Mehrstufiger Kaskadengleichrichter Zur Erzeugung hoher Gleichspannung wird mei stens eine Kaskadenschaltung von Gleichrichtern und Kondensatoren benutzt. Die Wirkung ist ähnlich wie bei einem Transformator; der am Ausgang zur Ver fügung stehende Gleichstrom ist um so kleiner als der Eingangs-Wechselstrom, <B>je</B> grösser das Spannungs- Übersetzungs-Verhältnis ist.
Dagegen ist der Wirkungsgrad meistens viel schlechter als bei einem Transformator, er hängt insbesondere von der Grösse der benutzten Konden satoren und der Frequenz des Eingangsstromes sowie der Anzahl der Spannungs-Vervielfachungsstufen ab.
Für viele Anwendungen ist aber die auf der Aus gangsseite vorhandene Welligkeit noch viel störender als der schlechte Wirkungsgrad. Die Ursachen sind für beide Erscheinungen die gleichen. Während aber der Leistungsverlust durch Erhöhung der Eingangsenergie ausgeglichen werden kann, gibt es kein ähnliches Heil mittel gegen die Welligkeit.
Diese ist besonders störend in Apparaturen, wo Elementarteilchen beschleunigt werden, z. B. bei Elek tronenmikroskopen. Hierbei kommt es darauf an, dass die Teilchen immer die gleiche Geschwindigkeit haben; im Elektronenmikroskop werden durch zu grosse Wel ligkeit die Beugungsbilder verzerrt.
Noch viel störender ist die Welligkeit bei den so- genannten Partikel-Acceleratoren, die für die Kern physik gebraucht werden. Diese werden zur möglichst genauen Bestimmung der Kernspektren benutzt; dabei kommt es wesentlich auf die Schärfe der Energie definition der bombardierenden Teilchen an, z.B. um das Intensitätsmaximum des Übergangs festzulegen.
Durch die Welligkeit ist ein Energieband für die Partikel festgelegt, innerhalb dessen eine Unterschei dung nicht möglich ist. Dadurch wurde bisher die Verwendbarkeit der Kaskadengeneratoren über eine Spannung von etwa 2 Millionen Volt unmöglich ge- macht. Bei höheren Spannungen sind höhere Stufen zahlen nötig, und mit der Stufenzahl steigt die Wellig keit zu stark an.
Bisher hat man deshalb für höhere Energien den sogenannten Van de Graaff-Generator vorgezogen, der zwar direkt eine welligkeitsfreie Gleichspanriung erzeugt, aber im mechanischen Aufbau sehr kompli ziert ist, nur eine ungenügende Steuerfähigkeit in bezug auf die Spannung der einzelnen Elektroden besitzt und nur die Entnahme sehr kleiner Ströme gestattet.
Mit der vorliegenden Erfindung soll nun dieser Nachteil des Kaskadengenerators für Partikel-Be- schleunigung überwunden werden, so dass er auch für grosse Energien einem Van de Graaff-Generator min destens gleichwertig wird.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein mehr stufiger Kaskadengleichrichter mit Schub- und Glät- tungskondensatoren und Gleichrichtern, wobei die Glättungskondensatoren eine Serieschaltung zwischen den Belastungsklemmen des Kaskadengleichrichters bilden.
In der Zeichnung ist zur Erklärung der Wirkungs weise die neue Schaltung (Fig. <B>1)</B> der bisher gebräuch lichen (Fig. 2) gegenübergestellt. In beiden Schaltungen werden die folgenden Abkürzungen verwendet: El, <B>E2</B> Klemmen für die Eingangsspannung<B>U</B> für den Kaskadengenerator (gewöhnlich an der Sekundär wicklung eines Hochspannungstransformators); <B><I>A, A2</I></B> Ausgangsklemmen für die erzeugte Gleich spannung; Gl-G4 <I>und</I> Gl'-G4' Hochspannungsgleichrichter (z. B.
Glühkathodengleichrichter oder Selengleichrichter); Cl, <B>C2</B> sogenannte Glättungskondensatoren, deren Spannung bis auf die Welligkeit zeitlich konstant ist; Cit, C,' und C,", C2" Schubkondensatoren, deren Spannung im Falle a (Fig. 2) um die ganze, im Falle<B>b</B> (Fig. <B>1)</B> um die halbe Eingangs-Wechsel- spannung schwankt.
Erstmals wurde die einfache Kaskadenschaltung vor etwa 20 Jahren von Cockcroft und Walton zur Beschleunigung von Protonen mit hohen Gleich spannungen angewendet. Dabei haben die Autoren gleichzeitig für die am Ausgang der Kaskade auf tretende Spannung die folgende Formel für die Wellig keit<B>ö U</B> abgeleitet:
EMI0002.0011
(vgl. L. De Broglie: Les Acc616rateurs de Particules, <B>p. 90,</B> Paris<B>1950),</B> wobei<B>i</B> der Belastungsstrom,<B>f</B> die Frequenz,<B>C</B> die Kapazität der Kondensatoren (gleich für alle Kondensatoren) und n die Stufenzahl der Kaskade ist.
Die Welligkeit kommt dadurch zustande, dass jeder Glättungskondensator erstens eine bestimmte Elektri zitätsmenge direkt an den Belastungswiderstand ab geben muss und zweitens indirekt diejenigen Elektrizi tätsmengen, die gleichzeitig von allen oberhalb des be trachteten in der Kaskade befindlichen Glättungskon- densatoren an den Belastungswiderstand abgegeben werden; denn alle diese Ladungsquantitäten mussten vorher von dem betrachteten Glättungskondensator durch Umladung nach oben transportiert werden.
Bezeichnet man wie oben die Welligkeit,<B>d.</B> h. den infolge der Ladungsabgabe an den Belastungswider stand an<B>C,</B> in jeder Periode entstehenden Spannungs abfall mit<B>ö<I>U,</I></B> so tritt an C,' der gleiche Spannungs abfall, an<B>C,</B> aber 2 ö <B>U</B> auf.
Die Welligkeit am untersten Glättungskondensator ist n mal grösser als die des obersten. Durch Auf- summlerung erhält, man die gesamte Welligkeit der Ausgangsspannung. Erhöht man die Stufenzahl, so nimmt die Welligkeit quadratisch mit n zu.
Die Existenz der Welligkeit bedeutet, dass an jedem Kondensator die Spannung am Ende einer Periode der Speisespannung einen niedrigeren Wert als am Anfang der Periode hat. Da alle Kondensatoren im gleichen Moment, d.h. zu Beginn einer Periode aufgeladen werden, muss also der aufladende Kondensator eine um die Welligkeit höhere Spannung als der aufzu ladende haben, damit dessen Ladungsdefizit aus geglichen werden kann. Es entsteht somit an jedem Kondensator ein Spannungsverlust, der um so grösser ist,<B>je</B> höher sich der Kondensator in der Kaskade befindet. Entsprechend dem Betrag der Welligkeit ist auch der Spannungsverlust in den untersten Stufen am grössten.
Das gesamte so entstandene Spannungs defizit<B><I>A U</I></B> nimmt in bekannter Weise mit der<B>3.</B> Potenz der Stufenzahl n zu.
EMI0002.0032
(vgl. L. De Broglie: Les Acc26rateurs de Particules, <B>p. 92,</B> Paris<B>1950).</B> Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass sowohl die Welligkeit wie auch der Span nungsabfall hauptsächlich dadurch verursacht wird, dass die Glättungskondensatoren ausser der Ladungs abgabe an den Verbraucher auch noch die Ladung für die in der Kaskade höher gelegenen Kondensatoren weitergeben müssen.
In der normalen Schaltung (Fig. 2) sind nun diese beiden Funktionen ungleichmässig auf dieKondensator- säulen verteilt. Die Schubkondensatoren geben nur Ladung an andere Kondensatoren ab, während die Glättungskondensatoren sowohl Ladung zum nächst höheren Schubkondensator als auch zum Verbraucher transportieren.
Man kann dies auch so ausdrücken: In der konventionellen Schaltung erfolgt der Ladungs transport zwischen den Kondensatoren in der einen Halbperiode des Speisestromes durch Schub- in der andern Halbperiode durch Glättungskondensatoren. Da nun die Welligkeit allein durch die Spannungs schwankung an den Glättungskondensatoren bedingt ist, könnte sie beträchtlich vermindert werden, wenn ihnen die Funktion des Ladungstransportes nach oben abgenommen würde, so dass sie nur noch wie beim Halbweggleichrichter Leistung an den Verbraucher liefern müssten.
Dies wird erfindungsgemäss durch Symmetrisierung der Schaltung wirklich erreicht, wie Fig. <B>1</B> zeigt. Erfindungsgemäss ist der Kaskadengleichrichter so gebaut, dass wenigstens zwei Doppelweggleichrichter- Anordnungen in Kaskade vorgesehen sind, wobei die Wechselstromklemmen (iv) dieser Anordnungen über Schubkondensatoren untereinander und zuletzt mit den Wechselstromspeiseklemmen <B><I>(E,</I></B> E,) verbunden sind,
und dass die Schub- und die Glättungskondensa- toren sowie die Gleichrichter in symmetrischer Schal tung angeordnet sind.
Dass der Ladungstransport nach oben in Fig. <B>1</B> nur auf die beiden Schubkondensatoren-Säulen verteilt ist, während die Glättungskondensatoren nur Ladung nach aussen abgeben, sieht man, wenn man nach dem Vor zeichen der Spannung an den Kondensatoren in einer bestimmten Halbperiode der Speisespannung fragt. Z.
B. betrachtet man die Spannungen an<B>C,</B> und<B>C,</B> in einer Halbperiode, in der C,.' schon geladen ist, dann liegt an dem Gleichrichter<B>G,</B> momentan der Scheitel wert der Spannung 2<B>U.</B> Auf diese wird der Konden sator C, aufgeladen, wobei der Einfachheit wegen die Voraussetzung gemacht wird, dass die Impedanzen des Transformators und der Gleichrichter vernachlässigbar sind; die gleichen Annahmen wurden auch bei der Ableitung der Formeln<B>(1)</B> und (2) gemacht.
Gleichzeitig wird aber auch C," auf dieselbe Span nung aufgeladen. Die obern Klemmen von<B>C,</B> und<B>C."</B> müssen sich auf dem gleichen Potential befinden, da sie mit dem ladenden Kondensator<B>C,'</B> über Gleich richter in der Durchlassrichtung verbunden sind. Die untern Klemmen haben das gleiche Potential, weil im gleichen Moment wie<B>C,</B> auch C," aufgeladen wird, und daher die Spannung an G,'gleich <B>0</B> wird. Es werden also CI und C," im gleichen Moment geladen, dagegen erfolgt ihre Entladung zu verschiedenen Zeiten.
Die Entladung von<B>C,</B> durch den Belastungswiderstand beginnt sofort mit maximaler Spannungsabnahme im Anfang. C," kann zu dieser Ladungsabgabe infolge der Sperrwirkung von<B>G,'</B> nichts beitragen. Er bleibt also eine halbe Periode lang auf konstanter Spannung, bis die Umladung auf<B>C,</B> erfolgt. Entsprechende Beziehun gen können für alle andern Stufen auch grösserer Kas kaden aufgestellt werden. Man erkennt leicht, dass alle Verbindungen zwischen den Gleichrichtern und der Glättungssäure ausser der obersten in der Kaskade weggelassen werden können, ohne die Wirkung der Schaltung zu beeinträchtigen. Dann ist die Ähnlichkeit mit einem gewöhnlichen Einweggleichrichter auch äusserlich sichtbar.
Die gesamte Ladung für die Säule der Glättungskondensatoren wird dann durch die obersten Gleichrichter der Kaskade zugeführt.
Da die Glättungskondensatoren nur noch Ladung an den Verbraucher und nicht mehr an andere Konden satoren der Kaskade abgeben, hängt die Welligkeit wie bei einem Einweggleichrichter nur noch von der Gesamtkapazität aller Glättunaskondensatoren in Serieschaltung ab.
Die Welligkeit ö <B>U</B> ist somit gegeben durch:
EMI0003.0011
wobei<B>1</B> der Belastungsstrom,<B>f</B> die Frequenz,<B>C</B> die Kapazität der Kondensatoren (gleich für alle Konden satoren) und n die Stufenzahl der Kaskade ist. Bei der einfachen Schaltung a) ist dagegen nach<B>(1)</B>
EMI0003.0012
Die Erfindung ermöglicht es also, die Welligkeit um den Faktor n<B><I>+</I> 1</B> herabzusetzen, was besonders bei grossen Stufenzahlen sehr viel ausmacht.
Der Mehraufwand der neuen Schaltung nach Fig. <B>1</B> gegenüber der alten nach Fig. 2 ist nicht gross. Die Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators enthält doppelt soviele Windungen, sie muss aber nicht für eine höhere Spannung isoliert sein, da ja hier die Mittelanzapfung geerdet ist.
Ferner werden doppelt soviele GleichrichterelementeGals Schubkondensatoren C,'-C," und doppelt soviele Schubkondensatoren wie Glättungskondensatoren CI-C, benötigt, wobei aber jedes Gleichrichterelement nur den halben Strom aus halten muss. Unter der Annahme, dass wiederum alle Kondensatoren gleich gross sind, wird das gesamte Kondensat6rvolumen nur<B>50010</B> grösser als bei der gewöhnlichen Schaltung,
weil drei anstatt zwei Kon- densatorsäulen vorhanden sind.
Grundsätzlich könnte man die Schubkondensatoren in der symmetrischen Schaltung beliebig klein machen, ohne dass die Welligkeit vergrössert würde. Dann würde aber der Spannungsverlust, der hier umgekehrt pro portional zur Kapazität der Schubkondensatoren und von der Grösse der Glättungskondensatoren unab hängig ist, beliebig gross werden. Es ist noch hervorzuheben, dass auch der Span nungsverlust durch die Erfindung etwa um einen Fak-; tor 4 reduziert wird, obwohl er auch hier mit der dritten Potenz der Stufenzahl anwächst.
Eine Verminderung um die Hälfte wird dadurch verursacht, dass die Ladung, um an die Spitze der Kaskade zu gelangen, nur halb soviele Kondensatoren passieren muss, wie in der gewöhnlichen Schaltung. Eine weitere Verkleine rung um die Hälfte rührt davon her, dass die sym metrische Kaskade eine Doppelwegschaltung darstellt, in deren jedem Zweig der Belastungsstrom nur die Hälfte des Gesamtstromes beträgt.
Die genaue Berechnung ergibt für den Spannungs verlust:
EMI0003.0040
während bei der gewöhnlichen Schaltung nach (2)
EMI0003.0041
Es ist bekannt, dass im Kaskaden-Gleichrichter neben der beschriebenen belastungsabhängigen Wellig keit eine Welligkeit zweiter Art auftritt, die auch im unbelasteten Zustand auftritt, die von der Frequenz des speisenden Wechselstromes unabhängig ist und durch die Kapazität zwischen den Schub- und Glättungs- kondensatoren, <B>d.</B> h. der Parallelkapazität zu den Gleichrichtern verursacht wird. Sie wird daher meistens als kapazitive Welligkeit bezeichnet.
Erst in den letzten Jahren ist nach geeigneten Mitteln gesucht worden, um sie zu beseitigen. Man hat gefunden, dass dies da durch geschehen kann, dass in der gewöhnlichen Schal tung nach Fig. 2 die Sekundärspule des speisenden Hochspannungstransformators nicht am Ende, sondern längs der Wicklung an einem geeigneten Punkt geerdet wird. Diese Erdung muss empirisch festgelegt werden, was naturgemäss bei der hohen Spannung nicht einfach ist. Ferner bedingt diese Art der Symmetrisierung, dass auch die Säule der Glättungskondensatoren nicht mehr direkt geerdet ist.
Dies erschwert das häufig gebrauchte Verfahren der elektronischen Stabilisierung der Hoch spannung, die am einfachsten durch Anlegen einer Seriespannung zwischen Erde und dem untersten Glättungskondensator bewerkstelligt wird.
Die erfindungsgemässe Schaltung ist von vorn herein symmetrisch, daher verschwindet ihre kapazitive Welligkeit, ohne dass eine zusätzliche Symmetrisierung erforderlich ist. Auch bleibt so die Säule der Glättungs- kondensatoren geerdet, so dass die Spannungsstabili sation leicht möglich ist.