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Die Erfindung bezieht sich auf Entladungsröhren mit geringer Anodenkapazität, deren Anoden- fläche wenigstens in einer Dimension ein kleineres Ausmass hat als die Hälfte der zugehörigen vollständigen Elektrodenfläche.
Neue Entwicklungen in Hochfrequenzschaltungen, z. B. bei Fernsehempfängern, haben das Problem sehr aktuell gemacht. Röhren zu bauen, die zur Verstärkung sehr hoher Frequenzen innerhalb eines weiten Frequenzbandes geeignet sind, also Röhren mit geringer Anodenkapazität (Ausgangskapazität).
Ein bekannter Weg zur Herabsetzung der Anodenkapazität ist die Verringerung der Anodenfläche. Diese Massnahme ist jedoch mit dem Übelstand verbunden, dass Elektronen an der Anode vorbeigehen können und dadurch störende Aufladungen der Glaswand hervorrufen. Als Abhilfe gegen diesen unerwünschten Effekt wurde bereits die Anordnung metallischer Schirme neben der Anode vorgeschlagen, die jedoch wiederum den Nachteil haben, dass sie zu einer Erhöhung der Anodenkapazität führen.
Eine andere. bessere Abhilfe bietet die Erfindung, gemäss welcher als Elektronenfang und zur Abführung der Elektronen, welche nicht direkt auf die Anode gelangen, neben der Anode eine mit dieser verbundene Schicht angebracht wird, die derart schwach leitet, dass das Potential auf der Schicht vom Anodenpotential an dem an die Anode anstossenden Rande abgesenkt wird bis auf ungefähr Kathodenpotential bei dem von der Anode abgewandten Rande der Schicht.
Eine solche schwach leitende Schicht erhöht die Anodenkapazität in wesentlich geringerem Masse, als dies bei den bekannten metallischen Schirmen der Fall ist. Ausserdem ergibt sich durch das vom äusseren Rande der Schicht zur Anode hin stetig anwachsende positive Potential eine besonders günstige Feldstruktur, welche die Entladung in erwünschter Weise zur Anode hin drängt.
Die Dicke der Schicht wird vorzugsweise so gering und/oder der spezifische Widerstand des Sehichtmaterials derartig gross gewählt, dass der sich durch die Anwesenheit der Schicht ergebende zusätzliche Leitwert zwischen der Anode und Kathode geringer ist als der bereits ohne den Einfluss der Schicht vorhandene Leitwert zwischen diesen beiden Elektroden.
Die Anode kann direkt auf der Innenwand des Gefässes aufliegen und diese Innenwand die leitende Schicht tragen. Das Potentialgefälle längs der Schicht fällt in der Nähe der Anode steil und dann all- mählich flacher bis zu den auf Kathodenpotential befindlichen Rändern ab. Das mittlere Potential
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dadurch wird eine Art Fanggitterwirkung erzeugt, so dass das sonst gebräuchliche Fanggitter manchmal weggelassen werden kann, wodurch sieh eine weitere Verringerung der Elektrodenkapazität der Röhre ergibt.
Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung ausführlicher erläutert werden.
In Fig. 1 ist die Schaltung eines Verstärkers dargestellt, um das durch die Entladungsröhre nach der Erfindung zu lösende Problem klarer besprechen zu können. Die Schaltung enthält die Pentodenröhre 10, an deren Eingangselektroden, u. zw. der Kathode 11 und dem Steuergitter 12. eine Wechselspannung 13 zugeführt wird ; der Ausgangskreis der Röhre ist mit der Anode 14 verbunden und führt von dem Ende des Widerstandes 15 über den Kondensator 19 zum Eingangsgitter der darauffolgenden Rohre 16.
Die Ausgangskapazität der Rohre-M, die Eingangskapazitiit der Röhre 16 und
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die verteilte Kapazität der Leitungsführung kann man sich zusammengefasst denken in Gestalt eines zwischen der Anode 14 und der Kathode 11 der Röhre 10 gestrichelt eingezeichneten Kondensators 17.
Die Wirkung dieser Kapazität auf die Verstärkerleistung der Röhre 10 kann in bekannter Weise teilweise oder vollständig durch Einführung einer Induktivität 18 von geeigneter Grösse in Reihe mit dem Kopplungswiderstand 15 kompensiert werden. Das Steuergitter der Röhre 16 ist in üblicher Weise über den Ableitewiderstand 20 unter Zwischenschaltung einer Vorspannungsbatterie mit der Kathode verbunden. Den Schirmgittern und den Anoden der beiden Röhren werden die geeigneten Arbeitsspannungen von den Klemmen +Se und +B her zugeleitet.
Bei einer derartigen bekannten Verstärkerschaltung wird die Verstärkung der Röhre 10 im wesentlichen durch das Verhältnis der Kennliniensteilheit der Röhre 10 zum gesamten Ausgangsleitwert (d. i. der Leitwert des Ausgangskreises, auf welchen die Röhre arbeitet) bestimmt, wobei der Leitwert aus der Vektorsumme des Leitwertes zwischen der Anode und Kathode, des Leitwertes der äusseren Belastung und des Blindleitwertes der gesamten Nebenschlusskapazität gebildet wird. Es ist klar, dass diese kapazitive Komponente des Leitwertes mit der Frequenz zunimmt und den Gesamtleitwert entsprechend erhöht, so dass die Verstärkung der Röhre mit zunehmender Frequenz herabgesetzt wird, weil der Ausdruck für den Leitwert im Nenner des Ausdruckes für die Verstärkung der Röhre steht.
Wenn man nun Frequenzen innerhalb eines sehr breiten Frequenzbereiches verstärken will, darf diese Verminderung der Verstärkerleistung bei einer Zunahme der Frequenz innerhalb des Arbeitsbereiches einen bestimmten Prozentsatz der Maximalverstärkerleistung nicht übersteigen, die bei den niedrigsten Frequenzen des Bereiches erhalten wird. Die jeweils zulässige Grösse der Verstärkungsverminderung hängt natürlich von der Art der Anwendung einer solchen Schaltung ab.
Aus diesen Betrachtungen geht hervor, dass es in höchstem Masse erwünscht ist, eine Röhre für diese Aufgaben zu verwenden, die eine grosse Kennliniensteilheit der Gitterspannungs-Anodenstromkennlinie besitzt und dabei eine äusserst geringe Kapazität zwischen den Elektroden aufweist.
Aber noch aus einem andern Grunde ist es erwünscht, dass die Kapazitäten zwischen den Elektroden der Röhre bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Verstärker bestimmen die Kapazitäten der Schaltung und der Röhre in jeder Verstärkerstufe bei einer gegebenen Frequenz die in der Stufe bewirkte Phasenverschiebung der Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung. Die Grösse der Phasenverschiebung steigt natürlich mit der Frequenz an, weil der kapazitive Blindleitwert mit der Frequenz zunimmt.
Wenn nun die Kapazität in einer gegebenen Verstärkerschaltung vermindert wird, während der Belastungswiderstand konstant gehalten wird, so vermindert sich auch die Phasenverschiebung und die damit verbundene Phasenverzerrung.
In Fig. 2 ist eine Entladungsröhre dargestellt, die unter Anwendung des Erfindungsgedankens konstruiert ist, um die gewünschten Eigenschaften einer grossen Kennliniensteilheit bei geringen Elektrodenkapazitäten zu verwirklichen. Diese Röhre kann in einer Schaltung nach Fig. 1 verwendet werden.
Die Röhre besteht aus einem länglichen, im wesentlichen zylindrischen Vakuumgefäss 21, welches mit dem Sockel 22 verbunden ist ; dieser Sockel enthält die Kontaktstifte 24 für die einzelnen Elektrodenzuleitungen, von welchen einige durch den Pressfuss 23 in das Innere der Röhre geführt sind.
Das Vakuumgefäss besteht aus Isoliermaterial, vorzugsweise aus Glas. In dem Pressstück 23 sind die Stützdrähte 25 und 26 befestigt, welche das Elektrodensystem. innerhalb des Gefässes halten. Das Elektrodensystem enthält in der angegebenen Reihenfolge die Kathode 27, das Steuergitter 28, das Schirmgitter 29 und das Fanggitter 30. Die Elektroden haben die übliche Form, u. zw. sind die Gitter 27, 28 und 29 schraubenförmig aus Draht gewickelt und werden zwischen den Haltescheiben.'31 und. 32 aus Isoliermaterial durch zugehörige Gruppen von Stützdrähten 33, 34 und 35 gehalten. An der Halterungsscheibe 32 ist ein metallischer Schirm 36 befestigt, der sich nach aussen fast bis zur Innenfläche des Vakuumgefässes erstreckt und an seinem oberen Ende die Glimmerseheibe 37 zur Abstützung des Elektrodensystems innerhalb der Röhre trägt.
Dieser Schirm ist mit den Stützdrähten 25 und 26 verbunden, von welchen mindestens einer mit einem Sockelstift verbunden sein soll, der im Betrieb der Röhre Erdpotential besitzt. Die Kathode, der Glühdraht, das Schirmgitter und das Fanggitter sind durch zugehörige Drähte mit je einem der Soekelstifte 24 verbunden. Um die Zuleitungsdrähte so kurz wie möglich zu halten, ist das Steuergitter durch einen sehr kurzen Zuleitungsdraht 38 mit dem Anschlussstück 39 am oberen Ende des Vakuumgefässes verbunden, wodurch die Kapazität dieser Elektrode gegenüber den andern Elektroden der Röhre sehr klein gehalten werden kann.
Entsprechend den oben angestellten Betrachtungen ist es besonders wichtig, die Kapazität zwischen der Anode und der Kathode der Röhre zu verringern. Dies wird durch Verwendung einer Anode 40 in Form eines schmalen-Bandes aus gut leitendem Material erreicht ; die bandförmige Anode umgibt das Elektrodensystem und liegt auf der Innenfläche des Vakuumgefässes auf. Dieses Band kann aus einem Stoff bestehen, der freies metallisches Silber oder Graphit, vermischt mit geeigneten Bindemitteln, enthält und direkt auf die Innenfläche des Vakuumgefässes aufgetragen werden. Da die AnodenKathoden-Kapazität, d. h. die Ausgangskapazität der Röhre durch die Grösse der Anodenoberfläche bestimmt wird, soll diese Oberfläche so klein wie möglich sein.
Dies wird dadurch erreicht, dass man für die Breite des Bandes nur einen geringen Bruchteil der axialen Länge der Kathode wählt, vorzugs-
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weise nicht mehr als ein Drittel. Der Zuführungsdraht der Anode endet in der Kappe 41, die sich an der Seite des Vakuumgefässes in einem möglichst grossen Abstand von der Kappe 89 befindet, um dadurch die Kapazität zwischen den zugehörigen Elektroden möglichst zu verringern, ohne den Zuführungs- draht 42 in unzweckmässiger Weise zu verlängern.
Beim Betrieb der beschriebenen Rohre werden die von der Kathode 27 ausgehenden Elektronen durch die am Sehirmgitter und an der Anode liegenden positiven Spannungen in Richtung auf das
Schirmgitter und die Anode beschleunigt, so dass sie teilweise auf die Anode und teilweise auf das Schirmgitter gelangen. Die Stärke des Emissionsstromes wird durch die Spannung des Steuergitters 28 ge- steuert.
Da die Anode eine sehr kleine Oberfläche besitzt, würde die Möglichkeit bestehen, dass Elektronen an der Anode vorbeigehen und sich auf der Innenfläche des Vakuumgefässes in der Nähe der Anode ansammeln, so dass dort eine negative Aufladung entsteht, welche den Entladungsvorgang in der Rohre beeinflussen kann, u. zw. in dem Sinne, dass die zur Anode fliegenden Elektronen durch die Wandaufladung zum Schirmgitter und zur Kathode zurückgetrieben werden.
Dieser Effekt hat Ähnlichkeit mit der Wirkung eines Fanggitters, ist jedoch entsprechend den Arbeitsbedingungen und der verschiedenen Beschaffenheit der Innenfläche bei den einzelnen Röhren sehr veränderlich ; er verursacht im allgemeinen eine Verminderung der Kennliniensteilheit der Röhre, verbunden mit starken Schwankungen der Steilheit.
Um die erwähnte Schwierigkeit zu beseitigen, ist erfindungsgemäss bei der Röhre nach Fig. 2 beiderseits der Anode 40 eine dünne Schicht 4.'3 vorgesehen, welche die Innenfläche des Vakuumgefässes bedeckt und zusammen mit der Anode des Elektrodensystems vollständigt umgibt. Diese Schicht besteht aus einem Material von sehr hohem Widerstand, u. zw. vorzugsweise aus pulverisiertem Graphit vermischt mit einem geeigneten Bindemittel, und ist direkt auf der Innenfläche des Gefässes aufgetragen.
Im Handel befindliche sogenannte kolloidale Graphitlösungen sind für diesen Zweck im allgemeinen geeignet. Auf jeden Fall muss die elektrische Leitfähigkeit dieser Schicht sehr viel geringer sein als die elektrische Leitfähigkeit des Materials der Anode 40. Wegen des hohen Widerstandes der Schicht besteht nahe den Kanten des Anodenbandes ein besonders hohes Potentialgefälle, so dass der Hauptteil der Schicht beim Betrieb ein verhältnismässig niedriges positives Potential gegenüber der Kathode besitzt. Die Anwesenheit der Schicht bewirkt nun, dass auf der Fläche neben der Anode 40 sich keine negative Aufladung ausbilden kann und dass sieh das hohe positive Potential der Anode voll auf den Elektronenstrom auswirkt.
Der Hauptvorteil einer schmalen Anode soll, wie bereits erwähnt wurde, in der Herabsetzung der Ausgangskapazität der Röhre bestehen, um diesen Vorteil durch die Anwendung der Schicht 4. 3 nicht wieder zu zerstören, soll der Widerstand der Schicht 4. 3 wesentlich grosser sein als ihre kapazitive Reaktanz bei den höchsten vorkommenden Betriebsfrequenzen. Da der Sehiehtwiderstand zwischen der Anode und jedem hinzukommenden Oberflächenelement der Schicht mit der Impedanz dieses Schichtelementes zur Kathode in Reihe geschaltet ist, bewirkt die Schicht 4. 3 tatsächlich keine wesentliche Vergrösserung des Leitwertes zwischen der Anode und der Kathode der Röhre.
Die in Fig. 2 dargestellte Röhre kann einer Abänderung unterworfen werden, welche zu einer weiteren Verminderung der Elektrodenkapazitäten führt ; man kann nämlich das Fanggitter. S (J aus dem Elektrodensystem entfernen. Es ist bekannt, dass durch das Fanggitter der Übergang von Sekun- därelektronen von der Anode zum Sehirmgitter verhindert wird. u. zw. durch den Aufbau eines diese Elektronen zurücktreibenden Feldes in dem Bereich zwischen dem Fanggitter und der Anode. Das gleiche zurücktreibende Feld kann während des Betriebes der Röhre durch die in diesem Raum befindlichen Elektronen selbst erzeugt werden, wenn die Elektronendichte zwischen dem Sehirmgitter und der Anode einen ausreichenden Wert besitzt.
Bei der dargestellten Röhre unterstützt der grosse Abstand des Sehirmgitters von der Anode und die Konzentration des Elektronenstromes auf einen geringen Querschnitt infolge der bandförmigen Ausbildung der Anode die Aufreehterhaltung einer solchen Elektronendichte, so dass das geforderte zurücktreibende Feld leicht erzeugt werden kann.
Die Entladungsschicht 43 spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle. Es wurde bereits erwähnt, dass diese Schicht im Betrieb gegenüber der Anode negativ aufgeladen ist und dalier das Raumpotential zwischen der Anode und dem Schirmgitter vermindert, so dass auch die Geschwindigkeit der Elektronen in diesem Raum kleiner ist, als wenn die Schicht mit der gegenüber der Anode negativen Ladung nicht vorhanden wäre. Die Verminderung der Geschwindigkeit kommt natürlich der Elektronendichte vor der Anode zugute. Die Schicht 43 kann also in ihrer Wirkung mit einem Fanggitter ver- gliehen werden, obwohl sie eine vollkommen andere Gestalt besitzt.
Die maximale Kennliniensteilheit der Röhre ist natürlich durch die Belastbarkeit des Schirmgitters und der Anode begrenzt ; die Belastung jeder dieser Elektroden errechnet sich aus dem Produkt des auf diese Elektrode übergehenden Stromes und der Spannung an der Elektrode. Bei einer Röhre der beschriebenen Art ist die zulässige Anodenbelastung natürlich geringer, als wenn die Anode die
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jedoch durch die Anwesenheit des Steuergitters zwischen der Kathode und dem Schirmgitter noch etwas modifiziert. Wenn das Steuergitter sehr enge Maschen besitzt, ist ein sehr hohes Schirmgitterpotential erforderlich, um den maximal zulässigen Entladungsstrom aus der Kathode herauszuziehen, so dass die Schirmgitterbelastung zu hoch werden kann.
Wenn jedoch die Steigung der Steuergitterspirale sehr gross ist, werden die Durchgriffsverhältnisse in unmittelbarer Nähe der Kathode ziemlich unhomogen, weil der Abstand der Steuergitterspirale von der Kathode dann etwa die gleiche Grösse besitzt wie die Abstände der Steuergitterwindungen voneinander, so dass sich eine Kennlinie mit weit auslaufendem unterem Ende ergibt, was stets einer Verminderung der mit einem gegebenen Entladungstrom erreichbaren Maximalsteilheit entspricht. Um die beiden widersprechenden Forderungen in bezug auf die Dimensionierung des Steuergitters miteinander in Einklang zu bringen, wird zweckmässigerweise die Steigung des Steuergitters 28 so bemessen, dass sich zwischen dem Steuergitter und dem Schirmgitter ein optimaler Verstärkungsfaktor ergibt.
Es hat sieh bei Versuchen herausgestellt, dass sich eine befriedigende Wirkungsweise ergibt, wenn das Gitter 28 so dimensioniert ist, dass der Verstärkungsfaktor zwischen dem Steuergitter und dem Schirmgitter ungefähr gleich 10 ist.
Obgleich hier beschrieben wurde, was gegenwärtig als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrachtet wird, ist es doch jedem Fachmann klar, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können, ohne sich vom Geiste der Erfindung zu entfernen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Entladungsröhre mit geringer Anodenkapazität, deren Anodenfläche wenigstens in einer Dimension ein kleineres Ausmass hat als die Hälfte der zugehörigen vollständigen Elektrodenfläche, wobei als Elektronenfang und zur Abführung der Elektronen, welche nicht direkt auf die Anode gelangen, neben dieser leitende Schilde angebracht sind, gekennzeichnet durch eine mit der Anode verbundene Schicht, welche derartig schwach leitet, dass das Potential auf der Schicht vom Anodenpotential an dem an die Anode anstossenden Rande abgesenkt wird bis auf ungefähr Kathodenpotential bei dem von der Anode abgewendeten Rande der Schicht.