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Die Erfindung betrifft eine für Relaiszwecke bzw. Wechselrichter-und Gleichrichterzwecke dienende Entladungsröhre mit mindestens zwei gegenpoligen Elektroden und den Entladungsstrom beeinflussender Abschirmung, in welcher die Entladungsbeeinflussung durch eine gesteuerte Relativ- bewegung der letzteren gegenüber der ersteren erfolgt. Erfindungsgemäss ist die Abschirmung unmittelbar neben der wirksamen Elektrodenoberfläche angeordnet, derart, dass durch die Relativbewegung die
Grösse der aktiven Elektrodenoberfläche geändert wird, so dass die Entladung nur an der von der Ab- schirmung nicht bedeckten Elektrodenfläche erfolgt. Hiebei kann jede der beiden gegenpoligen Elek- troden ein einzelnes Ganzes sein oder aus mehreren gleichpoligen Teilelektroden bestehen.
Neben der bekannten Art der Regulierung der Entladung bei Hochvakuum und Gasentladung röhren durch Änderung des elektrischen Potentials eines Steuergitter oder veränderliche elektrische oder magnetische Felder zwischen Anode und Kathode sind Röhren bekanntgeworden, bei welchen die Öffnungen des Gitters durch ein Steuerorgan geändert werden.
Die Erfindung zeigt diesen Röhren gegenüber die Vorteile, dass, soweit es sich um Hochvakuum- relais- oder Wechselrichter- bzw. Gleichrichterröhren handelt, in einem grossen Wirkungsbereich eine sehr feinstufige Abschirmung und dadurch eine genau steuerbare Regulierung der Entladung möglich ist. Für eine feinstufige Steuerung einer Gasentladung sind die bekannten Vorrichtungen nur ungenügend brauchbar, weil bei Röhren mit Steuerung durch veränderliches Gitterpotential im wesentlichen nur Zünd- und Löschspannungen verändert werden können, während bei Röhren mit veränderlichen Gitter- öffnungen die Gasentladung nicht geregelt werden kann, weil die Entladungssäule, abgesehen von den Gebieten unmittelbar vor den Ein-bzw.
Austrittsstellen der Entladung in die Elektroden, sich bei wachsender Stromstärke einschnürt, was einer Regulierung nach der bekannten Art zuwiderläuft.
Der bei Hochvakuumrelais-und Wechselrichterröhren mit beweglichen Gittern in Erscheinung tretende Mangel der feinstufigen Regulierbarkeit infolge des kleinen Steuerweges einerseits und der bei Gasentladungsröhren in Erscheinung tretende Mangel der feinstufigen Regulierfähigkeit anderseits wird gemäss der Erfindung dadurch behoben, dass unmittelbar vor einer der Elektroden ein bewegliches den Entladungsstrom abschirmendes Organ angeordnet ist, welches gleichzeitig die Grösse der aktiven Anoden bzw. Kathodenoberfläche verändert.
Zweckmässiger ist ein Abschirmorgan gegenüber einer Elektrode bewegbar angeordnet, es kann aber auch eine der Elektroden gegenüber einem feststehenden Abschirmorgan bewegbar angeordnet sein. Je nach der Umgrenzung der aktiven Anoden-oder Kathodenfläche kann zwischen der Steuer- bewegung und der Entladung ein lineares oder ein beliebiges Verhältnis hergestellt werden.
Da bei Hochvakuumröhren mit Glühkathode die Grösse der Emission unter anderem eine Funktion der Grösse der wirksamen Emissionsfläche darstellt, so kann in gewissen Fällen das bewegliche abschirmende Organ unmittelbar vor der wirksamen Kathodenfläche angeordnet sein, wodurch wiederum der Vorteil einer sehr feinstufigen Regulierung der Entladung möglich ist.
Die Bewegung des Organs, mit dessen Hilfe die Emission gesteuert wird, kann durch zwangsläufige Steuerung erfolgen, sie kann für Wechselrichter-, Gleichrichter- und Relaiszwecke mit relativ grosser Zeitkonstante eine mechanische sinusförmige Schwingung sein, wobei der Vorteil ausgenutzt wird, dass die Anregung oder Aufrechterhaltung einer mechanischen Schwingung in der Eigenfrequenz
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Energie erforderlich ist.
Für Relaiszwecke wird dabei eine sehr grosse Verhältniszahl zwischen steuernder und gesteuerter
Energie erreicht.
Für Relais-, Wechselrichter- oder Gleichrichterröhren. welche mit Gasentladung arbeiten, ge- stattet die erfindungsgemässe Anordnung,, die feststehenden und beweglichen Abschirmelemente, in speziellen Fällen die bewegliehe Anode oder Kathode so zu konstruieren, dass in Ruhestellung des be- weglichen Organs der Anodenraum vom Kathodenraum so getrennt ist, dass eine Entladung auf einem andern Weg als dem üblichen vermieden wird.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt, u. zw. zeigt :
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Entladungsröhre als Relais in schematischem Schnitt,
Fig. 2 zeigt die Resonanzkurve der Feder desselben, Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Entlade- röhre als doppeltes Resonanzrelais in perspektivischer Ansieht und Fig. 4. das Schaltschema derselben :
Fig. 5 zeigt in schematischem Schnitt eine weitere Ausführungsform einer Entladeröhre für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom bzw. Wechselstrom in Gleichstrom, und Fig. 6 zeigt in senk- rechtem Schnitt eine Ausführungsform einer Entladeröhre zur Umformung von Gleichstrom in Dreh- strom bzw. von Drehstrom in Gleichstrom, Fig. 7 eine schematische Draufsicht hiezu.
Grundsätzlich sind, wie bereits erwähnt, zwei Anordnungen denkbar, nämlich als erste, dass eine der Elektroden derEntladeröhre gegenüber einem Abschirmteil bewegbar ist, und als zweite, dass durch Abdeckung von Öffnungen im feststehenden Absehirmteil die Grösse der wirksamen Elektrodenfläche geändert wird.
In der nachfolgenden Beschreibung sind in sämtlichen Ausführungsformen identische Teile auch bei etwaiger geringfügiger Abweichung mit gleichen Überweisungen bezeichnet.
Fig. 1 zeigt eine Entladeröhre für Hochvakuum oder Gasfüllung, deren Glaskolben 1 in üblicher
Weise auf einem Sockel 2 befestigt ist. Auf dem Sockel ist im Kolbeninhern ein Magnet 3 befestigt, dessen
Kern 4 die Wicklung z trägt. Am Fusse des Magneten J ist eine aufwärts ragende Feder 6 so befestigt. dass dieselbe bei Schwankungen des Magnetfusses hin-und hersehwingt. Die Feder trägt am oberen Ende eine Abschirmplatte 7 aus Metall oder Isoliermaterial welche eine entsprechend grosse Öffnung eines dosenförmigen Abschirmgehäuses 8 aus Metall oder Isoliermaterial abdeckt.
Die Abschirmung sowie auch die Feder können zur Konstanthaltung der Spannung über Hoch- ohmwiderstände an ein entsprechendes Potential gelegt werden. Im Innern des Abschirmgehäuses 8 liegt die Elektrode 9, welche mit einer Fläche in die Öffnung desselben hineinragt. Ausserhalb des Absehirm- gehäuses 8 sitzen unmittelbar darunter die Gegenelektroden 10, in diesem Fall Anoden. Wird an die ruhenden Elektroden eine Spannung, beispielsweise die Gleichspannung der Batterie B, angelegt, so entsteht ein Entladestrom, sobald die Absehirmplatte 7 die Öffnung des Gehäuses 8 freigibt.
Je nach der
Grösse der hiebei freigegebenen Öffnung ändert sieh die wirksame Kathodenfläche und damit die Stärke des Entladungsstromes. Wird der Magnetfluss beispielsweise durch einen veränderlichen Gleichstrom geändert, so kann damit der bewegliehe Abschirmteil mehr oder weniger aus seiner Ruhelage gebracht werden, wobei die Grösse der wirksamen Elektrodenfläehe verändert wird. Die Bewegung der Feder kann durch mechanische, magnetische, elektromagnetische, elektrodynamische oder andre Kräfte be- wirkt werden.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass man mit einer sehr geringen Steuerenergie grosse
Energien, welche über den Entladungsweg gehen, proportional zur Steuerenergie und kontinuierlich verändern kann. Wenn die Steuerelektrode so ausgebildet ist, dass sie wenig mechanische Trägheit be- sitzt, so lässt sich dieses Relais bei Anwendung einer Gasentladung zweckmässig als Verstärker für akustische
Frequenzgemisehe verwenden. Bei einer derartigen Röhre kann mit geringer Steuerenergie und unter
Verwendung einer niedrigen Anodenspannung eine grössere ausgesteuerte Leistung erzielt werden als mit den gegenwärtig bekannten Anordnungen.
Da man in der Lage ist, das Verhältnis des Entladestromes zum Steuerstrom, mit andern Worten, die statische und damit auch die dynamische Kennlinie beliebig zu gestalten, u. zw. einerseits durch beliebige Formgebung der Abdecköffnungen und anderseits durch Ver- änderung der Richtkraft der Elektrode, lassen sich Verzerrungen, die in einem vorangehenden Verstärker- teil oder in einem Lautsprecher auftreten, mit einer solchen Röhre korrigieren.
Als kontinuierlich regelbares Relais für Steuervorgänge unterhalb der akustischen Frequenz, ist die beschriebene Röhre ganz besonders leistungsfähig, wenn der schwingende Abschirmteil nach Fig. 1 oder eine bewegliche Elektrode als Blattfeder ausgebildet ist, wobei besonders in Betracht fällt, dass die
Feder eine scharf ausgeprägte Eigenschwingung aufweist und die zur Aufrechterhaltung der Schwingung nötige Energie klein ist.
Wenn als Steuerstrom ein Wechselstrom angewendet wird, welcher im Frequenzbereieh f (Fig. 2) variiert werden kann, so lässt sich die Amplitude der Feder von Null bis Maximum gemäss der Reso- nanzkurve (Fig. 2) der Feder durch die Frequenzändenmg f erreichen.
In der elektrischen Übertragungstechnik besteht vielfach die Notwendigkeit, kontinuierliche
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Technik handelt es sich oft darum, Bewegungsvorgänge in feingeregelter Form und Abstufung mittels Fernübertragung weiterzuleiten. Das durch diese beiden Aufgaben vereint gebildete Problem der elektrischen Fernübertragung wurde bisher mittels mehr oder weniger komplizierter Einrichtung gelöst, welche vielerlei Fehlerquellen unterworfen und deshalb nur relativ zuverlässig waren. Mit nachfolgend beschriebener Anordnung kann die gestellte Aufgabe mit Vorteil gelöst werden.
Bekanntlich sind sehr geringe Energien notwendig, um einen leicht schwingungsfähigen Körper in Schwingungen zu versetzen, wenn die antreibende Wechselkraft mit ihrer Frequenz in der Nähe der Eigenfrequenz des schwingenden Körpers liegt. Das Übersetzungsverhältnis des Relais in dieser Anordnung ist deshalb ganz besonders gross.
Es ist selbstverständlich, dass durch Einbau mehrerer Federn mit verschiedener Eigenfrequenz in einer Röhre verschiedene Steuervorgänge unabhängig voneinander kontinuierlich regelbar übertragen werden können. Der Steuerstrom muss dann ein Frequenzgemisch sein, welches sich aus an sieh veränderlichen Wechselströmen von den Frequenzbereichen der eingebauten Federn zusammensetzt.
Diese zusammengesetzte Steuerfrequenz lässt sich auf der Steuerseite am besten durch einen oder mehrere Röhrenoszillatoren erzeugen, wobei zur Abstimmung regelbare Schwingungskreise verwendet werden.. Jeder Schwingungskreis muss hiebei den Frequenzbereich von mindestens einer Feder umfassen.
Fig. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Gasentladungsrelais, bei welchem für die Regelung der Entladungsstärke die Grösse der wirksamen Anodenfläche verändert wird. Wie bei der erstbeschriebenen Ausführungsform ist ein sämtliche Teile einschliessender Glaskolben 1 auf einem Sockel 2 gasdicht befestigt. Auf dem Sockel ist ein permanenter Magnet.' ! mit U-förmigem Magnetkörper befestigt, auf dessen Schenkel seitlich kurze Kerne 4 angebracht sind, welche zwei Spulen 5 tragen. Den Polflächen dieser Kerne gegenüber sind zwei Blattfedern 6 mit ihren unteren Enden am Magnetjoch freischwingend be-
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mittleren Steuerfrequenz abweicht. Die eine Feder habe z.
B. eine Eigensehwingung von 50-5=45 Hertz, die andre 50+5 = 55 Hertz. An den freien Enden sind senkrecht zur Federfläche als Querplatte 7 ausgebildete Anoden befestigt, welche beim Schwingen in entsprechende Schlitze von auf beiden Seiten angebrachten Metallschirmen 8 eintreten. Zu beiden Seiten dieser Abschirmung sind ausserhalb derselben Glühdrähte 9 angeordnet, welche von zugleich als Stromzuführung dienenden Haltern 11 getragen werden. Da auch die Absehirmbleehe auf diesen Haltern befestigt sind, besteht praktisch zwischen denselben und den Glühdrähten keine Potentialdifferenz. Die beiden Spulenenden, die Glühdrahtausführungen und die Federn sind elektrisch voneinander isoliert und an zugehörige Sockelstifte geführt, und der Glaskolben ist mit einem für die Ionisierung geeigneten Gas gefüllt.
Fig. 4 zeigt die Schaltung einer solchen Röhre in schematischer Darstellung und zugleich ein Anwendungsbeispiel für die Erzeugung einer kontinuierlichen Steuerbewegung. Die beiden Anoden 7 sind hier an die äusseren Enden eines zweiteiligen Solenoids 8 angeschlossen, dessen Mittelpunkt an irgendeiner Stromquelle angeschlossen ist. Ein auf eine Achse aufmontierter gegabelter Anker A greift mit seinen Hörnern in die beiden Solenoidspulen ein und wird je nach der Verstärkung des Stromes in der einen oder der andern Spule verschwenkt. Auf der Ankerachse kann z. B. der Ventilkörper eines Steuerventils für einen hydraulischen oder pneumatischen Servomotor aufgesetzt werden.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende : Der aus einem Verstärker kommende Strom fliesst in Steuerfrequenz moduliert durch die beiden Magnetspulen 5, so dass der permanente Magnetismus im gleichen Rhythmus wie die Stromschwankungen verstärkt und geschwächt wird. Wird nun mittels des Steuerorgans der Sendevorriehtung die Steuerfrequenz immer mehr der Eigenfrequenz einer der Federn 6 genähert, so gerät diese mit grösserer Annäherung an die Eigenfrequenz in immer stärkere Vibrationen, d. h. in Resonanz.
Die Anodenplatte 7 der schwingenden Feder tritt hiebei mit immer zunehmender Amplitude auf beiden Seiten durch die zugehörigen Abschirmschlitze hindurch, und wenn an die Feder eine gegenüber den Glühdrähten 9 positive Spannung angelegt wird. so entsteht bei jedem Durchtritt der Platte 7 durch den Absehirmungschlitz ein kräftiger Stromübergang zwischen Platte 7 und Glühdraht 9.
Der auftretende Strom ist angenähert proportional der durchtretenden Plattenfläehe, diese ist wiederum proportional der Schwingungsamplitude. Die Amplitude vergrössert sieh mit zunehmender Annäherung der Steuerfrequenz an die Eigenfrequenz der Feder. Diese Annäherung wird durch entsprechend Bewegungen des Steuerorgans am Sendeort von der Nullage nach aussen bewirkt. Durch geeignete Formgebung der schwingenden Anodenplatten 7 lässt sich Proportionalität zwischen Bewegungswinkel des Steuerorgans und Steuerausschlag erreichen. Wird das Steuerorgan von der Nulllage aus nach der andern Seite bewegt, so beginnt das gleiche Spiel mit der andern Feder. Diese bewirkt einen Steuerausschlag nach der andern Seite.
Mit dem beschriebenen Doppelresonanzrelais ist es möglich, Steueraussehläge nach links und rechts in beliebigem Ausschlagwinkel mit grosser Schnelligkeit und Präzision einzustellen. Dabei erfolgt der Steuervorgang nicht stufenweise, sondern kontinuierlich, was für die Präzision der Steuerung wesentlich ist. Diese Resonanzfernsteuerung kommt mit einem Minimum von Elektrodenröhren aus. Sie ist des-
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halb wegen ihrer Einfachheit auch sehr zuverlässig. Dass man durch entsprechende Vermehrung der
Federn im Relais die verschiedenen Steuer gleichzeitig betätigen kann, versteht sich von selbst.
Das eben beschriebene Entladungsrelais für Hochvakuum oder Gasfüllung kann auch mit Vorteil als Frequenzgenerator Anwendung finden. Elektrische Frequenzgeneratoren, die meist mit rück- gekoppelten Elektrodenröhren arbeiten, sind von mehreren Betriebsbedingungen abhängig, z. B. von der Anodenspannung, von der Gitterspannung, von der Heizspannung, von der Leitungsführung, von der. Temperatur usw. Daraus geht hervor, dass die Erzeugung einer konstanten Frequenz mit dieser
Methode sehr schwer ist. Quarzoszillatoren eignen sich vornehmlich für hochfrequente Schwingungen.
Der Frequenzgenerator nach oben beschriebener Anordnung zeichnet sich durch eine grosse Frequenz- konstanz aus, weil mechanische schwingungsfähige Gebilde mit ausgeprägter Eigenschwingung bei konstanter Temperatur sehr gleichmässig in der Frequenz sind. Die Resonanzkurve ist sehr steil. Die Steilheit derselben wird noch erhöht, weil in der beschriebenen Anordnung das schwingungsfähige Ge- bilde im Vakuum oder aber unter stark reduziertem Druck arbeitet. Für die Erzeugung von Hochfrequenz lassen sich die bekannten Mittel der Frequenzvervielfachung anwenden. Die Aufrechterhaltung der
Schwingung kann durch den gesteuerten Strom erfolgen. Für die Erzeugung von mehreren konstanten
Frequenzen können mehrere Schwingungssysteme in einer Röhre angebracht sein.
Für die Erzeugung einer veränderlichen Frequenz kann durch eine geeignete Vorrichtung der Befestigungspunkt des schwingenden Gebildes verändert werden.
Während das beschriebene Entladungsröhrenrelais für die kontinuierliche lineare oder nicht lineare Leistungsverstärkung verhältnismässig langsamer Steuervorgänge wie auch für die Erzeugung konstanter Frequenzen dient, kann eine solche Röhre auch als Ondulator beliebiger Ströme oder im speziellen für die Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom beliebiger Form des Strom-oder Spann- verlaufes und beliebiger Phasenzahl verwendet werden.
Fig. 5 zeigt die einfachste Form der Anordnung für die Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom mittels einer solchen Entladungsröhre. Ein Glaskolben- !, der hochevakuiert ist oder der mit verdünntem Gas gefüllt ist, welches für Entladungsvorgänge günstige Eigenschaften besitzt, ist am
Sockel 2 befestigt. Ein Magnetsystem 3, welches durch die auf den Kern 4 aufgesetzte Spule 5 variierend magnetisiert werden kann, trägt die Blattfeder 6, die aus magnetischem Material besteht.
Das Abschirmgehäuse 8 aus Metall oder Isoliermaterial mit der mittleren Trennwand 8 a und den beiden Entladungs- öffnungen 8 b enthält in den beiden durch die Trennwand 8 a gebildeten Kammern je eine Anode 7, die unmittelbar an den Öffnungen 8 b sitzen und welche beide mit den beiden Enden der Primärwicklung des angeschlossenen Transformators T verbunden sind. Die Mittelanzapfung dieser Wicklung führt zum positiven Pol der Gleichspannungsquelle B. Eine Abdeekplatte 7, welche im Ruhezustand die Öffnungen 8 b bedeckt, ist am oberen Ende der Blattfeder 6 befestigt. Ausserhalb des Abschirmgehäuses 8 ist die Gegenelektrode 9, welche in Form einer Glühkathode ausgebildet ist, angeordnet. Die Kathode 9 ist mit dem negativen Pol der Gleiehspannungsquelle B verbunden.
Die Eigenfrequenz der Feder 6 ist so gewählt, dass sie mit der zu erzeugenden Wechselspannung übereinstimmt. Die Magnetwieklung 5 kann an die Sekundärwicklung des Transformators T angeschlossen werden. Wird die Feder 6 durch einen Wechselstrom, welcher durch die Spule 5 fliesst, in Schwingung versetzt, so werden abwechslungsweise die beiden Entladungsöffnungen 8 a freigelegt, dadurch wird der Entladungsstrom nach Art eines einfachen Kommutators abwechslungsweise den Weg zwischen einer der beiden Anoden 10 und der Kathode 9 nehmen. Durch geeignete Formgebung der Entladungsöffnungen lässt sich die Kurve des Wechselstromes beliebig gestalten. Bei Verwendung einer indirekt geheizten Kathode kann die gesamte Gleichspannung für die Heizung herangezogen werden.
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Einschaltstromstoss die Feder anstossen.
Die Eigenfrequenz der Feder ist sodann bestimmend für die Frequenz des erzeugten Wechselstromes. Ist die Röhre bestimmt für die zusätzliche Speisung eines schon unter Spannung stehenden Wechselstromnetzes, so muss die Steuerung der Feder durch das Netz zwangsläufig erfolgen, was auf einfache Weise verwirklicht werden kann.
Ein Wechselrichter nach der beschriebenen Bauart lässt sich auch zweckmässigerweise als Gleichrichter vornehmlich für hohe Spannungen anwenden, weil durch die mechanische Absperrung des Entladungsweges die Gefahr einer Rüekzündung weitgehend vermieden werden kann.
Anstatt eines Steuerorgans mit hin-und herschwingender Bewegung wie die Feder 6 kann auch ein Steuerorgan mit Drehbewegung Verwendung finden. Die Drehbewegung desselben kann mittels eines magnetischen Drehfeldes erzeugt werden. dessen Erregungswicklung ausserhalb des Kolbens der Entladungsröhre liegt. Mit Hilfe eines derartigen Drehsystems können Umformungsondulationen verschiedenster Art erzielt werden.
In Fig. 6 und 7 ist eine solche Anordnung unter Anwendung doppelter Kommutation zur Umformung von Gleichstrom in Drehstrom bzw. von Drehstrom in Gleichstrom dargestellt. Auf einem Sockelkörper 2 ist hier wieder ein Glaskolben 1 gasdicht aufgesetzt. Als beweglicher Teil der Abschirmung dient ein rotierender Hohlzylinder 17. Legt man der Drehbewegung eine Tourenzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute (für Erzeugung von 50 Hertz) zugrunde, so erhält man am Rotor 17 im oberen
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