DE1234303B

DE1234303B - Electrostatic generator

Info

Publication number: DE1234303B
Application number: DEU9672A
Authority: DE
Inventors: Cyril Dean Curtis
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1962-04-16
Filing date: 1963-03-27
Publication date: 1967-02-16

Description

Elektrostatischer Generator Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Generator zur Erzeugung einer hohen Gleichspannung.Electrostatic Generator The invention relates to an electrostatic generator Generator for generating a high DC voltage.

Um die Ausgangsspannung von elektrostatischen Generatoren zu erhöhen, verwendet man vielfach die Greinacher-Cockroft-Walton-Spannungsvervielfacherschaltung und andere ähnliche Kaskädenschaltungen.To increase the output voltage of electrostatic generators, the Greinacher-Cockroft-Walton voltage multiplier circuit is often used and other similar cascades.

Aus der schweizerischen Patentschrift 209 752 ist ein Spannungsvervielfacher bekannt, bei welchem eine Gruppe von fest in Reihe geschalteten Festkondensatoren aufeinanderfolgend einzeln aufgeladen und sodann entweder in Reihenschaltung oder in Parallel-Reihenschaltung gemeinsam entladen werden; die Aufladung erfolgt dabei aus einer Gleichstromquelle über einen Drehschalter, der aufeinanderfolgend die Gleichstromquelle mit jeder der einzelnen Kondensatoren zur Aufbringung einer Ladung verbindet. Die Spannungsvervielfachung erfolgt somit bei dieser bekannten Anordnung durch einfache Addition der Einzelaufladungen einer Mehrzahl von fest miteinander verbundenen Festkondensatoren. Eine Kapazitätsänderung der Gesamtanlage ist bei der bekannten Anordnung nicht vorgesehen.A voltage multiplier is from the Swiss patent specification 209 752 known in which a group of fixed capacitors connected in series successively charged individually and then either in series connection or are discharged together in parallel series connection; the charging takes place from a direct current source via a rotary switch that successively controls the Direct current source with each of the individual capacitors to apply a charge connects. The voltage multiplication thus takes place in this known arrangement by simply adding the individual charges of a plurality of fixed charges to one another connected fixed capacitors. A change in capacity of the entire system is at the known arrangement is not provided.

Aus der USA.-Patentschrift 2 467 744 ist bereits eine Spannungsvervielfacherschaltung bekannt, bei welcher ein variabler Kondensator mit periodisch veränderlicher Kapazität während eines Teils jeder Periode seiner Kapazitätsänderung abwechselnd aus einer festen Gleichspannungsquelle aufgeladen (und zwar während des einer Kapazitätszunahme entsprechenden Teils der Periode) und anschließend (d. h. während des einer Kapazitätsabnahme entsprechenden Teils der Periode) in einen als Speicherkondensator dienenden Festkondensator entladen wird. Die Steuerung der Auf- bzw. Entladung des veränderlichen Kondensators erfolgt dabei automatisch durch Dioden in Abhängigkeit von der jeweiligen Kapazitätsänderung des veränderlichen Kondensators. Auch bei dieser bekannten Anordnung ist somit eine laufende Nachladung des Systems aus einer Spannungsquelle erforderlich. Die Größe der erzeugten Ausgangsspannung ist durch das Kapazitätsverhältnis des veränderlichen Kondensators und der Speisespannung bestimmt.US Pat. No. 2,467,744 already discloses a voltage multiplier circuit known in which a variable capacitor with periodically changing capacitance during part of each period of its capacitance change alternately from one fixed DC voltage source charged (during a capacity increase corresponding part of the period) and thereafter (i.e. during a capacity decrease corresponding part of the period) into a fixed capacitor serving as a storage capacitor is discharged. The control of the charging and discharging of the variable capacitor takes place automatically by means of diodes depending on the respective change in capacitance of the variable capacitor. In this known arrangement, too, is a ongoing recharging of the system from a voltage source required. The size the output voltage generated is due to the capacitance ratio of the variable Capacitor and the supply voltage.

Mit keiner der bekannten Vorrichtungen läßt sich für eine konstante Lastimpedanz eine beliebig hohe Spannung (innerhalb der durch die elektrische Festigkeit der Bauteile gesetzten Grenzen) ohne Kaskadenanordnung und ohne Abhängigkeit von der Größe einer zur laufenden Nachladung des Systems erforderlichen Spannungsquelle erzeugen.With none of the known devices can be for a constant Load impedance any high voltage (within the range determined by the electrical strength of the components set) without a cascade arrangement and without dependence on the size of a voltage source required for ongoing recharging of the system produce.

Die Erfindung betrifft somit einen elektrostatischen Generator zur Erzeugung einer hohen Gleichspannung mit einem veränderlichen rotierenden Kondensator der zur Erzielung einer periodischen Änderung seiner Kapazität angetrieben wird, sowie mit Schaltmitteln, welche die Auf- und Entladung des veränderlichen Kondensators automatisch in Abhängigkeit von dessen periodischen Kapazitätsänderungen steuern.The invention thus relates to an electrostatic generator for Generating a high DC voltage with a variable rotating capacitor which is driven to achieve a periodic change in its capacity, as well as with switching means that charge and discharge the variable capacitor automatically depending on its periodic capacity changes.

Durch die Erfindung soll ein Generator geschaffen werden, welcher ohne Kaskadenanordnung und unabhängig von der Spannung irgendeiner zur Nachladung erforderlichen Spannungsquelle eine grundsätzlich beliebig hohe Spannung(innerhalb der Grenzen der elektrischen Festigkeit der Bauteile) zu erzeugen gestattet.The invention is to provide a generator which without cascade arrangement and regardless of the voltage any for recharging required voltage source an arbitrarily high voltage (within the limits of the electrical strength of the components).

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß außer dem veränderlichen Kondensator mehrere Festkondensatoren vorgesehen sind, wobei wenigstens einer der Kondensatoren eine gewisse Anfangsladung aufweist, und daß die Schaltmittel zur Steuerung der Auf- und Entladung des veränderlichen Kondensators bei einer Abnahme der Kapazität des veränderlichen Kondensators die Festkondensatoren in Reihenschaltung an den veränderlichen Kondensator legen, während die Schaltmittel bei einer Kapazitätszunahme des veränderlichen Kondensators die Festkondensatoren in Parallelschaltung an den veränderlichen Kondensator legen.For this purpose it is provided according to the invention that in addition to the variable capacitor several fixed capacitors are provided, at least one of the capacitors has a certain initial charge, and that the switching means to control the charging and discharging of the variable capacitor in the event of a decrease the capacitance of the variable capacitor, the fixed capacitors in series to the variable capacitor, while the switching means in the event of an increase in capacitance of the variable capacitor, the fixed capacitors in parallel to the place variable capacitor.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung findet somit innerhalb jeder Periode der Kapazitätsänderung des veränderlichen Kondensators eine aufeinanderfolgende automatische Umschaltung zwischen einem Zustand, in welchem sich der veränderliche Kondensator in die Reihenschaltung der Festkondensatoren entlädt, und einem Zustand statt, in welchem sich die Festkondensatoren in Parallelschaltung in den veränderlichen Kondensator entladen, wobei dieser Vorgang mit einem kontinuierlichen Anstieg der an dem veränderlichen Kondensator zur Verfügung stehenden mittleren Ausgangsspannung verbunden ist.In the arrangement according to the invention thus takes place within each Period of change in capacitance of the variable capacitor is a consecutive one automatic Switching between a state in which the variable capacitor is in the series connection of the fixed capacitors, and instead of a state in which are the fixed capacitors in parallel into the variable capacitor discharged, this process with a continuous increase in the variable Capacitor available mean output voltage is connected.

Für die Wirkungsweise der Anordnung gemäß der Erfindung ist lediglich eine gewisse anfängliche Ladung auf wenigstens einem der Kondensatoren erforderlich; eine nachträglichewiederholte periodische Aufladung des Systems im Betrieb, wie bei den obenerwähnten bekannten Anordnungen, ist dagegen bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung nicht erforderlich; der Spannungsaufbau wird vielmehr aus der Umwandlung der zur Drehung des veränderlichen Kondensators erforderlichen mechanischen Energie in elektrische Energie gewonnen.For the operation of the arrangement according to the invention is only some initial charge required on at least one of the capacitors; a subsequent repeated periodic charging of the system during operation, such as in the above-mentioned known arrangements, on the other hand, in the device according to FIG the invention not required; rather, the build-up of tension comes from the transformation the mechanical energy required to rotate the variable capacitor obtained in electrical energy.

Die Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Leistung zum Zweck der Erzeugung hoher Gleichspannungen ist an sich bekannt. Eine bekannte Anordnung dieser Art nach der deutschen Patentschrift 827 517 beruht dabei auf dem bekannten Prinzip, die Spannung einer auf eine bestimmte Spannung aufgeladenen Kondensatoranordnung dadurch zu erhöhen, daß man den Abstand zwischen den Kondensatorbelägen erhöht. Abgesehen von den mit einer derartigen Anordnung verbundenen apparativen Schwierigkeiten weist die bekannte Anordnung darüber hinaus den Nachteil auf, daß hierbei nur ein diskontinuierlicher Betrieb möglich ist, insofern jeweils der Kondensator in einer Stellung mit geringem Abstand zwischen seinen Belägen aus einer Spannungsquelle aufgeladen werden muß, worauf zur Erhöhung der Spannung und zur Aufrechterhaltung der hohen Spannung während der Entnahme die Kondensatorbeläge relativ gegeneinander auseinandergeführt werden. Das der Anordnung gemäß der Erfindung zugrunde liegende Prinzip, mehrere Festkondensatoren innerhalb einer Periode der Kapazitätsänderung eines veränderlichen Kondensators abwechselnd in Reihen-bzw. Parallelschaltung an den veränderlichen Kondensator anzuschalten, ist der bekannten Anordnung nicht zu entnehmen.The conversion of mechanical energy into electrical power for the purpose of generating high DC voltages is known per se. A known arrangement of this type according to German patent specification 827 517 is based on the known principle of increasing the voltage of a capacitor arrangement charged to a certain voltage by increasing the distance between the capacitor plates. Apart from the technical difficulties associated with such an arrangement, the known arrangement also has the disadvantage that only discontinuous operation is possible, in so far as the capacitor in each case has to be charged from a voltage source in a position with a small distance between its pads, whereupon to increase the voltage and to maintain the high voltage during removal, the capacitor plates are moved apart relative to one another. The principle underlying the arrangement according to the invention, a plurality of fixed capacitors within a period of the change in capacitance of a variable capacitor alternately in series or. To connect a parallel connection to the variable capacitor is not apparent from the known arrangement.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind zwei Festkondensatoren vorgesehen. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß als Schaltmittel zur wechselweisen Anschaltung der Festkondensatoren in Reihen- bzw. Parallelschaltung an den veränderlichen Kondensator in Abhängigkeit von dessen Kapazitätsab- bzw. -zunahme drei Dioden in solcher Schaltung vorgesehen sind, daß die erste Diode in Reihe mit dem ersten Festkondensator an dem veränderlichen Kondensator liegt, wobei die Anode dieser Diode mit dem veränderlichen Kondensator verbunden ist, daß parallel zu der ersten Diode eine Reihenschaltung aus einer zweiten Diode und dem zweiten Festkondensator liegt, wobei die Anode der zweiten Diode mit der Kathode der ersten Diode verbunden ist, und daß die dritte Diode zwischen der Verbindungsstelle der zweiten Diode mit dem zweiten Festkondensator und der Verbindungsstelle des veränderlichen Kondensators mit dem ersten Festkondensator liegt, wobei die Anode der dritten Diode mit der Kathode der zweiten Diode verbunden ist. Der veränderliche Kondensator ist zweckmäßig so ausgelegt, daß das Verhältnis von Minimal- zu Maximalkapazität des veränderlichen Kondensators kleiner als 1 : 2 ist.According to an expedient development of the invention, there are two fixed capacitors intended. A preferred development of the invention is that as a switching means for alternating connection of the fixed capacitors in series or parallel connection to the variable capacitor depending on its capacitance decrease or -increase three diodes are provided in such a circuit that the first diode in Series with the first fixed capacitor connected to the variable capacitor, wherein the anode of this diode is connected to the variable capacitor that in parallel to the first diode, a series circuit of a second diode and the second Fixed capacitor lies, the anode of the second diode with the cathode of the first Diode is connected, and that the third diode between the junction of the second diode with the second fixed capacitor and the junction of the variable Capacitor with the first fixed capacitor lies, the anode of the third diode is connected to the cathode of the second diode. The variable capacitor is expediently designed so that the ratio of minimum to maximum capacity of the variable capacitor is less than 1: 2.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung beschrieben. Es zeigt: F i g. 1 ein Schaltschema des erfindungsgemäßen Generators, F i g. 2 den Verlauf der Ausgangsspannung des Generators, F i g. 3 die konstruktive Ausführung eines veränderlichen Kondensators, der besonders für den Generator gemäß F i g. 1 geeignet ist.An embodiment of the invention is described in the drawing. It shows: F i g. 1 shows a circuit diagram of the generator according to the invention, FIG. 2 den Course of the output voltage of the generator, F i g. 3 the structural design a variable capacitor which is particularly suitable for the generator according to FIG. 1 is suitable.

Nach F i g. 1 ist ein Festkondensator 10 mit seiner einen Elektrode mit der Kathode einer Diode 12 verbunden; die andere Seite des Kondensators 10 ist über einen veränderlichen Kondensator 14 mit der Anode der Diode 12 verbunden. Die Anode der Diode 12 liegt an Masse. Die Anode einer zweiten Diode 16 ist mit der Kathode der Diode 12 verbunden; die Kathode der Diode 16 ist über einen zweiten Festkondensator 18 mit der Anode der Diode 12 verbunden. Eine dritte Diode 20 ist mit ihrer Anode mit der Kathode der Diode 16 verbunden; ihre Kathode ist mit der Verbindungsstelle der Kondensatoren 10 und 14 verbunden. Die Ausgangsspannung des Generators wird an dem veränderlichen Kondensator 14 abgenommen. Man erhält einen Negativgenerator, wenn man die Polung der Dioden 12, 16 und 20 umkehrt oder wenn an Stelle der Verbindungsstelle der Kondensatoren 14 und 18 die gemeinsame Verbindung zwischen den Kondensatoren 10 und 14 geerdet wird.According to FIG. 1, a fixed capacitor 10 is connected with its one electrode to the cathode of a diode 12; the other side of the capacitor 10 is connected to the anode of the diode 12 through a variable capacitor 14. The anode of the diode 12 is connected to ground. The anode of a second diode 16 is connected to the cathode of the diode 12 ; the cathode of the diode 16 is connected to the anode of the diode 12 via a second fixed capacitor 18. A third diode 20 has its anode connected to the cathode of the diode 16; its cathode is connected to the junction of the capacitors 10 and 14 . The output voltage of the generator is taken from the variable capacitor 14 . A negative generator is obtained if the polarity of the diodes 12, 16 and 20 is reversed or if the common connection between the capacitors 10 and 14 is grounded instead of the connection point of the capacitors 14 and 18.

Im Betriebszustand wird der veränderliche Kondensator 14 durch einen (nicht dargestellten) Motor angetrieben, so daß seine Kapazität sich zyklisch zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert ändert. Mittels einer (gleichfalls nicht dargestellten) äußeren Spannungsquelle wird eine Anfangsladung auf einen oder mehrere der Kondensatoren 10, 14, 18 aufgebracht. Nimmt die Kapazität des veränderlichen Kondensators 14 ab, so bewirken die Dioden 12,16 und 20, daß die Festkondensatoren 10 und 18 in Reihe an den veränderlichen Kondensator 14 gelegt werden, so daß der veränderliche Kondensator sich in sie entlädt, bis seine Kapazität ein Minimum erreicht hat. Sobald die Kapazität des veränderlichen Kondensators 14 zunimmt, bewirken die Dioden 12, 16 und 20 nunmehr, daß die Kondensatoren 10 und 18 in Parallelschaltung an den veränderlichen Kondensator 14 gelegt werden, so daß sie sich in den veränderlichen Kondensator 14 entladen, bis ihre Spannungen gleich sind. Der veränderliche Kondensator 14 erhält so während jeder Periode eine zunehmend höhere Spannung. Diese Spannungszunahme setzt sich, falls keine Regelung vorgesehen ist, fort und führt zu einer beliebig hohen Spannung, vorbehaltlich von Spannungsdurchbrüchen in den Bauteilen-Die Wirkungsweise des Generators gemäß F i g. 1 läßt sich an Hand von F i g. 2 erläutern, welche den Verlauf der Ausgangsspannung des Generators zeigt. Ausgehend vom Punkt niedrigster Spannung (maximaler Kapazität des veränderlichen Kondensators 14) zur Zeit a in F i g. 2 sind alle Kondensatoren 10,14 und 18 auf die gleiche Spannung v aufgeladen, wobei der Punkt A in F i g. 1 sich auf Erdpotential befindet. Nimmt beim Antrieb des veränderlichen Kondensators 14 seine Kapazität auf ihren Minimalwert ab, so steigt die Spannung des veränderlichen Kondensators 14 wegen der, bekannten Beziehung an. Dieser Zustand hält bis zum Zeitpunkt b in F i g. 2 an, wo das Potential des Punktes A in F i g. 1 auf den Wert v angestiegen ist. Zu dieser Zeit ist die Diode 16 leitend, und der veränderliche Kondensator 14 entlädt sich in die in Reihe liegenden Kondensatoren 10 und 18 bis zur Zeit c in F i g. 2, wo die Kapazität des veränderlichen Kondensators 14 sich auf einem Minimum befindet. Zu diesem Zeitpunkt hat eine Ladung q den veränderlichen Kondensator 14 verlassen; bei unbelastetem Betrieb (Leerlaufbetrieb) des Generators. haben die Kondensatoren 10 und 18 jeweils die Ladung q gewonnen. Die Spannungen an den Kondensatoren 10 und 18 sind auf angestiegen, und die Spannung des veränderlichen Kondensators 14 besitzt einen Maximalwert von Die Kapazität des veränderlichen Kondensators 14 beginnt nun zuzunehmen, und seine Spannung fällt bis zum Zeitpunkt d ab, wo seine Spannung die Spannung an dem Kondensator 10 oder 18 (je nachdem, welcher der größere ist) erreicht hat. Ist der Kondensator 10 größer als der Kondensator 18, so beginnt sich der Kondensator 18 in den veränderlichen Kondensator 14 zu entladen. Die Spannung an , dem veränderlichen Kondensator 14 fällt weiter ab, bis der Punkt A in F i g. 1 zur Zeit e in F i g. 2 Erdpotential erreicht; in diesem Zeitpunkt beginnt sich der Kondensator 10 in den veränderlichen Kondensator 14 zu entladen. Die Kondensatoren 10 und 18 entladen sich weiterhin in Parallelschaltung in den veränderlichen Kondensator 14, bis zur Zeit f die Spannung des veränderlichen Kondensator 14 ein Minimum erreicht hat (die Kapazität des veränderlichen Kondensators ist dann ein Maximum), wobei die Spannungen sämtlicher Kondensatoren 10, 14 und 18 wiederum gleich, aber nunmehr größer als die Anfangsspannung v sind.In the operating state, the variable capacitor 14 is driven by a motor (not shown) so that its capacitance changes cyclically between a maximum value and a minimum value. An initial charge is applied to one or more of the capacitors 10, 14, 18 by means of an external voltage source (also not shown). When the capacitance of the variable capacitor 14 decreases, the diodes 12, 16 and 20 cause the fixed capacitors 10 and 18 to be placed in series with the variable capacitor 14 so that the variable capacitor discharges into them until its capacitance is at a minimum has reached. As soon as the capacitance of the variable capacitor 14 increases, the diodes 12, 16 and 20 now cause the capacitors 10 and 18 to be connected in parallel to the variable capacitor 14 so that they discharge into the variable capacitor 14 until their voltages equal are. The variable capacitor 14 thus receives an increasingly higher voltage during each period. If no regulation is provided, this voltage increase continues and leads to an arbitrarily high voltage, subject to voltage breakdowns in the components. The mode of operation of the generator according to FIG. 1 can be seen on the basis of FIG. 2, which shows the course of the output voltage of the generator. Starting from the point of lowest voltage (maximum capacitance of the variable capacitor 14) at time a in FIG. 2, all capacitors 10, 14 and 18 are charged to the same voltage v, the point A in FIG. 1 is at ground potential. If, when the variable capacitor 14 is driven, its capacitance decreases to its minimum value, the voltage of the variable capacitor 14 increases because of the known relationship at. This state lasts until time b in FIG. 2 where the potential of point A in FIG. 1 has risen to the value v. At this time, diode 16 is conductive and variable capacitor 14 discharges into series capacitors 10 and 18 by time c in FIG. 2, where the capacitance of the variable capacitor 14 is at a minimum. At this point a charge q has left the variable capacitor 14; with unloaded operation (idle operation) of the generator. the capacitors 10 and 18 have each gained the charge q. The voltages on capacitors 10 and 18 are up has risen, and the voltage of the variable capacitor 14 has a maximum value of The capacitance of the variable capacitor 14 now begins to increase and its voltage drops until time d, when its voltage has reached the voltage on capacitor 10 or 18 (whichever is larger). If the capacitor 10 is larger than the capacitor 18, the capacitor 18 begins to discharge into the variable capacitor 14. The voltage on variable capacitor 14 continues to drop until point A in FIG. 1 at the time e in FIG. 2 earth potential reached; at this point the capacitor 10 begins to discharge into the variable capacitor 14. The capacitors 10 and 18 continue to discharge in parallel into the variable capacitor 14 until the voltage of the variable capacitor 14 has reached a minimum by time f (the capacitance of the variable capacitor is then a maximum), the voltages of all capacitors 10, 14 and 18 are again the same, but now greater than the initial voltage v.

Während des Zyklus erfährt der veränderliche Kondensator 14 einen Nettoladungsgewinn; mittels einer Ladungsbilanz läßt sich die neue Spannung v' an dem veränderlichen Kondensator 14 durch seine Anfangsspannung v wie folgt ausdrücken. dabei ist r das Verhältnis von Minimal- zu Maximalkapazität des veränderlichen Kondensators 14, und C, ist die Reihenkapazität von Clo und C18. Man erkennt ohne weiteres, daß für eine Spannungsvervielfachung das Verhältnis r von Minimal- zu Maximalkapazität für den veränderlichen Kondensator 14 kleiner als 1: 2 sein muß.During the cycle, the variable capacitor 14 experiences a net gain in charge; By means of a charge balance, the new voltage v 'at the variable capacitor 14 can be expressed by its initial voltage v as follows. where r is the ratio from minimum to maximum capacitance of variable capacitor 14, and C, is the series capacitance of Clo and C18. It can readily be seen that for a voltage multiplication the ratio r of minimum to maximum capacitance for the variable capacitor 14 must be less than 1: 2.

Durch geeignete Wahl der Werte der Kondensatoren 10 und 18 läßt sich die Geschwindigkeit des Spannungsaufbaus maximal vergrößern. Für den unbelasteten Zustand führt die Differentiation von v' zuerst nach Clo (wobei CS konstant gehalten wird) und sodann nach C, zu dem Ergebnis so daß und damit als Grenzwert für r @- 0 eine Spannungsverdopplung je Periode.By suitable choice of the values of the capacitors 10 and 18, the speed of the voltage build-up can be increased to a maximum. For the unloaded state, the differentiation of v 'leads first to Clo (where CS is kept constant) and then to C, to the result so that and thus a voltage doubling per period as a limit value for r @ - 0.

Die Ausgangsspannung, wie sie in F i g. 2 gezeigt ist, ist eine Gleichspannung mit einer starken Wechselspannungskomponente. Der Oberwellengehalt der Wechselspannungskomponente ist durch die Art der zeitlichen Änderung der Kapazität des veränderlichen Kondensators 14 bestimmt, die ihrerseits wiederum durch den Aufbau des Kondensators selbst beeinfiußt wird. Während des Spannungsaufbaus nimmt die Spannungswellenform aus F i g. 2 wie v (1 -f- F)/ zu; dabei ist v die Spannung in einem gegebenen Zeitpunkt in der Bezugsperiode, F die relative Spannungszunahme je Periode und n die Anzahl der Perioden, gerechnet von der Bezugszeit an. Dieser Spannungsanstieg verlangsamt sich mit der Zeit beim Auftreten einer Nichtlinearität, wie beispielsweise eine Abnahme des Last- oder Leckwiderstandes mit zunehmender Spannung. Andernfalls setzt sich der Spannungsanstieg unbegrenzt fort, solange die Werte der Schaltungselemente und die Frequenz des veränderlichen Kondensators 14 konstant bleiben. Falls die Frequenz des veränderlichen Kondensators 14 hinreichend stark abfällt, der Lastwiderstand sich verringert oder der Wert eines Kondensators sich während des Betriebes ändert, stellt sich die Ausgangsspannung auf einen Gleichgewichtspegel ein. Diese Änderungen können daher einer automatischen Regelung des Generators zugrundegelegt werden.The output voltage as shown in FIG. 2 is a DC voltage having a large AC component. The harmonic content of the alternating voltage component is determined by the type of change in the capacitance of the variable capacitor 14 over time , which in turn is influenced by the structure of the capacitor itself. During the tension build-up, the tension waveform from FIG. 2 like v (1 -f- F) / to; where v is the voltage at a given point in time in the reference period, F is the relative voltage increase per period and n is the number of periods, calculated from the reference time. This increase in voltage slows down over time when a non-linearity occurs, such as a decrease in load or leakage resistance with increasing voltage. Otherwise, the voltage rise continues indefinitely as long as the values of the circuit elements and the frequency of the variable capacitor 14 remain constant. If the frequency of the variable capacitor 14 drops sufficiently, the load resistance decreases, or the value of a capacitor changes during operation, the output voltage is set to an equilibrium level. These changes can therefore be used as a basis for automatic control of the generator.

Nunmehr soll die Anschaltung einer Belastung an den Generator in F i g. 1 behandelt werden. Hierzu werden ein Gleichrichter 22 und ein Filterkondensator 24 zugefügt, um eine konstante Ausgangsspannung zu erhalten, deren Betrag in der Nähe des Spitzenwertes der Ausgangsspannung an dem veränderlichen Kondensator 14 liegt. Selbstverständlich kann auch ein komplizierteres Filter vorgesehen werden.The connection of a load to the generator in FIG. 1 are treated. To this end, a rectifier 22 and a filter capacitor 24 are added in order to obtain a constant output voltage, the magnitude of which is close to the peak value of the output voltage on the variable capacitor 14 . Of course, a more complicated filter can also be provided.

Ob der Generator bei einer vorgegebenen Lastimpedanz funktioniert oder nicht funktioniert hängt von der Größe der Belastung ab. Wenn er funktioniert, so steigt die Ausgangsspannung unbegrenzt so lange an, wie die Frequenz des veränderlichen Kondensators 14 konstant bleibt. Eine Verringerung der Lastimpedanz hat zur Folge, daß die Ausgangsspannung sich auf einen Gleichgewichtswert einpegelt. Bei Anschaltung einer Belastung an den Generator aus F i g. 1 ist die Ladung, die in jeder Periode aus dem veränder= liehen Kondensator 14 fließt, gegeben zu darin ist A. als der Bruchteil der Ladung q definiert, welche den veränderlichen Kondensator 14 verläßt und in die in Serie liegenden Kondensatoren 10 und 18 fließt. Somit fließt Aq in die Serienschaltung von Clo, und C18 und (1-2.)q fließt in die Belastung. Der Nettoladungsgewinn des veränderlichen Kondensators 14 je Periode ist somit Somit stellt sich die Generatorausgangsspannung auf einen Gleichgewichtswert ein, sobald A sich auf den Wert '/,verringert. Die an die Belastung gelieferte Ladung wird dann Hierzu ist v die Spannung an dem veränderlichen Kondensator 14 im Zeitpunkt seiner größten Kapazität; sie ist mit der Maximalspannung v' im Zeitpunkt minimaler Kapazität durch die Beziehung verknüpft. Der durchschnittliche Laststrom wird somit womit die minimale Lastimpedanz für Betrieb bei einer beliebigen konstanten Spannung gegeben ist.Whether or not the generator works at a given load impedance depends on the size of the load. If it works, the output voltage will rise indefinitely so long as the frequency of the variable capacitor 14 remains constant. A reduction in the load impedance has the consequence that the output voltage levels itself to an equilibrium value. When connecting a load to the generator from FIG. 1 is the charge that flows from the variable = borrowed capacitor 14 in each period, given to therein A. is defined as the fraction of the charge q which leaves variable capacitor 14 and flows into capacitors 10 and 18 in series. Thus, Aq flows into the series circuit of Clo, and C18 and (1-2.) Q flows into the load. The net gain in charge of the variable capacitor 14 per period is thus Thus, the generator output voltage adjusts to an equilibrium value as soon as A decreases to the value '/,. The cargo delivered to the load will then For this purpose, v is the voltage across the variable capacitor 14 at the time of its greatest capacitance; it is with the maximum voltage v 'at the time of minimum capacity by the relationship connected. The average load current is thus which gives the minimum load impedance for operation at any constant voltage.

F i g. 3 zeigt einen speziell zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Generator geeigneten veränderlichen Kondensator an sich bekannter Art. Der Drehkondensator weist einen Rotor 26 mit axialen Stegen 28 sowie einen Stator 30 mit axialen Stegen 32 auf. Der Rotor 26 wird durch einen (nicht dargestellten) Motor angetrieben, der mit der Antriebswelle 34 des Rotors 26 gekuppelt ist. Wenn die Anzahl der Stege auf dem Rotor 26 und dem Stator 30 N und die Anzahl der Umdrehungen je Sekunde R ist, dann ist die Frequenz des Kondensators f = NR. F i g. 3 shows a variable capacitor of a type known per se which is especially suitable for use in the generator according to the invention. The rotary capacitor has a rotor 26 with axial webs 28 and a stator 30 with axial webs 32. The rotor 26 is driven by a motor (not shown) which is coupled to the drive shaft 34 of the rotor 26. If the number of lands on rotor 26 and stator 30 is N and the number of revolutions per second is R , then the frequency of the capacitor is f = NR.

Für einen Rotor von etwa 30 cm Länge und etwa 30 cm Durchmesser mit einer Drehzahl von 3600 UpM beträgt bei Betrieb im Vakuum mit einer Schaltung gemäß F i g. 1 die Ausgangsleistung etwa 2 kVA mit einer Spitzenspannung von etwa 35 kV.For a rotor about 30 cm long and about 30 cm in diameter with a speed of 3600 rpm when operating in a vacuum with a circuit according to F i g. 1 the output power is about 2 kVA with a peak voltage of about 35 kV.

Die Leistung sollte sich für eine vorgegebene Spaltbreite zwischen den Kondensatorstegen wie das Quadrat des Rotorradius und wie die Rotorlänge verhalten. Höhere Spannungen lassen sich durch Erhöhung der minimalen Spaltbreite bei Verwendung eines einzelnen Drehkondensators oder durch Kaskadenschaltung mehrerer derartiger Kondensatoren erzielen. Das zuerst erwähnte Verfahren führt zu höherer Spannung bei geringerer Ausgangsleistung. Das an zweiter Stelle erwähnte Verfahren ergibt sowohl eine Spannung- als auch eine Leistungserhöhung entsprechend der Anzahl der in Kaskade geschalteten Stufen.The performance should be for a given gap width between the capacitor bars behave like the square of the rotor radius and how the rotor length. Higher voltages can be achieved by increasing the minimum gap width when using a single variable capacitor or by cascading several such capacitors Achieve capacitors. The first mentioned method results in higher voltage at lower output power. The second mentioned procedure gives both a voltage and a power increase according to the number of cascaded stages.

Claims

Claims: 1. Electrostatic generator for generating a high DC voltage, with a variable rotating capacitor, which is driven to achieve a periodic change in its capacitance, and with switching means that automatically control the charging and discharging of the variable capacitor depending on its periodic change in capacitance , characterized ge-characterized in that in addition to the variable capacitor (14) several fixed capacitors (10, 18) are provided, at least one of the capacitors having a certain initial charge, and that the switching means (12, 16, 20) to control the on - And discharge of the variable capacitor (14) when the capacitance of the variable capacitor (14) decreases, the fixed capacitors (10, 18) connect in series to the variable capacitor (14) , while the switching means (12, 16, 20) at a Increase in capacitance of the variable capacitor (14) the fixed capacitors (10, 18 ) in parallel to the variable capacitor (14).

2. Generator according to claim 1, characterized in that two fixed capacitors (10, 18) are provided.

3. Generator according to claim 2, characterized in that as switching means for the alternate connection of the fixed capacitors (10,18), in series or in parallel to the variable capacitor in response to the on capacitance or -increase three diodes (12, 16 20) are provided in such a circuit that the first diode (12) is connected in series with the first fixed capacitor (10) to the variable capacitor (14), the anode of this diode (12) being connected to the variable capacitor (14) that parallel to the first diode (12) is a series circuit of a second diode (16) and the second fixed capacitor (18), the anode of the second diode (16) being connected to the cathode of the first diode (12), and that the third diode (20) between the junction of the second diode (16) with the second fixed capacitor (18) and the junction of the variable capacitor (14) with the first fixed capacitor (10), the anode of the dri tten diode (20) is connected to the cathode of the second diode (16).

4. Generator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio of minimum to maximum capacitance of the variable capacitor (14) is less than 1: 2. Considered publications: German Patent Nos. 507 650, 827 517; Swiss Patent No. 209 752; U.S. Patent No. 2,467,744.