Nikola Tesla German Patent 99173 - Device for Obtaining High Frequency Currents from Direct Currents through Capacitor Discharges

Patentschrift Nr. 99 173

Klasse 21: Elektrische Apparate und Maschinen.

Nikola Tesla in New York (V. ST. A.).

Einrichtung zur Erzielung vom Strömen Hoher Frequenz aus Gleichströmen Durch Kondensatorentladungen

Patentiert im Deutschen Reich vom 22. September 1896 ab. Ausgegeben den 28. September 1898.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung an dem Gegenstand des demselben Erfinder erteilten Patentes Nr. 73080 und bezweckt die Schaffung einer Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Strömen von hoher Frequenz und Klemmenspannung, wobei der Aufbau vereinfacht und der Apparat gegen früher wirksamer gemacht ist. Es ist an sich bekannt, daß Ströme von hoher Frequenz durch Kondensatorentladungen zu erzielen; so wird beispielsweise nach einer vom Erfinder s.Z. selbst vorgeschlagenen Anordnung zu diesem Zweck ein Stromkreisregler in einen Nebenoder Entladungsstromkreis eingeschaltet und regelt dadurch die Entladungsperioden, daß er die beiden Spitzen zu bestimmten Zeiten aneinander und alsdann wieder auseinander bringt, so daß dem Ueberspringen eines Funkens vorgebeugt ist. Nach einer anderen, dem Erfinder unter Nr. 93255 patentierten Anordnung, welche insbesondere bezweckt, solche Ströme nutzbar zu machen, wie sie bei gewöhnlichen städtischen elektrischen Verteilungsanlagen verwendbar sind, wird die Umwandlung von Strömen geringer Wechselzahl in solche von hoher Wechselzahl mittels Kondensatorentladungen durch Anwendung eines Stromkreisreglers in der Weise bewirkt, daß ein mit den Wellen des zugeführten Stromes synchron laufender Motor die Ladungen des Kondensators in einer Zeitfolge bewirkt, daß die Zahl der Ladungen ein Vielfaches von der Wechselzahl des Primärstromes ist.

Bei vorliegender Erfindung handelt es sich um den gleichen Zweck, d.h. darum, solche Ströme zu benutzen, wie sie bei gewöhnlichen Leitungsanlagen erhältlich sind, also nicht solche Ströme, die sich mit Leichtigkeit in hochgespannte Ströme verwandeln lassen, sondern beispielsweise die gewöhnlich für Glühbirnen verwendeten Gleichströme. Zur Erzielung von Strömen hoher Frequenz aus derartigen Gleichströmen durch Kondensatorentladungen wird nach vorliegender Erfindung zum Laden und Entladen des Kondensators der Ladestromkreis durch eine im Nebenschluß zu dem Kondensator liegende Vorrichtung mechanisch unterbrochen. Ein Stromkreisregler verbindet den Kondensator zwecks Ladens desselben mit der Stromquelle und trennt ihn alsdann wieder von dieser, um ihn sich über einen Lokalstromkreis entladen zu lassen. Es ist, wie der Erfinder ermittelt hat, nicht erforderlich, daß in dem Lokalstromkreis ein Luftzwischenraum vorhanden ist, vielmehr kann man durch entsprechende Bemessung des Verhältnisses zwischen der Kapazität des Kondensators und der Selbstinduktion des Lokalstromkreises erzielen, daß die Entladung des Kondensators sich in Gestalt einer Reihe rasch aufeinander folgender Impulse oder Schwingungen vollzieht.

In der die Erfindung veranschaulichenden Zeichnungen stellt Fig. 1 in schematischer Weise die Leitungen und Apparate dar, wie solche in Verbindung mit einer Gleichstromquelle verwendet werden. Fig. 2 zeigt eine geänderte Ausführungsform, während in Fig. 3 bis 6 die Art und Weise der Regelung veranschaulicht ist.

In irgend einem Teile der von der Gleichstromquelle A (Fig. 1) ausgehenden Leitung, beispielsweise in dem durch die Leitungsteile. A” A” der Hauptleitung A’ und die Leiter K K gebildeten Teile, befinden sich die Selbstinduktionsspulen B B und eine beliebige Regelungsvorrichtung C. Letztere besteht im vorliegenden Fall aus einer gewöhnlichen Metallscheibe oder Trommel, an welcher Zähne oder von einander gesonderte Segmente D E paarweise einander gegenüber angeordnet und elektrisch derart verbunden sind, daß bei derjenigen Stellung der Regelungsvorrichtung, bei welcher die beiden Bürsten F F’ auf zwei von den Segmenten E liegen, der Stromkreis durch die Selbstinduktionsspulen B geschlossen ist. Nach der Zeichnung besitzen die isolierten Segmente D die gleiche Bogenlänge wie die Segmente E, indessen kann dieses Verhältnis nach Belieben geändert werden, um die Ladungs- und Entladungsperioden des Kondensators entsprechend einzurichten. Die Regelungsvorrichtung kann durch irgend eine hierzu geeignete Antriebsvorrichtung in Umdrehung versetzt werden, beispielsweise durch eine elektromagnetische Treibmaschine, die entweder von der Hauptstromquelle oder von anderswoher Strom erhält (Fig. 2). Um die Regelungsvorrichtung C herum, oder im allgemeinen in solcher Anordnung, daß die Polenden mit der Leitung an einander entgegengesetzten Seiten der Unterbrechungsstelle verbunden sind, befindet sich ein Kondensator H oder ein Stromkreis von geeigneter Kapazität; in Hintereinanderschaltung mit letzterem ist die Primärwickelung K eines Transformators angeordnet, deren Sekundärwicklung L die Quelle der Ströme von hoher Frequenz bildet. L’ bezeichnet die Leitung für den von der Sekundären ausgehenden Arbeitsstromkreis.

Wie ersichtlich, wird durch die fortgesetzte Drehbewegung der Regelungsvorrichtung der die Selbstinduktionsspule B enthaltende Stromkreis in absetzender Weise unterbrochen, und der dadurch induzierte Strom bewirkt die Ladung des Kondensators. Letzterer wird durch die gleiche Regelungsvorrichtung in den Stand gesetzt, sich während derjenigen Perioden, wo der ladende Stromkreis geschlossen ist, durch die Primäre K zu entladen; denn wenn der ladende Stromkreis geschlossen ist, dann ladet er im vorliegenden Falle nicht den Kondensator, sondern sammelt Energie, welche dann beim Unterbrechen dieses Stromkreises zum Laden des Kondensator abgegeben wird. Während also der ladende Stromkreis - d. h. der von der Stromquelle ausgehende Stromkreis - geschlossen ist, entladet der Kondensator in seinen Lokalstromkreis und es erfolgt die Entladung mit hoher Frequenz nur in absetzender Weise, während derjenigen Zeitzwischenräume, während welcher der ladende Stromkreis Energie sammelt. Zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Entladung werden zwei Kondensatoren verwendet, die abwechselnd geladen und entladen werden.

Eine einfachere Anordnung ist in Fig. 2 veranschaulicht. In diesem Fall sind die Feldspulen M M’ der die Regelungsvorrichtung bewegenden Treibmaschine G von der Hauptleitung abgezweigt, während Regelungsvorrichtung C und Kondensator H sich in Nebeneinanderschaltung im Feldstromkreis zwischen den beiden Spulen befinden. Hierbei vertreten also die Feldspulen M M’ die Stelle der Selbstinduktionsspule B. Bei dieser Anordnung oder überhaupt im allgemeinen empfiehlt es sich, zwei Kondensatoren oder einen zweiteiligen Kondensator zu verwenden und die Primärspulen des Transformators zwischen denselben anzuordnen. Die Unterbrechungen des Feldstromkreises der Treibmaschine müssen so rasch erfolgen, daß nur eine teilweise Entmagnetisierung der Kerne eintritt; indessen müssen die letzteren in diesem Fall unterteilt sein. Statt nur die Feldspulen der Treibmaschine im Ladungsstromkreis zu verbinden, um darin die Selbstinduktion zu erhöhen, kann die Treibmaschine auch in anderer Weise angeschlossen sein, d.h. man kann auch nur ihren Anker mit dem Stromkreise verbinden oder man kann ihre Feld- und Ankerspulen hintereinander verbinden und beide an die entsprechenden Stromkreise anschließen.

Wenn die Vorrichtung zur Umwandlung eines Gleichstromes von verhältnismäßig geringer Klemmenspannung in einen solchen von hoher Frequenz verwendet werden soll, so würde man, falls der Kondensator unmittelbar durch den von der Quelle ausgehenden Strom geladen werden soll, einen großen Kondensator benutzen müssen. Aus diesem Grund wird, wenn die Klemmenspannung der Stromquelle eine geringe ist, eine Vorrichtung nach Art einer Selbstinduktionsspule in den Stromkreis eingeschaltet, um auf diese Weise den Vorteil der mit hoher elektromotorischer Kraft erfolgenden Entladung bei jeder Unterbrechung dieses Stromkreises zum Laden des Kondensators auszunutzen.

Wie ersichtlich, läßt sich, da die Selbstinduktion des Stromkreises, durch welchen die Entladung des Kondensators erfolgt, wie auch die Kapazität des Kondensators selbst tatsächlich jeden beliebigen Wert erhalten können, die Frequenz des Entladungsstromes nach Belieben regeln.

In einigen Fällen kann man die durch die Anlage abgegebene Energie auch auf bequeme und sparsame Weise regeln. Bekanntlich kommt jedem elektrischen Stromkreis, vorausgesetzt, daß sein Widerstand eine bestimmte Grenze nicht überschreitet, eine bestimmte Schwingungsperiode, ähnlich der Schwingungsperiode einer belasteten Feder, zu. Um nun einen derartigen Stromkreis durch in denselben eingeführte periodische Impulse wechselweise zu laden und auf wirksamste Weise wieder zu entladen, muß die Frequenz dieser eingeführten Impulse in einem bestimmten Verhältnis zu der Periodizität der dem Stromkreis selbst eigentümlichen Schwingungen stehen. Desgleichen muß aus demselben Grund die Periodizität der Schwingungen des Entladungsstromkreises in einem ähnlichen Verhältnis zu den eingeführten Impulsen oder zu der Periodizität des Ladungsstromkreises stehen. Wenn die vorhandenen Bedingungen derart sind, daß sie dem Gesetz der harmonischen Schwingungen entsprechen, dann sagt man von diesen Stromkreisen, sie befänden sich in Resonanz oder im elektromagnetischen Synchronismus zueinander, und es bietet dieser Zustand einer derartigen Anlage sehr wesentliche Vorteile.

Bei Anwendung der Erfindung hat man für eine derartige Einstellung der elektrischen Konstanten Sorge zu tragen, daß im gewöhnlichen Betrieb der Zustand der Resonanz annähernd obwaltet. Zu diesem Zweck macht man die Anzahl der in der Zeiteinheit in den Ladungsstromkreis eingeführten Stromimpulse gleich der Periode des Ladungsstromkreises selbst oder bringt sie im allgemeinen in Einklang mit derselben und erhält gleichzeitig dieselben Beziehungen zwischen dem Ladungs- und Entladungsstromkreis aufrecht. Jede Abweichung von dieser Bedingung ergibt eine Verringerung der Leistung; man nutzt deshalb diesen Umstand dadurch aus, daß man die Leistung durch entsprechende Änderung der Frequenz der Impulse oder Schwingungen in den verschiedenen Stromkreisen regelt. Da die Periodizität eines bestimmten Stromkreises von dem Verhältnis seines Widerstandes, seiner Selbstinduktion und Kapazität abhängig ist, so kann eine Änderung eines oder mehrerer von diesen Faktoren eine Änderung der Periode zur Folge haben. Es gibt demnach verschiedene Wege, um die Frequenz der Schwingungen der verschiedenen Stromkreise einer derartigen Anlage zu ändern. Am vorteilhaftesten und wirksamsten läßt sich dieses Ergebnis auf folgende Weisen erreichen:

a) durch Änderung der Geschwindigkeit der eingeführten Impulse oder derjenigen Impulse, welche von der Stromquelle in den Ladungsstromkreis geleitet werden, wie beispielsweise durch Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Stromwenders oder eines anderen, den Strom beherrschenden Reglers;

b) durch Änderung der Selbstinduktion des Ladungsstromkreises;

c) durch Änderung der Selbstinduktion oder Kapazität des Entladungsstromkreises.

Zur Regelung der Leistung eines einfachen Stromkreises, der keine eigene Schwingung besitzt, durch bloßes Ändern seiner Periode, würde es für eine Regelung innerhalb weiterer Grenzen einer sehr großen Änderung der Periode bedürfen; dagegen läßt sich bei einer Anlage der beschriebenen Art eine Regelung der Leistung innerhalb sehr weiter Grenzen durch eine nur geringe Änderung der Frequenz eines der Stromkreise erzielen, wenn die oben angegebenen Regeln beobachtet werden.

In Fig. 3 bis 6 sind einige von den geeignetsten Mitteln zur Erzielung der Regelung bei einer Anlage angegeben, die ihre Energie von einer Gleichstromquelle aus erhält. A” A” sind die von der Stromquelle ausgehenden Leiter, G bezeichnet einen an dieselben in bekannter Weise angeschlossenen Motor, der einen Stromregler C treibt. Letzterer dient dazu, um wechselweise den Stromkreis durch den Motor oder durch eine Selbstinduktionsspule zu schließen und den Motorstromkreis mit einem Kondensator H zu verbinden, dessen Stromkreis eine Primärspule K enthält, in deren Nähe eine Sekundärspule L als Quelle für den Arbeitsstromkreis, d.h. für denjenigen Stromkreis dient, an welchen die Vorrichtungen P R angeschlossen sind.

Zur Sicherung einer möglichsten Wirksamkeit einer derartigen Anlage ist es, wie bereits bemerkt, wesentlich, daß diejenigen Stromkreise, welche bisher der Einfachheit halber als der Ladungs- und Entladungsstromkreis bezeichnet worden sind, sich annähernd in Resonanz oder in elektromagnetischem Synchronismus zueinander befinden. Ferner ist es für die Erzielung einer möglichst ergiebigen Leistung zu empfehlen, die Frequenz so groß wie möglich zu machen. Nachdem die elektrischen Bedingungen, welche nunmehr bekannt sind, durch entsprechende Einstellung so geregelt worden sind, daß die oben bemerkten Ergebnisse, soweit möglich erreicht werden, wird die Regelung des Systems dadurch bewirkt, daß seine Elemente so eingestellt werden, daß von obigen Bedingungen in größerem oder geringerem Maß abgewichen und eine entsprechende Änderung der Leistung dadurch erreicht wird. So kann man beispielsweise, wie in Fig. 3 angedeutet die Bewegungsgeschwindigkeit des Motors und damit auch diejenige der Regelungsvorrichtung auf geeignete Weise durch einen in einen Nebenschluß des Motors eingeschalteten Rheostaten R’ oder durch Änderung der Bürstenstellung am Hauptstromwender des Motors oder auf andere gleichwertige Weise ändern. Eine nur sehr geringe Änderung dieser Art bewirkt durch Störung der Beziehungen zwischen der Geschwindigkeit der eingeführten Impulse und den Schwingungen des eine hohe Selbstinduktion besitzenden Stromkreises, in welchen die Impulse eingeführt sind, eine erhebliche Abweichung von dem Zustand der Resonanz und eine entsprechende Verringerung der durch die erwähnten Impulse dem Apparat mitgeteilten Energie. Eine ähnliche Wirkung läßt sich durch Änderung irgend einer der Konstanten beispielsweise nach Fig. 4 die Drosselungsspule B mit einem verschiebbaren Kern N’ ausgestattet, mittelst dessen man, indem man ihn in die Spule hinein- oder aus derselben herausbewegt, die Selbstinduktion und mithin auch die Periodizität des diese Spule enthaltenden Stromkreises ändern kann.

Zur Änderung des Entladungsstromkreises, d.h. desjenigen Stromkreises, in welchem die Entladungen des Kondensators stattfinden, dient nach der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform eine mit dem Kondensator in denselben Stromkreis eingeschaltete verstellbare Selbstinduktionsspule R”, durch deren Verschiebung die Schwingungsperiode dieses Stromkreises geändert werden kann. Dasselbe Ergebnis würde man durch Änderung der Kapazität des Kondensators erreichen können; wenn aber der Kondensator eine verhältnismäßig hohe Kapazität besitzt, so kann dies unter Umständen unvorteilhaft sein; es empfiehlt sich deshalb, statt dessen in dem sekundären oder Arbeitsstromkreis einen regelbaren Kondensator zu verwenden, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Da die Klemmenspannung in diesem Stromkreis eine sehr hohe ist, so kann man einen Kondensator von sehr geringer Kapazität verwenden, und wenn die beiden Stromkreise, der primäre und der sekundäre, sehr eng aneinander angeschlossen sind, dann bedingt die Änderung der Kapazität in dem sekundären Stromkreise ähnliche Wirkungen, wie die Änderung der Kapazität des Kondensators im primären Stromkreis. Als ein geeignetes Mittel für diesen Zweck sind in der Zeichnung zwei auf einander zuund von einander weg verstellbare Metallplatten S’ S’ angegeben, welche die beiden Anker des Kondensators darstellen.

Die Beschreibung der Regelungsmittel ist in Obigem auf den Fall beschränkt, daß die Stromquelle eine solche für Gleichstrom ist; es liegt aber auf der Hand, daß die Regelung des Systems in der gleichen Weise wie beschrieben überall da Anwendung finden kann, wo von irgend einer beliebigen Quelle aus periodische Impulse mit der gleichen Wirkung zugeführt werden.

Die Erfindung ist nicht genau auf die beschriebenen und gezeichneten Ausführungsformen beschränkt. So bedarf es, wenn beispielsweise die Stromquelle einen Strom von hoher Selbstinduktion liefert, besonderer Selbstinduktionsspulen oder dergleichen nicht; ebenso kann auch der Kondensator als besonderer Apparat in Fortfall kommen, wenn die Kapazität seines Stromkreises für den beabsichtigten Zweck ausreichend ist. Der Stromkreisregler kann, wie bereits bemerkt, hinsichtlich seiner Ausführung und Wirkungsweise auf mancherlei Art geändert werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

In der Zeichnung ist bezüglich des Stromkreisreglers angenommen, daß die Kontakte und Isolierzwi-chenräume zum Laden und Entladen nur eines einzigen Kondersators eingerichtet sind; es liegt indessen auf der Hand, daß man auch nur einen einzigen Motor und Stromkreisregler zur Betätigung mehrerer Kondensatoren in der Weise verwenden kann, daß beim Entladen des einen der andere geladen wird.

Patentansprueche:

1. Einrichtung zur Erzielung von Strömen hoher Frequenz aus Gleichströmen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator mit der Primärspule eines Induktionsapparates (Transformators) hintereinandergeschaltet ist und die freien Enden dieser Leitung an die Pole einer mechanisch betriebenen Unterbrechungsvorrichtung gelegt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher in dem mechanisch unterbrochenen Stromkreis eine hohe Selbstinduktion durch die Feldmagnete derjenigen Maschine geliefert oder erhöht wird, welche die Unterbrechungsvorrichtung betreibt.