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Verfahren zur Steuerung von Gas- oder Dampfentladungsgefässen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Gas-oder Dampfentladungsgefässen, bei dem durch die Steuerung von Hilfselektroden eine Änderung der von dem betreffenden Entladungsgefäss an einen Verbraucher abgegebenen Energie möglich ist. Es ist bekannt, mittels Gasentladungsröhren elektrische Energie in der Weise zu steuern, dass an die Anoden und Steuerelektroden der Entladungsröhren Wechselstrom gleicher Frequenz geleitet und die Phase der Steuerelektrodenspannung gegenüber der der Anodenspannung entsprechend einem gewünschten Stromwert im Anodenkreis ver- schoben wird. Sobald die Steuerelektrodenspannung einen gewissen Wert im positiven Sinne übersehreitet, setzt der Anodenstrom, sofern die Anodenspannung positiv ist, ein und bleibt bis zum Ende seiner Halbperiode bestehen.
Durch Verschieben der Phase der Steuerelektrodenspannung können also grössere oder kleinere Teile des Anodenstromes herausgegriffen werden, die einen entsprechenden Mittelwert im Anodenstrom ergeben.
Diese Anordnung erfordert die Verwendung von phasenverschiebenden Mitteln, die nicht immer einfach herzustellen und daher verhältnismässig teuer sind, insbesondere, wenn es sieh um kleinere Steuerungseinheiten handelt. Auch die Frage des Raumbedarfes derartiger Mittel ist nicht zu übersehen.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Steuerung von Gas-oder Dampfentladungsgefässen in der Weise durchgeführt, dass für jedes Hauptelektrodensystem mehrere Steuerelektroden vorgesehen werden und dass letzteren Wechselspannungen von fester Phase zugeführt werden, wobei aber die Amplitude der Steuerspannung von mindestens einer Steuerelektrode veränderbar ist. In den meisten Fällen wird es genügen, zwei Steuerelektroden vorzusehen, denen je eine phasenfeste, aber amplitudenveränderliche Spannung zugeführt wird. Es ist dabei äusserst zweckmässig, die Amplitudenänderung der beiden Steuerelektroden im gegenläufigen Sinne vorzunehmen. Selbstverständlich kann der Gedanke der voneinander abhängigen Änderung der Steuerspannungen auch bei mehr als zwei Elektroden in entsprechender Weise durchgeführt werden.
Werden innerhalb der Entladungsröhre liegende Steuerelektroden, z. B. Gitter, verwendet, so können diese in einer Ebene oder in verschiedenen Ebenen angeordnet werden. Es gelten hier die gleichen Verhältnisse wie bei der Steuerung von Hochvakuumelektronenröhren.
Werden bei diesen mehrere Gitter verwendet, so ist das resultierende Feld bezüglich der Gitterspannungen in gleicher Weise durch das der Kathode zunächst liegende Gitter und durch den Durchgriff der übrigen Gitter, sofern diese hinter dem ersten Gitter angeordnet sind, bestimmt. Sind z. B. zwei Gitter in einer Ebene angeordnet, so addieren sich einfach beide Gitterspannungen, während in dem andern Falle, in welchem die Gitter hintereinander angeordnet sind, die resultierende Spannung aus der Spannung des der Kathode zunächst liegenden Gitters und einem Teil der Spannung des darauffolgenden Gitters besteht.
Auf die Verhältnisse bei Gasentladungsröhren übertragen, bei denen nach der Erfindung Wechselspannungen an beiden Steuerelektroden wirken sollen, bedeutet dies, dass bei Anordnung beider Steuerelektroden in einer Ebene sich beide Steuerwechselspannungen einfach vektoriell zusammensetzen, während bei Anordnung beider Steuerelektroden hintereinander die Vektorsumme, bestehend aus der Steuerwechselspannung der der Kathode zunächst liegenden Steuerelektrode und eines Teiles der Wechselspannung der darauffolgenden Elektrode, massgebend ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden Beispiele beschrieben.
In Fig. 1 ist d ein Entladungsgefäss, das eine Anode e und eine Kathode f enthält. Die Kathode ist in vorliegendem Ausführungsbeispiel als Glühkathode gedacht, doch ist der Heizkreis weggelassen,
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um die Zeichnung möglichst anschaulich zu gestalten. Natürlich kann ebensogut eine Quecksilber. kathode verwendet werden, wie überhaupt das Entladungsgefäss in jeder bekannten Art und Form ausgeführt sein kann. Ebenso kann es mit Gasen oder Dämpfen Gas-Dampf-Gemischen, z. B. Quecksilberdampf und Edelgasen od. dgl., gefüllt sein. In dieses Entladungsgefäss, zweckmässig zwischen Anode und Kathode, sind nun zwei Steuerelektroden 9 und c eingeführt.
Im Falle des vorliegenden Ausführung- beispiels mögen die zwei Steuerelektroden ziemlieh nahe beieinander angeordnet sein. Bei a sei ein beliebiger Verbraucher angeschaltet und bei bein Wechselstromnetz angeschlossen. Parallel zum Gleichrichter liegt bei b ein Transformator tr, der die Steuerspannung liefert, doch ist es auch möglich, ohne einen solchen Transformator auszukommen, die Steuerspannung also direkt vom Netz abzuzweigen. Die Sekundäre dieses Steuertransformators ist nun an zwei parallele Stromkreise angeschlossen, u. zw. ist der eine Stromkreis durch eine Drosselspule A induktiv und der andere Stromkreis durch einen Konden-
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gegenüber der Spannung der Hauptanode ein.
Sowohl in dem Zweig des Kondensators i wie auch in dem Zweig der Drosselspule 76 befindet sich eine Hälfte des kreisförmig gebogenen Widerstandsstreifens k.
Die Mitte des Widerstandsstreifens ist mit der Sekundärseite des Steuertransformators verbunden. Ausserdem ist der Steuertransformator trüber eine geeignete Anzapfungsstelle, die eventuell veränderlich gemacht werden kann, mit der Kathode 'verbunden. In diese Verbindungsleitung kann eine Vorspannbatterie Vb eingeschaltet sein, welche eine konstante negative oder positive Gleichstromvorspannung an die Gitter 9 und c legen kann, doch ist dies nicht unbedingt erforderlich.
Durch die beschriebene Anordnung erhalten nun die Gitter 9 und c Steuerspannungen aufgedrückt, welche eine im wesentlichen konstante von dem Kondensator i und der Drosselspule h abhängige Phasenverschiebung gegenüber der Anode e aufweisen, u. zw. ist es zweckmässig, die Phasenverschiebung zwischen der aus dem Zweig i und der aus dem Zweig h stammenden Steuerspannung, etwa zwischen 90 und 450, also etwa 60 . zu wählen. Durch Drehen des Hebels l wird nun gleichzeitig die Spannung an einer Steuerlektrode erhöht, wenn sie an der andern vermindert wird und umgekehrt, u. zw. kann die Wechselspannung durch Betätigung des Hebels l an jeder der beiden Steuerelektroden von null bis zu einem bestimmten Maximalwert geändert werden.
Befindet sieh nun der Hebel in einer Lage, welche dem Gitter g eine Maximalspannung, dem Gitter c eine Minimalspannung gibt, so wirkt hauptsächlich nur das Gitter 9 mit der ihm eigentümlichen durchi das Bestimmungsstück i im wesentlichen festgelegten Phasenl ge, während das Gitter h ausser Wirkung ist, und der durch das Entladungsgefäss gehende Strom entspricht einem Ent-
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der Hebel t um etwa 180 gedreht, so wirkt das Entladegefäss wie ein gesteuertes Gasentladungsrohr, welches nur ein Gitter besitzt, wobei dieses Gitter mit einer Steuerspannung gesteuert wird, deren Phasen-
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stellung, so hat auch die durch die beiden Gitter c und g gegebene Phasenlage einen Zwischenwert, und man sieht hieraus, dass man auf diese Weise eine Steuerung erreicht,
welche ein resultierendes Steuerfeld an den Gittern zu erzeugen gestattet, welches beliebig in seiner Phase gegenüber der Hauptentladung geändert werden kann. Dabei entsteht aber diese veränderliche Phasenverschiebung des resultierenden Feldes in der Röhre selbst, muss also der Röhre nicht von aussen zugeführt werden. Es erübrigt sieh also ein besonderer Phasenschieber für die Röhre, da den Steuerelektroden ja nur Spannungen einer festen unveränderlichen Phasenlage zugeführt werden und nur die Spannungsgrösse der Steuerspannung ver- ändert wird, nicht aber deren Phasenlage.
Für die Veränderung des Spannungswertes genügt aber ein einfacher Widerstand, und es lässt sieh daher mit Hilfe eines einfachen wie ein billiger Regelwiderstand für Radio gebauten Potentiometers eine Regelung erreichen, die in der Wirkung einer mit Phasenschieber vorgenommenen Regelung ähnlich ist, nur werden hiezu bedeutend einfaehere Einzelteile benötigt. Der Transformator tr ist, wie bereits eingangs erwähnt wurde, nicht unbedingt nötig, da man die Steuerspannungen auch direkt von der Hauptleitung abzweigen kann.
Es dürfte aber wohl kaum eine nennens- werte Komplikation bedeuten, weil mit den gesteuerten Gleichrichtern meist sowieso Transformatoren verbunden sind zur Erzeugung der für den betreffenden Zweck gerade benotigten Anodenspannung. Es ist dann möglich, die Sekundäre des Transformators lr auf dem Eisen des sowieso vorhandenen Transformators irgendwo unterzubringen. Die Drosselspule 7t oder der Kondensator 1 kann auch durch einen rein Ohmsehen Widerstand ersetzt werden, da es nur darauf ankommt, zwei parallele Stromkreise zu schaffen, die gegeneinander eine entsprechende Phasenverschiebung haben.
Die für die Durchführung des Verfahrens erwünschte Symmetrie der Phasenlage der beiden Steuerelektroden 9 und c gegenüber der Phase der Hauptentladung lässt sich durch entsprechende Ausgestaltung und Unterbringung der Sekundärwicklung des Transformators tr an einer günstigen Stelle des Haupttransformators erreichen, insbesondere, wenn der Haupttransformator ein Mehrphasentransformator ist, wo dann durch Anordnung der Sekundärwicklung des Transformators & 'an bestimniten Stellen des Eisens des Haupttransformators jede beliebige Phasenlage erreicht werden kann, so dass also es dann auch bei Verwendung eines Ohmschen Widerstandes an Stelle von i oder li leicht möglich ist, zu erreichen,
dass die Phase einer Spannung an
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Phase der Spannung an der andern Steuerelektrode gegenüber der Phase der Hauptentladung voreilt. Eine absolute Symmetrie ist im übrigen nicht erforderlich. Die Steuerelektroden 9 und c sollen, wie bereits oben erwähnt, ziemlich nahe beieinander angeordnet sein, wenn die Spannungen an dem Teil von k, welcher sich im Kreis i befindet, ungefähr den Spannungen an dem Teil von k entspricht, weleher sich in einem Kreis mit h befindet. Sind die Gitter relativ weit voneinander angeordnet, so dass sie in ihrer Steuerwirkung verschieden sind, also verschiedene Durchgriff aufweisen, so muss das dadurch kompensiert werden, dass die an der betreffenden Steuerelektrode wirksam werdende Spannung proportional dem Durchgriff der betreffenden Steuerelektrode grösser ist als an der andern.
Man kann die Gitter g und e eventuell auch ganz nahe zusammenlegen, also sie in einer Ebene anordnen, so dass sich die Gitterstäbe des einen Gitters jeweils zwischen den Stäben des andern Gitters befinden. Selbstverständlich kann man nicht nur in den Entladungsraum hineinragende Gitter verwenden, sondern man kann auch aussen an der Röhre in an sich bekannter Weise angebrachte Metallmansehetten od. dgl. als Steuerelektroden verwenden, oder man kann ein Steuergitter mit einer Aussensteuerelektrode kombinieren usw., wobei es im letzten Fall für die Erreichung einer gleichmässigen Regelung aber ratsam ist, die Steuer-
Spannungen an den verschiedenen Gittern, wie bereits erwähnt, so zu wählen, dass sie sich proportional dem Durchgriff verhalten.
Wenn an Stelle beispielsweise von hein Ohmscher Widerstand verwendet wird, dann besteht die ganze Regeleinriehtung überhaupt nurmehr im einfachsten Fall aus einem Konden- sator i und aus einigen Ohmschen Widerständen, wovon zwei zu einem potentiometerartigen Regulierwiderstand zusammengefasst sind, und die einzige Veränderung, womit diese Vereinfachung gegenüber der Verwendung eines besonderen Phasenschiebers erkauft wird, ist die Anwendung eines zweiten Gitters, die aber heutzutage durch die gute Beherrschung der Glasapparateherstellungsteehnik kaum mehr irgendeine Verteuerung ausmachen dürfte, und auch bei grösseren in Metall ausgeführten Entladungsgefässen dürfte eine Durchführung mehr keine wesentlichen Komplikation darstellen.
Fig. 2 zeigt die Phasenlage der Hauptentladung, welche punktiert gezeichnet ist, gegenüber der gestrichelten und strichpunktierten Kurve, welche die Spannung an den beiden Steuerelektroden darstellt, wenn der Hebel I sich in waagrechter Lage befindet, also die Spannung an g und c gleich gross ist. Diese beiden Spannungen setzen sich zu einem Steuerfeld in der Röhre zusammen, welches in diesem Fall gleiche Phasenlage wie die Hauptentladung hat. Wird die Spannung der gestrichelt gezeichneten Entladung vermindert und die Spannung der strichpunktiert gezeichneten Entladung erhöht, so ergibt sich daraus ein wirksames Steuerfeld, welches etwa die Gestalt der ausgezeichneten Kurve in Fig. 2 enthält, also ein Feld, das nach der Seite der strichpunktierten Kurve hin verschoben ist.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung bei einem Doppelweggleiehriehter, welche nach Obigem wohl ohne weiteres verständlich ist. Als Kathode wurde hier eine Quecksilberkathode gewählt, wie überhaupt jede
Kathodenform, also beispielsweise auch aktivierte Selbstaufheizelektroden usw., Verwendung finden können. Für jede der beiden Anoden ist in diesem Fall ein Steuerwiderstand vorgesehen, und die beiden
Steuerhebel l und i sind durch eine gemeinsame Achse gekoppelt. An Stelle von zwei Gittern und je zwei Steuerelektroden lassen sich auch drei Gitter und drei Steuerelektroden verwenden, die dann in noch vollständigerer Weise eine Regelung ermöglichen, da man dann tatsächlich das resultierende Steuerfeld in der Phase vollkommen gleichmässig um 180'verschieben kann.
Für die meisten praktischen Fälle dürften schon die in Fig. 1 und 2 dargestellten Methoden genügen, und eine weitere Verbesserung der Durchsteuerung kann man noch erreichen, wie bei Fig. 1 bereits angedeutet, wenn man eine gesonderte Vorspannbatterie Vb oder eine sonstige konstante oder veränderliche Gleiehspannung mit zu Hilfe nimmt und diese Gleichspannung ausser den besprochenen Weehselspannungen noch den Steuergitter g und h zuführt. Man kann damit Effekte erreichen, die ähnlich sind wie bei Steuerung mit drei Steuergitter, welche an drei phasenverschobenen Zweigen liegen.
Die drei phasenverschobenen Zweige lassen sieh entweder durch Anordnung von Kunstphasen mit Hilfe von Widerständen, Kondensatoren und Selbstinduktionen erreichen oder aber sie lassen sich direkt von einem Haupttransformator abzweigen, wenn in diesem Haupttransformator, wie dies bei Mehrphasenstrom ja immer der Fall ist, immer an irgendeiner Stelle ein Drehfeld vorhanden ist. Ist ein solcher Mehrphasentransformator vorhanden, so fallen überhaupt alle Phasenschiebeeinrichtungen weg, und die Regeleinrichtung beschränkt sich dann ausschliesslich auf die Gitter und die etwa in der beschriebenen Form potentiometerartig gebauten Regelwiderstände k mit den Hebeln i !.
Die vorliegende Erfindung soll aber natürlich keineswegs auf die Spannungsänderung der Elek- troden mit Hilfe von potentiometerartig gebauten Widerständen beschränkt werden, sondern jede andere Art der Spannungsänderung an den Elektroden soll mit in den Schutzumfang der Anmeldung einbezogen werden, da das Wesen des Anmeldungsgegenstandes eben darin besteht, bei einer Mehrzahl von Steuerelektroden diese einzelnen Steuerelektroden mit Spannungen zu beschicken, welche eine im wesentlichen feste Phasenversehiebung gegeneinander besitzen, und nur die Grösse der Spannung an den einzelnen Elektroden zum Zwecke des Regelvorganges zu verändern.
Diese Steuerelektroden können an beliebigen Stellen eines Entladungsrohres angebracht sein, und das Rohr kann mit beliebigen Elektroden ausgerüstet sein ; so können beispielsweise auch alle Hauptelektroden aktiviert sein oder aus Quecksilber bestehen, so dass also eine Elektrode fallweise Anode oder Kathode werden kann, und das in vorliegender
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Anmeldung beschriebene Steuerverfahren kann dazu benutzt werden, den einzelnen Hauptelektroden fallweise ihre wechselnden Aufgaben zuzuweisen.
Eine Einrichtung, welche zweckmässig zur Spannungsänderung benutzt werden kann, ist in Fig. 4 noch dargestellt. Es ist hier 1n ein im wesentlichen kreisförmig gebogenes Entladungsrohr aus beliebigem Material, in welches zwei Elektroden n und o am Ende eingeschmolzen sind. Das Rohr enthält ausserdem eine Queeksilberfüllung q und eine dritte in die Füllung hineinragende Zuführung p. Der vom Queek- silber freie Raum kann entweder mit einem beliebigen Gas oder Dampf oder mit Quecksilberdampf gefüllt sein.
Werden nun zwischen den Elektroden o-p einerseits und M-p anderseits phasenverschobene Ströme eingeleitet und das Rohr 1n in der Richtung des Doppelpfeiles entweder nach rechts oder links gedreht, so wird im Raum, welcher der Elektrode n zugehörig ist, eine Verminderung des Gas-oder Dampfdruckes eintreten, wenn im Teil o eine Erhöhung eintritt und umgekehrt, und da bei einer zwischen K-p bzw. o-p übergehenden Gasentladung bekanntlich die Spannung an der Gasentladung vom Druck abhängig ist, kann daher durch Drehen des Rohres in einer oder der andern Richtung eine Steigerung der Spannung in der rechten Hälfte erzielt werden bei gleichzeitiger Verminderung der Spannung an der linken Hälfte oder umgekehrt.
Sind nun mit den beiden Hälften die zwei Steuerelektroden eines Rohres nach Fig. 1 verbunden, so werden infolgedessen ihre Spannungen entspreehend der Füllung des Rohres sich verändern, und man kann damit auch eine solche Anordnung zur Spannungregelung an einem Hauptrohr benutzen. Die Elektroden in dem Rohr m können aktiviert sein, und die Entladung im Rohr kann entweder eine Glimmentladung oder eine Bogenentladung sein, da in beiden Fällen die Brennspannung vom Druck abhängig ist.
Insbesondere eine Bogenentladung gestattet eine weite Ver- änderlichkeit der Spannung vom Druck, und eine Anordnung nach Fig. 4 hat den weiteren Vorteil, dass die Spannung im hohen Masse von der die Anordnung durchfliessenden Stromstärke unabhängig ist, so dass man also auch bei wechselnden Netzverhältnissen konstante Steuerspannungen zur Verfügung hat.
Eine weitere beispielsweise Anordnung zur Regelung der Steuerspannung ist in Fig. 5 gegeben, wo zwei Kathodenröhren r und s in die beiden Zuleitungen zu den Steuerelektroden eingeschaltet sind ;
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stärker geheizt werden, und wenn die Steuerspannungen so hoch gewählt werden, dass die beiden Röhren mit Sättigung arbeiten, so kann damit auch bei wechselnder Spannung der Stromquellen eine konstante nur vom Regelvorgang abhängige Spannung an den Steuerelektroden erzielt werden, wenn die durch
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werden. An Stelle von Röhren mit wechselnder Heizung, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind, können auch gittergesteuerte Vakuumröhren oder sonstige Verstärkerröhren verwendet werden. wie überhaupt jede Art der Spannungsregelung angewandt werden kann.
Es ist natürlich manchmal unvermeidbar, dass durch die eine Spannungsänderung an den Elektroden hervorrufenden Konstruktionsmittel auch Phasen- verschiebungsänderungen an den Steuerelektroden eintreten, doch sind solche Änderungen der Phasenverschiebung für den Regelvorgang nicht wesentlich, sondern bedeuten für den Vorgang selbst unwesentliche Nebenerscheinungen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Steuerung von Gas-oder Dampfentladungsgefässen, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Hauptelektrodensystem mehrere Steuerelektroden vorgesehen sind, denen Wechselspannungen von fester Phase zugeführt werden und dass die Amplitude der Wechselspannung von mindestens einer Steuerelektrode veränderbar ist.