 dargestellt, zu bilden, wobei dU

T = 2 · I₁ · k² c*¹, andere Seite des Ausgangs von der Anzapfung 3 ab¹

\ genommen wird, wo die Folien 1 und 1', damit sk

Z = 240 -U-I_x- —j= . 35 eine kontinuierliche Folie bilden, verbunden sind.

yk'D Aus Fig. 2 geht hervor, daß im Augenblick dei

Darm ist: Spitzenspannung der Generator kurze aufgeladene

V = Spitzenausgangsspannung; Koaxial-Übertragungsleitimgen von der Länge t

T = Dauer des Ausgangsimpulses; ^^lde> ^wo1f ^dI^e ^ ^Leit™| zwischen der äußeren

Z = Ausgangsimpedanz der kurzen Koaxial-Über- ⁴° ^W,i^ndung ^τ^ΐναά der mit 8 bezeichneten tr»JLJantiL· rim ^i«*™ λ*γ i„n«n:t«n Windung gebildet wird, die den Folien 1 und 1 ge*

meinsam ist und die andere zwischen der inneren Windung der Folie 1' und der Windung 8 gebildet wird. Diese beiden Leitungen sind an der Ausgangs^ seite des Generators mittels vier Parallelverbindum gen 14 zwischen den Folien 1 und 1', wie symboliscl dargestellt, parallel geschaltet. Ein Schnellschalter H (normalerweise eine Funkenstrecke) ist zwischen dij Ausgangsverbindungen 3,'7 und den Verbraucher Γί geschaltet und so eingerichtet, daß er bei Spitzem spannung des Generators schließt, wodurch er einei Ausgangsimpuls von der Dauer T abgibt.

Bei Parallelschaltung, wie in Fig. 2 dargestellt Sowohl bei diesen Gleichungen als auch in der müssen die individuellen Impedanzen der beidei nachfolgenden Beschreibung wird vorausgesetzt, daß 55 kurzen aufgeladenen Koaxialleitungen im Vergleicl D groß ist, verglichen mit der Radialdicke der Ge- zu der einzelnen aufgeladenen Koaxialleitung, di( samtheit der gerollten Folien, wie mit d in Fig. 1 von einem einzelnen Generator gebildet wird, ein» bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, daß unter deutig verdoppelt werden, um sich einer BelastunJ der Voraussetzung, daß diese Bedingung erfüllt ist, von gegebener Impedanz anzupassen. Somit wird I\ es unwichtig ist, ob D als mittlerer Durchmesser, wie 6o vermindert, theoretisch um 50 °/o, jedoch in der dargestellt, oder als innerer oder äußerer Durch- Praxis um etwa 30%, im Vergleich zu den Abmesimesser gemessen wird. Es ergibt sich, daß Z, als sungen eines Einzelgenerators. V und T bleiben unjguter Annäherungswert, zu D umgekehrt porportio- verändert. j

nal ist. Gemäß F i g. 3 sind die Zwillingsgeneratoren, dft

F i g. 1 zeigt im Endeffekt zwei Generatoren der- 65 durch Folien 21, 22 und 21', 22' gebildet werden, il jenigen Gattung, die im Hauptpatent beschrieben ist, entgegengesetzten Richtungen gewickelt, wobei di{ wobei die Generatoren konzentrisch ineinander- inneren Enden der Folien 21 und 22 jeweils mit del liegend angeordnet sind. Der äußere dieser beiden äußeren Enden der Folien 21' und 22' kontinuierlici

tragungsleitung, die zwischen der innersten

und äußersten Windung gebildet wird;
η = Anzahl der Windungen in der Rolle;
B = Gesamtverlustfaktor;
E_sx = elektrisches Feld durch die Isolierung zwischen

benachbarten leitenden Folien;
I_x — Dicke der Isolierung zwischen benachbarten

leitenden Folien;
T₄ = Breite der leitenden Folien;
k — dielektrische Konstante;
c = Lichtgeschwindigkeit;
D — Durchmesser des Generators.

verlaufen. Ein Schalter 26 ist mit diesen untereinander verbundenen Enden über Anzapfungen 23, 24, wie dargestellt, verbunden, so daß die einzelne Streifenübertragungsleitung, die in jedem Generator entladen wird, nicht von ihrem Mittelpunkt, wie in F i g. 1, sondern von einem Ende her entladen wird. Diese Art der Entladung der individuellen Generatoren ist verlustreicher als die Mittelpunktentladung, so daß die Spitzenspannung reduziert wird, während die Dauer des Dreieckimpulses verdoppelt wird, jedoch wird dadurch die Reihenschaltung der beiden aufgeladenen, so gebildeten Leitungen, wie in F i g. 4 dargestellt, erleichtert. Obwohl es nicht wesentlich ist, die Zwillingsgeneratoren in entgegengesetzten Richtungen zu wickeln, vereinfacht diese Anordnung außerdem die Verbindungen nach dem Schalter 26.

Wenn die Folien 21 und 21' auf ein Potential von + ve relativ zu den Folien 22 und 22' aufgeladen sind, dann hat das Schließen des Schalters 26 zur Folge, daß das äußere Ende der Folie 21 und das innere Ende der Folie 21' relativ zur Anzapfung 23 zu +ve werden, so daß diese Enden mit der einen Seite des Ausgangs, wie bei 27 dargestellt, verbunden werden können.

Gemäß F i g. 4 werden die beiden Ausgangsverbindungen von der äußeren Windung der Folie 21 über die Anzapfung 31 und von ihrer inneren Windung (mit 28 bezeichnet, die außerdem auch die äußere Windung der Folie 21' ist) über die Anzapfung 34 abgenommen. Die Anzapfungsanschlüsse 35 zwischen der äußeren Windung der Folie 21 und der inneren Windung der Folie 21' sind symbolisch an gegenüberliegenden Seiten des Generators dargestellt. Beim Schließen eines Schalters 36 bei Spitzenspannung, der die Anzapfungen 31, 34 mit einem Verbraucher 37 verbindet, entladen sich die beiden kurzen aufgeladenen Koaxialleitungen, die zwischen den inneren und äußeren Windungen der Folien 21 und 21' und der Windung 28 gebildet werden, in Reihe in den Verbraucher hinein. Die Ausgangsanzapfung 31 könnte auch alternativ mit der inneren Windung der Folie 21' verbunden sein.

Bei Reihenschaltung, wie in Fig. 4 dargestellt, bleiben die individuellen Impedanzen der beiden kurzen aufgeladenen Leitungen die gleichen wie für einen Einzelgenerator, um sich einer Belastung von gegebener Impedanz anzupassen. Für einen Ausgangsimpuls von der Dauer T wird der Wert von I₁ halbiert, jedoch wird die gesamte Axiallänge um weniger als die Hälfte reduziert, weil die gesamte Endlänge (d. h. die Isolierung, die sich über die Seitenkanten der Folien hinaus erstreckt) verdoppelt wird. D wird leicht erhöht.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Starkstrom-Impulsgenerator zur Erzeugung hoher Impulsspannungen, insbesondere Stoßspannungen, bestehend aus zwei elektrisch leitenden und zwei elektrisch isolierenden Folien, die, abwechselnd übereinandergeschichtet, nach Art eines Wickelkondensators zu einer Rolle zusammengewickelt sind, aus einer Einrichtung zum Aufladen des so gebildeten Kondensators mit einer Gleichspannung und aus einem Schalter, durch welchen zur Erzeugung und Abgabe eines Impulses an einen an die beiden Enden der einen leitenden Folie angeschlossenen Verbraucher die beiden leitenden Folien an einer Stelle im Bereich zwischen den Enden jeder leitenden Folie leitend miteinander verbunden werden, wobei die Anschlußstellen für den Schalter auf den Folien unmittelbar einander gegenüberliegen, nach Patent 1223 944, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse des Verbrauchers, in axialer Richtung gesehen, seitlich, und zwar auf der gleichen Seite, an den beiden Enden der einen leitenden Folie angeordnet sind und in Reihe mit diesen Anschlüssen und dem Verbraucher ein weiterer Schalter liegt, der jeweils im Augenblick des Spitzenwertes der an den Anschlüssen auftretenden Spannungsimpulse leitend wird.

2. Starkstrom-Impulsgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Impulsgeneratoreinheiten, die konzentrisch ineinander angeordnet sind und Schaltmittel aufweisen, die gleichzeitige Spannungsimpulse von entgegengesetzter Radialpolarität an den beiden Generatoren erzeugen, sowie durch Anschlüsse zum Verbinden der gänge der beiden Generatoren in Reihe oder parallel.

3. Impulsgenerator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei Paare von gegeneinander isolierten elektrisch leitenden Folien, von denen jedes Paar zusammengerollt ist, um zwei Paare von Streifenübertragungsleitungen zu bilden, und von denen das eine dieser Paare von Leitungen konzentrisch innerhalb des anderen Paares angeordnet ist, durch Schaltmittel, die so angeschlossen sind, daß sie nur eine Leitung jedes Paares von Streifenübertragungsleitungen entladen und Spannungsimpulse von entgegengesetzter Radialpolarität zwischen den Enden der einen leitenden Folie jedes Paares erzeugen, durch eine erste Verbindung zwischen dem äußeren Ende dieser Folie des inneren Leitungspaares mit dem inneren Ende dieser Folie des äußeren Leitungspaares, sowie durch eine zweite Verbindung zwischen dem inneren Ende dieser Folie des inneren Leitungspaares und dem äußeren Ende dieser Folie des äußeren Leitungspaares.

4. Impulsgenerator nach Anspruch 3, dadurch' gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem äußeren Ende der einen leitenden Folie des äußeren Leitungspaares und dem inneren Ende dieser Folie des inneren Leitungspaares, in axialer Richtung gesehen, auf der gleichen Seite der Folie wie die Verbraucheranschlüsse angeordnet ist. ,

5. Impulsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem äußeren Ende der einen leitenden Folie des äußeren Leitungspaares und dem inneren Ende dieser Folie des inneren Leitungspaares, in axialer Richtung gesehen, auf derjenigen Seite der Folie angeordnet ist, welche der die Verbraucheranschlüsse aufweisenden Seite entgegengesetzt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1 322 050.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen