Verfahren zur Steuerung von Gas- oder Dampfentladungen. Das Problem der Steuerung von Gas- oder Dampfentladungen liegt zur Hauptsache in der Art und Weise, wie den den einzelnen Anoden zugeordneten Steuergittern die ge eignete Steuerspannung aufgedrückt wird, bezw. wie ihre Grösse und ihr Verlauf bei der Regelung variiert wird.
Es sind diesbezüglich schon eine grosse Anzahl von Lösungen bekannt ,geworden, beispielsweise die Verwendung von entspre- ehenden phasenverschobenen Hilfsspannun gen oder die Kombination von phasenkon stanten Hilfsspannungen mit variablen Gleichspannungen oder die Heranziehung von kontaktgesteuerter Gleichspannung.
Keines dieser Verfahren kann voll befrie digen, da sie zum Teil umständlich und teuer im Aufbau, schwerfällig in der Rege - Jung und vielfach beschränkt im Regel- bereich oder in einem bestimmten Regel bereich unsicher sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Steuerung von Entladungs- röhren mittelst Gitterbeeinflussung, bei dem zur Lieferung der Gitterspannung Hilfs wechselspannungen gleicher Phasenzahl wie das Hauptsystem in fester Phasenlage be nützt werden und welches bezweckt, bei ein fachstem Aufbau und kleinster Regelleistung eine einwandfreie Regelung über den ganzen Bereich zwischen Null- und Vollwert zu ge statten.
Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die von einem Hilfstransformator sinus- förmig gelieferte Gitterspannung während ihrer negativen Halbwelle am Gitter verzerrt wird und die Regelung .durch Veränderung dieser Verzerrung erfolgt.
Zur Ausführung dieses Verfahrens kann beispielsweise die in Fig. 1 gezeigte Anord nung dienen.
Die Gitterspannung wird aus einem Hilfstransformator, der die gleiche Phasen zahl wie der Haupttransformator besitzt, den Gittern über die Widerstände P und r zu geführt. Die Kapazitäten der Gitter gegen die Kathode sind durch zusätzliche Konden- satoren C im geeigneten Ausmasse vergrössert. Zwischen ]Kathode und dem Sternpunkt des Hilfstransformators ist noch eine Doppel gruppe zweier gegensinnig geschalteter Ven tile vorgesehen.
Dabei soll der Richtungssinn von V, derart sein, dass bei Strom±luss die Gitter negative Spannung erhalten, während Strom durch V2 positive Spannung auf die Gitter bringt. Die Stromdurchlässigkeit 'die ser beiden Ventile bezw. ihr scheinbarer Eigenwiderstand (zweckmässigerweise werden dafür Hochvakuumglühventile mit Gitter ge wählt) kann durch geeignete Steuerspannun gen an den Gittern G, und G, verändert werden.
Bei Betrieb der Anordnung nach Fig. 1 werden die Kondensatoren C und damit die Steuergitter g durch den Hilfstransformator hintereinander über V, negativ geladen und über V, entladen (negative "Halbwelle") und positive über VZ geladen und über V, wieder entladen (positive "Halbwelle"), wobei die Lade- und Entladeströme die Widerstände R durchfliessen.
Wählt man die Stromdurch lässigkeit der Ventile V, und VZ gleich gross, so wird auch die Dauer der positiven und negativen Halbwelle der Gitterspannung gleich sein. Wird dagegen zum Beispiel der Widerstand des Ventils V, grösser als der des Ventils V, gemacht, so wird die Dauer der negativen Halbwellen vergrössert, die der po sitiven Halbwellen entsprechend vermindert, und zwar aus folgenden Gründen.
Der Zu fluss, der negativen Ladung zu den Konden satoren über das gut leitende Ventil V, ist relativ gross, der Abfluss dieser grossen Elek trizitätsmenge, der über das Ventil V, er folgen muss, ist dagegen stark gehemmt und dauert daher ziemlich lang. Gerade das um gekehrte gilt bei der positiven "Halbwelle".
Der Zufluss der positiven Ladungen durch das Ventil V2 ist entsprechend der geringen Durchlässigkeit dieses Ventils nur gering, der Abfluss dieser kleinen Elektrizitätsmenge über das gut leitende Ventil V, wird daher s e 'hr rase h beendet sein.
Der besseren Übersichtlichkeit wegen wird bei dieser Erklärung der Wirkungs- weise des Verfahrens angenommen, dass an den Gittern keine 'Stromableitung eintritt. Diese Annahme ist für die negative Phase der Gitterspannung vollauf berechtigt, da der dabei an den Gittern auftretende Rückstrom nur Bruchteile eines Milliamperes beträgt, also gegenüber den Gittersteuerströmen die praktisch etwa 10. bis 300 mA gewählt wer den, tatsächlich vernachlässigt werden kann.
Der weitere Verlauf der Gitterspannung von negativen Werten gegen Null und weiter auf positive Werte ist für die Wirkungsweise der Steuerung nur bis zum Zündmoment der da zugehörigen Anode von Interesse. Dabei sind nach Gefäss und Gitterkonstruktion grund- sätzlich zwei Fälle zu unterscheiden. Ent weder tritt der Zündmoment schon bei ne gativen Wertender Gitterspannung oder erst bei positiven Werten ein. Im ersteren Falle erfolgt also die Zündung bei einem negativen Gitterpotential also zweifellos praktisch wieder bei Gitterstrom Null.
Im zweiten Fall kann extremerweise der Gitter- und Anodenzündmoment zusammenfallen, aber auch dann ist das Gitter bis zu seinem kriti schen Wirkungszeitpunkt praktisch stromlos.
Die Gitter sind also während des Durch laufens der Sperrphase stromlos bis zum Anoden bezw. Gitterzündmoment; während der daran anschliessenden Gitterphase ist die Spannung Gitterkathode durch die Charak teristik der Entladung auf den nur wenige Volt betragenden Wert .der Brennspannung fixiert.
Für .die Wirkungsweise der Steue rung ist eigentlich nur die negative Phase bis zum Zündmoment von primärem In teresse, die positive Phase nur insofern, als die stets gleiche Brennspannung unabhängig von der jeweiligen Regelstellung für den Übergang auf die nächste negative Phase stets gleiche Bedingungen gewährleistet. Da bei ist weiters zu beachten, dass durch den während der positiven Halbwelle fliessenden Gitterstrom und die damit zusammen brechende Spannung am zugehörigen Kon densator das Potential des Mittelpunktes M, gegenüber jenem von MZ verschoben wird,
wodurch der Stromfluss durch die Ventile V, und Y2 und damit die Möglichkeit einer Steuerung durch ihre Beeinflussung bedingt ist.
Nimmt man an, dass beide Ventile V1 und VZ voll offen sind und an den Gittern des Hauptkolbens überhaupt keine Stromab leitung eintritt, so erfolgt der Spannungs verlauf an den Gittern der normalen sinus- förmigen Spannung des Hilfstransformators, wobei zwar durch die Schaltelemente<I>B, r</I> und C eine gewisse Spannungsabsenkung und Phasenverschiebung gegenüber der Transfor- matorklemmspannung vorhanden sein wird, was aber für die Wirkungsweise und grund sätzliche Betrachtung ganz belanglos ist (Grenzfall 1 Fig. 2).
Berücksichtigt man den Cütterstrom während der positiven Phase, so ändert sich der Verlauf der Kurve in erster Annäherung nach der in Fig. 2 strich- liert gezeichneten Weise.
Im Grenzfall 2 (Fig. 3) sei das Ventil V. vollkommen gesperrt. Die Spannung an den Gittern erreicht dann annäherungsweise -den negativen Scheitelwert der Spannung des Hilfstransformators und bleibt unverändert auf diesem Wert.
Wird nun bei unveränderter Einstellung des Ventils V, das Ventil V2 mehr und mehr freigegeben, se entladen sich die Kondensa toren C zufolge ihrer Eigenspannung und un ter dem Einfluss der vom Hilfstransformator gelieferten Gegenspannung mehr oder minder schnell und der zeitliche Verlauf der Span nung an den Gittern folgt. Kurven, wie sie mit der Bezeichnung e, - e, in Fig. 4 ein gezeichnet sind.
e, und eo' sind die beiden vorerwähnten Grenzfälle. Für das Verfahren in der vorbeschriebenen Form kann als Ven til V, auch an Stelle eines Rochvakuumven- tils ein Dampfentladungsrohr mit praktisch verschwindendem Innenwiderstand und ohne Steuerorgan verwendet werden, da bisher eine Beeinflussung dieses Ventils zur Rege lung nicht erwähnt wurde.
In Fig. 4 ist auch die Gitterkennlinie eingezeichnet, die von den Entladungskurven an den Punkten Z, bis Z4 geschnitten wird, was vier verschiedenen Zündzeitpunkten entsprechen würde. Berück sichtigt man auch bei Fig. 4 wieder den Gitterstrom während der positiven Phase,. so gelten wiederum näherungsweise die strich- lierten Linien, was aber offensichtlich, da es sich um gegenüber dem Zündzeitpunkt zeit lich später liegende Momente handelt, für die Wirkungsweise der Steuerung ohne Belang ist.
Das Regel- bezw. Steuervermögen. des Verfahrens lässt sich aber noch erweitern, wenn nicht nur das Ventil V2, sondern auch das Ventil V, durch Verändern seiner Gitter spannung beeinflusst wird. Mit wachsendem Widerstand von V, wird die Ladekurve der Kondensatoren immer flacher verlaufen (Fig. 5).
Wird der Widerstand beider Ven tile jeweils gleichgewählt und nur in. seiner Grösse gleichzeitig geändert, so ergeben sich an den Gittern Sinuskurven, deren Scheitel spannung mit zunehmendem Widerstand der Ventilröhren abnimmt, .das heisst der Verlauf .der Kurven nach Grenzfall 1 wird nur quan titativ verändert (Fig. 6).
Dies ist eigentlich nicht ganz exakt; abgesehen von der Ab- Leitung, die im Gitter während der positiven Welle auftritt (strichlierte -Linie), bewirkt die Veränderung des Ventilwiderstandes, der in Serie mit dem Kondensator liegt, auch noch eine gewisse Phasenverschiebung, die aber für,die nachstehenden Betrachtungen be langlos ist und auch absolut genommen, bei richtigem Dimensionierungsverhältnis von C und B min.
und B max., wobei unter letz teren die jeweilige Summe aller Ohmschen Widerstände zu verstehen ist, nur kleine Werte erreicht.
Wird nun der Widerstand von VZ kleiner als der von V1 gemacht, so ergeben sich be sonders steil abfallende Entladungskurven, was mit Rücksicht auf einen möglichst schar fen Schnitt mit der Gitterkennlinie er wünscht ist (Fig. 7).
Welche speziellen Formen der vorge schriebenen Stromvarianten man wählt, hängt von den besonderen Bedingungen ab. Die universellsten Möglichkeiten bietet die Beeinflussung beider Ventilröhren, dagegen ergibt das Arbeiten mit uxiveränderlichexn Ventil V, den Vorteil, nur ein Gitter G, be einflussen zu müssen.
Die Wahl .der Grundphasenverschiebung (in Fig. 4) hängt von der Phasenzahl der Gesamtanlage und vom Umfang des gefor derten Regelbereiches ab. Für Sechsphasen betrieb und vollständige Regelung von Null bis Vollwert ist das Regelgebiet durch Schraffierung in Fig. 8 angegeben. Im wei teren sind bei dieser Figur gleich grosse Innenwiderstände der beiden Ventile V, und VZ für den Vollastpunkt angenommen,
wäh rend zur Einstellung kleinerer Lastwerte der Innenwiderstand des Ventils V, verkleinert, jener von V= vergrössert wird. Dieses spezielle Regelverfahren stellt natürlich nur ein Bei spiel der verschiedenen möglichen Varianten des Grundgedankens vor.
Eine weitere Ver besserung im Sinne eines steileren Kurven- verlaufes für den zur Steuerung benützten Entladungsvorgang ergibt sich, wenn im Ladestromkreis der Anordnung eine hohe Induktivität eingeschaltet wird.
Es wird da durch erreicht, dass die Drossel während der zweiten Viertelwelle des Aufladevorganges ihre magnetische Energie in den Kondensator hineinliefen. Das negative Spannungsmaxi mum an Gitter und Kondensator wird durch die vorhandene Induktivität erhöht und tritt zeitlich später ein.
Der Entladevorgang kann daher durch Wahl kleinerer Innenwider- stände in VZ gewaltsam beschleunigt werden, was einem steileren Verlauf der Entlade. kurven entspricht. Damit die Induktivität nur für den Ladevorgang wirksam ist, muss sie zwischen den beiden Punkten a und b .der Fig. l eingeschaltet werden.
Dabei darf nicht übersehen werden, dass sich die Lade vorgänge der einzelnen Gitter überlagern und vorstehende Massnahme daher mit wachsen der Phasenzahl ihre Wirkung mehr und mehr verliert. Es kann daher zweckmässig sein, beispielsweise für Sechsphasenbetrieb, das Hilfssystem in zwei gleichartige Drehstrom systeme oder drei gleichartige Einphasen- stromsysteme aufzulösen (Fig. 9).
Es ist selbstverständlich auch - möglich, an Stelle der auf der Kathodenseite angeordneten Ven- tile je ein Paar Ventile direkt in den Gitter zuleitungen vorzusehen. Der Effekt ist dann. derselbe, jedoch wird die notwendige Ventil zahl höher.
Das vorliegend beschriebene Steuerungs verfahren ist noch insofern erweiterungs fähig, als das Steuersystem nicht direkt auf die Gitter der Hauptentladungsgefässe ein wirken muss, sondern nach Art einer Nas- kadenanardnung unter Zwischenschaltung weiterer Hilfsentladungsgefässe. Diese Mass nahme, für die Fig. 10 ein Schaltbeispiel gibt, erscheint im ersten Augenblick als über flüssige Komplikation. Bekanntlich ist aber die Steuercharakteristik aller Entladungs gefässe temperatur- und damit belastungsab hängig.
Ein und.derselbe Regeleingriff wird daher je nach Belastung und Temperatur zustand der Belastungsgefässe mehr oder minder verschiedene Regelergebnisse liefern. Durch indirekte oder Kaskadensteuerung lässt sich diesbezüglich eine Verbesserung errei chen.
Die Wirkungsweise einer Schaltung nach Fig. 10 ist nach dem Vorbeschriebenen leicht verständlich. Die Aufladung,der Gitter und Kondensatoren auf negative Spannung erfolgt wieder durch das Ventil V,. Für die Entladung ist aber nicht mehr der Strom des Ventils V, direkt massgebend, da den Kon densatoren die beiden Hilfsventile H, V pa rallel geschaltet sind. Für diese Hilfsventile werden zweckmässiger Glühkathodenröhren mit Dampffüllung] verwendet.
Die Kapazität der Gitter dieser beiden Hilfsventile ist zwei fellos viel kleiner als jene der Hauptgitter, welche durch Zusatzkondensatoren beliebig vergrössert werden kann.
Das Ventil V" kann daher mit winzigen Entladeströmen arbeiten. Bei Unterschrei tung des für die Hilfsventile kritischen Wer tes ihrer Gitterspannung wenden diese zün den, womit die Kondensator- und auch Haupt gitterspannung fast augenblicklich zusam menbricht.
Die Verwendung der Hilfsventile ergibt somit zwei Vorteile: Einerseits wird die Entladekurve für den Kondensator und damit für die Hauptgitter ausserordent lich steil und damit die Steuerung vom Be- lastungszustand der Hauptentladungsgefässe unabhängiger, anderseits arbeiten die Hilfs ventile über den ganzen Regelbereich unter praktisch gleichen Bedingungen, so dass sie selbst keine merklichen @ Temperaturschwan kungen und damit auch keine Temperatur abhängigkeit aufweisen.
Eine andere Ausführungsform des Ver fahrens ist folgende: An Stelle der in Fig. 1 vorgesehenen bei den Ventile V1 und V2 kann ein Ventil und ein gewöhnlicher Ohmseher Widerstand R verwendet werden.
Die Unsymmetrie der Steuerspannung bleibt dabei erhalten, .denn der Stromdurchgang durch das zweite Ventil entspricht einem Nebenschluss des Wider standes, und es ist nach wie vor die Strom stärke in der aus Widerstand und Ventil ge bildeten Kombination von der Durchgangs- riehtung abhängig. Die Veränderung der Un- symmetrie kann in diesem Fall sowohl durch Steuerung des Ventils, als auch durch Ver änderung des Widerstandes durchgeführt werden.
Die Tatsache, dass die Unsymmetrie der Steuerspannung durch blosse Veränderung des Widerstandes geregelt werden kann, gibt die Möglichkeit, an Stelle der steuerbaren Hilfsventile umgesteuerte Ventilstrecken zu benützen. Eine derartige Schaltung zeigt <B>Mg. 11.</B>
Diese Anordnung unterscheidet sich von der nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, dass an Stelle des gittergesteuerten Glühkathoden- ventils V2 ein ungesteuertes Ventil und an Stelle des Ventils V,. ein mit R bezeichneter Ohmscher Widerstand getreten ist. Die Schaltung nach Fig. 11 arbeitet ähnlich wie die nach Fig. 1.
Auch hier kommt infolge der einseitigen Stromdurchlässigkeit des Hilfsventils eine Verzerrung der Sinusspan- nungen zustande. Je grösser der Widerstand R im Vergleich zum Widerstand des Hilfs- ventils in der Durchlässigkeitsrichtung ist,
umso- grösser ist der Unterschied der Leit- fähigkeiten der Kombination Hilfsventil- Widerstand R in den beiden Stromrichtun- gen und umso bedeutender ist auch der Un terschied in der Dauer der beiden Halbwellen der Gitterspannung bezw. die erzielte Ver zerrung.
Man kann weiters statt für zwei oder mehrere Gitter eine gemeinsame Kom bination aus Ventil und Widerstand vorzu sehen, für jedes Gitter eine eigene Kombina tion anbringen, oder aber auch für jedes Git ter nur ein eigenes Ventil vorsehen, während der Widerstand für alle oder mehrere Gitter gemeinsam bleibt.
Der Vorteil der Anbrin- gung getrennter Ventile für die einzelnen Gitterkreise liegt vor allem in der geringe ren Strombelastung der Hilfsventile. Eine Schaltung mit getrennten Ventilen zeigt Fig. 12.
Prei der Erklärung ,der Wirkungsweise dieser Schaltung ist es am besten, mit dem Augenblick zu beginnen, in dem das Steuer gitter bezw. der Kondensator g, die vorher negative Sperrspannung besassen, spannungs los bezw. nahezu spannungslos werden und dadurch die Zündung der zugehörigen Hauptentladungsstreeke herbeiführen.
In diesem Zeitpunkt wechselt auch die Span nung am Ventil V ihr Vorzeichen, so dass das Ventil stromdurchlässig wird und den Kondensator K überbrückt. Dieser Zu stand dauert so lange an, bis die negative Halbwelle der Spannung des Hilfstransfor mators beginnt. Jetzt wird das Ventil V wie der undurchlässig und der Kondensator K bezw. das Steuergitter erhält negative Sperr spannung. Früher oder später klingt diese Sperrspannung über den Widerstand R wie der ab. Sobald der Kondensator K entladen ist, findet die nächste Zündung der Ent ladungsstrecke statt.
In .der Schaltung nach Fig. 12 sind die Ventilstrecken V,., V, in gleicher Weise wie die Kondensatoren K,, K2 parallel zu den Strecken Gitter-Ka- thode angebracht und,da die Strecken Gitter Kathode ebenfalls mit Ventilwirkung aus gezeichnet sind, kann man die Funktion der Hilfsventile -den Strecken Gitter-Kathode übertragen;
wodurch eigene zusätzliche Ven tile in Fortfall kommen. Dabei ist es jedoch erforderlich, die Widerstände und Konden- satoren so zu dimensionieren, dass die Grösse der zur Bildung der Unsymmetrieerforder- lichen Ströme in die Grössenordnung der zu lässigen Gitterströme, das sind einige Milli- ampere, fallen.
Die Schaltung einer Anordnung mit Aus nützung der Ventileigenschaft der Gitter mit getrennten Widerständen für die einzelnen Gitter zeigt Fig. 13. Die Wirkungsweise @die- ser Schaltung ist folgende: In ,den Halbperioden, in denen die Span nung der zugehörigen Transformatorphase positiv ist, wird das Gitter zur Zündung kommen und Strom führen, wodurch der Kondensator überbrückt wird.
In jenen Halb perioden, während denen die Transformator spannung negativ ist, ist die Strecke Gitter Kathode gesperrt und der Kondensator wird zu Beginn .der Halbperiode aufgeladen und dann wieder entladen. Die nächste Zündung des Gitters kann erst erfolgen, wenn der Kondensator bis auf die Spannung Null ent laden ist. Dann wird der Kondensator wie der überbrückt und so ergibt sich eine perio dische Folge von Einschaltvorgängen.
Die Zeit, die der Kondensator zur La dung und Wiederentladung benötigt, hängt sowohl von der Grösse,der Kapazität, als auch von der Grösse des Widerstandes in Serie mit dem Kondensator ab, also vom Produkt CR. Damit ergibt sich, dass durch Veränderung einer oder beider Grössen des Produktes, die Unsymmetrie und damit der Zündmoment ,des Gitters, sowie der zugehörigen Hauptanode verändert werden kann.
Den Verlauf und die Veränderung der Steuerspannung bei ver schiedenen Produkten CR zeigt Fig. 14, und zwar für den Fall getrennter Widerstände. Bei gemeinsamem Widerstand ergeben sich ähnliche Formen des Spannungsverlaufes und es bleibt auch in diesem Fall die Beziehung bestehen, dass der Zündmoment im wesentli chen durch die Grösse des Produktes CR be stimmt ist.
Da mit wachsendem Produkt CR die Zündmomentverschiebung vergrössert wird, erhält man die folgende einfache Methode zur Sehnellbegrenzung der gurzschlussströme von gesteuerten Gas- oder Dampfentladungs- g efässen.
Bei genügend .später Zündung kann der Kurzschlussstrom einen gewissen Wert nicht mehr überschreiten und es genügt bei einer der oben besprochenen Steuermethoden im Gitterkreis einen entsprechend grossen Wider stand zuzuschalten um den Kurzschlussstrom unterhalb der zulässigen Grenze zu halten. Dadurch, dass man diesen zuzuschaltenden Widerstand dauernd in Serie mit dem Regel widerstand lässt, ihn jedoch im Normal betrieb durch einen geeigneten Schalter über brückt, der im Kurzschlussfall geöffnet wird,
erhält man eine ausserordentlich einfache Schaltung.