DE1805595C3 - Schutzschaltung für eine Hochleistungsröhre mit einem parallel geschalteten Kurzschluß-Bauelement - Google Patents

Description

Hen wenn solche Kurzschluß-Bauelemente von der

At eines sogenannten Ignitrons in Räumen mit hoher

Tmoeratur aufgestellt werden mußten. In letzter Zeit

• d nun andere Kurschluß-Bauelemente bekanntge-

rden deren Spannungsfestigkeit nicht in so starkem Maße von der Temperatur abhängt, die aber zur Ausr^uneder Entladung eine hohe und insbesondere sehr rhnell ansteigende Auslösespannung benöägen. SoI-he bereits im Handel befindlichen Spannungsstoßabi-ter (surge diverter) benötigen beispielsweise einen ^ Jungsimpuls mit einer Anstiegssteilheit von 7000 Volt/HS Dies gilt beispielsweise für eine von einer K»Lnnten Bestellerin herausgebrachte Röhre der Tvoenbezeichnung t oum.

Es hat sich ergeben, daß diese neuzeitlichen Kurzrhluß Bauelemente mit den Zündeinrichtungen nicht Ipzündet werden konnten, die in Verbindung mit f nitrons benutzt worden sind. Die neuen Bauelemete henötieen eine höhere und schneller ansteigende o„_annung, jedoch keinen großen Strom.

Es ist zu erwähnen, daß es für die Zündung von Ableiter-Funkenstrecken auch schon bekannt ist, in Verbindung mit dem Zündtransformator auf seiner Sekundärseite einen Parallelresonanzkreis anzuordnen um durch Resonanzüberhöhung in einer angekoDDelten Spule eine hohe Spannung zu induzieren. Rei dieser bekannten Schaltungsanordnung war je-Hnch ein erheblicher zusätzlicher Aufwand in Form hochspannungsfester Bauelemente erforderlich welrhe den Resonanzkreis und die angekoppelte Spule bildeten Dieser Aufwand führte nicht nur zu einer unerwünschten Kostenerhöhung, sondern vergrößerte auch die Verluste, die ja gerade zur Erzielung piner hohen Güte und einer ausreichenden Resonanzüberhöhung kleingehalten werden sollten (Deutsche Wirtschaftspatentschrift 9715).

Das gleiche gilt für eine ähnliche Anordnung mit einem Zündtransformator mit Luftspalt im Eisenkern, bei der statt der angekoppelten Spule ein eisenloser Hochfrequenztransformator in einen Schwingkreis Snbezogen ist (deutsche Auslegeschrift 1054501). Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung für eine Hochleistungsröhre anzugehen welche eine hohe und schnell ansteigende Auslosespannung liefert und dabei von der Resonanzüberhöhung Gebrauch macht, jedoch von den Nachteilen der entsprechenden bekannten Schaltung frei ist, indem sie im wesentlichen ohne den Aufwand zusätzlicher Bauelemente auskommt und keine zusätzlichen verlustbehafteten Bauelemente in die Schaltung ein^tUlBe'i einer Schutzschaltung für eine Hochleistungsröhre mit einem dieser parallelgeschalteten, infolge eines Überschlages schnell leitend gesteuerten Kurzschluß-Bauelement, welches eine hohe und schnell ansteigende Auslösespannung benötigt, die von der Sekundärwicklung eines mit seiner Primärwicklung in den Überschlagskreis eingeschalteten Transformators mit einem Luftspalt im Eisenkern abgenommen und Jem Auslöseanschluß des Kurzschlußbauelements über einen Resonanzkreis mit Resonanzüberhohung zugeleitet ist, wird diese Aufgabe dadurch gelost, daß der Auslöseanschluß des Kurzschlußelements mit einem Ende der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist, daß der die Streuinduktivitat des Transformators bestimmende Kopplungskoeffizient zwischen Primär- und Sekundärwicklung großer as η 8 ist und daß die Wicklungskapazität so klein gehalten ist, daß die durch Streuinduktivitat und Wicklungskapazität gegebene Resonanzfrequenz größer als kHz ist. Die Resonanzfrequenz tritt dabei bei der Serienresonanz der Streuinduktivitat und der Wicklungskapazität auf, wobei erstere als Reihenglied und letztere als Querglied im Übertragungsweg liegt. Die Wicklungskapazität wird vorzugsweise durch Aufteilung der Wicklung klein gehalten. Durch die Erfindungsmerkmale wird erreicht, daß die maximale Steilheit der Spannungskurve an der mit der gemeinsamen Induktivität belasteten Kapazität wesentlich größer ist als die Steilheit des Stromanstiegs in der Primärwicklung.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser ist:

Fig. 1 ein Prinzipgschaltbild einer Schutzschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung in Form eines Ersatzschaltbildes für den zur Auslösung dienenden Transformator der Fig. 1,

Fig. 3 eine Kurvendarstellung des Primärstroms im Auslösetransformator,

Fig. 4 eine Kurvendarstellung für die Spannung auf der Sekundärseite des Auslösetransformators ohne Belastung durch die zu zündende Ableiterröhre,

Fig. 5 eine Kurvendarstellung für den Spannungsverlauf an der Auslöseelektrode der Ableiterröhre, Fig. 6 eine vereinfachte zeichnerische Darstellung eines Auslösetransformators.

In Fig. 1 ist der Stromversorgungsgleichrichter 1 mit seinen Eingangsklemmen an die Phasen u, ν und w eines Drehstromversorgungsnetzes angeschlossen. Auf seiner Gleichstrom-Ausgangsseite liegen die Siebdrossel 2 und der Siebkondensator 3, welche zur Aussiebung der Wechselstromteile dienen. Der Siebkondensator 3 erfüllt den zusätzlichen Zweck, bei schnellen Stromänderungen innerhalb des Verbraucherkreises auf Grund seiner Speicherwirkung einem Absinken der Spannung entgegenzuwirken und dadurch den wirksamen dynamischen Innenwiderstand der Stromversorgungsquelle zu verringern. Ein Schnellabschaltrelais 4 erfüllt die Aufgabe, beim Ansteigen des Verbraucherstroms oder beim Absinken der Verbraucherspannung jeweils über vorbestimmte Grenzwerte hinaus die Stromzufuhr zum Verbraucherkreis schnell zu unterbrechen. Ein Schutzwiderstand 5 dient zur Begrenzung der Stromspitzen in den angeschlossenen Kreisen.

Das Kurzschluß-Bauelement ist als eine gittergesteuerte Stromrichterröhre 6 mit Quecksilberkathode dargestellt. Es sei angenommen, daß diese Röhre eine hohe und steil ansteigende Zündspannung, jedoch nur verhältnismäßig geringen Zündstrom benötigt. Ein Auslösetransformator 7 ist mit seiner Primärwicklung in den Verbraucherstromkreis eingeschaltet, während seine Sekundärwicklung zwischen der Kathode und der Gittereleketrode der Röhre 6 eingeschaltet ist. Über die Primärwicklung des Transformators 7 und einen weiteren Schutzwiderstand 8 wird der Hochleistungsröhre 9 die Anodenspannung zugeführt. Diese Röhre 9 sei beispielsweise eine Sendetetrode.

Wenn in der Sendetetrode 9 ein Überschlag aufti itt, so steigt ihr Anodenstrom plötzlich auf einen ungewöhnlich hohen Wert an. Die Stromspitze wird durch den Widerstand 8 geringfügig begrenzt. Durch den plötzlichen Stromanstieg in der Primärwicklung des Transformators 7 ergibt sich ein schneller Anstieg der Sekundärspannung, welche zur Zündung des

Kurzschluß-Bauelements in Gestalt der Stromrichterröhre 6 führt. Die der Röhre 9 zugeführte Anodenspannung bricht dann in an sich bekannter Weise schnell zusammen, der Strom, welcher dem Netzspannungsversorgungsgerät 1 entnommen wird, steigt auf einen über dem Normalwert liegenden Wert an und das Schnellabschaltrelais 4 unterbricht den weiteren Stromfluß zur Sendetetrode 9 und zur gittergesteuerten Stromrichterröhre 6.

Der Auslösetransformator 7 der Fig. 1 ist nun so ausgebildet, daß innerhalb des aus seiner Streuinduktivität als Reihenglied und der Wicklungskapazität als Querglied des Übertragungsweges gebildeten Serienresonanzkreises eine wesentliche Resonanzüberhöhung auftritt und die von der Wicklungskapazitat als dem einen Teil dieses Serienresonanzkreises abgezweigte Ausgangsspannung einen wesentlich steileren Anstieg des Kurvenverlaufs aufweist als der Primärstrom des Transformators. Zur Erläuterung der Zusammenhänge dient zunächst Fig. 2. In dieser sind die mit Fig. 1 übereinstimmenden Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Transformator 7 der Fig. 1 ist jedoch in Fig. 2 in Form eines Ersatzschaltbildes dargestellt. Ausgehend vom Siebkondensator 3 und über den Schutzwiderstand 5 folgt in dem Schaltbild nach Fig. 2 die Induktivität 10, welche die Streuinduktivität des Transformators 7 versinnbildlicht. Diese Streuinduktivität ist verhältnismäßig klein bemessen, was durch eine hohe Kopplung zwischen den beiden Wicklungen des Transformators 7 der Fig. 1 erreicht werden kann. Im Ersatzschaltbild der Fig. 2 ist der Transformator 12 ein sogenannter idealer Transformator, dem ein Kopplungsfaktor k von der Größe 1 und ein Übersetzungsverhältnis 1:1 zugeschrieben werden. Außerdem wird im Ersatzschaltbild unterstellt, daß dieser ideale Transformator keine Verluste aufweist.

Wird durch enge Kopplung zwischen den Wicklungen des tatsächlichen Transformators 7 dafür gesorgt, daß die Streuinduktivität 10 klein ist, und wird ferner durch konstruktive Mittel hinsichtlich der Wicklung dafür gesorgt, daß auch die Wicklungskapazitat 11 klein ist,so hat der aus 10 und 11 gebildete Serienresonanzkreis eine verhältnismäßig hohe Eigenfrequenz. Hat der Kreis ferner eine hohe Güte, so tritt bekanntlich die Erscheinung der sogenannten Resonanzüberhöhung in wesentlichem Maße ein. Dies bedeutet, daß die Spannung an jedem der Reihenglieder 10 und 11 sehr viel höher wird als die Klemmenspannung an den Enden des aus 10 und 11 gebildeten Serienkreises. Wird dieser Serienkreis durch den die Primärspule des Transformators 7 der Fig. 1 durchflie ßenden Stromstoß beim Zünden eines Überschlags in der Röhre 9 zu Schwingungen angestoßen, so schwingt er - bei der vorgesehenen hohen Güte -schwach gedämpft in seiner Resonanzfrequenz. Die Kurvendarstellungen der Fig. 3 und 4 sollen dies erläutern.

In den Fig. 3 bis 5 ist in der Abszissenachse die Zeit t aufgetragen. In Richtung der Ordinatenachse ist in Fig. 3 der Strom / in der Primärwicklung des Transformators 7 der Fig. 1 aufgetragen. Dabei ist jedoch der normale Betriebsstrom für die Röhre 9 außer acht gelassen worden. Es sei angenommen, daß zur Zeit t = 0 in der Röhre 9 ein Überschlag stattfindet. Der Strom / in der Primärspule des Transformators 7 steigt dann unter dem Einfluß der Leitungsinduktivitäten, der Parallelkapazitäten und der Dämp fungswiderstände entsprechend dem Verlauf des Kurvenastes al der Fig. 3 an und fällt nach dem Ansprechen des Schnellabschaltrelais 4 entsprechend dem Kurvenast al wieder ab. Der Stromanstieg in Fig. 3 ist nicht steil genug, um ohne weiteres davon in den bisher benutzten Schaltungen einen genügend steilen Spannungsanstieg abzuleiten, welcher zur Zündung der Röhre 6 geeignet wäre.

In der nach der Erfindung ausgebildeten Schaltung der Fig. 1 ergibt sich aber, wie an Hand der Fig. 2 erläutert wurde, in dem aus der Streuinduktivität 10 und der Wicklungskapazität 11 gebildeten Serienresonanzkreis ein Anschwingen in der Eigenresonanz dieses Kreises, wie das in Fig. 4 dargestellt ist. Darin ist die Ausgangsspannung des Transformators 7 der Fig. 1 über der Zeit dargestellt für den Fall, daß die Sekundärseite nicht mit dem Gittereingang der Röhre 6 belastet sei. Infolge der hohen Eigenfrequenz und der großen Güte des Serienresonanzkreises ergibt sich eine gedämpfte Schwingung, deren Spannungsverlauf durch die Kurve b der Fig. 4 dargestellt ist. Die Steilheit dieses Spannungsverlaufs - besonders des ersten Anschwingastes - ist sehr viel größer als die des Stromanstiegs der Fig. 3. Infolgedessen erfolgt auch sehr schnell eine Zündung der Röhre 6, so daß die Spannung U der Fig. 4 in den Spannungsverlauf U der Fig. 5 gemäß Kurve c übergeht. Mit dem Eintritt der Zündung der Röhre € bricht nämlich die Schwingung schnell zusammen.

Die Wirkung kann noch verbessert werden, wenn auch die an sich bekannte Möglichkeit der Spannungstransformation mit Hilfe des Transformators 7 benutzt wird und die Windungszahl der Sekundärwicklung 14 der Fig. 2 höher gewählt ist als die der Primärwicklung 13. In diesem Fall würde also in Fig. 2 durch den Transformator 12 nicht mehr der Transformator mit dem Übersetzungsverhältnis 1:1 zu verstehen sein, sondern ein Transformator mit einer Aufwärlstransformation der Spannung. Auch in diesem Fall wird aber die wesentliche Wirkung der Spannungsüberhöhung durch den Resonanzkreis 10. 11 bewirkt.

Um die Wicklungskapazität 11 der Aufgabe entsprechend klein zu halten, wird zweckmäßigerweise je die Hälfte der Primär- und der Sekundärwicklung auf jeden der beiden Schenkel eines zweischenkligen. aus zwei U-förmigen Stücken gebildeten Eisenkernes, vorzugsweise Ferritkernes, gewickelt. Ein solcher Transformator ist in Fig. 6 dargestellt. Zwei U-förmige Ferritkerne 15 und 16 tragen auf ihren Schenkeln je eine Wicklung, die zu einem Teil durch die innenliegende Primärwicklung 13 und die außenliegende Sekundärwicklung 14 gebildet werden. Auffällig an dem Transformator nach Fig. 6 sind die sehr großen Luftspalte 17 und 18 in der Größenordnung von der Länge 1 cm. Sie sind zwischen den einander benachbarten Stirnflächen der Schenkel der U-förmigen Stücke 15 und 16 angeordnet. Durch die Wahl so großer Luftspalte ist dafür gesorgt, daß bei den zu übernehmenden sehr großen Primärströmen der Kern nicht bis zur Sättigung magnetisiert wird. Anderenfalls würde nämlich die angestrebte hohe Güte des Serienresonanzkreises 10,11 sich nicht aufrechterhalten lassen und es würde nicht zu der für die Wirkung erforderlichen großen Resonanzüberhöhung kommen. Die Anwendung großer Luftspalte ist also ein Mittel, um eine Aussteuerung bis in den Sättigungsbereich zu verhindern. Durch die Verwendung des aus den

U-förmigen Stücken 15 und 16 zusammengesetzten Eisenkerns ergibt sich selbst bei den vorgesehenen großen Luftspalten eine Verringerung der Streuung und die gewünschte Kleinhaltung der Streuinduktivität 10.

Bei einem praktisch ausgeführten Transformator hat sich eine Bemessung bewährt, welche für die wesentlichen Bemessungsgrößen nachfolgend angegeben wird;

a) Güte des aus der Streuinduktivität und der Wicklungskapazität gebildeten Serienresonanzkreises Q> 10, vorzugsweise Q = 15,

b) Kopplungsfaktor zwischen der Primär- und der

Sekundärwicklung k >0,8, vorzugsweise

k = 0,9,
c) Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises

/>200 kHz, vorzugsweise /=500 kHz.
Die Luftspalte 17 und 18 der Fig. 6 können natürlich bei praktischer Ausführung eines derartigen Transformators mit geeigneten Füllstoffen, z.B. Isolierkörpern, konstruktiv geschlossen sein, um ein Zusammenspannen der Stücke 15 und 16 zu ermöglichen. - Je kleiner die Wicklungskapazität und die Streuinduktivität des Transformators sind, um so höher ist die Resonanzfrequenz des Serienkreises 10,11 und damit um so kleiner die Zündverzögerung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 609 653/88

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schutzschaltung für eine Hochleistungsröhre mit einem dieser parallelgeschalteten, infolge eines Überschlages schnell leitend gesteuerten Kurzschluß-Bauelement, welches eine hohe und schnell ansteigende Auslösespannung benötigt, die von der Sekundärwicklung eines mit seiner Primärwicklung in den Überschlagkreis eingeschalteten Transformators mit einem Luftspalt im Eisenkern abgenommen und dem Auslöseanschluß des Kurzschluß-Bauelements über einen Resonanzkreis mit Resonanzüberhöhung zugeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslöseanschluß des Kurschlußelements (Röhre 6) mit einem Ende der Sekundärwicklung des Transformators (7) verbunden ist, daß der die Streuinduktivität des Transformators (7) bestimmende Kopplungskoeffizient zwischen Primär- und Sekundärwicklung größer als 0,8 ist und daß die Wicklungskapazität so klein gehalten ist, daß die durch Streuinduktivität und Wicklungskapazität gegebene Resonanzfrequenz größer als 200 kHz ist.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte des durch den Transformator (7) bei seiner genannten Resonanzfrequenz gebildeten Serienresonanzkreises größer als 10 ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der Sekundärwicklung (14) höher gewählt ist als die der Primärwicklung (13).

4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungskapazität durch Aufteilung der Wicklung klein gehalten ist.

5. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je die Hälfte der Primär- und der Sekundärwicklung jeden der beiden Schenkel eines zweischenkligen, aus zwei U-förmigen Stücken (15, 16) gebildeten Eisenkernes umgeben.

6. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern ein Ferritkern ist.

7. Schutzschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Luftspaltes (17, 18) die Größenordnung von einem Zentimeter hat.

8. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (17,18) in zwei Teilen zwischen den einander benachbarten Stirnflächen der Schenkel der U-förmigen Stücke (15, 16) angeordnet ist.

9. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Bemessung nachfolgend genannter Größen:

a) Güte des durch den Transformator (7) bei seiner genannten Resonanzfrequenz gebildeten Serienresonanzkreises Q = 15,

b) Kopplungsfaktor zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung k = 0,9,

c) Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises /=500 kHz.

Bekanntlich können in Hochleistungsröhren, besonders in Senderöhren der Hochfrequenz-Nachrichtentechnik, während des Betriebs gelegentlich Überschläge auftreten, welche vermutlich durch Gasausbrüche aus den Elektroden eingeleitet und durch spitzenförmige Niederschläge von verdampftem Kathodenmetall an kalten Stellen anderer Elektroden begünstigt werden. Da eine solche Hochleistungsröhre bei längerer Dauer des Überschlaglichtbogens Schaden leidet, sind bereits mannigfache Schutzmaßnahmen zur Begrenzung und Unterbrechung des von der Anodenspeisespannungsquelle gelieferten Überschlagstroms ergriffen worden. Ein besonders wirksamer Schutz wird durch Schaltungsanordnungen gewährleistet, welche in Parallelschaltung zu der zu schützenden Röhre ein infolge eines Überschlags schnell leitend gesteuertes Kurzschluß-Bauelement enthalten.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für eine Hochleistungsröhre mit einem dieser parallelgeschalteten Kurzschluß-Bauelement, das durch eine vom Überschlagsstromkreis abgeleitete Steuerspannung schnell leitend gesteuert wird und dadurch den Überschlagsstrom zu einem großen Teile übernimmt. Die Brennspannung des Lichtbogens in der Röhre wird dann sehr schnell unterschritten, so daß der Lichtbogen gelöscht wird. Derartige Kurzschlußeinrichtungen arbeiten mit Stromversorgungsgeräten zusammen, in denen Einrichtungen zur Schnellabschaltung der Ausgangsspannung vorgesehen sind. Das Kurzschluß-Bauelement parallel zu der zu schützenden Röhre hat dann lediglich die Aufgabe, die verhältnismäßig hohe und allein schon zur Zerstörung der Röhre ausreichende Energie abzuleiten, die in den Siebmitteln des Stromversorgungsgeräts gespeichert ist, sowie die Energie, die auftritt durch den Kurzschlußstrom während der Abschaltzeiten der Schütze.

Es ist bereits eine Schutzschaltung für Senderöhren großer Leistung mit einer durch den Überschlag in einer Senderöhre gezündeten Entladungsstrecke bekannt, in welcher diese Entladungsstrecke zur Kathoden-Anoden-Strecke der Sendröhre parallelgeschaltet ist und als Stromrichter mit flüssiger Quecksilberkathode und einem Zündstift (Ignitron) ausgebildet ist. Dabei liegt im Längszug der Anodenspeisestromleitung zwischen dem Beruhigungskondensator und der Entladungsstrecke ein Entladewiderstand für den Beruhigungskondensator (deutsche Patentschrift 949835).

Es ist ferner bekannt, die Auslösung der kurzschließenden Entladung in dem Kurzschluß-Bauelement mit Hilfe eines Auslösetransformators zu bewirken, dessen Primärwicklung im Kreise des Überschlagsstroms liegt, während von seiner Sekundärwicklung ein Spannungsstoß abgeleitet wird, der einer Elektrode des Kurzschluß-Bauelements, beispielsweise einem gittergesteuerten Gleichrichtergefäß, zugeleitet wird (deutsche Patentschrift 735431).

Die bisher vorwiegend als Kurzschluß-Bauelemente verwendeten Entladungsröhren mit einer Quecksilberkathode und einem in diese eintauchenden Zündstift (Ignitrons) benötigten für die Einleitung der Entladung durch den Zündstift einen verhältnismäßig großen Strom, aber keine sehr hohe Spannung. Sie waren mit dem Nachteil behaftet, daß ihre Spannungsfestigkeit mit der jeweiligen Temperatur des Gefäßes starken Schwankungen unterworfen war. Diese Erscheinung führte gelegentlich zu Schwierig-