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Spännüngsvervielfacher Die Erfindung bezieht sich auf einä elektrischen
Spannungsvervielfacher und bezweckt die aus Kondensatoren und Gleichrichtern -bestehäden,
in Kaskade geschalteten Elemente in geeiMeter. Weise zu vereinigen. , r Die am meisten
verwendete Bauart von Spannungsvervielfachern mit einer Kaskadensch g.von_Kondensatoren
und Gleichrichtern war b' er fhejenige, bei welcher die Kondensatoren zweit' e e
Säulen bilden. Bei diesem System sinddie!Kondensatoren durch Metallzwischenstücke
in Kaskadeelektrisch verbunden. Die Gleichrichter sind @chrdg zwischen den Säulen
angeordnet und mit ihren Enden an den Zwischenstücken befestigt, so j daß sie gleichzeitig
elektrisch mit den Kondensatorkn v enden sind.
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Bei einer weiteren, gleichfallslbe ten Anordnung sind die Gleichrichter
zu einer Jgett+ten; parallel zu den beiden anderen angeordneten Säulen zusammengefügt;
in der sie in Kaskade elektrisch verbunden sind: Verbindungen zwischen den Säulen
vervollständigen die Kaskadenschaltung. Bei dieser Anordnung wird die Höhe des ganzen
Gerätes durch die Säule der Gleichrichter bestirymt, da diese ebensoviel Elemente
enthält, wie die beiden anderen Säulen zusammen; und die Gleichrichter selten eine
kleinere; in den meisten Fällen aber eine größere Länge als die Kondensatoren besitzen.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Spannungsvervielfacher-besteht gleichfalls
aus drei Säulen, unterscheidet- sich aber von dem Bekannten darin, daß die Elemente
jeder Säule abwechselnd aus einem Kondensator.und einem Gleichrichter bestehen und
die gegenseitigen Verbindungen - der Säulen, . die jeweils vom oberen Ende 'eines
Gleichrichters - in einer Säule . zum
Unterende eines Gleichrichters
in der nächsten Sä führen, die Kaskadenschaltung" sämtlicher Glei richter bewirken.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung nähe erläutert, in der schematisch
zwei Ausführungsbeispiele von Spannungsvervielfachern in Kaskadenschaltung dargestellt
sind, und! zwar zeigt Fig:i einGerät des bekannten Zweisäulensystems und Fig. 2
ein Gerät mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung; in Fig. 3 ist dieses
Gerät im Querschnitt dargestellt. Das in Fig. i dargestellte Gerät besitzt zwei
Säulen i und 2. Die Säule i enthält vier Kondensatoren 3, 4, 5 und 6, welche in
der Zeichnung mit X angegeben sind. Die Säule 2 enthält gleichfalls vier Kon-. densatoren
7, 8, g und io, welche in der Zeichnung mit Y bezeichnet sind. Durch Metallzwischenstücke
ii sind die Kondensatoren miteinander und mit dien Gleichrichtern R elektrisch verbunden.
Die Gleichrichter hängen schräg zwischen den Säulen und sind mit ihren Enden an
den Zwischenstücken befestigt.
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Die Säule i 'ruht auf einem Isolator 12 und die Säule 2 auf einem
geerdeten Metallfuß 13. An einem Metallverbindungskörper 14 an dem Unterende des
Kondensators 3 ist ein Stromzuführungsleiter 15 befestigt zur Verbindung mit einer
Wechselspannungsquelle, mit der die aus einem Kondensator 3 und einem Gleichrichter
16 bestehende Reihenschaltung verbunden wird. Der Kondensator 3 wird nach der Inbetriebsetzung
des Gerätes auf den Maximalwert .V der Wechselspannung, und die übrigen Kondensatoren
werden auf nahezu die doppelte Spannung, nämlich 2 V, aufgeladen. Aus diesem Grunde
braucht der Kondensator 3 nur halb so hoch zu sein wie die anderen Kondensatoren.
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Auf dem oberen Zwischenstück der Säule i steht noch ein Isolator 17.
Auf diesem Isolator und dem metallenen Schließstück 18, welches den Kondensator
io mit dem Gleichrichter ig verbindet, ruht ein metallener Polkörper 20, der mit
dem Schließstück 18 elektrisch verbunden ist und eine abgerundete Oberfläche aufweist
zwecks Vermeidung von Sprüherscheinungen. Ein Verbraucherkreis kann zwischen dem
Polkörper 2o und Erde angeschlossen werden. In Bezug auf den Verbrauchsstrom sind
dann die Kondensatoren Y in Reihe geschaltet.. Die Gleichrichter sind über die Zwischenstücken
alle in Kaskade geschaltet. Hiermit ist nicht gesagt, daß sie in Reihe liegen; denn
während der Halbwellen des Wechselstroms, in denen Strom durch die Gleichrichter
fließt, über welche die Kondensatoren X aufgeladen'werden, sind die Gleichrichter,
über welche die.Kondensatoren Y aufgeladen werden, stromlos und umgekehrt: An Stelle
einer Befestigung der Gleichrichter an den Kondensatorsäulen können sie bekanntlich
zu einer getrennten, frei stehenden Säule zusammengefügt sein, so daß dann drei
Säulen vorhanden sind; aber das Gerät erhält dann eine wesentlich größere Höhe.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung nach der Erfindung wird das Gerät, obzwar
auch von drei Säulen gebildet, nicht höher, sondern im Gegenteil niedriger als das
in Fig. i dargestellte Gerät.
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Die drei Säulen 21, 22 und 23 sind, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist,
in den Winkelpunkten eines Dreiecks angeordnet. In jeder der drei Säulen liegen
abwechselnd ein Kondensator X oder Y und ein Gleichrichter R und dazwischen
ein Metallverbindungskörper, der die aufeinanderfolgenden Elemente elektrisch und
mechanisch miteinander verbindet. Die Bezugszeichen X und Y auf den
Kondensatoren haben daher die gleiche Bedeutung wie in Fig. i. Die Säule 21 t auf
einem Isolator 24, und die Säulen 22 und 23 en auf geerdeten Metallfußstückchen
25 und 26. ie Säule 23 enthält ein Element weniger als die beiden deren Säulen,
besitzt aber ein Verlängerungsstück Form eines Isolators 20.
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ie drei Säulen sind durch Leiter miteinander verb den. Diese Leiter
sind an den Metallverbindungsk rn befestigt. So geht der Leiter 30, der die Verb'
ungskörper 31 und 32 verbindet, vom Oberende Gleichrichters 33 in der Säule a2 zum
Unterende .des leichrichters 34. in der Säule 2i. Das Oberende di Gleichrichters
ist durch den Leiter 35 mit dem Unt ende des Gleichrichters 36 in der Säule 23 verbun
n. Vom Oberende des Gleichrichters 36 geht danf 'eder ein Leiter 37 zur Säule 22
zurück, und zwar m Unterende des Gleichrichters 38. Die übrigen ichrichter sind
in ähnlicher Weise miteinander verb en.
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Die verenden des letzten Gleichrichters 39 in der Säule 2 und
des Kondensators 40 in der Säule 21 sind durch e en Polkörper 41 miteinander verbunden,
der auf Säulen ruht. Die Unterenden des ersten Gleichri ters 33 in der Säule 22
und des Kondensators 42 der Säule 23 sind geerdet.
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Die Speisestromquellg, ein Transformator 43, ist einerseits ie urch
einen Leiter 44 mit dem Metallverbindungskerper 45 verbunden, mit dem das Unterende
des Emdensators 46 in Kontakt steht, und ist andrerseits geerdet. Ein Verbraucherkreis
kann zwischen derd Polkörper 41 und Erde angeschlossen werden.
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Die erste Gruppe des Systems wird daher von dem Kondensator-46, und
dem Gleichrichter 33 gebildet. Der Kondensitor 46 wird auf die Maximalspannung V
des Transfo tors aufgeladen. Die übrigen Kondensatoren nehm eine Spannung von nahezu
2 V an. Durch die Ver dungen zwischen den Säulen sind die Kondensatoren Y in Bezug
auf den Verbrauchsstrom in Reihe geschaltet.
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Das Dreisäulensystem nach Fig. 2 enthält vier Elemente mehr als das
Zweisäulensystem nach Fig. i und liefert daher etwa 25°/o höhere Spannung. Die Elemente
sind in den beiden Figuren in gleicher Größe dargestellt. Im Gerät nach Fig. 2 enthalten
die Säulen 21 und 22 je insgesamt sieben Elemente, das sind daher drei mehr als
jede der Säulen nach Fig. i. Trotzdem ist aus den Figuren ersichtlich, daß die erfindungsgemäß
vorgeschlagene Aufbauweise zu einer wesentlich kürzeren Länge des Gerätes führt.
Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß die Metallverbindungsstücke niedriger sein
können als die Schließ- und Zwischenstücke nach Fig. i. Müssen bei der Ausführung
nach Fig. i die Zwischenstücke ii eine derartige Höhe haben, daß sie. für die Befestigung
zweier Gleichrichter Raum bieten, so brauchen bei derjenigen,
nach
Fig. 3 die Verbindungskörper nur hoch genug zu sein, um die Befestigung der Querverbindungen
zu ermöglichen.
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Durch eine Anordnung der Gleichrichter neben den Säulen an Stelle
von zwischen den Säulen könnte der Aufbau nach Fig. i derart abgeändert werden,
daß die Schließstücke und Zwischenstücke niedriger gewählt werden können; man kommt
dann aber doch zu einer Bauart, die vom mechanischem Gesichtspunkt aus hinter derjenigen
nach der Erfindung zurücksteht, bei welcher drei Stützpunkte an Stelle von zwei
vorhanden und die Säulen mit keinen größeren zusätzlichen Gewichten belastet sind,
als die der Verbindungsleiter 30, 35, 37 usw.
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In baulicher Hinsicht bestehen die Elemente des Spannungsvervielfachers
aus einer widerstandsfähigen Umhüllung aus einem Isolierstoff, welche den Säulen
eine hinreichende Festigkeit erteilt und in welcher das mechanisch unbelastete elektrische
Organ sicher eingeschlossen ist.
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Für die Gleichrichter werden bei nach Fig. i eingerichteten Geräten
in den meisten Fällen Entladungsröhren mit einer Glühkathode verwendet. Man kann
auch eine Batterie von Sperrschichtzellen, z. B. von Selenzellen verwenden, welche
nicht den Nachteil aufweisen, daß Mittel zur Erhitzung von Glühkathoden vorgesehen
werden müssen. Beim Zweisäulensystem wiegt dieser Nachteil nicht schwer, da die
Schließ- und Zwischenstücke immer hinreichend Raum zur Unterbringung von Transformatoren
(von Hochfrequenz-' wechselstrom gespeist) oder von Akkumulatoren zur Lieferung
des Heizstroms der Glühkathoden bieten. Da die Anordnung nach der Erfindung die
Möglichkeit bietet, die hohen Zwischenstücke nach Fig. i durch niedrige Verbindungskörper
zu ersetzen, wird die Verwendung von Sperrschichtzellenbatterien als Gleichrichtungselemente
zweckmäßig. Diese Verwendung ermöglicht eine völlige Ausnutzung der Vorteile dieser
Anordnung, da bei der Wahl der Höhe der Verbindungskörper kein Raum für Mittel zur
Erzeugung oder Transformierung von Glühstrom vorgesehen zu werden braucht. , Ferner
ist infolge der Verringerung seiner Höhe der erfindungsgemäß ausgebildete Spannungsvervielfacher
zum Unterbringen, gegebenenfalls zusammen mit dem Transformator, in einem Metallgefäß
geeigneter als derjenige mit bekannter Anordnung der Elemente. Zum Festlegen des
maximalen Potentialunterschieds zwischen der Wand des Gefäßes und dem Spannungsvervielfacher
wird diese Wand mit einem Punkt des elektrischen Systems verbunden, wozu naturgemäß
das Unterende des Gleichrichters 33 zuerst in Betracht kommt. Das Gefäß wird dann
auch geerdet. Anstatt daß die erforderlichen Abmessungen des aus den Säulen und
der Umhüllung bestehenden Gebildes infolge des Vorhandenseins des Gefäßes vergrößert
werden, können sie dadurch wesentlich verkleinert werden, daß das Gefäß mit einem
flüssigen bzw. gasförmigen Mittel gefüllt wird, welches bessere Isoliereigenschaften
aufweist als Luft von atmosphärischem Druck. Hierfür läßt sich Nitrogen unter einem
erhöhten Druck, z. B. von ,io Atm., verwenden. Auch zahlreiche chemische Verbindungen
besitzen bekanntlich gut iso-Tierende Eigenschaften, z. B. Schwefelhexafluorid,
welches unter einem Druck von 3 Atm. eine solche Durchschlagfestigkeit besitzt,
daß ein gemäß der Erfindung eingerichteter Spannungsvervielfacher mit einer Höhe
von ioo cm, in diesem Gas untergebracht, für eine Gleichspannung von iooo kV geeignet
ist.
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Eine Schwierigkeit bildet die Durchleitung des Stroms bei der vom
Gerät gelieferten Hochspannung durch die Wandung des Gefäßes. Diese Schwierigkeit
kommt in Fortfall, wenn der Stromverbraucher mit dem Spannungsvervielfacher zu einem
Aggregat vereint und gleichfalls im Gefäß untergebracht wird. Wenn dieser Stromverbraucher,
in der Regel eine elektrische Entladungsröhre, wie eine Röntgenröhre oder eine Ionenstrahlröhre,
parallel zu den Säulen angeordnet wird, braucht dies keine größere Länge des Gefäßes
zu bedingen; denn dieser Stromverbraucher kann zwischen seinen Polen den gleichen
Abstand aufweisen wie der Spannungsvervielfacher. Um auch eine Vergrößerung einer
der Querabmessungen zu vermeiden, kann man den Stromverbraucher 47 (Fig. 3) in der
Mitte zwischen den Säulen des Spannungsvervielfachers, also inmitten des Dreiecks
anordnen, in dessen Winkelpunkten die Säulen angebracht sind; im übrigen ist diese
Anordnung auch vorteilhaft, wenn die Schutzumhüllung nicht vorhanden ist.
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Entladungsröhren für Hochspannung werden in den meisten Fällen mit
Zwischenelektroden versehen, welche die Spannung gleichmäßig über die Röhre verteilen.
Ist der Stromverbraucher 47 eine solche Röhre, so können die Zwischenelektroden
mit den metallenen Verbindungskörpern durch Leitungen 48 verbunden werden.
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Die Minimallänge der Elemente und Stützisolatoren wird durch die höchste
elektrische Belastung bedingt, welche längs der Isolieroberfläche zulässig ist.
Der Kondensator 46 kann daher kürzer als die übrigen Kondensatoren sein. Aus der
oben angegebenen Stellung folgt, daß kein Grund vorliegt, den Umhüllungen der gleichrichtenden
Elemente eine andere Länge zu' geben als die der Kondensatoren, da beide die gleiche
elektrische Belastung auszuhalten haben. Sollte es aber aus irgendeinem Grunde nicht
möglich sein, die eine Art von Elementen ebenso kurz wie die andere auszubilden,
so führt dies, im Gegensatz zu der Anordnung mit zwei Säulen von ausschließlich
Kondensatoren und einer von ausschließlich Gleichrichtern, nicht zu wesentlichen
Längenunterschieden zwischen den Säulen, da die Zahl der Gleichrichter und Kondensatoren
in jeder Säule um höchstens eins verschieden ist.
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Es sei bemerkt, daß eine senkrechte Anordnung der Säulen nicht erforderlich
ist, besonders nicht bei Anordnung in einem stark isolierenden Mittel und somit
bei stark herabgesetzter Länge der Säulen. Die Säulen können, vorausgesetzt, daß
sie mit genügender Festigkeit aufgebaut oder durch Isolierstangen oder Seile befestigt
sind, waagerecht angebracht werden. Wenn in der Beschreibung der Erfindung daher
von Unterende und Oberende gesprochen wurde, so heißt dies nicht, daß der erste
Punkt sich immer näher zur Erdoberfläche befindet als der zweite und senkrecht darunterliegende
Punkt, sondern es sollen damit
nur entgegengesetzt gerichtete Enden
angedeutet werden.
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Ferner sei darauf hingewiesen, daß unter Spannungsvervielfacher in
dieser Beschreibung nicht nur ein mit Wechselspannung gespeistes Gerät verstanden
werden muß, welches diese Wechselspannung in höhere Gleichspannung umwandelt, sondern
daß dieser Begriff auch dahin aufgefaßt werden muß, daß er ein Gerät in Kaskadenschaltung
umfaßt, welches, mit Gleichspannung gespeist, diese Gleichspannung in eine niedrigere
Wechselspannung umwandelt. Die Verwendung von Sperrschichtzellen kommt vorerst nur
bei Spannungsvervielfachern zur Speisung mit Wechselspannung in Frage, da für die
zweite Kategorie bekanntlich das Vorhandensein einer Steuerelektrode in den gleichrichtenden
Elementen erforderlich ist.