Anordnung zur Steuerung elektrischer Entladungsgefässe mit Steuergitter und lichtbogenähnlicher Entladung. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung elektrischer Ent ladungsgefässe mit Steuergitter. Sie kann insbesondere- zur Verstärkung von Strömen, die durch lichtelektrische Zellen hervor gerufen werden, Verwendung finden.
Verwendet man zur Verstärkung solcher Ströme gittergesteuerte Elektronenröhren (Hochvakuumröhren), so sind im allge meinen mehrere Verstärkerstufen .erforder lich. Demgegenüber kommt man bei Be nutzung von Entladungsgefässen mit licht bogenähnlicher Entladung, da diese sehr hohe Betriebsstärken besitzen, mit einer ein zigen Röhre aus. Wesentlich ist in solchen und auch in andern Fällen, dass die Steuerung der Entladungsgefässe möglichst einfach ge staltet wird.
Gemäss der Erfindung wird zur Steuerung des elektrischen Entladungsgefässes mit Steuergitter und lichtbogenähnlicher Ent ladung durch Änderung der Phasenverschie- bung zwischen einer am Steuergitter liegen den Wechselspannung und einer am Anoden kreis liegenden Wechselspannung die Ein richtung so getroffen, dass das steuernde Ele ment und eine Kapazität, an deren Verzwei gungspunkt das Steuergitter angeschlossen ist, ein Potentiometer bilden, das an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, und dass die Kapazität derart gewählt ist, dass die Gitteranodenkapazität des Entladungsgefässes mindestens neutralisiert ist.
In der Zeichnung sind ein Ausführungs beispiel der erfindungsgemässen Anordnung Lind dazugehörige Kurven dargestellt.
In Abb. 1 bedeutet 1 ein Entladungsge fäss mit Glühkathode und gittergesteuerter, lichtbogenähnlicher Entladung (vergleiche A. B. Hull in The General Electric Review, Band 3.2, Nr. 2, April 1929). Ein solches Entladungsgefäss ist charakterisiert durch eine grosse Ausgangsleitung, die durch einen ausserordentlich kleinen Energiebetrag in der Grössenordnung von einem Mikro-Watt ge steuert werden kann.
Eine derartige Röhre enthält gewöhnlich eine Dreielektrodenan- ordnung in einem ionisierbaren Medium, zum Beispiel Quecksilberdampf oder Argon, von einem Druck zwischen 1 bis 50 Mikrons, der hinreicht, um eine bogenähnliche Entladung bei den benutzten Spannungen aufrecht zu erhalten.
Die Elektroden umfassen eine Glüh- kathode 2, eine Anode 4 und ein Steuer gitter 3 zwischen diesen beiden Elek troden. Alle Elektroden werden durch die angezapfte Sekundärwicklung eines Transformators 5 durch Wechselstrom ge speist. Die Primärseite des Transformators liegt an einer Wechselstromquelle 6 der üb lichen Frequenz. Wie in der genanntun Ar beit auseinandergesetzt ist, erfolgt der Stromdurchgang durch ein Entladungsgefäss in Form eines Lichtbogens, dessen Einsetzen lediglich durch das Gitter gesteuert -wird. Nach Einsetzen des Lichtbogens kann der Stromdurchgang jedoch nur noch durch Ent fernen der Anodenspannung unterbrochen werden.
Der Betrieb einer solchen Röhre er folgt deshalb in der Weise, dass die Anoden spannung periodisch entfernt wird, um die Entladung zu unterbrechen und das Wieder einsetzen des Lichtbogens durch die Ladung des Gitters gesteuert wird, wodurch der mitt lere Bogenstrom bestimmt wird.
Das Gitter ist nun mit dem einen Ende der Sekundärwicklung des Transformators über einen variablen Kondensator 7 verbun den, während die Anode über den Nutzwider stand 14 am andern Ende der Wicklung liegt. Der Heizstrom wird über die mittleren Anzapfungen 8, 9 entnommen, die in dem dargestellten Beispiel symmetrisch liegen. Zwischen Gitter und dem mit dem Nutzkreis 14 verbundenen Ende der Sekundärwicklung liegt die Lichtzelle 10. Die Kathode der Zelle ist mit dem Gitter verbunden, ihre Anode mit dem Transformator. Die Lichtzelle kann durch die Lichtquelle 11 oder zum Beispiel das sich ändernde Tageslicht belichtet wer den.
Wenn auch die endgültige Einstellung der Anordnung sich nach der Art richtet, wie der Nutzkreis ansprechen soll, das heisst ob besonders grosse Empfindlichkeit oder Linearität zwischen auf die Lichtzelle auf treffender Lichtmenge und Ausgangsstrom der Röhre bestehen soll, so ist es doch im allgemeinen wünschenswert, die elektrische Brücke zunächst abzugleichen. Dies geschieht durch Einstellen des Kondensators 7, wäh rend die Lichtzelle im Dunkeln gehalten wird, und das Ansprechen des Entladungs gefässes beobachtet wird, wie noch näher aus einandergesetzt wird. Wie aus der Abb. 1 ersichtlich, stellt die Anordnung eine. Brücke dar.
Die Zweige die ser Brücke bestehen einerseits aus dem Kon- c.lensator 7 und dem Wicklungsteil 12, ander seits aus dein kapazitiven Weg zwischen Steuergitter 3 und Anode 4 der Röhre in Parallelschaltung zu der Photozelle 10 und aus dem Wicklungsteil 13. Die Zelle stellt im Dunkeln ebenfalls einen kapazitiven Widerstand dar, da ihr Ohm'scher Wider stand dann unendlich oder fast unendlich gross ist. Um die für die Brückeneinstellung massgebenden Widerstandsgrössen zu über sehen, sind die durch die Elektroden gebil deten Kapazitäten durch punktierte Konden satoren C2 und D3 dargestellt.
Die Gitter- Kathodenkapa,zität ist wegen ihrer Kleinheit fortgelassen. Die Heizkreisanschlüsse sind so gewählt, dass bei richtiger Einstellung des Kondensators die Brücke abgeglichen ist, in welchem Falle die Kapazität Ci die Wirkung der Kapazitäten C2 und C3 aufhebt. 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 Entladungs gefäss ein, wenn nämlich die negative Gitter spannung dauernd positiver ist als ein kri tischer Wert, bei dem das Einsetzen der Ent ladung verhindert wird. Diese Verhältnisse gehen aus Abb. 2 deutlich hervor. Kurve ca stellt die Spannung dar, die die Anode des Gefässes durch den Transformator erhält, die gestrichelte Linie b zeigt die kritische nega tive Spannung, die den Betrieb des Gefässe unterbindet. Ein Lichtbogen wird nur ver hindert, wenn die Gitterspannungskurve c nicht die kritische Spannungskurve b schnei det.
Die Kurve c gilt für einen genauen Ab gleich der Kapazitäten Ci und (C2, Ca). Sie stellt eine gerade Linie dar, die parallel zur horizontalen Achse verläuft. Ihre Lage hängt lediglich ab von dem Ableitungsstrom zwi schen dem Gitter und den übrigen Teilen der Röhre und von den von der Kathode her auf das Gitter auftreffenden Elektroden. Es nimmt das Gitter etwa i/2 Volt negativer Spannung gegenüber der Kathode an. In Abb. 2 schneidet nun die Gitterspannungs- kurve c die kritische Spannungskurve L.
In folgedessen setzt der Lichtbogen ein und fliesst praktisch während des ganzen posi tiven Teils der Halbwelle, wie durch die Schraffierung angedeutet ist. Erhält die Photozelle 10 durch die Licht quelle 11 Licht, so sinkt ihr Widerstand er heblich, das Brückengleichgewicht wird ge stört und das Gitter erhält eine Wechselspan nung. Für den Fall, dass diese Spannung posi tiver ist als der kritische Wert, der nötig ist, um die Röhre in Betrieb zu setzen bezw. weniger negativ ist als der Betrag der Span nung, die den Betrieb des Entladungsgefässes unterbindet, setzt ein Lichtbogen ein, der bis zum Ende der positiven Halbwelle der Steue rung durch das Gitter nicht mehr unterliegt.
Diese Verhältnisse sind in Abb. 3 näher dargestellt. Ein Lichtbogen setzt nur ein, wenn die Gitterspannungskurve c die kri tische Spannungskurve b während des Inter- valles schneidet, wo die Anode positiv ist.
Es ist augenscheinlich, dass die Konstanten des Kreises, insbesondere auch die Anschlüsse des Heizfadens so gewählt werden können, dass die gewünschte Art des Ansprechens der Anordnung erfolgt, so dass mittelst des brittergesteuerten Entladungsgefässes mit lichtbogenähnlicher Entladung ein Relais oder irgend ein anderer Nutzkreis 14 in Tätigkeit gesetzt wird.
Die Phase des Strom teils, der im Dunkeln über den Kapazitäts weg C2, Ca fliesst, um den Stromteil, der über den Gitterkondensator Ci fliesst, aufzu heben, wird bei Belichtung der Quelle ge ändert, indem in dem Zweig, der die Kapa zität C2 enthält, ein Widerstand eingeführt wird, wodurch die Gitterspannungskurve die in den Diagrammen<I>A, B</I> und C der Abb. 3 dargestellte Form erhält. Die Phasensteue rung des Gitters hat also ein verschiedenes Aussehen, je nach dem, ob die Zelle Licht empfängt oder nicht.
Wird die Belichtung der Zelle nun fortschreitend geändert, so än dert sich die Phasenbeziehung ebenfalls fort schreitend und der mittlere Stromfluss durch das Entladungsgefäss kann auf diese Weise gesteuert werden.
Es ist auch ersichtlich, dass die Phasen änderung der dem Gitter zugeführten Span nung ebenfalls durch den Kondensator 7 vor genommen werden kann, wenn die Belichtung der Quelle konstant ist. Sowohl durch Ände rung der Lichtintensität, als auch durch An- flerung der Kapazität 7 kann der Ent ladungsstrom von seinem Nullwert bis zu seinem Maximalwert geändert werden. Dies geht deutlich aus den Diagrammen A, B und C der Abb. 3 hervor, die die einzelnen Stufen der Phasensteuerung und die Stellen zeigen, an denen der Lichtbogen während der Wech- selstromhalbwellen einsetzt.
In Diagramm A besitzt die Gitterspannung eine Phasenver schiebung von, annähernd 1180<B>'</B> gegen die Anodenspannung, infolgedessen 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 ein setzt, während in Diagramm C die Gitter spannung beinahe in Phase mit der Anoden spannung ist und der Strom fast zu Beginn der Halbwelle einsetzt und also fast während der ganzen Halbwelle fliesst. Der Strombe trag während jeder Halbwelle ist durch die schraffierte Fläche dargestellt. Der mittlere Strom ergibt sich durch das Integral über die Zeiteinheit.
Der mittlere Strom ist also durch den Schnittpunkt der Gitterspannungs- kurve c und der kritischen Spannungskurve b gegeben, der seinerseits wieder bestimmt wird durch die Phasenverschiebung zwischen Gitterspannungskurve c und Anodenspan nung a. Es ist ohne weiteres verständlich, dass sowohl eine stetige Änderung des Aus gangsstromes durch eine stetige Änderung der Konstanten des Brückenkreises erfolgen kann, als auch eine plötzliche Änderung der Brückenkonstanten vorgenommen werden kann, zum Beispiel indem die Zelle plötzlich verdunkelt und dann belichtet wird oder um gekehrt.
Weiterhin hat sich herausgestellt, dass der Kondensator 7 nicht nur dazu- benutzt werden kann, um die Kapazitäten C2, C3 <I>zu</I> neutralisieren und damit ein Maximum der Empfindlichkeit der Anordnung zu erzielen, sondern auch bei verschiedener Einstellung dazu dienen kann, um eine lineare Beziehung zwischen Entladungsstrom und Belichtung der Zelle herzustellen.
Die Kondensatorein- stellungen bestehen in einer Überneutralisa tion der Elektrodenkapazitäten C2, C3. Es wurde gefunden, dass bei gewisser Überneu tralisation, die von den charakteristischen Grössen des Entladungsgefässes, der Licht zelle und den damit verbundenen Kreisen ab hängt, tatsächlich eine weitgehende Propor tionalität zwischen Strom und Belichtung zu erzielen ist, die für viele Zwecke zum Vorteil ist, zum Beispiel wenn in einem Lampenkreis ein Widerstand ausgeschaltet werden soll durch eine Vorrichtung, die genau entspre chend den Änderungen der Belichtung durch das Entladungsgefäss betätigt werden soll.
Abb. 4 zeigt drei Kurven, die den Ent ladungsstrom in Abhängigkeit von der Be lichtung der Photozelle bei verschiedener Überneutralisation der Elektrodenkapa,-ität zeigen. Kurve d gilt für den Fall, dass die Kapazität Ci auf den zehnfachen Wert der Kapazitäten (C2, C3) eingestellt ist, und zeigt tatsächlich einen fast gradlinigen Ver lauf. Kurve e gilt für den Fall, dass Ci dop pelt so gross ist wie (C2, C3), während Kurve f den Fall einer nur geringen Überneutrali sation zeigt. Im Falle der Kurven e und f ergibt sich eine grössere Empfindlichkeit der Anordnung, jedoch auf Kosten der Propor tionalität.
Ausserdem zeigen die Kurven, dass, wenn sich der Wert von Ci dem von (Cm, C3) nähert, der Grad der Empfindlichkeit erheb lich zunimmt, vorausgesetzt, dass im steilsten Teil der Kurve gearbeitet wird. Der beste Wert der Kapazität Ci hängt deshalb davon ab, wie der Nutzkreis ansprechen soll. Dieser Kapazitätswert muss aber in jedem Falle grö sser als (C2, C3) sein, sonst fliesst durch das Gefäss dauernd der Maximalstrom, auch wenn keine Belichtung vorhanden ist. Die Notwen digkeit einer wenn auch geringen Überneu tralisation ergibt sich deutlich aus den Spannungskurven der Abb. 5.
Die Dia gramme G, H und I zeigen die Wirkungs weise der Anordnung nach Abb. 1 bei Unter neutralisation, genauer Neutralisation und Überneutralisation. Die Linien 1, 2, 3 und -1- stellen in diesen Diagrammen die Gitterspan nungen bei verschiedenen Graden der Be lichtung dar, wobei die Linie 1 für die schwächste Belichtung gilt. Im Falle der Unterneutralisation und Neutralisation (G und H) ist die Gitterspannung bei allen Be lichtungen positiver als die kritische Zünd- spannung, so dass der Entladungsstrom wäh rend der ganzen oder fast ganzen positiven Halbwelle fliesst, wie aus den schraffierten Flächen ersichtlich ist.
Bei Überneutralisa tion ergeben sich dagegen die durch die Kurve J veranschaulichten Betriebsbedingun- gen. Wie ersichtlich, verlagert sich in diesem Falle bei verschiedenen Graden der Belich tung der Schnittpunkt zwischen den Gitter spannungskurven 1, 2, 3 und 4 und der kri tischen Spannungskurve b derartig, dass der Entladungsstrom mit wachsender Belichtung immer früher in jeder Halbwelle einsetzt und infolgedessen der mittlere Strom zu nimmt.
Wenn der Entladungsstrom bei einer be stimmten Belichtung der Photozelle abge schaltet werden soll, ist der Kondensator 7 und die Lichtzelle 10 zu vertauschen. Der Strom nimmt dann nicht mit wachsender Be lichtung stetig ab, sondern fällt bei einem kritischen Wert der Belichtung von seinem vollen Wert auf Null. Die Lichtzelle ist in diesem Falle zweckmässig ein Zweiweg widerstand, zum Beispiel eine Selenzelle oder eine photoelektrische Zelle mit zwei Anoden, die mit lichtempfindlichem Material bedeckt sind.
An Stelle der Photozellenströme können zwischen Gitter 3 und Anode 4 auch irgend welche andere Steuer- oder Signalimpulse angewandt werden, die, falls sie stark genug sind, um die Brücke ausser Gleichgewicht zu bringen, ebenfalls eine Stromleitung zwi schen Kathode und Anode über den Nutz kreis hervorrufen.