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[[Datei:Mercury ars rectifier Šumperk 2.JPG|mini|In Betrieb befindlicher Quecksilberdampfgleichrichter. Die blaue Leuchterscheinung ist der sogenannte ''Kathodenfleck''.]]
Ein '''Quecksilberdampfgleichrichter''' ist eine historische Bauform einer [[Gasentladungsröhre]], welche als [[Gleichrichter]] betrieben wird und zugeführten [[Wechselstrom]] oder [[Dreiphasenwechselstrom]] in [[Gleichstrom]] umwandelt. Der Quecksilberdampfgleichrichter wurde von [[Peter Cooper-Hewitt]] 1902 entwickelt und großflächig bis Anfang der 1970er in der Industrie eingesetzt.<ref>{{Patent|Land=GB|V-Nr=190304168|Erfinder=Peter Cooper-Hewitt|Titel=Improvements in the Method of and Means for Obtaining Uni-directional Current from a Single-phase or Poly-phase Alternating Current Source|A-Datum=1902-10-30}}</ref> Der Anwendungsbereich umfasste den Bereich der [[Elektrische Energietechnik|elektrischen Energietechnik]] wie beispielsweise die Versorgung von mit Gleichstrom betriebenen [[Straßenbahn]]en.

== Historisches ==
Quecksilberdampfgleichrichter wurden bis in die 1970er Jahre für die Erzeugung von Gleichstrom bei höherer [[Elektrische Spannung|Spannung]] verwendet, z. B. [[Stromrichter]] zur Energieversorgung von Straßenbahnen und [[S-Bahn]]en, für die Spannungsversorgung der Röhren-Endstufen von [[Sendeanlage|Großsendern]], für die Erzeugung der Gleichspannung in [[Aluminiumhütte]]n. Für steuerbare Antriebe von Maschinen wurden Phasenanschnittssteuerungen mit gesteuerten Quecksilberdampf-Gleichrichtern verwendet, diese wurden je nach Aufbau als [[Ignitron]] oder [[Thyratron]] bezeichnet.

Seit den 1960er Jahren wurden Quecksilberdampf-Gleichrichter und -Thyratrons von Siliziumgleichrichtern, [[Thyristor]]en und [[Insulated Gate Bipolar Transistor]]s (IGBT) verdrängt, die in jeder Hinsicht vorteilhaft sind: Geringere [[Schwellenspannung|Durchlassspannung]], kleineres Volumen, nicht zerbrechlich, ungiftig. Die letzte Domäne der Quecksilberdampfgleichrichter war die [[Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung]] (HGÜ) bis 1975.

== Aufbau ==
=== Glaskolben ===
[[Datei:Quecksilberdampfgleichrichter 3phasen.jpg|mini|Gleichrichter mit drei Anoden und externem Drehstromtransformator]]
Ein Quecksilberdampfgleichrichter kleiner bis mittlerer Leistung besteht aus einem [[Glas]]kolben, in dem unten als [[Kathode]] ein Quecksilbersee steht. Darüber wölbt sich ein Glasdom, an dessen Innenwand das im Betrieb verdampfende [[Quecksilber]] wieder kondensiert und nach unten abfließt. Knapp über dem Quecksilbersee sind [[Elektronenröhre#Heizung|Heizelektroden]] angebracht, um etwas Quecksilber zu verdampfen und den Gleichrichter startbereit zu machen. Seitlich sind gläserne Fortsätze angeschmolzen, die Armen gleichen und an ihren Enden [[Graphit]][[elektrode]]n als [[Anode]]n tragen. Ihre Anzahl richtet sich nach dem Einsatzzweck: Soll Gleichstrom aus Wechselstrom erzeugt werden, so kommen ein oder zwei „Arme“ zum Einsatz, je nachdem, ob eine oder beide Halbwellen des Wechselstroms genutzt werden sollen. Bei Dreiphasenwechselstrom sind es drei oder sechs „Arme“. Sechs „Arme“ werden eingesetzt, um die [[Restwelligkeit]] der resultierenden Spannung zu reduzieren ([[Sechspulsschaltung]]). Bei der sechsphasigen Anordnung werden die drei Sekundärwicklungen eines [[Dreiphasenwechselstrom-Transformator]]s durch Halbierung in je zwei Teile zerlegt, die Mittelpunktanschlüsse der Sekundärwicklungen sind verbunden und bilden den negativen Gleichspannungsanschluss, während die Kathode des Gleichrichters den positiven Anschluss darstellt.

=== Metallgehäuse ===
Für größere Leistung wird der Quecksilberdampfgleichrichter in einem Metallgehäuse aus Eisen ausgeführt, und die elektrischen Durchführungen mit Glas oder Keramik zur Isolierung realisiert. Der Metalltank erlaubt höhere Betriebstemperaturen und eine leichtere Wärmeabführung bei sonst ähnlichen Aufbau wie der Glaskolben. Quecksilberdampfgleichrichter im Metallgehäuse weisen meist eine zusätzliche und extern angebrachte [[Vakuumpumpe]] auf, welche den niederen Innendruck im Metallbehälter sicherstellt. Anwendungsbereiche von Quecksilberdampfgleichrichter in einem Metallgehäusen waren die Gleichstromversorgung von elektrischen Bahnen und netzgeführte [[Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung]]en (HGÜ)s.

== Funktionsweise ==
=== Prinzip ===
[[Datei:Quecksilberdampfgleichrichter 6phasen.jpg|mini|Gleichrichter mit sechs Anoden und externem Drehstromtransformator mit Mittelpunktanzapfungen auf der Sekundärseite]]
Quecksilberdampfgleichrichter zählen zu der Untergruppe der [[Elektronenröhre]]n mit Quecksilberkathode und sind als solche eine spezielle Form der Kaltkathodenröhren.

Elektronenquelle ist bei diesem Röhrentyp der Fußpunkt des im Betrieb stehenden Quecksilberdampf-Lichtbogens, der sogenannte Kathodenfleck (auch [[Plasma (Physik)|Plasma]]-Kathode genannt). Die auf die Kathode mit hoher kinetischer Energie zuströmenden positiven Quecksilberionen bilden im Bereich vor dem Kathodenfleck eine konzentrierte Raumladung und ein starkes elektrisches Feld, welches in Verbindung mit den kinetischen Stößen der [[Ion|Ionen]] vermehrt [[Elektron]]en aus dem flüssigen Quecksilber (Kathode) emittieren lässt. Durch spezielle konstruktive Maßnahmen wie abgewinkelte Anodenarme muss dabei sichergestellt werden, dass keine Quecksilbertröpfchen direkt zu den Anodenschlüssen gelangen können. Wäre dies der Fall, käme es durch die Quecksilberionen vor der Anode zu sogenannten Rückzündungen zwischen Anode und Kathode oder zwischen benachbarten Anoden.

Zum Aufbau des Ionenstromes (Lichtbogen) ist ein Zündvorgang notwendig. Einanodengleichrichter müssen in jeder Periode neu gezündet werden, bei Mehranodengleichrichtern springt der Lichtbogen von einer Anode zur nächsten.

Überschüssiger Quecksilberdampf kondensiert im Betrieb im Kolbendom, so dass sich im Kolben ein stabiles Gleichgewicht zwischen flüssigem Quecksilber und dem Quecksilberdampf einstellt.

=== Startvorgang ===
Ein Quecksilberdampfgleichrichter muss ähnlich einer Leuchtstofflampe ''gestartet'' werden. Dies geschieht durch eine Starterelektrode, die knapp über dem Quecksilbersee angebracht ist. Zum Starten wird die Elektrode unter Spannung gesetzt und in das Quecksilber eingetaucht (z. B. durch einen [[Elektromagnet]]en oder durch Neigen des Glaskolbens). Sobald sie den Kontakt mit dem Quecksilber verliert, bildet sich ein Funke, wodurch der Quecksilberdampf ionisiert wird und der Hauptstrom zu den Anoden fließen kann. Sobald der Gleichrichter arbeitet, werden aus der Quecksilberkathode laufend genügend Ionen nachgeliefert, um die Raumladung im Bereich des Kathodenflecks zu erhalten. Die Starterelektrode wird bei Mehranodengleichrichtern dann nicht mehr gebraucht.

Bei Quecksilberdampfgleichrichtern, die mit kleinen Lastströmen arbeiten, besteht die Gefahr, dass die Gasentladung und damit der Kathodenfleck erlischt. Um das zu vermeiden, wird durch eine Hilfseinrichtung eine Hilfsentladung und damit der Kathodenfleck aufrechterhalten. Sie besteht aus einer kurzgeschlossenen M2-Gleichrichterschaltung, deren Wechselstrom [[Elektromagnetische Induktion|induktiv]] begrenzt wird. Diese Hilfseinrichtung ist auch bei Einanodengefäßen notwendig.

=== Betrieb ===
Durch die fortwährenden Entladungen im Inneren des Glaskolbens entsteht Wärme, die dafür sorgt, dass das Quecksilber fortwährend verdampft. Verdampftes Quecksilber schlägt sich an dem Glasdom nieder, kondensiert und fließt in den See zurück. Es herrscht also eine leicht [[Ionisation|ionisierbare]] Quecksilberatmosphäre.

Wenn von außen eine Gleichspannung so angelegt wird, sodass die Kathode eine negative Spannung gegenüber der Anode hat, entsteht an der Kathode (Quecksilbersee) ein Elektronendruck/[[Elektronenüberschuss]]. Die Elektronen ionisieren die Quecksilberatmosphäre und wandern zur Anode, die gerade positiv geladen ist. Damit kann in dem äußeren Stromkreis ein Strom fließen. Dabei emittieren die Quecksilberatome ein bläuliches Licht.
Wenn die Gleichspannung umgekehrt angelegt wird, fließt in die Gegenrichtung und bzw. zwischen den Anoden kaum Strom, da sie durch ihre [[Passivierung]] wenig geneigt sind, Elektronen abzugeben, wogegen diese aus dem Quecksilbersee leichter austreten. Also wirkt die Anordnung als Gleichrichter.

Bei steuerbaren Quecksilberdampfgleichrichtern ist zur Erzielung einer Entladung eine positive Spannung an der Steuerelektrode (als Gitter bezeichnet) nötig. Nach der Zündung kann der Stromfluss durch den Quecksilberdampfgleichrichter nicht mehr mit Hilfe des Gitters kontrolliert werden – er fließt bis zum Nulldurchgang des Wechsel''stroms'' und wird kurz nach Beginn der nächsten Halbwelle neu gezündet. Auf diese Weise kann der Strom (wie bei einem [[Thyristor]]) nur ein-, nicht aber ausgeschaltet werden.

<gallery widths="200" heights="300">
Quecksilberdampf-Gleichrichter.jpg|Quecksilberdampfgleichrichter mit sechs Anoden der [[Bayerische Zugspitzbahn|Bayerischen Zugspitzbahn]]
Mercury Arc Valve, Radisson Converter Station, Gillam MB.jpg|Quecksilberdampfgleichrichter der HGÜ ''Nelson River'' (Sperrspannung: 150 kV, maximaler Strom: 1800 A)
Nordrhein-Westfalen, Dortmund, Zeche Zollern NIK 6456.jpg|Quecksilberdampfgleichrichter mit Metallgehäuse von Siemens, für 560 V, 1330 A
DMM 72133 Quecksilberdampf-Hochspannungsgleichrichter Schnittmodell.jpg|Schnittmodell eines Quecksilberdampfgleichrichter mit Metallgehäuse
</gallery>

== Wirkungsgrad ==
Fast unabhängig vom Anodenstrom beträgt der [[Spannungsabfall]] zwischen Anode und Kathode, die sogenannte [[Lichtbogen|Brennspannung]], etwa 12 V. Das bedeutet bei einer Stromstärke von 500 A eine Verlustleistung von 6000 W, die durch Wasserkühlung abgeführt werden muss. Bei geringeren Strömen kann Luftkühlung genügen.

Dieser vergleichsweise sehr hohe Verlust bedeutet geringen [[Wirkungsgrad]] und konnte nur bei Hochspannungsanlagen (über etwa 100 V) toleriert werden, nicht aber bei Kleinspannungen wie in [[Ladegerät]]en. Dort wurden stattdessen [[Tungar-Röhre]]n oder mechanische [[Umformer]] eingesetzt, bei höheren Spannungen und geringen Strömen auch [[Röhrendiode]]n. Die Erfindung der [[Diode|Halbleitergleichrichter]] mit erheblich geringeren Spannungsabfällen (etwa 1 V) und damit erheblich besseren Wirkungsgraden verdrängte die Quecksilberdampfgleichrichter in kürzester Zeit.

== Besonderheit ==
Durch die elektrische Anregung des Quecksilbers und seine Eigenschaft, sichtbares Licht zu emittieren, leuchtet und blinkt ein laufender Quecksilberdampfgleichrichter in hellblauem Licht, welches wie eine [[Leuchtstofflampe]] einen hohen Anteil an [[Ultraviolettstrahlung]] (UV) aufweist. Dabei kann man an der Oberfläche des Quecksilbersees den Kathodenfleck als wandernden, grün leuchtenden Fleck beobachten. An dieser Stelle tritt der Elektronenstrom aus dem Metall aus.

== Sonstiges ==
Die größten jemals eingesetzten Quecksilberdampfgleichrichter wurden beim [[Nelson-River-Bipol]] eingesetzt.

Steuerbare Typen von Quecksilberdampfgleichrichtern sind das [[Thyratron]], das [[Ignitron]] und das [[Excitron]].

Für das Laden von [[Akkumulator]]en verwendete man andere Arten von Gleichrichtern, unter anderem die sog. „[[Tungar-Röhre]]n“, die in der Lage waren, bei den relativ geringen Ladespannungen (z. B. 12 [[Volt]]) den erforderlichen Strom zu liefern.

== Populärkultur ==
In einigen [[Frankenstein (Roman)|Frankenstein]]-Filmen werden mehranodige Quecksilberdampfgleichrichter gezeigt.<ref>{{Internetquelle |url=https://moviesoothsayer.wordpress.com/2012/06/26/movie-madness-16-evil-of-frankenstein/ |titel=Movie Madness #16: Evil of Frankenstein |werk=The Soothsayer Review Archive |datum=2012-06-26 |sprache=en |abruf=2019-09-24}}</ref>

== Weblinks ==
{{Commonscat|Mercury arc rectifiers|Quecksilberdampfgleichrichter}}
* http://www.hts-homepage.de/TechnischesMuseum/TM20.html – Quecksilberdampfgleichrichter
* http://www.hts-homepage.de/Klingerpark/Klinger5.html – Quecksilberdampfgleichrichter in Aktion
* [https://www.jogis-roehrenbude.de/Roehren-Geschichtliches/GL-Roehren/HG-und-Gas-Gleichrichter/HG.htm Ausführliche Informationen und viele Bilder]
* https://www.electricstuff.co.uk/mercarc.html – Webseite zum Thema Quecksilberdampfgleichrichter (englisch)
* [http://www.quecksilberdampfgleichrichter.de Virtuelles Museum über Quecksilberdampfgleichrichter]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektronenröhre]]
[[Kategorie:Historisches Elektrogerät]]
[[Kategorie:Quecksilber]]
[[Kategorie:Leistungselektronik]]

Quecksilberdampfgleichrichter - Versionsgeschichte

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