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Vollautomatischer, gittergesteuerter Hochspannungsgleichrichter, vorzugsweise
für Mittelwellensender Die Erfindung betrifft einen vollautomatischen, gittergesteuerten
Hochspannungsgleichrichter, vorzugsweise für Mittelwellensender, mit einer Gasentladungsröhre
als Gleichrichterröhre, in deren Steuergitterkreis zum beliebigen Hochregeln der
abgegebenen Gleichspannung eine die Phase der Zündspannung drehende, aus einer von
einem Regelpotentiometer gesteuerten Steuerdrossel bestehende Schwenksteuerung geschaltet
ist.
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Das Einschalten von Mittelwellensendern erfolgt bekanntlich in mehreren
zeitlich aufeinanderfolgenden Schaltstufen, wobei am Schluß dieser Einschaltkette
der Hochspannungsgleichrichter der Senderstufe eingeschaltet wird. Die Einschaltung
des Hochspannungsgleichrichters erfordert jedoch besondere Maßnahmen, da zur Vermeidung
von Einschaltspitzen und überschlägen in der Gleichrichterröhre (Gasentladungsröhre)
bzw. in den Senderröhren der Entladungsstrom (Gleichspannung) der Gleichrichterröhre
nur langsam hochgefahren werden darf. Zum Schutz der Glühkathoden von Gasentladungsröhren
werden nach der deutschen Patentschrift 642 483 Anoden- und Zündspannung von einem
an Spannung liegenden Spannungsteiler abgegriffen, dessen Teilerwiderstände aus
stark temperaturabhängigen Widerständen und einem Blindwiderstand bestehen und der
beim Einschalten der Hochspannung eine Phasendrehung von 90° zwischen den abgegriffenen
Zünd-und Anodenspannungen herstellt. Diese beim Einschalten der Hochspannung automatisch
sich einstellende 90°-Phasenverschiebung wird proportional mit den abnehmenden Widerstandswerten
der an Spannung liegenden, temperaturabhängigen Widerstand auf 0° zurückgedreht.
Ein in den Anodenkreis geschaltetes und vom Laststrom betätigtes Relais schaltet,
sobald die Glühkathode die vorgeschriebene Temperatur erreicht hat, d. h. während
des Normalbetriebes, die temperaturabhängigen Widerstände des Spannungsteilers kurz.
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Bei den bekannten Hochspannungsgleichrichteranordnungen für Mittelwellensender
erfolgt dieses langsame Hochregeln der von der Gleichrichterröhre abgegebenen Gleichspannung
mit einer an sich bekannten Phasendrehschaltung (Schwenksteuerung). Diese besteht
aus einer in den Steuergitterkreis der Gleichrichterröhre geschalteten Steuerdrossel
und einem in deren Vormagnetisierungskreis geschalteten Regelpotentiometer, das
mit seinem maximal einstellbaren Widerstandswert die Phase der Zündspannung gegenüber
der Phase der Anodenwechselspannung um bis zu 180° verdreht und damit, wie in F
i g. 1 a dargestellt ist, die Zündspannung Z gegenüber der Anodenwechselspannung
A zeitlich so verlagert, daß beide Wechselspannungen mit keinem Momentanwert ihrer
Halbwellen gleichzeitig auftreten und daß dadurch bedingt eine Zündung der Gleichrichterröhre
nicht möglich ist. Diese zündet erst dann, wenn der vor der Aufschaltung der Anodenwechselspannung
eingestellte maximale Widerstandswert des Regelpotentiometers nach der Aufschaltung
der Anodenwechselspannung so weit verkleinert wird, daß die Zünd- und Anodenwechselspannung
sich zeitlich überschneiden. Bei weiterer stetiger Verkleinerung des Widerstandswertes
des Regelpotentiometers, d. h. der von dieser bewirkten Verkleinerung der Phasenverschiebung
zwischen Zünd- und Anodenwechselspannung, nimmt der Entladestrom der Gleichrichterröhre,
d. h. die von dieser abgegebene Gleichspannung, stetig zu und erreicht einen maximalen
Wert, wenn die Zündspannung und Anodenwechselspannung der Gleichrichterröhre gleichphasig
sind, d. h. der Potentiometerwiderstand praktisch Null ist.
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Bei den bekannten Hochspannungsgleichrichtern erfolgt die Steuerung
der Phasendrehschaltung (Schwenksteuerung), d. h. die Verstellung des Regelpotentiometers,
von Hand oder von einem handgesteuerten Motor, und zwar auch dann, wenn die Rufschaltung
der Netzspannung, d. h. der Zündspannung und der Anodenwechselspannung automatisch
erfolgt. Zur automatischen Steuerung der Phasendrehschaltung ist ein Verstellmotor
für das Regelpotentiometer erforderlich, der seinerseits zur vollautomatischen Steuerung
der von ihm getätigten Verstellung des Regelpotentiometers eine Schaltautomatik
erfordert, die sehr aufwendig und mit großen technischen Schwierigkeiten verbunden
ist, da sichergestellt sein muß, daß das Regelpotentiometer bei bzw. vor jeder beliebig
oft und in beliebig großen oder kleinen
Zeitabständen wiederholten
Aufschaltung der Anodenwechselspannung stets mit seinem maximalen Widerstandswert
eingestellt ist. Diese Forderung und die Nachteile einer automatischen Motorsteuerung
der Potentiometereinstellung sowie die mit einer vollautomatischen Steuerung des
Verstellmotor"s verbundenen, großen technischen Schwierigkeiten standen bisher einer
Vollautomatisierung der Schwenksteuerung eines Hochspannungsgleichrichters hindernd
gegenüber.
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Zur Behebung dieser Nachteile dient die im Patentanspruch 1 angegebene
Erfindung.
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Der neue gittergesteuerte Hochspannungsgleichrichter hat den Vorteil,
daß nicht nur die Zuschaltung der Anodenwechsel-(hoch-)spannung, der sinusförmigen
Zündspannung, der Heizspannung, der Git tervorspannung und der Vormagnetisierungsgleichspannung
der Steuerdrossel, sondern auch das Hochfahren der Anodengleichspannung der Gleichrichterröhre
automatisch erfolgen.
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Der wesentliche Vorteil der neuen Hochspannungsgleichrichterschaltung
besteht darüber hinaus noch in der automatischen Schwenksteuerung der Phase der
Zündspannung durch den in den Vormagnetisierungsstromkreis der Steuerdrossel geschalteten
NTC-Widerstand (Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten). Dieser ersetzt
das Regelpotentiometer der bekannten Schwenksteuerungen und deren Motorsteuerung
und macht die zur vollautomatischen Steuerung des Verstellmotors der bekannten Schwenksteuerungen
erforderliche, sehr aufwendige Schaltautomatik überflüssig. Zur vollautomatischen
Steuerung der Phase der Zündspannung des Gleichrichters durch den erfindungsgemäß
geschalteten NTC-Widerstand ist lediglich ein Schaltrelais erforderlich, das den
NTC-Widerstand nach erfolgtem Hochregeln der Gleichspannung der Gleichrichterröhre
kurzschließt und ihn für die restliche Dauer der Aufschaltung der Anodenwechselspannung
kurzgeschlossen hält. Dieser minimale technische Aufwand ist mit einer großen Betriebssicherheit
verbunden, da der NTC-Widerstand mit dem Kurzschließen sich sofort und automatisch
wieder auf seinen maximalen Widerstandswert einstellt. Er kann leicht durch einen
NTC-Widerstand mit einer anderen Zeitkonstanten und einem anderen Temperaturkoeffizienten
ausgetauscht werden, so daß die Hochregelzeit der Gleichrichterröhre durch Austausch
des NTC-Widerstandes schnell und mit einem geringen technischen Aufwand abgeändert
werden kann.
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Die Reihenfolge der Einschaltung .der verschiedenen Spannungen durch
impulsgesteuerte Schaltrelais kann beliebig und in beliebigen Zeitabständen festgelegt
werden, wobei die Zuschaltung der Netzspannung erst am Schluß und nach erfolgter
Zuschaltung der Netzspannung die automatische Schwenksteuerung der Zündspannungsphase
erfolgt.
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In Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens wird die Anzahl der Einschaltimpulse
für die Zuschaltung der Wechselhochspannung (Netzspannung) zum Netzhochspannungstransformator
des Gleichrichters auf drei bis fünf aufeinanderfolgende Impulse begrenzt, so daß
im Fall eines Kurzschlusses im Netzstromspannungstransformator oder eines sonstigen
Defektes in der Zuführung der Hochspannung oder der Senderöhre der bei Fließen eines
überstromes sich selbst ausschaltende Expansionsschalter -nur drei- bis fünfmal
hintereinander aufgeschaltet wird. F i g. 1 a und 1 b dienen zur Erläuterung der
Wirkungsweise der automatischen Schwenksteuerung mit Hilfe eines NTC-Widerstandes;
F i g. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der
neuen Hochspannungsgleichrichteranordnung mit vollautomatischer Einschaltung.
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Die Wirkungsweise der an sich bekannten Schwenksteuerung besteht darin,
daß eine Glühkathodengleichrichterröhre, d. h. eine Gasentladungsröhre (Stromtor),
nur dann zündet, wenn die an ihr Steuergitter geführte sinusförmige Zündspannung
einerseits die feste negative Gittervorspannung (Gleichspannung) kompensiert und
andererseits ihre die Gittervorspannung übersteigenden Momentanwerte gleichphasig
mit positiven Momentanwerten der Anodenwechselspannung sind. Die Gasentladungsröhre
zündet nicht, wenn die beiden Spannungen um 180° phasenverschieden sind, d. h. wenn
nicht gleichzeitig am Steuergitter und an der Anode der Gasentladungsröhre jeweils
positiv gerichtete Momentanwerte der Zünd- bzw. Anodenwechselspannung anliegen.
Ein maximaler Entladestrom der Gasentladungsröhre entsteht, wenn gleichzeitig die
Maximalamplituden von Zünd- und Anodenwechselspannung anliegen, d. h. wenn diese
gleichphasig sind. Vor dem Einschalten der Anodenwechselspannung wird nun zunächst
die Phase der Zündspannung um ± 180° vorgedreht, so daß die Zündung gesperrt ist.
Wird dann nach dem Einschalten der Netzspannung die Phase der Zündspannung von -I-180
auf 0° zurückgedreht, dann zündet die Röhre, und ihr Entladestrom (Gleichspannung)
steigt so lange an, bis die Zündspannung gleichphasig mit der Anodenwechselspannung
ist. Die zur Sperrung der Gasentladungsröhre erforderliche Phasendrehung von -I-180°
kann nun in bekannter Weise dadurch verringert werden, daß das Steuergitter mit
einer negativen Gittervorspannung beaufschlagt wird. In F i g. 1 a ist ein Beispiel
hierfür dargestellt. A ist eine positive Halbwelle der Anodenwechselspannung und
Z eine positive Halbwelle der Zündspannung. Die negative Gittervorspannung Ug ist
so groß gewählt, daß bei einer Phasendrehung von 120° gleichzeitig mit der positiven
13albwelle A der Anodenwechselspannung kein positiver Zündimpuls bzw. Momentanwert
der Zündspannung an das Steuergitter geführt wird. Die Röhre bleibt deshalb gesperrt.
Sie zündet erst, wenn die Phasendrehung der Zündspannung Z zurückgedreht wird und
damit positive Momentanwerte der Zündspannung Z mit positiven Momentanwerten der
Anodenwechselspannung zusammentreffen.
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Die Phasendrehung wird nun in bekannter Weise mit einer gleichstromvormagnetisierten
Steuerdrossel hergestellt bzw. durchgeführt, in deren Vormagnetisierungskreis ein
Regelpotentiometer (veränderlicher Widerstand) geschaltet ist, von dessen Größe
die Größe des Vormagnetisierungsgleichstromes der Steuerdrossel und damit auch die
Größe der Phasendrehung abhängig ist, d. h. die Phasendrehung ist proportional der
Größe des jeweils eingestellten Widerstandes des Regelpotentiometers und umgekehrt
proportional der Größe des Vormagnetisierungsstromes. F i g. 1 b zeigt die Abhängigkeit
der von der Gleichrichterröhre abgegebenen Gleichspannung von der Größe des Vormagnetisierungsstromes
der Steuerdrossel, und zwar für das oben angegebene Beispiel einer Steuergittervorspannung,
d. h. wenn
bereits bei einer Phasendrehung von + 1200 die Röhre
gesperrt ist.
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Während nun bei den bekannten Schwenksteuerungen zur Drehung der Phase
der Zündspannung ein von Hand oder von einem Motor angetriebenes Potentiometer verwendet
wird, wird an dessen Stelle nach der Erfindung ein NTC-Widerstand (d. h. ein Widerstand
mit negativen Temperaturkoeffizienten) in den Vormagnetisierungskreis der Steuerdrossel
geschaltet, der nach Einschalten in den Vormagnetisierungsstromkreis der Steuerdrossel
stetig seinen Widerstand verkleinert und damit einerseits die durch seinen Kaltwiderstandswert
hervorgerufene Phasendrehung der Zündspannung automatisch und kontinuierlich auf
0° zurückdreht und andererseits automatisch die von der Gasentladungsröhre abgegebene
Gleichspannung von 0 V auf ihre maximale Größe hochregelt.
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Bei vollautomatisch gesteuerten Mittelsendern ist es nun wichtig,
daß beim erstmaligen Aufschalten der Anodengleichspannung des Hochspannungsgleichrichters
der Senderendstufe keine Einschaltspitzen und keine Röhrenüberschläge vorkommen,
d. h., daß die Gleichspannung langsam von 0 V z. B. auf 10 000 V hochgefahren wird.
Die Zeitkonstante der Widerstandsänderung von NTC-Widerständen ist hierfür außerordentlich
günstig und gewährleistet, daß beim Hochregeln der Anodengleichspannung der Gasentladungsröhre
keine Einschaltspitzen und damit auch keine Röhrenüberschläge stattfinden, wobei
die Zeitspanne des Hochregelns der Gleichspannung durch geeignete Wahl des NTC-Widerstandes
beliebig groß eingestellt werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel F i g. 2 besteht die Gleichrichteranordnung
aus der Gasentladungsröhre 1, dem Hochspannungstransformator 2, dem über den Expansionsschalter
3 die Netzwechselspannung, z. B. 6 kV, zugeführt werden, und der diese auf die gewünschte
Größe der Anodenwechselspannung, z. B. 10 000 V, hochtransformiert und der Anode
der Gasentladungsröhre 1 zuführt. Der Hochspannungstransformator 2 ist fernerhin
mit einer zweiten Sekundärwicklung ausgestattet, die die sinusförmige Zündspannung,
z. B. 160 V, liefert, die über die aus der Steuerdrossel 4 und dem Steuertrafo 5
bestehenden Schwenksteuerung dem Steuergitter der Gasentladungsröhre 1 zugeführt
wird. Der Steuertrafo 5 dient lediglich zur Trennung der Steuergittervorspannung
vom Netztransformator 2, während die gleichstromvormagnetisierte Steuerdrossel 4
die eigentliche Schwenksteuerung, d. h. Drehung der Phase der Zündspannung, durchführt.
Das Steuergitter ist mit einer der Gleichstromquelle 6 entnommenen negativen Gittervorspannung,
z. B. von -150° beaufschlagt, so daß der eigentliche Zündimpuls maximal z. B. 10
V beträgt. In den Vormagnetisierungskreis der Steuerdrossel ist in bekannter Weise
ein Regelpotentiometer 7 geschaltet, das so bemessen ist, daß sein maximaler Widerstandswert
die gewünschte Phasendrehung der Zündspannung hervorruft, die nach F i g. 1 a bei
den als Beispiel angeführten Größen der Zündspannung (-I-160 V) und der Steuergittervorspannung
(-150 V) mindestens -f- 920° betragen muß.
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Bei vollautomatischem Betrieb schaltet nun das Steuerrelais 8 nach
Einschalten der Netzspannung, d. h. bei geschlossenem Expansionsschalter 3, einen
NTC-Widerstand 9 an die Stelle des Potentiometers 7 in den Vormagnetisierungskreis
der Steuerdrossel 4, d. h. zwischen die Vormagnetisierungsgleichstromquelle 10 und
die Steuerdrossel 4 ein, und zwar jeweils solange der Expansionsschalter 3 eingeschaltet
und die Netzspannung auf den Eingang des Netzhochspannungstransformators 2 geschaltet
ist. Ein zweites ebenfalls auf den Eingang des Netzhochspannungstransformators 2
geschaltetes, zeitverzögertes Schaltrelais 11 schließt den NTC-Widerstand 9 nach
einer bestimmten Zeitspanne kurz, und zwar nachdem sein Widerstand auf einen kleinen,
einen Bruchteil seines Kaltwiderstandes betragenden Wertes abgesunken ist.
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Der NTC-Widerstand 9 ist so bemessen, daß sein Kaltwiderstand an Stelle
des Regelpotentiometers 7 die zur Sperrung der Gasentladungsröhre erforderliche
Phasendrehung der Zündspannung hervorruft und daß seine Widerstandsänderung pro
Zeiteinheit in einer gewünschten Zeitspanne von z. B. 3 bis 5 Sekunden die Phasendrehung
auf 0° zurückdreht und damit die von der Gasentladungsröhre 1 abgegebene Gleichspannung
von 0 V auf ihre maximale Größe z. B. 10 000 V hochfährt. Die Widerstandsänderung
des NTC-Widerstandes 9, die durch eine geeignete Auswahl des NTC-Widerstandes bzw.
durch geeignete Zusammenschaltung mehrerer NTC-Widerstände variiert und in ihrer
Größe bestimmt werden kann, ist so groß zu wählen, daß beim Hochfahren der Gleichspannung
kein überschlag in der Gasentladungsröhre bzw. in einer Röhre der Senderstufe erfolgt.
Bei einer Gleichrichteranordnung, die z. B. für die Endstufe von Mittelwellensendern
verwendet wird und 10 000 V Gleichspannung liefern soll, ist die Zeitspanne des
Hochfahrens auf mindestens 3 bis 5 Sekunden festzulegen.
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Das Schaltrelais 11 ist hinsichtlich seiner Zeitverzögerung so auszulegen
und einzustellen, daß es den NTC-Widerstand 9 ungefähr eine Sekunde nach dem Hochfahren
der Gleichspannung, das heißt z. B. 4 bis 6 Sekunden nach seiner Einschaltung in
den Vormagnetisierungskreis der Steuerdrossel 4, kurzschließt und für die
Dauer der Einschaltung des Expansionsschalters 3 kurzgeschlossen hält.
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Die Einschaltautomatik der Gleichrichteranordnung besteht nun darin,
daß sämtliche zu seinem Betriebe erforderlichen Wechsel- und Gleichspannungen, d.
h. deren Quellen, über Schaltrelais aufgeschaltet werden, wobei diese Schaltrelais
durch Einschaltimpulse gesteuert werden, die eine beliebige zeitliche Reihenfolge
der Aufschaltung ermöglichen. Die Einschaltautomatik ist so eingestellt, daß zunächst
die Heizspannung und die Gittervorspannung der Gasentladungsröhre sowie die Vormagnetisierungsgleichspannung
der Steuerdrossel 4 eingeschaltet werden und erst zum Schluß die Wechselhochspannung
zugeschaltet wird. Die Zuschaltung der Wechselhochspannung erfolgt dabei in bekannter
Weise mit einem Expansionsschalter 3, der bei Überstrom, d. h. bei einem Kurzschluß
im Gleichrichter, automatisch sich selbst ausschaltet. Die Einschaltung erfolgt
über das Schaltrelais 12 durch einen Schaltimpuls. Wird bei einem Kurzschluß der
Expansionsschalter 3 wieder ausgelöst, so wird er automatisch durch einen neuen
Schaltimpuls wieder eingeschaltet.
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Um bei einem bestehenden Kurzschluß ein andauerndes Aufschalten des
Expansionsschalters durch die Einschaltautomatik, d. h. durch den wiederkehrenden
Einschaltimpuls, zu verhüten, ist in
Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens
dem Schaltrelais 12 des Expansionsschalters 3 eine Einschaltimpulsbegrenzung 13
vorgeschaltet, die nach mehrmaligem, vorzugsweise drei- bis fünfmaligem Aufschalten
des Expansionsschalters 3 bei Kurzschluß den Einschaltimpuls sperrt und damit ein
weiteres Aufschalten des Expansionsschalters unterbindet. Eine Signallampe 14 zeigt
optisch die Sperrung an. Die Impulsbegrenzung 13 verhindert einen vorzeitigen Verschleiß
des Expansionsschalters bei Kurzschluß. Sie zeigt außerdem optisch den Kurzschluß
an.
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Die impulsgesteuerte Einschaltautomatik mit ihrer Einschaltimpulsbegrenzung
für die Zuschaltung der Netzhochspannung sowie die von der eingeschalteten Netzspannung
ausgelöste automatische Schwenksteuerung, d. h. automatische Hochregelung der Anodengleichspannung
durch einen NTC-Widerstand, eignet sich insbesondere für den Hochspannungsgleichrichter
der Endstufe eines Mittelwellensenders. Der besondere Vorteil des NTC-Widerstandes
für die automatische Schwenksteuerung besteht darin, daß die Gleichrichterröhre
immer beim Einschalten gesperrt ist, d. h. daß keine zusätzliche Maßnahmen zur Sperrung
erforderlich sind, wie dies bei Verwendung eines Regelpotentiometers der Fall ist.
Das Kurzschließen des NTC-Widerstandes nach dem Hochfahren der Gleichspannung gewährleistet,
daß der NTC-Widerstand jeweils nur kurzfristig erwärmt wird und damit sein Kaltwiderstand
nach dem Hochfahren der Gleichspannung sofort wieder hergestellt wird.
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Die automatische Einschaltung und automatische Schwenksteuerung kann
jedoch auch für gittergesteuerte Hochspannungsgleichrichter verwendet werden, die
nicht für die Gleichstromversorgung der Endstufe von Mittelwellensendern, sondern
für beliebige Zwecke benötigt werden.