DE1613810A1

DE1613810A1 - Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator

Info

Publication number: DE1613810A1
Application number: DE1967F0053705
Authority: DE
Inventors: Bishop Malcolm John
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1966-10-08
Filing date: 1967-10-07
Publication date: 1970-10-08
Also published as: GB1130644A; SE335175B; DE1613810B2; US3501646A; CH467547A

Description

5. Oktober 1967

FERRANTI LTD.
Hollinwood - Lancashire

ENGLAND

Patentanmeldung; Deutschland
Kennwort: Impulsgenerator

A 10 759
Qu/Z

Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator, bei welchem jede Stufe einen Kondensator enthält sowie eine Ladeschaltung, mittels derer die Kondensatoren aller Stufen parallel geladen werden, und eine Entladeschaltung, mittels derer die Kondensatoren in Reihe geschaltet entladen werden, wobei ein Spannungsimpuls entsteht.

Bekannte Impuls generatoren dieser Art bestehena us einer Schaltung, durch die eine Anzahl\on Kondensatoren auf eine bestimmte Spannung geladen werden können, und zwar während sie miteinander parallel geschaltet sind, und die dann zur Entladung in Reihe geschaltet werden. Auf diese Weise kann eine sehr hohe Impuls spannung erreicht werden. Die erreichbare Spannung hängt von der Ladespannung und der Anzahl der Kodensatoren ab. Die bekannte Schaltung enthält eine Anzahl von Widerständen, die zur Steuerung des Ladestroms der Kondensatoren und der Wellenform des Spannungsimpulses dienen. Jeder Abschnitt, der einen Kodensator und dessen Lade- und Wellenformwiderstände enthält, wird als eine Stufe des Impulsgenerators bezeichnet.

Um, wenn der Spannungsimpuls benötigt wird, die Kundensatoren 009841 /0ii9

miteinander in Reihe zu schalten, enthält jede Stufe eine Funkenstrecke, bei der es sich im allgemeinen um einen Zweielektrodeniyp handelt. Während die Kapazitäten des Impuls generators geladen werden, stellt die Funkenstrecke einen sehr hohen Widerstand dar, wobei die Kapazitäten parallel geschaltet sind. Um die Kapazitäten in Reihe zu schalten, werden die Funken strecken so gesteuert, daß sie im wesentlichen gleichzeitig zünden. Es gibt mehrere Wege dies zu bewerkstelligen. Zum Beispiel kann wenigstens eine Elektrode der Funkenstrecken mechanisch gegen die andere Elektrode bewegt werden, bis die Funkenstrecke zündet. Andererseits können auch eine oder mehrere der Funken strecken auf bekannte Weise getriggert werden. Beide Verfahren haben Nachteile. Mechanisches Gegeneinanderbewegen der Elektroden einer Anzahl von Funkenstrecken ist in Bezug auf den Entwicklungsstand und die Größe mancher Impulsgeneratoren notwendigerweise ein ziemlich umständlicher Weg, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten. Die Verfahren, die von einem Triggern einer oder mehrerer Funkenstrecken ausgehen, benötigen einen Triggerimpuls von einer externen Quelle, um eine Funkenstrecke zu zünden. Der Funkenüber schlag dieser Funkenstrecke erzeugt einen Spannungsstoß, der benutzt wird, um die nächste Funken- Lo strecke zu triggern usw. Setzt nun ein Funkenüber schlag aus, so wird die Zündfolge unterbrochen. Desweiteren kann es auch notwendig sein, die Funkenstrecken derart anzuordnen, daß die ultraviolette Strahlung, die bei der Zündung einer Funkenstrecke entsteht, die Möglichkeit hat, ' die Luft zwischen den Elektroden der benachbarten Funkenstrecke zu ionisieren, vor allem dann, wenn die benachbarte Funkenstrecke nicht getriggert wird. Häufig wird nur eine oder zwei dieser Funkenstrecken getriggert und die restlichen Überschläge erfolgen aufgrund der dadurch an ge s tie gen en S pannung.

Um ein Maß und eine Angabe über die Impulswellenforrn und ihrer Auswirkungen zu erhalten, ist es notwendig, die zeitliche Verzögerung, die zwischen der Triggerung des Impulsgenerators und des erzeugten Impulses auftritt, zu kennen. Unglücklicherweise ist es aufgrund der Art und Weise, wie die Zündung der Funkenstrecken zustande kommt, schwierig, konstante Werte für diese zeitliche Verzögerung zu erhalten.

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Ein weiterer Nachteil der gebräuchlichen Funkenstreckenanordnungen ist, daß Vorkehrungen zur Einstellung des Abstandes einer jeden Funkenstrecke für ' verschiedene Betriebsspannungen getroffen werden müssen. Dies wird notwendig, weil es üblich ist, jede Funkenstrecke so auszulegen, daß sie der angelegten Spannung so lange standhält, bis die Zündung eingeleitet wird. Deshalb ist es möglich, daß leicht ungetriggerte Funkenüberschläge mit der Erzeugung von ungewollten Impulsen entstehen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator zu schaffen , der die vorgenannten und andere Nachteile vermeidet, d. h. einen Generator, in welchem ein reproduzierbarer Funkenüber schlag erzeugt wird und eine Verstellung des Abstandes der Funkenstrecken nicht mehr notwendig ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Stufe eine in Reihe geschaltete Funkenstreckenkette enthält sowie einen Spannungsteiler, der so ausgelegt ist, daß er die relativen Spannungen, die sich über den Funken strecken der Kette ausbilden, bestimmt und einen HÜfsimpulsgenerator, mittels welchem an die Funkenstreckenkette der Stufe ein Triggerimpuls gelegt wird, dessen Spannung größer ist, als die Zündspannung einer einzelnen dieser Funkenstrecken, wodurch die Zündung aller Funkenstrecken in der Kette ausgelöst wird. ·

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den' Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil eines Schaltbildes eines erfindungsgemäßen Mehrstufen-Impulsgenerators;

Fig. 2 ein Schaltbild einer Mehrelektroden-Funkenstreckenkette für eine einzelne Stufe des Impulsgenerators und

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Hilfsimpuls genera to rs.

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------- - I ü I O O I U

Fig. 1 zeigt die ersten beiden Stufen und die letzte Stufe eines • n- stufigen Impulsgenerators. Alle Stufen sind gleich aufgebaut. Die Kapazitäten Cl bis Cn des Generators sind zwischen die Elemente zweier Widerstandsketten gelegt. Eine Kette wird durch die in Serie liegenden Kondensatorladewiderstände RCl bis RCn gebildet, die andere durch abwechslungsweise aufeinander folgende die Wellenform bestimmende Widerstände RT bis RTn bzw. RFl bis RFn in Serienschaltung. Im Ausführungsbeispiel ist der Kondensator Cl mit dem einen Ende geerdet und mit dem anderen Ende zwischen die La de wider stände RCl und RC2 gelegt. Mit dem geerdeten Ende ist der Kondensator Cl außerdem noch mit dem Widerstand RTl verbunden, der seinerseits mit dem Widerstand RFl verbunden ist. Auf gleiche Weise ist der Kodensa tor C2 mit dem einen Ende an die Verbindung der Ladewiderstände RC2 und RC3 gelegt und mit dem anderen Ende mit RFl und einem weiteren Widerstand RT 2 verbunden.

Desweiteren enthält jede Stufe des Impuls genera tors eine getriggerte Funkenstreckenkette, wie sie schematisch mit Gl bis Gn veranschaulicht wird. Jede Kette ist über die Reihenkombination aus Stufenkondensator C und seinem zμgehörigen die Form des hinteren Wellenendes bestimmenden Widerstand Rt gelegt. Die Kette Gl ist mit den Anschlüssen Tl bzw. T2 zwischen die Verbindung von Cl, RCl und RC2 einerseits und die Verbindung von RTl und RFl andererseits gelegt. Der Hochspannungsausgang des Impulsgenerators wird von dem die Abschlußwellenfront bildenden Widerstand RFn abgegriffen.

Wie es bei einer derartigen beschriebenen Schaltung üblich ist, werden die Kondensatoren in den einzelnen Stufen über Ladewiderstände durch eine Spannung Vdc aufgeladen. Sobald die Funkenstrecke getriggert wird, werden die Kondensatoren in Serie geschaltet und man er-

° hält einen Spannungsimpuls von der Größe n. Vdc»

-* Wie in Fig. 1 gezeigt, wird jede Funkenstreckenkette durch ihren

ο eigenen Hilfsimpulsgenerator A getriggert. Der Triggerausgang des

-* Hilfsimpulsgenerators wird z. B. zwischen die Anschlüsse T2 und T3

der Kette Gl gelegt. Der Hilfsimpuls genera tor Al wird seinerseits über den Kondensator CAl durch die Impulsspannung Vt getriggert; - 5 -

der Schaltungsaufbau eines Hüfsimpulsgenerators wird später beschrieben. Wie in Fig. 1 wird der Ausgang eines jeden Hüfsimpulsgenerators dazu benutzt, den nächsten Hilf simpuls generator über einen Kopplungs kondensator zu triggern. Der Hilf simpuls generator benötigt einen Ladestrom, der aus einer Quelle Vc kommt sowie Ladewiderstände RAl bis RAn.

Fig. 2 zeigt eine Funkenstreckenkette, wie sie für die einzelnen Stufen benutzt wird. Diese enthält eine Festelektroden-Vielfachfunkenstreckenkette mit den Elektroden el bis e (r + I)₁ Alle diese Überschlags« strecken haben denselben Abstand. Jede Elektrode ist an einen Spannungsteiler gelegt, der aus einer Reihe von Widerständen RdI bis Rdr besteht, und der die Anschlüsse T2 und Tl verbindet. Auf diese Weise liegt die Elektrode el zwischen dem Anschluß T2 und dem Widerstand RdI; die Elektrode e 2 zwischen den Widerständen RdI und Rd2 usw. ; die Elektrode e (r + 1) zwischen Rdr und dem Anschluß Tl. Jede Elektrode mit Ausnahme der Endelektroden el und e ( r f 1) ist über einen Kondensator Cd mit der gemeinsamen Zuführung des Triggeranschlusses T3 verbunden.

Die Arbeitsweise der Mehrelektrodenkette ist die folgende; Mit der an jeder Hauptfunken streckenkette anliegenden Spannung Vdc ist die an jeder einzelnen Überschlagsstrecke auftretende Spannung Vdc/r, wobei r die Anzahl der Zündstrecken ist. Diese Spannung muß natürlich unterhalb der Zündspannung Vs jeder einzelnen Zündstrecke liegen.

Es wird ein Spannungsimpuls Vp auf den Anschluß T3 gegeben, um die Funkenstreckenkette zu triggern. Diese Spannung muß die gleiche

Polung haben, wie die an den Anschluß Tl gelegte Spannung und muß er-ο

ο heblich größer als Vs sein. Der Impuls wird über die Kondensatoren

co
oo Cdi bis Cdr zu jeder der Elektroden geführt, mit Ausnahme der End-

—» elektroden el und e (r f 1). Entlang der Zündstrecke zwischen den Elek-

-o troden e 1 und e 2 tritt eine Spannung von (Vp f Vdc/r)auf. Entlang der

_Lk Zündstrecke zwischen den Elektroden er und e (r f 1) tritt eine Spannung

von ( Vp-Vdr ' auf. Da Vp sehr viel größer ist als Vs, die ZündstrekkenüberSchlagsspannung jund Vdc/r niedriger als Vs, zünden die beiden

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Endfunkenstrecken. Die beiden Elektrode» e2 und er werden nun das Potential der Elektroden el und e (r f 1} annehmen. Der Spannungsimpuls Vp ist noch vorhanden und deshalb beträgt die sich bei der Zündstrecke zwischen den Elektroden er und © (r -1-) ausbildende Spannung (Vp - 2Vdc/r). Diese beiden Funken strecken zünden also und der Prozess der Zündung setzt sich auf gleiche Weise durch die Kette hindurch fort. Die letzte Funkenstrecke, die zündet,unterliegt nur noch einer Spannung von Vdc, die deshalb hinreichend groß sein muß , um die Zündung einer einzelnen Funkenstrecke zu gewährleisten.

Um den oben aufgeführten Bedingungen zu entsprechen, muß. Vdc zumindest 2Vs sein und der Maximalwert von Vdc sollte 0. 8rVs nicht übersteigen^ die letzteren Bedingungen deshalb, um eine Zündung der Funkenstrecken zu verhindern. Diese Bedingungen ergeben den Arbeitsbereich der Mehrelektroden-Funkenstreckenkette, da 0. 8rVs^ Vd^ 2Vs.. Bei einer Zündspannung Vs von 1-5 kV für jede Zündstrecke der Anordnung und einem Aufbau von angenommen 16 Zündstrecken,ist^ deshalb der maximale Wert von Vdc bei einwandfreiem Arbeitsbereich ungefähr 200 kV , während der Minimalwert von Vdc bei 30 kV liegt. Das trifft auf jede einzelne Stufe des Impulsgenerators zu, ohne daß irgendeine Nachstellung notwendig wird.

Fig. 3 zeigt eineForm eines HilfsimpUls genera tor s, der geeignet ist, jede Hauptkette des Impuls generator s zu triggern. Der Hilfsimpulsgenerator enthält einen Impulsspannungs-Aufwärtstransformator Pl, einen Kondensator Ct und eine getriggerte Funkenstrecke, oder eine andere entsprechende Vorrichtung AGl. Der Impulsspannungstransformator liegt zwischen den Anschlüssen T2 und T3 der Hauptkette, wie gezeigt. Der Kondensator Ct ist zwischen das untere Ende des Im puls-

ο Spannungstransformators und eine Kette von Ladewiderständen VAl, RA2

to usw. geschaltet. Die Dreielektrodenfunkenstrecke AGl besitzt eine Haupt-

S-. elektrode, die mit einem Abgriff des Impulsspannungstransformators

^ . verbunden ist unddne zweite Hauptelektrode, die an die Verbindung ^ zwischen dem Kondensator Ct und der Widerstandsladekette gelegt ist.

^₀ Die Triggerelektrode der Funkenstrecke liegt zwischen zwei Widerständen Rt, die ihrerseits die beiden Haupt elektroden miteinander verbinden. Die Triggerelektrode ist außerdem noch über einen Kondensator

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CAl mit einer Triggerspannungsquelle Vt verbunden. Der Lädewiderstand BAl ist mit einer Quelle verbunden, die die Ladespannung Ve liefert, . ■;.-". ■-- ^; : ^:

Wie Fig. 1 zeigt sinddie Hilfsimpuls generatoren in einer Kaskade geschaltet* derart, daß von dem Ausgang des einen Impuls generators, der die Hauptkette des Impuls generators triggert, ebenso der Reihe nach die nächsten Impulsgeneratoren getriggert werden. In Fig. 3 ist das untere Ende des Inipulsspannungstransfornaators an dem Anschluß T3 der Kette Gl gelegt und zugleich über den Kondensater GÄ2 mit der Triggerelektrode der nächsten Zündstrecke AG2 verbunden. Auf gleiche Weise ist der Widerstand RA2 mit dem Kondensator Ct in dem Hilfsimpulsgenerator A2 verbunden.

Im Betrieb wird der Kondensator Ct eines jeden Hilfsimpulsgenerators durch die Quelle Vc gelaxten. Die Trigger elektrode .der Funkenstrecke wird durch den Widerstand Hd auf halbem Potential gehalten. Wenn ein Triggerimpuls Vt bei der Triggerelektrode ankommt, zündet die Funkenstrecke und der Kondensator Ct entlädt sich über sie und den unteren Teil des ImpulsspannXuagstransforniators* Es entsteht ein starker Spannungsstoß in dem Impülsspaiinungstransformätor und dieser Impuls triggert die Hauptkette des'Impuls genera tors und zugleich den nächsten Hilfsimpulsgenerator. .

Die Arbeitsweise des Impulsgenerators in Fig. I ist aus der vorangegangenen Beschreibung verdeutlicht worden. Aus der Verwendungvon Meiirelektroden«Funkenstreckenketten und Hilf simpuls~ generatpren ergeben sich zahlreiche Vorteile. Einige von ihnen sind ■ bereits aufgezeigt worden. Ein weiterer Vorteil der Mehrelektroden-Funkenstreckenkette ist, .daß ein weiter Arbeitsbereich erreicht wird; ° ein Bereich von 3O kV bis 200 kV je Stufe ist bereits weiter oben ange-

. führt worden. Die Aneinanderreihung von Zündstrecken, wie es in der

*~" ■ "■-■■■■ ^: -'""-■ " ■■

—*■ Funkenstreckenkette des Impulsgenerators der Fall ist, ermöglieht

ο eine viel kompaktere Bauweise als bei herkömmlichen Zweielektroden-

—* Funkenstrecken.

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Die Verwendung eines unabhängigen Hilf simpulsgenera tors für jede Hauptkette bedeutet, daß die Funktion einer Funkens tr eckenkette vollkommen unabhängig ist .von der Arbeitsweise der vorangegangenen. So ist es nicht notwendig, den Impulsgenerator so aufzubauen, daß sich die Hauptketten gegenseitig "sehen" können und man hat dadurch größere Freiheit im Aufbau des Impulsgenerators.

Die Anzahl der Zündstrecken in jeder Kette ist nicht kritisch. Wenn jedoch der Abstand der einzelnen Zündstrecke zu klein wird, kann sich der Effekt des Elektrodenabbrandes bemerkbar machen. Ähnlich verhält es sich, wenn der Abstand der Überschlagstrecke zu groß und die Anzahl der Zündstrecken verringert wird. Dadurch steigt die Zündspannung Vs an und mit ihr die notwendige Triggerspannung. Es wurde bereits zum Ausdruck gebracht, daß die T rigger spannung Vp, die an der Hauptkette liegt, beträchtlich größer sein sollte, als die Zündspannung Vs einer einzelnen Zündstrecke. In der Praxis sollte Vp vorzugsweise . wenigstens zehnmal so groß wie Vs ein.

Wie in Fig. 3 gezeigt und oben beschrieben, wird die getrlggerte Funkenstrecke der Hilfsimpuls generatoren als eine D reielektrodenfunkenstrecke dargestellt. Sie kann durch andere Vorrichtungen, wie etwa ein "Trigatron¹¹ (Warenzeichen), eine gekapselte Funkenstrecke oder ein Wasserstoff-Thyratron ersetzt werden.

Die Kaskadenschaltung des Hilfsimpuls generators, wie sie in Fig. 1 gezeigt wird, kann soweit notwendig, variiert werden» So können z. B. um eine Synchronisation beim Triggern aller Hauptketten zu erreichen, erforderliehenfalls die Hilfslmpnlsgeneratoren gleichzeitig getriggert werden. Andererseits können geeignete Lauf zeitketten zwischen die Hilfs-

o impulsgeneratoren und den ihnen zugeordneten Hauptketten eingebaut wer-

cd den, um ein synchrones Triggern zu erreichen.

-^ Anstatt des hier aufgezeigten Beispiels kann jede Hauptkette 16

σ -

c» feste Zündstrecken enthalten (das bedeutet 17 Elektroden), wobei jede

cd Zündstrecke angenommen 5 mm Abstand hat. Die Spannungsteilerkette

ⁿⁿ Widerstände Rd von 500 Megohm und Kondensatoren Cd von

5 ρ F enthalten. Ein solcher Aijbau kann ,wie bereits dar gelegt, einen nutzbaren Arbeitsbereich von 30 kV bis 200 kV haben.

Wenn der Impulsgenerator in Fig. 1 zehn Stufen enthält, reicht sein Arbeitsbereich von 300 kV bis 2 MV, ohne daß eine Nachstellung der Zündstrecken zur Erreichung dieses weiten Arbeitsbereiches notwendig ist.

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Claims

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5.10.1967

• ANSPRÜCHE

(I)J Mehrstufen-Hochspannungsimpulsgenerator, bei dem jede Stufe einen Kodensa tor enthält, sowie eine Ladeschaltung m mittels derer die Kondensatoren aller Stufen parallel geladen werden, und eine Entladeschaltung, mittels derer die Kondensatoren in R~ihe geschaltet entladen werden, wobei ein Spannungsimpuls entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe eine,4leihe geschaltete Funkenstreckenketteif enthält sowie einen Spannungsteiler, der so ausgelegt ist, daß er die relativen Spannungen, die sich über den Funkenstrecken der Kette ausbilden, bestimmt und einen Hilfsimpuls generator , mittels welchem an die Funkenstreckenkette der Stufe ein Triggerimpuls gelegt wird, dessen Spannung größer ist als die Zündspannung einer 9^t_n einzelnen dieser Funkenstrecken, wodurch die Zündung aller Funkenstrecken in der Kette eingeleitet wird.
2) Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Triggerimpuls eines Hilfsimpulsgenerators an alle Elektroden der

zugehörigen Funkenstreckenkette

mit Ausnahme der beiden äußersten gelegt wird.

3} Impulsgenerator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß Ko pplungs glieder zwischen den Hilfsimpuls genera tor en vorgesehen bind, die es ermöglichen, daß diese durch einen einzigen Auslöseimpuls gesteuert werden.

4} Impulsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der

Auslöseimpuls lediglich an einen der Hilfsimpulsgeneratoren gelegt wird und daß der Triggerimpuls eines jeden Hilfsimpuls genera to rs dazu benutzt wird, den nächsten benachbarten Hilf simpulsgenera tor zu steuern.

0098A 1 /CU 19

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