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Anordnung zur Steuerung elektrischer Entladungsgef sse mit Steuergitter, insbe- sondere mit Gas- oder Dampffüllung, durch lichtelektrische Zellen od. dgl.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Verstärkung liehtelektriseher Ströme, insbesondere mittels elektrischer Entladungsgefässe mit Steuergitter und Dampf- oder Gasfüllung.
In Anbetracht der Tatsaehe, dass die Stärke der Photoströme der iibliehen LichtzeUen bei den gewöhnlich angewandten Belichtungen äusserst gering sind (gewöhnlich in der Grössenordnung von wenigen Mikroamperp), ist es erforderlich, eine oder mehrere Verstärkerstufen anzuwenden, um einen genÜgenden Nutzstrom zu erhalten, d. h. einen Strom solcher Grösse, dass damit Relais oder andere Steuerorgane betätigt werden können. Diese Verstärkung erfolgt gewöhnlieh durch eine oder mehrere Glühkathodenröhren, die mit der Photozelle in Kaskade geschaltet sind.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine solehe Schaltanordnung, die gegenüber den durch Licht- änderungen in der Photozelle hervorgerufenen Stromschwankungen äusserst empfindlieh ist und dabei im Aufbau und in der Wirkungsweise äusserst einfach ist. Die Anordnung wird zweekmässigerweise mit Wechselstrom betrieben, kann unter gewissen Umständen aber auch mit Gleichstrom arbeiten. Weiterhin ist die Anordnung so getroffen, dass bei geeigneter Einstellung der Ausgangsstrom sich linear mit dem Photozellenstrom ändert.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden :
Fig. 1 zeigt eine Brückenanordnung gemäss der Erfindung mit einer Verstärkerröhre in Form einer gasgefüllten Glühkathodenröhre mit lichtbogenähnlicher Charakteristik und einer Photozelle.
Fig. 2 zeigt die Beziehungen zwischen Anoden-, Gitter-und kritischer Gitterspannung bei abgeglichener Brücke.
Fig. 3 erläutert an Hand dreier typischer Kurven die Wirkungsweise dieser Anordnung.
Fig. 4 stellt die Beziehung zwischen Entladungsstrom und Beliehtungsstärke der Photozelle bei der Anordnung der Fig. 1 für verschiedene Einstellungen dar ;
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densators.
In Fig. 1 bedeutet 1 einen Glühkathodenverstärker mit gittergesteuerter Bogenentladung, ein sogenanntes "Thyratron" (vgl. A. B. Hull in "The General Eleetrie Review", Bd. 32, Nr. 2, April 1929).
Ein Thyratron ist charakterisiert durch eine grosse Ausgangsleistung, die durch einen ausserordentlich kleinen Energiebetrag in der Grössenordnung von einem Mikro-Watt gesteuert werden kann. Eine der artige Röhre enthält gewöhnlich eine Dreielektrodenanordnung in einem ionisierbaren Medium, z. B.
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ähnliche Entladung bei den benutzten Spannungen aufrecht zu erhalten.
Die Elektroden umfassen eine Glühkathode 2, eine Anode 4 und ein Steuergitter 3 zwischen diesen beiden Elektroden. Alle Elektroden werden durch die angezapfte Sekundärwicklung eines Transformators 5 durch Wechselstrom gespeist. Die Primärseite des Transformators liegt an einer Wechselstromquelle 6 der üblichen Frequenz. Wie in der genannten Arbeit auseinandergesetzt ist, erfolgt der Stromdurchgang durch ein Thyratron in Form eines Lichtbogens, dessen Einsetzen lediglieh durch das Gitter gesteuert wird.
Nach Einsetzen des Lichtbogens kann der Stromdurehgang jedoch nur noch durch Ent-
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der Weise, dass die Anodenspannung periodisch entfernt wird um die Entladung zu unterbrechen und das Wiedereinsetzen des Lichtbogens durch die Ladung des Gitters gesteuert wird, wodurch der mittlere Bogenstrom bestimmt wird.
Das Gitter ist nun mit dem einen Ende der Sekundärwicklung des Transformators über einen variablen Kondensator 7 verbunden, während die Anode über den Nutzwiderstand 14 an den anderen
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verbunden, ihre Anode mit dem Transformator. Die Liehtzelle kann durch die Lichtquelle n oder z. B. das sich ändernde Tageslicht belichtet werden. Der Ntzkreis 14 liegt zwischen Anode 4 der Röhre 1 und dem an die Photozelle angeschlossenen Ende der Sekundärwicklung.
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wünschenswert, die elektrische Brücke zunächst abzugleichen.
Dies geschieht durch Einstellen des Kondensators 7, während die Lichtzelle im Dunkeln gehalten wird, und das Ansprechen des Thyratrons beob- achtet wird, wie noch näher auseinandergesetzt wird.
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Kondensatoren O2 und Da dargestellt. Die Gitter-Kathodenkapazität ist wegen ihrer Kleinheit fortgelassen. Die Heizkreisansehlüsse sind so gewählt, dass bei richtiger Einstellung des Kondensators die Bracke abgeglichen ist, in welchem Falle die Kapazität Cl die Wirkung der Kapazitäten C2 und Ca auf- hebt. Das Gitter erhält dann, wie ersichtlich, während der positiven Halbwellen des Wechselstromes keine Ladungen.
Wenn auch auf diese Weise das Gitter nicht geladen wird, so setzt doch normalerweise die Entladung im Thyratron ein, wenn nämlich die negative Gitterspannung dauernd grösser ist, als ein kritischer Wert, bei dem das Einsetzen der Entladung verhindert wird. Diese Verhältnisse gehen aus Fig. 2 deutlich hervor. Kurve a stellt die Spannung dar, die die Anode des Thyratrons durch den Transformator erhält, die gestrichelte Linie b zeigt die kritische negative Spannung, die den Betrieb des Thyra- trons unterbindet. Ein Lichtbogen wird nur verhindert, wenn die Gitterspannungskuive c nicht die
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und C2, C3 stellt eine gerade Linie dar, die parallel zur horizontalen Achse verläuft.
Ihre Lage hängt ledig- lich ab, von dem Ableitiingsstrom zwischen dem Gitter und den übrigen Teilen der Röhre und den von der Kathode her auf das Gitter auftreffenden Elektronen. Es nimmt das Gitter etwa "olt negativer
Spannung gegenüber der Kathode an. In Fig. 2 schneidet nun die Gitterspannungskurve c die Gitter- spannungskurve b. Infolgedessen setzt der Lichtbogen ein und fliesst praktisch während des ganzen posi- tiven Teiles der Halbwelle, wie durch die Schraffierung angedeutet ist.
Würde das Thyratron durch ein gewöhnliches Pliotron ersetzt, so ist ersichtlich, dass die Spannung, die das Gitter annimmt, wenn die Brücke abgeglichen ist, genügend negativ ist, um einen merklichen
Stromfluss während des ganzen positiven Teiles der Halbwelle zu verhindern. Während der negativen
Halbwelle kommen dagegen weder beim Thyratron noch beim Pliotron aus bekannten Gründen Ströme zustande.
Erhält die Photozelle 10 durch die Lichtquelle 11 Licht, so sinkt ihr Widerstand erheblieh, das
Brückengleichgewicht wird gestört und das Gitter erhält eine Wechselspannung. Für den Fall, dass diese
Spannung positiver ist als der kritische Wert, der nötig ist, um die Röhre in Betrieb zu setzen bzw. weniger negativ ist als der Betrag der Spannung, die den Betrieb des Thyratrons unterbindet, setzt ein Licht- bogen ein, der bis zum Ende der positiven Halbwelle der Steuerung durch das Gitter nicht mehr unterliegt.
Diese Verhältnisse sind in Fig. 3 näher dargestellt. Ein Lichtbogen setzt nur ein, wenn die Gitter- spannungskurve c die kritische Spannungskurve b während des Intervalles schneidet, wo die Anode positiv ist. Es ist augenscheinlich, dass die Konstanten des Kreises, insbesondere auch die Anschlüsse des Heiz- fadens so gewählt werden können, dass die gewünschte Art des Ansprechens der Anordnung erfolgt, so dass mittels des Thyratrons ein Relais oder irgendein anderer Nutzkreis 14 in Tätigkeit gesetzt wird.
Die Phase des Stromteiles, der im Dunkeln über den Kapazitätsweg C2, Ca fliesst, um den Stroniteil, der über den Gitterkondensator C, fliesst, aufzuheben, wird bei Belichtung der Quelle geändert, indem in den Zweig, der die Kapazität O2 enthält, ein Widerstand eingeführt wird, wodurch die Gitterspannungskurve, die in den Diagrammen A, B und C der Fig. 3 dargestellte Form erhält. Die Phasensteuerung des Gitters hat also ein verschiedenes Aussehen je nachdem ob die Zelle Licht empfängt oder nicht.
Wird die Beliehtung der Zelle nun fortschreitend geändert, so ändert sich die Phasenbeziehung ebenfalls fortschreitend
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Es ist auch ersichtlich, dass die Phasenänderung der dem Gitter zugeführten Spannung ebenfalls durch den Kondensator 7 vorgenommen werden kann, wenn die Belichtung der Quelle konstant ist. Sowohl durch Änderung der Liehtintensität als auch durch Änderung der Kapazität 7 kann der Thyratronstrom von seinem Nullwert bis zu seinem Maximalwert geändert werden. Dies geht deutlich aus den Dia- ) grammen. 4 ; B und C der Fig. 3 hervor, die die einzelnen Stufen der Phasensteuerung und die Stellen zeigen, an denen der Lichtbogen während der Wrehselstromhalbwellcn einsetzt.
In Diagramm A besitzt die Gitterspannung eine Phasenverschiebung von annähernd 180'gegen die Anodenspannung, infolge- dessen setzt der Strom erst gegen Ende der Halbwelle ein. In Diagramm B ist die Gitterspannung in der
Phase etwas weiter voraus, so dass der Strom schon etwa in der Mitte der Halbwelle einsetzt, während in Diagramm C die Gitterspannung beinahe in Phase mit der Anodenspannung ist und der Strom fasst zu Beginn der Halbwelle einsetzt und also fast während der ganzen Halbwelle fliesst. Der Strombetrag während jeder Halbwelle ist durch die sehraffieite Fläche dargestellt. Der mittlere Strom ergibt sich durch das Integral über die Zeiteinheit.
Der mittlere Strom ist also durch den Schnittpunkt der Gitter- spannungskurve und der kritischen Spannungskuive h gegeben, der seinerseits wieder bestimmt wird durch die Phasenverschiebung zwischen Gittcrspannungskurve c und Anodenspannung a. Es ist ohne weiteres verständlich, dass sowohl eine stetige Ändemng des Ausgangsstromes durch eine stetige Änderung der Konstanten des Brückenkreises erfolgen kann. als auch eine plötzliche Änderung der Brückenkon- stanten vorgenommen werden kann, z. B. indem die Zelle plötzlich verdunkelt und dann belichtet wird oder umgekehrt.
Weiterhin hat sich herausgestellt, dass der Kondensator 7 nicht nur dazu benutzt werden kann, um die Kapazitäten C2, C3 zu neutralisieren und damit ein Maximum der Empfindlichkeit der Anordnung zu erzielen, sondern auch bei verschiedenen Einstellungen dazu dienen kann, um eine lineare Beziehung zwischen Thyratronstrom und Belichtung der Zelle herzustellen. Die Kondensatoreinstellungen bestehen in einer Überneutralisation der Elektrodenkapazitäten C2, C3. Es wurde gefunden, dass bei gewisser
Einstellung, die von den charakteristischen Grossen des Thyratrons der Lichtzelle und den damit ver- bundenen Kreisen abhängt, tatsächlich eine weitgehende Proportionalität zwischen Strom und Belichtung zu erzielen ist, die für viele Zwecke zum Vorteil ist. z.
B. wenn in einem Lampenkreis ein Widerstand aus-
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durch das Thyratron betätigt werden soll.
Fig. 4 zeigt drei Kurven, die den Thyratronstrom in Abhängigkeit von der Belichtung der Photozelle bei verschiedener Überneutralisation der Elektrodenkapazität zeigen. Kurve d gilt für den Fall, dass die Kapazität C1 auf den zehnfaehen Wert der Kapazitäten C2, Ca eingestellt ist, und zeigt tatsäeh-
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eine grössere Empfindlichkeit der Anordnung jedoch auf Kosten der Proportionalität. Ausserdem zeigen die Kurven, dass, wenn sich der Wert von Cl dem von C2 C3 nähert, der Grad der Empfindlichkeit erheblich zunimmt, vorausgesetzt, dass im steilsten Teil der Kurve gearbeitet wird. Der beste Wert der Kapazität Ci hängt deshalb von der Art ab, wie der Nutzkreis ansprechen soll.
Dieser Kapazitätswert muss aber in jedem Falle grosser als C2 Cas sein, sonst fliesst durch das Thyratron dauernd der Maximalstrom auch wenn keine Belichtung vorhanden ist. Die Notwendigkeit einer wenn auch geringen Ilberneutralisation ergibt
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Linien 1, 2, 5 und stellen in diesen Diagrammen die Gitterspannungen bei verschiedenen Graden der Belichtung dar, wobei die Linie 1 für die schwächste Belichtung gilt. Im Falle der Unterneutralisation und Neutralisation G und H, ist die Gitterspannung bei allen Belichtungen positiver als die kritische Zündspannung, so dass der Thyratronstrom während der ganzen oder fast ganzen positiven Halbwelle fliesst, wie aus den schraffierten Flächen ersichtlich ist.
Bei Überneutralisation ergeben sich dagegen die durch die Kurve 1 veranschaulichten Betriebsbedingungen. Wie ersichtlich, verlagert sieh in diesem Falle bei verschiedenen Graden der Belichtung der Schnittpunkt zwischen den Gitterspannungskurven 1, 2, 3 und 4 und der kritischen Spannungskurve b derartig, dass der Thyratronstrom mit wachsender Belichtung immer früher in jeder Halbwelle einsetzt und infolgedessen der mittlere Strom zunimmt.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Thyratrons und photoelektrischen Zellen beschränkt, sondern kann auch in Verbindung mit Selenzellen und Pliotrons benutzt werden. Ferner ist die Anwendung des Neutralisierungskondensators auch bei kombinierten Lichtzellen-Verstärkerrohrenanordnungen, wenn sie mit Wechselstrom gespeist werden, gegeben. Falls Pliostrons mit Gleichstrom betrieben werden, ist dagegen der Neutralisierungskondensator nieht nötig.
Bei Verwendung von Thyratrons in Verbindung mit Gleichstromquellen zündet der Lichtbogen häufig schon beim Schliessen des Anodensehalters selbst wenn das Gitter so weit negativ vorgespannt ist, dass bei konstanten Spannungsverhältnissen ein Zünden nicht erfolgen würde. Dies rührt von der Gitteranodenkapazität her, die das Gitter momentan positiv macht, wenn die Anode plötzlich positiv wird. Dies plötzliche Zünden kann weitgehend vermieden werden, wenn der Anodenkreis zunächst über einen
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dieser Widerstand kurz geschlossen wird. Es kann ganz vermieden werden, wenn der Neutralisiu ungskondensator 7 zwischen das Gitter und einem Punkt mit einer gegenüber der Anode entgegengesetzten Polarität geschaltet wird.
Zu diesem Zweck können der Schaltung der Fig. 1 der Transformator 5 durch einen Widerstand ersetzt werden, der mit Gleichspannung gespeist wird. Der Unterschied zwischen einem Pliotron und einem Thyratron mit Gleichstromspeisung besteht bezüglich der Verwendung des Neutralisierungskondensators darin. dass beim Pliotron der Anodenstrom nur fliesst, wenn das Gitter positiv ist, was nur in einem Bruchteil einer Sekunde (Grossenordnung eine Mikro-Sekunde) der Fall ist, so dass der Betrag dieses Stromes vernaehlässigbar klein ist. Beim Thyratron dagegen genügt eine während dieses kleinen Bruchteils einer Sekunde bestehende positive Gitterspannung zur Zündung des Stromes, der dann bis zum Öffnen des Anodenkreises bestehen bleibt.
Um bei Wechselstromspeisung den Thyratronstrom bei einer bestimmten Belichtung der Photozelle abzuschalten. ist der Kondensator 7 und die Lichtzelle 7C zu vertauschen. Der Strom nimmt dann nicht mit wachsender Belichtung stetig ab, sondern fällt bei einem kritischen Wert der Belichtung von seinem vollen Wert auf Null. Die Lichtzelle muss in diesem Falle ein Zweiweg-Widerstand sein. z. B. eine Selenzelle oder eine photoelektrisehe Zelle mit zwei Anoden. die mit lichtempfindlichem Material bedeckt sind. Wird eine gewöhnliche Photozelle, die nur in einer Richtung leitet, benutzt, so wird zwar der Thyratronstrom bei bestimmter Belichtung unterbrochen, der Strom setzt jedoch bei verdunkelter Zelle nicht wieder ein.
An Stelle der Photozellenströme können zwischen Gitter 3 und Anode 4 auch irgendwelche andere Steuer-oder Signalimpulse angewandt werden, die, falls sie stark genug sind. um die Brücke ausser Gleichgewicht zu bringen, ebenfalls eine Stromleitung zwischen Kathode und Anode über den Nutzkreis hervorrufen. In allen diesen Fällen ist der Kondensator 7 notwendig, um die Gitter-Anodenkapazität zu kompensieren, weil sonst das Thyratron nach der Zündung im Betrieb bleibt, auch wenn der Steuerimpuls aufgehört hat.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Anordnung zur Steuerung elektrischer Entladungsgefässe mit Steuergitter, insbesondere mit Gas- oder Dampffüllung, durch lichtelektrische Zellen od. dgl., dadurch gekennzeichnet, dass die Gitteranodenkapazität des mit Wechselstrom betriebenen Entladungsgefässes durch eine im Gitterkreis liegende Kapazität mindestens neutralisiert ist.