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Hochspannungsgleichrichter und Ventilableiter mit Feldemissionselektroden
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Erfindungsgemäss wird als Kathode eines Gleichrichters ein sehr dünner Draht von z. B. 2. 10-3 mm Durchmesser verwendet. Dieser Draht wird im Inneren eines hochevakuierten Metallzylinders isoliert angebracht und mit isolierten stärkeren Zuführungen versehen. Wird zwischen dem äusseren Zylinder, der zugleich als Anode dient und einen Durchmesser von z. B. 0, 8 cm hat, und der Kathode eine Spannung von 104 V gelegt, so ist die maximale Feldstärke auf der Kathodenoberfläche
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Anodenzylinder b angebracht. Die Spannungszuführung erfolgt über die Halter c, die selbst viel stärker und in die vakuumdichten Verschlüsse d eingeschmolzen sind. Bei stärkeren Strömen ist die Zufuhr von beiden Seiten vorteilhaft.
Durch das Fehlen einer Heizwicklung ist die Schaltung einfacher und billiger.
Auch die Gleichrichter G. und G, sind einfacher und kleiner als entsprechende Dioden mit geheizten Kathoden oder Sperrschichtgleichrichter.
Ventilableiter sind als Überspannungsschutz gegen Überspannungen. atmosphärischen Ursprungs be- kannt. Sie bestehen im wesentlichen aus Ansprechfunkenstrecken und spannungsabhängigen Halbleiterwi - derständen. Die Löschspannung wird durch die Forderung nach niedrigem Schutzniveau und hoher Betriebssicherheit bestimmt. Ableiter der 5 kA-Klasse müssen eine grosse Zahl von Stromstössen bis 5 kA aushalten und auch einzelne Stromstösse, die viel grösser sind, ertragen können.
Die maximale Steilheit der Überspannungswellen beträgt bis zu 500 kV/ts bei Systemspannungen über 200 kV. Die höchste Stromsteilheit kann bis 2 kA/ts betragen. Bei sehr grosser Stirnsteilheit der Wanderwelle soll der Zündverzug des Ableiters klein sein. um die Zündspitze nur sehr kurze Zeit einwirken zu lassen, da alle Isoliermaterialien bekanntlich für extrem kurz dauernde Spannungsspitzen unempfindlich sind. Der Zündverzug von Funkenstrecken ist aber durch physikalische Ursachen in den bekannten Ableitern nur mehr wenig unterschreitbar.
Erfindungsgemäss werden die Eigenschaften besonders geformter und bemessener Elektroden, welche eine starke Feldemission ermöglichen, auch zum Aufbau eines neuartigen Ventilableiters verwendet. Da aber im Gegensatz zu dem beschriebenen Gleichrichter sehr starke Ströme kurzzeitig abgeleitet werden müssen, ist ein anderer, ein grossflächiger Aufbau notwendig.
Wird als Anode ein hochevakuierter Metallzylinder mit z.B.2,4cm innerem Durchmesser verwendet und im Inneren ein Zylinder von 1, 6cm äusserem Durchmesser als Kathode isoliert angeordnet, so tritt an der Kathodenoberfläche folgende Feldstärke auf :
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Diese Feldstärke ist auch bei Spannungen bis 2. 106 V zu klein, um eine brauchbare Emission hervorzurufen. Durch Abstandsverkleinerung der Elektroden könnte die Feldstärke vergrössert werden, doch star- ke Veränderungen der Kennlinie bei unvermeidlichen Schwankungen der Abmessungen durch Temperatur- änderungen wären bei den notwendigen kleinen. Abständen die Folge. Auch die Isolationsfestigkeit der Isolierstoffe würde Schwierigkeiten bereiten.
Wie aus der Formel für die Feldstärke hervorgeht, steigt diese mit kleinem Krümmungsradius ri stark an. Dieser kleine Radius kann aber erfindungsgemäss durch Aufteilung der Kathodenoberfläche in sehr dünne Scheiben k mit grösseren Zwischenräumen l und Stromzuführung durch einen vollen, gut leitenden Kern m. ersetzt werden.
Fig. 2 zeigt einen Ableiter in schematischer Darstellung. Auf dem Kern m sind in Abständen von z. B. 0, 2 cm durch Abstandsringe n fixierte Emissionsscheiben'k angebracht. Diese Scheiben haben z. B. einen Durchmesser von 1, 6 cm, aber nur eine Stärke von 0,01 cm. Auf ihrem dünnen äusseren Umfang entsteht eine hohe Feldstärke, wenn zwischen der Auode o (Zylinder mit 2,4 cm innerem Durchmesser) und der Kathode keine entsprechende Spannung liegt.
Die Feldstärke Emax ergibt sich (bei mindestens doppelt so grossem Scheiben-als Kerndurchmesser und grossem Scheibenabstand 1 im Verhältnis zur Scheibenstärke s) angenähert aus der Formel :
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Die im Beispiel angegebenen Werte ergeben bei einer Spannungsspitze U von z.B. 3,3. 105 V, eine Feldstärke von
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Allgemeine Formeln zur Berechnung der Feldstärke sind nur in einfachen Fällen mathematisch ableitbar, wie z. B. bei der Gleichrichterkathode. Bei verwickelten Anordnungen muss eine graphische Methode angewendet werden und mit Hilfe der konformen Abbildung können verwickelte Feldbilder auf einfachere Fälle zurückgeführt werden.
Die Feldemission tritt bei geeignetem Kathodenmaterial bereits bei kleineren Spannungen und praktisch ohne Verzögerung auf. Es wird sich deshalb nur eine viel kleinere und nur besonders kurz dauernde Spannungsspitze aufbauen können. Das Schutzniveau kann niedriger gewählt werden, da überhaupt keine karzschlussartige Zündung auftritt. Die schwache Feldemission, welche bei besonders hohen betriebsfrequenten Überspannungen einsetzt, stört die Betriebssicherheit nicht und stellt nur eine geringfügige Belastung des Ableiters dar.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Feldemission von der Feldstärke in allgemeiner Darstellung. Durch eine entsprechende Länge der Kathode und durch ein Parallelschalten mehrerer Ableiter kann jede gewünsche Emissionsfläche und damit das notwendige Ableitvermögen erzielt werden. Durch eine geeignete Bemessung des Scheibendurchmessers und der Scheibenstärke ist auch die Ansprechspannung in weiten Grenzen veränderbar.
Der Stromübergang zwischen Kathode und Anode wird auch durch die Raumladung begrenzt, da die aus der Kathode ausgetretenen Elektronen das Potential erniedrigen. Bei den hohen Anodenspannungen der Ableiter oder den sehr kleinen Strömen in den Gleichrichtern führt dies aber nur zu kleineren Korrekturen der Feldstärke im Betriebszustand.
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der Wärmeableitfähigkeit ab. Der Kathodenanschluss r wird zweckmässigerweise viel stärker als der Kern m ausgeführt. Ebenso ist durch eine genügende Stärke der Isolation p und eine geeignete Formgebung der Enden und Anschlüsse des Ableiters eine Überschlagsneigung und Koronabildung zu verhindern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochspannungsgleichrichter und Ventilableiter mit Feldemissionselektroden und Ausnützung des Feldemissionseffektes für Gleichrichterzwecke und zur Ableitung von Überspannungen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer hohen Feldstärke an der Kathodenoberfläche und einer viel grösseren Kathodenoberfläche als mit den bekannten Spitzenkathoden möglich ist, als Kathoden sehr dünne Drähte a oder Scheiben k aus Metall oder andern geeigneten Stoffen im Inneren von hochevakuierten Metallzylindern verwendet werden, die in bekannter Weise gleichzeitig als Anode dienen, wobei die Drahtstärke oder die Scheibendicke am äusseren Rande nach den bekannten elektrostatischen Gesetzen so bemessen wird, dass bei den vorgesehenen Spannungen eine genügend starke Feldemission auftritt.