<B>Verstärkungsanordnung mit einem Glimmrelais.</B> Die Erfindung betrifft eine Verstärkungs anordnung mit einem Glimmrelais, um mit Steuerströmen von weniger als 10-7A ge wöhnliche elektromagnetische Relais zu be tätigen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen zunächst die heute bekannten Anord nungen kurz erläutert werden.
Es ist bekannt, eine Kaltkathoden-Gasent- ladungsröhre mit. mindestens drei Elektroden als Relaisorgan zu verwenden. Dabei wird in der Regel zwischen einer Kathode und einer Zündelektrode durch einen Steuerstrom eine relativ stromschwache Steuerentladung er zeugt, die eine Hauptentladung zwischen der genannten Kathode und einer Anode ein leitet. Eine derartige Anordnung ist in Fig.1 dargestellt. Die Kathode K und die Anode,1 sind mit den-entspreehenden Polen der Bat terie B verbunden, wobei in die Zuleitung zur Anode ein Relais F geschaltet ist.
Die Span nung der Batterie ist. so bemessen, dass sie höher ist als die Brennspannung der Glimm strecke A-K, aber kleiner als die Zündspan- nung A-K. Normalerweise fliesst dann kein Strom. Die Steuerelektrode Z liegt. über den Widerstand R am Abgriff des Potentiometers <B>11.</B> Ist die Spannung zwischen der Steuer elektrode Z und der Kathode K kleiner als die Zündspannung dieser Strecke, so fliesst durch diese Strecke kein Strom. Erst. wenn durch Erhöhen dieser Spannung, z.
B. durch Verschieben des Potentiometerabgriffes, die Zündspannung erreicht wird, entsteht eine Gasentladung an der Steuerstrecke. Ihre In tensität hängt von der angelegten Spannung und dem Widerstand R ab. Bei hinreichen der Stärke des Steuerstromes schlägt die Entladung auf die Hauptstrecke A-K über, wodurch im Hauptentladungskreis ein relativ starker Strom zum Fliessen gebracht wird. Es besteht ein bestimmter Zusammenhang zwi schen der Mindeststärke des Steuerstromes i.t, der die Hauptentladung auslöst, und der an gelegten Anodenspannung.
Je stärker die Steuerentladung, um so kleiner kann die Anodenspannung gewählt werden, wobei der untere Grenzwert die Glimmbrennspannung ist. Der obere Grenzwert für die Anoden spannung ist gegeben durch die direkte Zünd- spannung zwischen A und K ohne Steuerent ladung. Einem bestimmten Steuerstrom ist ist. somit eine bestimmte minimale Anodenspan nung, die Abfangsspannung, zugeordnet. Die ser Zusammenhang ist; in Fig.2 dargestellt.
Als Abszisse ist die Anodenspannung, als Ordi nate der Steuerstrom aufgetragen. U,, bedeu tet die Brennspannung, U, die direkte Zünd- spannung A-K. Aus Fig. 2 geht hervor, dass die Anordnung um so empfindlicher ist, je höher die Anodenspannung gewählt wird. Aus Stabilitätsgründen darf man aber die An odenspannung nicht. zu nahe an ZTZ wählen; daraus ergibt sich als praktische Grenze für die Steuerbarkeit je nach Röhre 1" bis 10-8 A.
Den Gegenstand der vorliegenden Erfin dung bildet nun eine Verstärkungsanordnung mit einem Glimmrelais, welche mit Steuer strömen von weniger als 10-7, iind zwar bis unter 10-12A, gewöhnliche elektromagne tische Relais zu betätigen gestattet. Dabei wird eine Kaltentladungsröhre verwendet, die mindestens drei Elektroden aufweist.
Die Er findung kennzeichnet sich dadurch, da(3 zwi schen der Zündelektrode und einer weiteren Elektrode eine durch den Steuerstroh aufzu ladende Kapazität von weniger als 100 pF gelegt ist, die sich nach Erreichen der Zünd- spannung stossartig über eine Steuerstrecke entlädt, wobei ferner die Oberfläche der Zünd- elektrode gegenüber derjenigen der Kathode klein gehalten ist, und dass schliesslich durch Wahl des Gasdrucks und der Gaszusammen setzung die Charakteristik der Gasentladung derart gewählt wird, dass bei einer Kapazität von weniger als 100 pF,
die nur um Bruch teile eines Volts über die Zündspannung der Steuerstrecke aufgeladen ist, bei Entladung ein Spannungszusammenbruch von wenig stens 20 Volt erfolgt.
Um die verschiedenen für die erfindungs gemässe Anordnung wichtigen Massnahmen richtig zu verstehen, sollen nachstehend zu nächst einige Angaben über die Eigenschaf ten von Zündstrecken gemacht werden.
Fig. 3, Kurve a, zeigt die allgemeine Form einer Stromspannungscharakteristikvom 7ünd- punkt weg. Diese ist bei sehr kleinen Strömen im Dunkeln in der Regel linear fallend. Zwar sind auch Fälle mit steigender Anfanes- charakteristik bekannt; im vorliegenden Fall kann man sich aber auf fallende Charakte ristiken beschränken.
Im allgemeinen stellt man fest, dass die Entladung bei sehr kleinen Strecken trotz der fallenden Charakteristik stabil brennt, das heisst der Strom ist kon stant und gegeben durch äussere Spannung und äussern Widerstand des Entladiingskre'i- ses. Der Grund, dass die Entladung im allge meinen trotz der fallenden Charakteristik stabil brennt, liegt im dynamischen Verhalten der Entladung. Bei raschen Änderungen der Entladungsverhältnisse folgt nämlich die Brennspannung durchaus nicht der Kurve a-; diese wird nur durchlaufen, wenn die Ände rungen relativ langsam erfolgen.
Die Abwei chungen bei raschen Änderungen sind in erster Linie durch die Aufbauzeit der Ent ladung bedingt. Die Aufbauzeit einer Ent ladung hängt von Gasart, Gasdruck, geome trischer Anordnung, äusserer Spannung und den äussern Schaltelementen ab. Es ist be kannt, dass es bei fallender Charakteristik möglich ist, die Entladung durch Parallel schalten eines Kondensators und geeignete Wahl des Vorschaltwiderstandes instabil zu machen. Eine derartige Anordnung ist ganz allgemein in Fig. 4 gezeichnet.
Der Konden sator C lädt sich langsam über den Vorschalt- widerstand R auf und entlädt sich nach Er reichen der Zündspannung stossartig über die Entladungsstrecke. Dabei bricht die Span nung am Kondensator bis auf die Glimm- brennspannung zusammen. In der Regel reisst dann die Entladung ab, worauf sich der Vor gang wiederholt. Es bilden sich sogenannte Kippschwingungen aus.
Im Moment des Kip- peps ist - die Entladestr omstärke ein Viel faches des Aufladestromes; ihre Intensität hängt unter anderem wieder von Gasart, Gas druck und der Elektrodenanordnung ab. Bei konstanten Entladungsbedingungen ist sie eine unmittelbare Funktion der Kapazität. Es ist ohne weiteres klar, dass durch Verwendung einer derartieen Kippanordnung im Steuer kreis eines Glimmrelais eine wesentlich stär kere Steuerentladung erzielt werden kann, verglichen mit dem oben beschriebenen Fall, wo äusserer Steuerstrom und Entladungsstrom gleich stark sind.
Beider erfindunesgemässen Anordnung wird daher eine solche Kippanord- nimg im Steuerkreis des Glimmrelais verwen det. Fug. 5 zeigt eine entsprechende Schal tung.
Da die Steuerentladung fast ausschliess lich aus der Kippentladung der Kapazität besteht, folet, dass innerhalb der Grenzen, in denen die Kippentladungen überhaupt ent stehen, die Anordnunz praktisch unabhäneig von der Stäxke des Aufladestromes (Steuer- strolnes) ist.
An Stelle des Zusammenhanges zwischen Steuerstrom und Abfangsspannun g tritt ein Zusammenhang zwischen Kippkapazi- tät und Abfan ;
fpannung. Je grösser die Kipp- kapazität ist, um so stärker ist die Steuerent ladung und um so kleiner die Abfangsspan- nung. Dieser Zusammenhang ist. in Fig.6 dargestellt, wobei als Abszisse wiederum die Anodenspannung, als Ordinate die Kapazität aufgetragen ist. Die Kapazität kann nicht auf Null sinken, da sieh sonst keine Kipp schwingungen ausbilden.
Erfahrungsgemäss ist es im allgemeinen nicht möglich, mit beliebig kleinen Strömen (bzw. beliebig grossen Vorschaltwiderständen) und sehr kleiner Kapazität Kippschwingun gen zu erzeugen. Damit der Zweck der Er findung, die üblichen Grenzen zil erweitern und mit Strömen und Kapazitäten Kipp- schwingungen zu erzeugen, mit denen dies bis anhin nicht gelang, erreicht wird, sind die weiteren, oben erwähnten, für die Erfindung kennzeichnenden Massnahmen vorzusehen. Es handelt sich dabei in erster Linie um Vor kehrungen, die in der Gasent.ladungsröhre selbst getroffen erden müssen.
Die Schwie rigkeiten, die zii überwinden sind, zeigen sich am besten, wenn man das Verhalten einer Zündstrecke vor und während des Zündvor- ganges in einem praktisch kapazitätsfreien Elektrometer beobachtet, Wird dabei die Zündstrecke vom äussern Lichteinfhlss nicht vollständig abgeschirmt, so stellt man fest, dass bei zunehmender Spannung ein vorerst sehr kleiner Strom fliesst. Kurz vor Errei- ehen der Zündspannung nimmt die Grösse dieses Stromes beträchtlich zu.
Der Zusam menhang zwischen Strom und angelegter Spannung ist in Fig.3 als Kurve b aufge tragen. Als Zündpunkt definiert man den Scheitelwert dieser Kurve. Er liegt zufolge des Lichteinflusses ein wenig unterhalb des Zündpunktes im Dunkeln. Vom Zündpunkt weg ist die Charakteristik wiederum fallend und nähert sich mit zunehmendem Strom asymptotisch der Kurve a. Der steigende Ast. dieser Charakteristik ist nichts anderes als der gasverstärkte Vorstrom, wobei sich dieser aus den auf der Kathode aus gelösten Elektronen und den im Zwischen raum durch Strahlung erzeugten Ionen zu sammensetzt.
Dabei wirken als ionisierende Strahlen neben kurzwelligen Lichtstrahlen radioaktive Strahlen und Höhenstrahlen. Als Zündstrom der Entladung wird der Strom i, im Scheitelwert der Kurve b definiert. Theo retische und experimentelle Untersuchungen ergaben, dass das Verhältnis zwischen Zünd- strom und Vorstrom zufolge der Gasverstär kung sehr grosse Werte annehmen kann.
Der mathematische Zusammenhang ist durch fol gende Formel gegeben: i, = K V il. Da K eine Konstante ist, wird das Verhältnis
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mit abnehmendem Strom immer grösser und kann ohne weiteres 106 und noch mehr be tragen. Man sieht daraus, dass es notwendig ist, den Vorstrom so weit als irgend nur mög lich klein zu halten. Da. er aber nie ganz ausgeschaltet werden kann, ist es sehr schwer, den Zündstrom auf beliebig kleine Werte zu bringen.
Um den. Vorstrom möglichst klein zu halten, wird die Steuerstrecke der Gasent- ladungsröhre gegen Lichtstrahlen und allen falls andere elektronenbefreiende oder gas ionisierende Strahlen abgeschirmt. Dieser Strahlungsschutz kann entweder durch das Gehäuse, in welchem der ganze Verstärker untergebracht ist., gebildet werden, oder die Röhre selbst kann einen undurchsichtigen Überzug aufweisen oder in einem strahlungs abschirmenden Behälter -untergebracht sein. Ferner werden die geometrischen Abmessun gen der Zündstrecke zweckmässig klein ge halten. Letzteres kann z.
B. .dadurch erreicht werden, dass zum mindesten die eine Elektrode klein ausgebildet und der Abstand zwischen den Elektroden ebenfalls klein gewählt wird. Dadurch gelingt es, den Zündstrom auf Werte, die unter Umständen kleiner a15 10-12 A sind, zu bringen. Schaltet male einer derartigen Zündstrecke, wie in Fig.4 dargestellt, eine kleine Kapazität (10 bis 100 pF) parallel und lädt diese durch einen kleinen Strom auf, so kann man folgende Fälle beobachten: 1..
Die Spannung bleibt nach erfolgter Zün- dimg konstant, das heisst die Zündentla- dung brennt stabil und die gewünschte Kippentladung tritt nicht ein.
@'. Nach erfolgter Zündung bricht die Span nun- zusammen, aber nur um wenige Volt, was zur Ausbildung einer stromstarken Kippentladung nicht ausreicht. Diese klei nen, meist unregelmässigen Vorentladungen sind so zu interpretieren, dass sich zwar eine Kippentladung auszubilden beginnt, dass aber der Spannungszusammenbruch am Kondensator so rasch erfolgt, dass die Ent ladung vor einem vollständigen Zusammen bruch auf die Glimmbrennspannung ab reisst.
Es ist dies ohne weiteres verständ lich, wenn man berücksichtigt, dass zum Aufbau einer eigentlichen Glimmentladung eine gewisse Zeit und somit eine gewisse elektrische Ladungsmenge erforderlich sind. Bei geeigneter Ausbildung der Gasentla- dungsstrecke kann man feststellen, dass sich die Kapazität selbst bei Werten von nur wenigen pF stossartig über die Ent- ladimgsstrecke entlädt, verbunden mit einem Spannungszusammenbruch, der je nach den Verhältnissen 20 bis 50 V und noch mehr betragen kann.
'Theoretische und experimentelle Untersu ehungen haben gezeigt, dass dieser letzte Fall durch folgende Massnahmen begünstigt wird: 1. durch eine relativ steile Anfangscharak teristik, 2. durch eine Gasentladung mit relativ ra schem Feldaufbau, durch eine relativ hohe Differenz zwischen Zündspannung und Brennspannung, durch Erzeugung einer wenn auch nur kleinen Überspannung über den statischen Zündpunkt.
Um diesen Forderungen gerecht zu wer den, wird ein relativ hoher Gasdruck gewählt (je nach Gas 15 bis 100 Tor oder noch mehr, z. B. 15 mm Argon oder 80 mm Neon mit wenig Beimischung von Argon), und ferner wird die Zündstrecke in Form einer klein- flächigen Anode gegenüber einer grossflächi gen Kathode (Spitze oder dünner Draht ge gen eine Fläche) ausgebildet.
Eine Vergrösse- rung des Abstandes hätte ebenfalls eine Zünd- spannungserhöhung zur Folge; dieser Mass nahme sind aber bestimmte Grenzen gesetzt, da. dadurch der Entladungsraum vergrössert wird, was im Widerspruch zu der weiter oben genannten Forderung steht.
Eine grosse Dif- #-erenz zwischen Zündspannung und Brenn- spannung bringt neben einer Begünstigung der Hauptentladung den weiteren Vorteil einer stärkeren Kippentladung, da sieh der Kondensator über einen grösseren Span nungsbereich entladen kann und somit bei gleicher Kapazität mehr Energie frei wird. Eine stärkere Kippentladung begünstigt ih rerseits das ilberspringen der Steuerentla dung auf die Hauptentladungsstrecke.
Die Erzeugung einer kleinen Überspan nung über den statischen Zündpunkt kann durch Überlagerung einer kleinen Kippspan- innig oder Wechselspannung erreicht werden.
Es hat sich aber gezeigt, dass die Anwendung dieser zusätzlichen Hilfsmittel in der Regel nicht notwendig ist. Jede Entladung weist einen gewissen Zündverzug auf, der um so grösser wird, je kleiner der Vorstrom ist: Bei endlicher Aufludegesehwindigkeit der Kapazi tät erhält man daher während dieses Zündver- zugs eine hinreichende Überspannung.
Im merhin sieht. man, dass man einerseits den Zündstrom nicht auf beliebig kleine Werte bringen kann, anderseits ergibt sieh wiederum die Notwendigkeit, den Vorstrom, der für den Zündverzug massgebend ist, so klein wie mög lich zii halten.
Ferner hat es sich gezeigt, dass die An wesenheit von isolierenden Teilen, z. B. von Glas oder Keramik, am Rande oder in der ,Nähe der Zündstrecke ungünstig auf das Ausbilden der Kippentladungen wirkt. Diese Erscheinung kann auf zwei Ursachen zurück geführt werden : 1.. können sich die isolierenden Teile auf laden, wodurch eine Feldbeeinflussung ent steht, '>. können sich über diese isolierenden Teile, die ja nie unendlich gute Isolation -aufweisen, störende Nebenentladungen ausbilden. In der Zeichnung sind in den Fig. 7 bis 14 einige Beispiele für die konstruktive Aus bildung geeigneter Entladungsröhren darge stellt.
Die Zündelektroden Z sind in den Bei spielen nach Fig. 7, 8, 11, 12, 13, 14 als An odenspitzen ausgebildet, die gegenüber einer relativ grossflächigen Kathode stehen, wobei die Kathode K gleichzeitig Kathode der Hauptentladungsstrecke ist. In Fig.9 sind die Verhältnisse analog, nur ist die Zünd- elektrode nicht als Spitze, sondern als dünner Draht parallel zur Kathode ausgebildet, wobei der Durchmesser des Drahtes kleiner ist als der Abstand zwischen Draht und Kathode.
In Fig. 10 ei-folgt die Zündung nicht gegen die Kathode der Hauptentladungsstrecke, son dern zwischen der spitzenförmigen Anode A. der Hauptentladungsstrecke und einer gross flächigen, gitterartigen Zündelektrode als Kathode der Zündstrecke. Wie man sieht, ist in allen Fällen die Anordnung so getroffen, dass die Zündstrecke nicht durch in der Nähe liegende isolierende Teile beeinflusst wird.
(ä ewöhnlicli wird der Abstand der isolierenden Teile von der Zündstrecke mindestens dop pelt so gross gewählt wie der Abstand Zünd- elektrode-Kathode. Es ist nicht notwendig, dass Zündelektrode und Anode auf der glei chen Seite der Kathode angeordnet sind. Die Kathode kann z. B. gitterartig ausgebildet sein, wobei Zündelektrode und Anode auf ver schiedenen Seiten dieses Gitters angeordnet sind. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist iii Fig.8 dargestellt.
Es ist wünschenswert, an die Anode der IIauptentladungsstrecke eine Betriebsspan , nung legen zu können, die wesentlich über der Glimmbrennspannung liegt. Dadurch erhält man im Falle der Zündung im Hauptkreis bei relativ kleiner Stromstärke genügend Ener- nie, uni normale elektromagnetische Relais zii betätigen. Um die gewünschte hohe Zünd spannung A--K zu erzielen, wird der Ab stand zwischen Anode und Kathode relativ gross gewählt.
Je nach den Verhältnissen wird man aber durch diese Massnahme allein nicht auf die gewünschte hohe Zündspannung kommen. Als Mittel zur weiteren Erhöhung der Zündspannung können folgende Massnah- inen dienen: 1. Es werden im Entladungsraum der Haupt strecke isolierende Teile angeordnet, welche die Zündung behindern. In Fig. 8 ist z. B. die Anode von einem konzentrischen Glas röhrchen G umgeben.
'?. Es wird im Entladungsraum der Haupt strecke eine weitere Elektrode angeordnet, deren Potential entweder von aussen vorbe stimmt wird, oder diese Elektrode befindet sich isoliert im Innern, so dass sich das Potential frei einstellen kann. Diese Zwi schenelektrode kann entweder aus einem Blech bestehen, oder sie kann gitteraxtig ausgebildet sein. In Fig. 9 ist z. B. die Anode von einer gitterartigen, konzentri schen Zwischenelektrode S umgeben. Sofern man mit sehr kleinen Strömen steuern will, sind an die Isolationsstellen des Steuerkreises sehr hohe Anforderungen zu stellen.
Es ist daher zweckmässig, die Zünd- elektrode getrennt und möglichst weit weg von den übrigen Elektroden herauszuführen. Da die Oberflächenisolation des Glases meist ungenügend ist, wird das Glas vorteilhaft mit einer Wachs- oder Silikonschicht überzogen. Diese Isolierschicht kann zugleich die Rolle einer Abschirmung gegen Licht übernehmen (Fi-. 7). Ferner kann es wünschenswert sein, zwischen der Durchführung der Zündelek- trode und den übrigen Durchführungen einen auf konstantem Potential zu haltenden lei tenden Ring anzuordnen.
Dadurch schafft man einerseits definierte Verhältnisse, ander seits ist es möglich, durch Anlegen einer ge eigneten Spannung an den Ring die Span nung und damit die unerwünschten Ableit- ströme längs der Gefässwand herabzusetzen. Die erwähnten Massnahmen sind in den Aus führungsbeispielen 7 und 14 dargestellt. W bedeutet die Wachsschicht, P den Ring. Eine weitere Massnahme .zur Erhöhung der Ober flächenisolation besteht darin, die Oberfläche bezüglich der umgebenden Atmosphäre leicht zu erwärmen.
Zweckmässig wird dies erreicht durch Anordnung eines Heizwiderstandes im Innern des Gefässes. In Fig.12 und 14 sind derartige Widerstände H eingezeichnet, die durch Anlegen einer geeigneten Hilfsspan nung aufgeheizt werden, Die hohe Isolation muss nicht nur im (llimmrelais gefordert werden, sondern auch in den Zuführungen mir Steuerelektrode; ins besondere muss die Isolation der Kippkapazi- tät den gleichen Anforderungen genügen.
Es sind verschiedene Ausführungsformen mög lich, iun dies in einfacher Weise zu errei chen. In Fig. 11 ist die Kippkapazität C vollständig im Innern angeordnet. In Fig. 12 besteht die Kippkapazität aus einem leiten den Belag Ck mit Kathodenpotential auf der Aussenseite des Glimmrelais und einem leiten den Belag C, mit Zündelektrodenpotential auf der Innenwandung des Gefässes.
In Fig.13 ist der Aussenbelag 0Z mit der Zündelektrode verbunden und der Innenbelag Cl, mit der Kathode. Fig.14 zeigt eine Anordnung mit Luftkondensator ohne zusätzliche Oberflächen isolation, indem die eine Elektrode der Ka pazität C" direkt an der Steuerelektrode Z befestigt ist, während die Gegenelektrode Ck der Kapazität diese konzentrisch umgibt und mit der Kathode verbunden ist. Dieser Kon densator übernimmt gleichzeitig die Rolle eines Strahlungsschutzes.
Die erfindungsgemässe Anordnung kommt überall dort in Frage, wo es sich darum han delt, kleine Ströme zu Steuerzwecken relais artig zu verstärken. Insbesondere ist sie ge eignet im Zusammenhang mit Photozellen oder Ionisationskammern. Es ist aber nicht notwendig, die Zündung durch effektive Ruf ladung des Kondensators zu bewirken; die Zündung kann z. B. auch dadurch eingeleitet werden, dass an einem aufgeladenen Konden sator nachträglich eine Kapazitätsverkleine rung vorgenommen wird (z. B. durch Ver grössern des Plattenabstandes), so dass die damit verbundene Spannungserhöhung die Zündung einleitet.
<B> Amplification arrangement with a glow relay. </B> The invention relates to an amplification arrangement with a glow relay in order to actuate ordinary electromagnetic relays with control currents of less than 10-7A.
For a better understanding of the invention, the arrangements known today will first be briefly explained.
It is known to have a cold cathode gas discharge tube. to use at least three electrodes as relay elements. In this case, a relatively weak control discharge is usually generated between a cathode and an ignition electrode by a control current, which leads a main discharge between said cathode and an anode. Such an arrangement is shown in FIG. The cathode K and the anode 1 are connected to the corresponding poles of the battery B, a relay F being connected in the supply line to the anode.
The voltage of the battery is. dimensioned so that it is higher than the burning voltage of the glow path A-K, but lower than the ignition voltage A-K. Normally there is then no electricity. The control electrode Z lies. Via the resistor R at the tap of the potentiometer <B> 11. </B> If the voltage between the control electrode Z and the cathode K is less than the ignition voltage of this path, no current flows through this path. First. if by increasing this voltage, e.g.
B. by moving the potentiometer tap, the ignition voltage is reached, a gas discharge occurs in the control path. Their intensity depends on the applied voltage and the resistance R. If the strength of the control current is sufficient, the discharge overlaps on the main line A-K, as a result of which a relatively strong current is made to flow in the main discharge circuit. There is a certain relationship between the minimum strength of the control current i.t, which triggers the main discharge, and the applied anode voltage.
The stronger the control discharge, the lower the anode voltage that can be selected, the lower limit being the glow voltage. The upper limit value for the anode voltage is given by the direct ignition voltage between A and K without control discharge. A certain control current is is. thus a certain minimum anode voltage, the interception voltage, is assigned. This connection is; shown in Fig.2.
The anode voltage is plotted as the abscissa and the control current as the ordi nate. U ,, means the operating voltage, U, the direct ignition voltage A-K. It can be seen from FIG. 2 that the higher the anode voltage, the more sensitive the arrangement is. For reasons of stability, however, the anode voltage must not be used. choose too close to ZTZ; this results in a practical limit for controllability, depending on the tube, 1 "to 10-8 A.
The subject of the present inven tion now forms an amplification arrangement with a glow relay, which with control currents of less than 10-7, although iind to below 10-12A, allows ordinary electromagnetic relays to be operated. A cold discharge tube is used that has at least three electrodes.
The invention is characterized by the fact that (3 between the ignition electrode and another electrode there is a capacity of less than 100 pF to be charged by the control straw, which discharges abruptly over a control path after the ignition voltage has been reached, with the The surface of the ignition electrode is kept small compared to that of the cathode, and that finally, through the selection of the gas pressure and the gas composition, the characteristics of the gas discharge are selected in such a way that with a capacitance of less than 100 pF,
which is only charged by a fraction of a volt via the ignition voltage of the control path, a voltage collapse of at least 20 volts occurs when discharged.
In order to correctly understand the various measures that are important for the arrangement according to the invention, some information about the properties of ignition gaps should first be given below.
Figure 3, curve a, shows the general shape of a voltage characteristic from the ignition point. In the case of very small currents, this usually falls linearly in the dark. Cases with a rising initial characteristic are also known; In the present case, however, one can restrict oneself to falling characteristics.
In general, it can be seen that the discharge burns stably over very short distances despite the falling characteristics, that is, the current is constant and given by the external voltage and external resistance of the discharge circuit. The reason that the discharge generally burns stably despite the falling characteristics is due to the dynamic behavior of the discharge. In the case of rapid changes in the discharge conditions, the operating voltage does not follow curve a- at all; this is only carried out if the changes are made relatively slowly.
The deviations in the event of rapid changes are primarily due to the build-up time of the discharge. The build-up time for a discharge depends on the type of gas, gas pressure, geometric arrangement, external voltage and the external switching elements. It is known that if the characteristic falls, it is possible to make the discharge unstable by connecting a capacitor in parallel and choosing a suitable series resistor. Such an arrangement is shown quite generally in FIG.
The capacitor C is slowly charged via the series resistor R and, once the ignition voltage has been reached, discharges abruptly across the discharge path. The voltage on the capacitor collapses except for the glow voltage. As a rule, the discharge then breaks off, whereupon the process is repeated. So-called tilting vibrations develop.
At the moment of tilting - the discharge current strength is a multiple of the charging current; their intensity depends, among other things, on the type of gas, gas pressure and the electrode arrangement. At constant discharge conditions it is a direct function of the capacity. It is immediately clear that by using such a flip-flop arrangement in the control circuit of a glow relay, a significantly stronger control discharge can be achieved compared to the case described above, where the external control current and discharge current are equally strong.
With the inventive arrangement, such a tilting arrangement is therefore used in the control circuit of the glow relay. Fug. 5 shows a corresponding circuit.
Since the control discharge consists almost exclusively of the tipping discharge of the capacity, it follows that within the limits in which the tipping discharges occur at all, the arrangement is practically independent of the strength of the charging current (control current).
Instead of the relationship between control current and interception voltage, there is a relationship between tilting capacity and interception;
tension. The greater the tilting capacity, the stronger the control discharge and the smaller the interception voltage. This connection is. 6, the anode voltage being plotted as the abscissa and the capacitance as the ordinate. The capacity cannot drop to zero, otherwise no tilting vibrations will develop.
Experience has shown that it is generally not possible to generate ripple oscillations with arbitrarily small currents (or arbitrarily large series resistances) and very small capacitance. In order for the purpose of the invention to expand the usual limits zil and to generate tilting oscillations with currents and capacities, with which this has not been possible up to now, the further, above-mentioned measures characteristic of the invention are to be provided. These are primarily precautions that must be taken in the gas discharge tube itself.
The difficulties that have to be overcome are best shown if the behavior of an ignition path is observed before and during the ignition process in a practically capacitance-free electrometer. If the ignition path is not completely shielded from the external light, it is found that that with increasing voltage a very small current flows for the time being. Shortly before the ignition voltage is reached, the magnitude of this current increases considerably.
The relationship between current and applied voltage is shown in Figure 3 as curve b. The peak value of this curve is defined as the ignition point. Due to the influence of light, it is a little below the ignition point in the dark. From the ignition point the characteristic is again decreasing and asymptotically approaches curve a with increasing current. The rising branch. This characteristic is nothing other than the gas-amplified bias current, which is composed of the electrons released on the cathode and the ions generated by radiation in the space between them.
Besides short-wave light rays, radioactive rays and altitude rays act as ionizing rays. The current i in the peak value of curve b is defined as the ignition current of the discharge. Theoretical and experimental investigations have shown that the ratio between ignition current and preliminary current can assume very large values due to the gas amplification.
The mathematical relationship is given by the following formula: i, = K V il. Since K is a constant, the ratio becomes
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with decreasing current it becomes larger and can easily be 106 or more. You can see from this that it is necessary to keep the bias current as small as possible. There. but it can never be switched off completely, it is very difficult to bring the ignition current to any small value.
To the. To keep the bias current as small as possible, the control path of the gas discharge tube is shielded against light rays and, if necessary, other electron-releasing or gas-ionizing rays. This radiation protection can either be formed by the housing in which the entire amplifier is accommodated, or the tube itself can have an opaque coating or be accommodated in a radiation-shielding container. Furthermore, the geometric dimensions of the ignition gap are appropriately kept small. The latter can e.g.
B. can be achieved in that at least one electrode is made small and the distance between the electrodes is also selected to be small. This makes it possible to bring the ignition current to values that may be less than a15 10-12 A. If you connect a small capacitance (10 to 100 pF) in parallel, as shown in Fig. 4, and charge it with a small current, the following cases can be observed: 1 ..
The voltage remains constant after ignition, which means that the ignition discharge burns in a stable manner and the desired breakover discharge does not occur.
@ '. After the ignition has taken place, the chip now collapses, but only by a few volts, which is not enough to create a high-current surge discharge. These small, mostly irregular pre-discharges are to be interpreted in such a way that although a tipping discharge begins to develop, the voltage breakdown on the capacitor occurs so quickly that the discharge breaks down before it breaks down completely to the glow voltage.
This is easily understandable if one takes into account that a certain time and thus a certain amount of electrical charge are required to build up an actual glow discharge. With a suitable design of the gas discharge path, it can be determined that the capacitance discharges abruptly over the discharge path even with values of only a few pF, combined with a voltage breakdown which, depending on the circumstances, can be 20 to 50 V and even more.
Theoretical and experimental studies have shown that this last case is favored by the following measures: 1. by a relatively steep initial characteristic, 2. by a gas discharge with a relatively rapid field build-up, by a relatively high difference between the ignition voltage and the operating voltage Generation of an overvoltage, even if only a small one, above the static ignition point.
In order to meet these requirements, a relatively high gas pressure is selected (depending on the gas 15 to 100 ports or even more, e.g. 15 mm argon or 80 mm neon with a small amount of argon added), and the ignition gap in Form of a small-area anode compared to a large-area cathode (point or thin wire against an area).
An increase in the distance would also result in an increase in the ignition voltage; however, there are certain limits to this measure. as a result, the discharge space is enlarged, which is in contradiction to the above-mentioned requirement.
A large difference between the ignition voltage and the operating voltage brings, in addition to favoring the main discharge, the further advantage of a stronger breakover discharge, since the capacitor can discharge over a larger voltage range and thus more energy is released with the same capacity. A stronger tipping discharge, on the other hand, favors the control discharge jumping to the main discharge path.
The generation of a small overvoltage above the static ignition point can be achieved by superimposing a small breakover voltage or alternating voltage.
It has been shown, however, that the use of these additional aids is generally not necessary. Every discharge has a certain ignition delay, which becomes greater the smaller the bias current: With a finite charging speed of the capacitance, a sufficient overvoltage is obtained during this ignition delay.
Im after all sees. One can see that on the one hand the ignition current cannot be brought to arbitrarily small values, on the other hand there is again the need to keep the bias current, which is decisive for the ignition delay, as small as possible.
It has also been shown that the presence of insulating parts such. B. of glass or ceramic, at the edge or in the vicinity of the ignition gap has an unfavorable effect on the formation of the breakover discharges. This phenomenon can be traced back to two causes: 1 .. the insulating parts can be charged, which affects the field, '>. Interfering secondary discharges can develop through these insulating parts, which never have infinitely good insulation. In the drawing, some examples of the structural design from suitable discharge tubes are shown in FIGS. 7 to 14.
The ignition electrodes Z are in the case of FIGS. 7, 8, 11, 12, 13, 14 as an odenspitzen formed opposite a relatively large cathode, the cathode K is at the same time the cathode of the main discharge path. The relationships in FIG. 9 are analogous, only the ignition electrode is not designed as a tip, but as a thin wire parallel to the cathode, the diameter of the wire being smaller than the distance between the wire and the cathode.
In Fig. 10 the ignition does not follow the cathode of the main discharge path, but rather between the pointed anode A. of the main discharge path and a large-area, grid-like ignition electrode as the cathode of the ignition path. As you can see, in all cases the arrangement is made in such a way that the ignition path is not influenced by nearby insulating parts.
(The distance between the insulating parts and the ignition gap is usually chosen to be at least twice the distance between the ignition electrode and the cathode. It is not necessary for the ignition electrode and anode to be on the same side of the cathode B. be designed in a grid-like manner, with the ignition electrode and anode being arranged on different sides of this grid. Such an embodiment is shown in FIG.
It is desirable to be able to apply an operating voltage to the anode of the main discharge path that is significantly higher than the glow voltage. In this way, in the event of ignition in the main circuit, with a relatively low current strength, sufficient energy is obtained to activate normal electromagnetic relays. In order to achieve the desired high ignition voltage A - K, the distance between the anode and cathode is chosen to be relatively large.
Depending on the circumstances, this measure alone will not achieve the desired high ignition voltage. The following measures can serve as a means for further increasing the ignition voltage: 1. Insulating parts are arranged in the discharge space of the main section, which hinder the ignition. In Fig. 8, for. B. the anode of a concentric glass tube G surrounded.
'?. Another electrode is arranged in the discharge space of the main line, the potential of which is either vorbe from the outside, or this electrode is isolated inside so that the potential can be freely adjusted. This inter mediate electrode can either consist of a sheet metal, or it can be formed with a lattice ax. In Fig. 9, for. B. the anode of a grid-like, concentric intermediate electrode S surrounded. If you want to control with very small currents, very high requirements must be placed on the isolation points of the control circuit.
It is therefore advisable to lead the ignition electrode out separately and as far away as possible from the other electrodes. Since the surface insulation of the glass is usually insufficient, the glass is advantageously coated with a wax or silicone layer. This insulating layer can also act as a shield against light (FIG. 7). It may also be desirable to arrange a conductive ring between the lead-through for the ignition electrode and the other lead-throughs, which is to be kept at a constant potential.
This creates defined conditions on the one hand, and on the other hand it is possible to reduce the voltage and thus the undesired leakage currents along the vessel wall by applying a suitable voltage to the ring. The measures mentioned are shown in exemplary embodiments 7 and 14. W means the wax layer, P the ring. Another measure to increase surface insulation is to slightly warm the surface with respect to the surrounding atmosphere.
This is expediently achieved by arranging a heating resistor in the interior of the vessel. In Fig. 12 and 14 such resistors H are drawn in, which are heated up by applying a suitable auxiliary voltage. ity meet the same requirements.
Various embodiments are possible, please include in order to achieve this in a simple manner. In Fig. 11, the tilt capacitance C is arranged completely inside. In Fig. 12, the tilting capacity consists of a lead the coating Ck with cathode potential on the outside of the glow relay and a lead the coating C, with ignition electrode potential on the inner wall of the vessel.
In FIG. 13, the outer coating 0Z is connected to the ignition electrode and the inner coating C1 is connected to the cathode. Fig.14 shows an arrangement with an air capacitor without additional surface insulation, in that one electrode of the capacitance C "is attached directly to the control electrode Z, while the counter electrode Ck of the capacitance surrounds it concentrically and is connected to the cathode. This capacitor takes over at the same time the role of radiation protection.
The arrangement according to the invention can be used wherever it is a matter of amplifying small currents like a relay for control purposes. It is particularly suitable in connection with photocells or ionization chambers. But it is not necessary to cause the ignition by effective call charge of the capacitor; the ignition can e.g. B. can also be initiated by the fact that a capacity reduction is subsequently made on a charged capacitor (e.g. by increasing the plate spacing), so that the associated increase in voltage initiates ignition.