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Schaltanordnung zur überwachung des Betriebszustandes im Innern eines
Vakuumentladungsgefäßes mit Gas- oder Dampffüllung und Quecksilber- oder Glühkathode
Bei Vakuumentladungsgefäßen mit Glühkathode oder Quecksilberkathode, bei denen die
Elektronenraumladung durch die Gegenwart positiver Ionen, die durch die Ionisation
einer Gas- oder Dampffüllung erzeugt werden, kompensiert wird, also bei mit Metalldampf
oder Edelgas 'gefüllten Apparaten, beispielsweise Quecksilberdampfapparaten, z.
B. Quecksilberdampfgleichrichtern, Umrichtern; Wechselrichtern, nimmt bekanntlich
der Spannungsabfall zwischen zwei Leiterteilen, die mit der Entladung in Berührung
stehen, z. B. zwischen Anode und Kathode, mit wachsendem Arbeitsstrom zunächst bis
zum Erreichen eines Maximums, das bei kleinen Stromstärken liegt, zu und von da
ab allmählich wieder ab. Erst bei größeren Stromstärken nimmt der 'Spannungsabfall
wieder zu und kann, je nach der Konstruktion des Apparates, in einem mehr oder minder
steilen Anstieg höhere Werte erreichen. Dieser Anstieg tritt bei um so kleinerer
Stromstärke ein und verläuft um so steiler, je niedriger der Gasdruck, z. B. der
Quecksilberdampfdruck, in dem Apparat ist.
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Es hat sich nun gezeigt, daß beim Eintreten .dieses Anstiegs des Spannungsabfalls
infolge von zu hohen durch das Entladungsgefäß fließenden Arbeitsströmen (Überströmen)
Störungen, insbesondere Rückzündungen und Überspannungen, an dem Apparat auftreten
können. Solche die Betriebssicherheit gefährdenden Überströme können durch überlastungen
oder Kurzschlüsse im Netz verursacht sein. Um nun. zu verhindern, daß das Entladungsgefäß
in Betriebszustände kommt; bei denen mit wachsender Belastung der Spannungsabfall
stärker ansteigt, werden gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von dem durch den Arbeitsstrom
verursachten Spannungsabfall zwischen Leiterteilen, die mit der Entladung in Berührung
stehen, Schaltvorrichtungen derart .gesteuert, daß sie beim überschreiten eines
vorbestimmten Spannungsabfalls die Überströme begrenzen oder das Entladungsgefäß
abschalten. Die Auslösung dieser Schaltvorgänge kann entweder durch eine von dem
Spannungsabfall abhängige Spannung oder den Spannungsabfall selbst ohne Benutzung
mechanisch betätigter Vorrichtungen auf rein elektrischem Weg (elektrostatisch durch
Aufladung von den Anoden vorgelagerten Gittern) gesteuert werden, oder man kann
einen durch den Spannungsabfall verursachten Stromfluß induktiv oder galvanisch
auf die zur Begrenzung der Überströme oder zur Abschaltung des Entladungsgefäßes
dienenden mechanischen Schalteinrichtungen einwirken lassen.
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Durch Einschalten besonders geformter Lichtbogenführungen zwischen
Kathode und Anode kann man in einer vorteilhaften Ausführungsfonn der Erfindung
den bei größeren Stromstärken auftretenden Anstieg des Spannungsabfalls absichtlich
ganz besonders ausgeprägt gestalten. Wird beispielsweise die durch die Anodenhülse
und die Anode gebildete Kammer in an sich bekannter Weise
durch
Einsetzen .einer Blende mit verengter Durchtrittsöffnung in der Nähe der Anode unterteilt,
so zeigt es sich bekanntlich, daß,,
| hierdurch der Anstieg des Spannungsabfalls`' |
| in Abhängigkeit vom Arbeitsstrom zwischen` |
| Anode und Kathode bzw. zwischennä. |
und Blende -ein ;ganz besonders hoher ist: Die Kammer wird nämlich durch den Stromdurchgang
von positiven Ionen evakuiert. Hierdurch entsteht eine Verarmung an Gas-bzw. Dampfteilchen
in dieser Kammer, so daß nicht mehr in genügender Zahl positive Ladungsträger gebildet
werden, was die Entstehung einer Elektronenraumladung vor der Anode und damit den
hohen Spannungsabfall zur Folge hat.
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Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen an sich bekannten Lichtbogenführung
ist in Fig. i dargestellt: i ist die Anode, der durch die Gefäßwand 2 der .Ström
zugeführt'wird, und 3 die Anodenhülse. Im Innern der Anodenhülse ist eine Blende
q., z. B. in Form eines Blechschirmes, eingesetzt mit einer gegenüber dem Lichtbogenquerschnitt
verengten Durchtrittsöffnung 5.
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Zur Steuerung der die zu hohen, durch das Entladungsgefäß fließenden
Arbeitsströme begrenzenden oder das Entladungsgefäß ausschaltenden Schaltvorrichtungen
ist es nicht erforderlich, den ;gesamten Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode
für die Auslösung heranzuziehen, sondern es ist möglich, nur einen Teil dieses Spannungsabfalls
zu benutzen, beispielsweise =den Spannungsabfall zwischen :der Anode und dem metallenen
Gehäuse, .der Anode und der Anodenhülse, der Anode und einem eingebauten Gitter
usw. Man kann auch den Spannungsabfall zwischen zwei Leiterteilen, von denen beide
weder die Anode noch die Kathode sind, heranziehen, z. B. Anodenhülse und Gehäuse
oder Anodenhülse und Gitter: Wesentlich ist aber, daß die verwendeten Leiterteile
stets in Berührung mit ;der Entladung stehen, und die Potentiale; die sie annehmen;
durch den Arbeitsstrom von Anode zur Kathode bestimmt werden.
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Vielfach ist es sogar vorteilhaft, zum Abgriff des Spannungsabfalls,
der für die Auslösung der Schaltvorrichtungen zur Begrenzung der überströme oder
zur Ausschaltung des Entladungsapparates ausgenutzt wird, die Anode nicht heranzuziehen,
da bei einer Verbindung der Anode mit besonderen Ausschalt- oder Begrenzungsvorrichtungen
der Einfluß der negativen Spannung welche die Anode im Sperrintervall annimmt, ausgeschaltet
werden muß.
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Da sich der .Spannungsabfall. zwischen Anode und Kathode oder zwischen
zwei anderen beliebigen Leiterteilen, die in Berührung mit der Entladung stehen,
indem Zeitintervall, in dem eine bestimmte Anode Ström führt, zeitlich :ändert,
bestehen verschiedene Mög-
| 4Ehkeiten, diesen Spannungsabfall zur Steue- |
| '"Yfxng der Vorrichtungen für die Auslösung |
| -.der Schaltvorgänge zur Begrenzung der über- |
ströme bzw. zur Ausschaltung des Apparates auszunutzen. Beispielsweise kann man
den Mittelwert oder den Scheitelwert des Spannungsabfalls während eines Stromimpulses
für die Steuerung benutzen.
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Als Einrichtungen zur Begrenzung der Überströme bzw. zum Ausschalten
des Entladungsapparates kommen Steuergitter oder Schaltvorrichtungen id den Stromkreisen,
die an den Entladungsapparat angeschlossen sind, in Betracht. Im erstgenannten Fall
beeinflußt der Mittelwert bzw. der Scheitelwert des Spannungsabfalls zwischen .den
benutzten Leiterteilen die Steuergitter derart, daß diese entweder den Stromdurchgang
begrenzen oder ihn vollständig abriegeln, so daß der Entladungsapparat mindestens
kurzzeitig außer Betrieb gesetzt wird. Im zweitgenannten Fall wird der Spannungsabfall
zwischen den mit der Entladung in Berührung stehenden Leiterteilen benützt, um die
Auslösespulen von Schaltvorrichtungen zu betätigen.
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Um den Spannungsabfall zwischen den mit der Entladung in Berührung
stehenden Leiterteilen nur so lange auf die vorgesehenen Einrichtungen zur Auslösung
der Schaltvorrichtungen bzw: zur Beeinflussung von Steuergittern einwirken zu lassen,
als ein Arbeitsstrom fließt, kann in den Stromkreis zwischen den beiden Leiterteilen
eine Ventilzelle eingeschaltet werden, die einen Stromfluß im Kreis zwischen den
beiden Leiterteilen nur so lange ermöglicht, als zwischen diesen die durch den Arbeitsstrom
gegebene Polarität besteht.
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In Fig: z ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltanordnung gemäß
der Erfindung dargestellt.: 6 ist die Anöde und 7 die Kathode des Entladungsgefäßes.
Die Anode und die Kathode sind über einen Kondensator g und eine Ventilzelle i o
miteinander verbunden. Der infolge des Arbeitsstromes auftretende Spannungsabfall
zwischen der Anode 6 und der Kathode 7 bewirkt eine AufIadung des Kondensators g.
Parallel zu dem Kondensator liegt :die Steuerspule i i eines Schalters. Steigt die
Aufladung des Kondensators 9 über einen vorbestimmten Betrag, so bringt die Spule
i i den ihr zugeordneten Schalter zum Ansprechen, der in dem Hauptstromkreis des
Entladungsgefäßes die gewünschten Schaltungen zur Begrenzung des Überstromes oder
Ausschaltung des Entladungsgefäßes auslöst. Die Ventilzelle i o hat die Aufgabe,
eine Einwirkung des während des Sperrintervalls auftretenden
hohen
negativen Spannungsabfalls zwischen Anode und Kathode auf die Steuerspule i i zu
verhindern.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, in
Reihe mit der Ventilzelle die Primärwicklung eines Transformators zu schalten. Mittels
der durch die Sekundärwicklung dieses Transformators induzierten Spannung können
dann irgendwelche der erwähnten Einrichtungen, wie Steuergitter oder Auslösespulen,
von Schaltern beeinflußt werden. In Fig.3 ist eine derartige Anordnung in Verbindung
mit einem Steuergitter schematisch dargestellt, bei der ein durch den Spannungsabfall
verursachter Stromfluß induktiv auf den Auslösemechanismus einwirkt.
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6 ist wieder die Anode, 7 die Kathode, die über die Ventilzelle io
und die Primärwicklung i z eines Transformators miteinander verbunden sind. Die
Sekundärwicklung 13 des Transformators liegt mit dem einen Ende an der Kathode und
mit dem andern Ende über eine weitere Ventilzelle i q. und einem Kondensator 15
an einem Steuergitter 16, dem in üblicher Weise noch ein Widerstand 17 vorgeschaltet
ist.
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Fließt nun der Arbeitsstrom von der Anode 6 zur Kathode 7 und erzeugt
zwischen der Anode 6 und der Kathode 7 einen Spannungsabfall, so bewirkt dieser
Spannungsabfall einen Stromstoß über die Ventilzelle i o und die Primärwicklung
i z des Transformators. Dieser Stromstoß induziert in der Sekundärwicklung 13 ebenfalls
einen Stromstoß, der den Kondensator 15 ;aufladet. Da die Ventilzelle i q. derart
geschaltet ist, daß, über die Sekundärwicklung 13 ein Strom vom Steuergitter 16
zur Kathode 7 fließen kann, erfolgt eine negative Aufladung des Steuergitters, 16,
die so lange anhält, bis nach Abklingen des Arbeitsstromstoßes in einem Stromintervall
der neue Arbeitsstromstoß im darauffolgenden Stromintervall wieder einsetzt. Je
nach der Stärke seiner Aufladung begrenzt das Steuergitter entweder den Überstrom
oder riegelt :das Entladungsgefäß ganz ab.
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Der dem Steuergitter 16 vorgeschaltete Widerstand 17 bewirkt bei richtiger
Bemessung und bei geeignetem übersetzungsverhältnis des Transformators 12, 13, daß
erst dann eine genügende Aufladung des Steuergitters 16 eintritt, wenn der durch
den Arbeitsstrom bedingte Spannungsabfall zwischen 6 und 7 einen bestimmten Grenzwert
überschreitet.
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Die Ventilzelle i o hat hier ebenfalls die Aufgabe, den zwischen der
Anode 6 und der Kathode 7 während des Sperrintervalls auftretenden hohen negativen
Spannungsabfall von der Betätigungseinrichtung für das Steuergitter 16 fernzuhalten.
Die Erfindung kann naturgemäß auch durch zahlreiche andere Schaltanordnungen verkörpert
werden, z. B. kann man in dem die Schaltvorrichtungen steuernden Hilfsstromkreis
zwischen Anode und Kathode statt einer Ventilzelle ein polarisiertes Relais vorsehen,
das nur auf Stromstöße in Richtung Anode-Kathode anspricht. Ferner können Elektronenröhren
benutzt werden, mit welchen durch Beeinflussung ihres Gitters in Abhängigkeit von
dem Spannungsabfall größere Energien zum Auslösen von Schalter usw. gesteuert werden
"können. Weiterhin ist @es denkbar, daß bei einem Entladungsgefäß mit mehreren Anoden
ein Überstrom über eine von diesen Anöden, z. B. mittels Steuergitters, die der
betreffenden Anode zeitlich nachfolgende sperrt.
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Ferner kann man Verzögerungseinrichtungen, z. B. Zeitrelais, derart
anordnen, daß ein Überstrom nicht sofort im Sinne der Erfindung, sondern erst nach
einer gewissen Dauer der Einwirkung wirkt.