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Anordnung zur Erzeugung impulsförmiger Magnetfelder I. Die Erzeugung
impulsförmiger Ströme oder Magnetfelder ist mit den verschiedenartigsten Schaltungen
möglich, deren wesentlichster Bestandteil stets ein Kondensator als Energiespeicher
ist. Diese Schaltungen sind bekannt und lassen sich in ihrer Wirkungsweise etwa
folgendermaßen beschreiben: Mittels einer Gleichspannungsquelle Q entsprechender
Spannung wird ein Kondensator C über einen hohen Ladewiderstand R oder eine strombegrenzende
Röhre aufgeladen, somit also eine bestimmte Energiemenge im Kondensator gespeichert.
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Die Entladung des Kondensators C erfolgt über die Wicklung einer
Magnetisierungsspule L, in der man den magnetischen Feldstoß erzeugen will. Häufig
ist in den Entladungskreis eine gittergesteuerte Gasentladungsröhre S oder eine
FunkenstreckeF eingeschaltet, so daß die Entladung des Kondensators erst bei einer
bestimmten Spannung zustande kommen kann. Die Funkenstrecke oder ein besonders zu
diesem Zweck vorgesehener Serienwiderstand liefert die notwendige Kreisdämpfung,
so daß der Entladungsvorgang stark gedämpft oder sogar aperiodisch verläuft.
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Je höher die Spannung am Kondensator gewählt wird, desto kräftiger
werden die auf diese Weise erzielbaren Stromimpulse. Die magnetischen Wirkungen
sind im übrigen noch von der Anordnung und Windungszahl der Magnetisierungsspule
L abhängig (Abb. I und 2).
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Alle derartigen Anordnungen haben jedoch folgende Nachteile: I. Die
Zahl der erzeugbaren Impulse je Zeiteinheit ist sehr klein und abhängig von der
Leistung des Einzelimpulses und der Leistung der zur Verfügung stehenden Stromquelle.
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2. Der Energiebedarf aller bekannten Schaltungen ist, gemessen an
den erzielbaren Wirkungen, außerordentlich groß, der Wirkungsgrad minimal. Da die
zum Aufbau des Magnetfeldes nötige Energie nach jedem Impuls vollständig vernichtet
und in Wärme umgewandelt wird, ist dies auch nicht anders zu erwarten.
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Vergegenwärtigt man sich, daß der Energieinhalt eines von magnetischen
Kraftlinien erfüllten Raumes dem Volumen dieses Raumes direkt und der darin herrschenden
Feldstärke quadratisch proportional ist, so erkennt man ohne besondere Überlegungen,
daß zum Aufbau feldstarker Impulse in Spulen mit nennenswertem Durchmesser ganz
erhebliche Energiebeträge notwendig sind. Da nun aber im allgemeinen nur Stromquellen
begrenzter Ergiebigkeit und Leistungsfähigkeit zur Verfügung stehen, dauert es stets
eine gewisse Zeit, bis die für einen Impuls notwendige Energiemenge im Kondensator
angesammelt ist. Erst nach Ablauf dieser Zeit ist wieder ein neuer Impuls möglich.
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3. Eine weitere Verschlechterung des Wirkungsgrades verursacht der
Ladewiderstand des Kondensators, der in fast allen bisher bekannten Schaltungen
ein notwendiges Übel darstellt. Der in diesem Widerstand als Stromwärme frei werdende
Energiebetrag ist endgültig verloren und kann für die Impulserzeugung nicht mehr
verwendet werden.
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II. In einer von kurzen Stromimpulsen durchflossenen Wicklung sind
die Stromwärmeverluste gering.
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Die Wicklung kann daher strommäßig stark überlastet, d. h. auf sehr
kleinem Raum untergebracht werden. Hierdurch wird die Länge der magnetischen Kraftlinien
entsprechend verkürzt, die magnetische Streuung verringert.
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Wenn es daher auf starke magnetische Wirkungen ankommt, wird ein
mit Impulsen erregter Elektromagnet einem permanenten, mit Gleichstrom erregten
Magneten stets überlegen sein. Trotz dieser offenbaren und leicht einzusehenden
Vorteile hat sich der Impulsmagnet bisher nicht durchsetzen können, da die obenerwähnten
Nachteile eine praktische Anwendung verhinderten.
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III. Erfindungsgemäß kann nun der Wirkungsgrad einer für die Impulserzeugung
verwendeten Schaltung außerordentlich verbessert werden, wenn I. die Dämpfung des
Entladungskreises soweit wie möglich verringert wird, so daß der Entladungsvorgang
nicht mehr aperiodisch, sondern periodisch (schwach gedämpft) verläuft, 2. der Ohmsche
Ladewiderstand des Speicherkondensators durch eine Ladedrossel ersetzt wird.
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Die nunmehr zwischen Lade- und Entladekreis frei hin und her pendelnde
Energie wird in der Schaltung in geeigneter Weise während der Impulspause gespeichert,
so daß sie beim nächsten Impuls zum Feldaufbau wieder verwendet werden kann. Von
der speisenden Stromquelle Q sind somit nur noch die unvermeidlichen Stromwärmeverluste
der gesamten Schaltung, die jedoch auf einfache Weise klein gehalten werden können,
zu decken.
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Abb. 3 zeigt das Schema der erfindungsgemäßen Schaltung. Sie besteht
praktisch nur aus Blindwiderständen. Die Aufladung des Kondensators C erfolgt durch
die Stromquelle Q über eine Ladedrossel D. Im Entladungskreis befindet sich eine
steuerbare Schalteinrichtung S, z. B. eine gittergesteuerte Gasentladungsröhre,
die den Stromkreis schließt, wenn der Kondensator C nach vollzogener Aufladung seine
höchste Spannung erreicht hat. Das Gasentladungsrohr wird von einer sinusförmigen
Wechselspannung entsprechender Größe und Frequenz (f = Impulsfolge = Impulszahl/Zeiteinheit)
gesteuert.
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Bei jeder Entladung entsteht in der Magnetspule L ein Stromstoß (Impuls),
der die Form einer halben Sinuswelle besitzt. Die Fußbreite des Stromimpulses ergibt
sich aus der Beziehung b = n I/L C.
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Unmittelbar nach dem Impuls ist der KondensatorC wieder geladen,
jedoch jetzt mit umgekehrtem Vorzeichen. Er enthält also, wenn man zunächst die
Verluste des Entladungsschwingkreises vernachlässigt, die gesamte zur Impulserzeugung
notwendige Energie.
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Während der Impulspause erfolgt die Umladung des Kondensators C über
Stromquelle Q und Ladedrossel D. Der Wechselstromwiderstand der Stromquelle kann
durch einen Parallelkondensator K stets vernachlässigbar klein gemacht werden, so
daß auch der Ladekreis einen nur schwach gedämpften Schwingungskreis darstellt.
Nach Beendigung dieser Umladung steht die für den nächsten Impuls notwendige Energie
im Kondensator C wieder in richtiger Polung zur Verfügung.
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Es läßt sich rechnerisch nachweisen, daß der optimale Wirkungsgrad
der Schaltung dann auftritt, wenn der Ladekreis auf die Impulsfolgefrequenz f abgestimmt
wird. Für die Impulspause T gilt dann die Beziehung T = y'D C.
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Die angegebene Schaltung hat die bemerkenswerte Eigenschaft, daß
die zur Impulserzeugung benötigte hohe Spannung durch vielfache Resonanzüberhöhung
von selbst entsteht, so daß an die Klemmen der Schaltung nur eine kleine Gleichspannung
anzulegen ist. Während die Impulsstromspitzen außerordentlich groß gemacht werden
können, ihre Größe ist praktisch nur von der Leistungsfähigkeit und Steuerbarkeit
des im Entladungskreis verwendeten Schalters abhängig, sind die Ströme im Ladekreis
nur klein und schaltungstechnisch mühelos zu bewältigen. Je nach der Dimensionierung
der Schaltung können Impulsbreiten von 2 Mikrosekunden, 50 Millisekunden und Impulsfolgen
von 10000... 20 Hz erzielt werden. Die Schaltung ist in den verschiedensten Variationen
auch mit mehreren Spulen und Energiespeichern ausführbar. Sie ist überall da am
Platz, wo es sich um die Erzeugung impulsförmiger und sehr kräftiger Magnetfelder
handelt, z. B. zur Erregung impulsgetasteter Magnetronsender, zur magnetischen Werkstoffprüfung,
zur Magnetisierung von Stahlmagneten, zur Elektronenbeschleunigung in der betatronähnlichen
Einrichtungen, zur Erzeugung von Stoßströmen oder Stoßspannungen oder zur Tastung
von Erregerwicklungen elektrischer Schweißmaschinen.
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Wird dem Entladungskreis Energie entzogen, d. h. wird mit dem erzeugten
Impuls elektrische, magnetische oder mechanische Arbeit geleistet, so erhöhen sich
die Gesamtverluste des Entladungskreises ent-
sprechend der größeren
Dämpfung. Der Schaltung muß dann von der Stromquelle Q eine entsprechend größere
Leistung zugeführt werden.
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IV. Die für die praktische Anwendung zweckmäßigste Schaltung ist
in Abb. 4 dargestellt. Als Stromquelle kann ein fremd erregter Gleichstromgenerator
dessen Spannung fein regulierbar ist, verwendet werden. Der negative Pol des Generators
ist zweckmäßig zu erden.
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Die am Kondensator auftretende Impulsspannung wird mit einem geeigneten
Spitzenspannungsmeßgerät überwacht und gemessen. Alittels einer veränderlichen Zusatzdrosscln
kann das Spannungsmaximum am Kondensator auf einfache Weise eingestellt werden.
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Als Schalter dient z. B. ein Gasentladungsrohr mit Gitter, regenerierbarer
Hg-Kathode und hoher Stromitherlastbarkeit, das mittels normaler sinusförmiger \I'echselspannung
Cst einstellbarer Frequenz gesteuert werden kann.
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Die Dämpfung der Lade- und Entladeschwingungskreise sind möglichst
klein zu machen. Da sich Eisenverluste ebenfalls dämpfend auswirken, muß durch entsprechende
Verringening der Blechdicke und geeignete Wahl des magnetischen Materials sowohl
beim Kern des Magneten (wenn ein solcher überhaupt vorhanden ist) als auch beim
Kern der Ladedrossel versucht werden, die Eisenverluste soweit wie möglich zu reduzieren.
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Für die konstruktive Gestaltung ist ferner noch besonders bemerkenswert,
daß sowohl an der Magnetspule L selbst als auch an der Ladedrossel D Impulsspannungen
von der Größenordnung der Kondensatorspannung auftreten. Die Wicklungen der beiden
Induktivitäten müssen daher bei leistungsfähigen Anordnungen spannungsfest ausgeführt
werden (01-isolation!).
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Der als Energiespeicher dienende Kondensator C ist sowohl dynamisch
als auch thermisch so reichlich zu bemessen, daß die auftretenden hohen Stoßspannungen
und die außergewöhnlich großen Stoßströme keine Schäden oder Durchschläge verursachen
können. Der Verlustfaktor des Kondensatordielektrikums soll möglichst klein sein.