Schaltung mit einer Gasentladungsröhre mit kalter Kathode und an Gleichspannung liegender Anode Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit einer Gasentladungsröhre mit kalter Kathode und an Gleich spannung liegender Anode sowie ihre Verwendung als Schaltmittel in elektronischen Fernmeldeanlagen.
Bei den in der Fernmelde- und Regelungstechnik bisher gebräuchlichen, gas- oder dampfgefüllten Ent ladungsröhren mit kalter und auch heisser Kathode wird mit Hilfe eines an eine Steuerelektrode gelegten Spannungsimpulses oder einer Potentialverlagerung die Entladung eingeleitet; sie kann jedoch bei anlie gender Anodengleichspannung nicht beendet werden. Die Steuerelektrode ist bei den Kaltkathodenröhren als Stift oder Ring und bei den Röhren mit heisser Kathode meist als Bügel, Blende oder Scheibengitter ausgebildet, wirkt jedoch in letzterem Falle völlig anders als ein normales Steuergitter.
In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, den Begriff Gitter eindeutig zu definieren.
Als Gitter wird normalerweise in Hochvakuum röhren diejenige Elektrode bezeichnet, mit deren Hilfe es durch Änderung des an ihr liegenden Spannungs potentials möglich ist, die Anodenstromstärke zu ändern. Die Stärke des Anodenstromes ist hierbei eine Funktion der angelegten Gitterspannung, also 1,' <I>= f</I> (U,). Im Gegensatz dazu ist die Wirkungsweise der im allgemeinen Sprachgebrauch vielfach als Gitter be zeichneten Elektrode von Gasentladungsröhren.
Mit dieser Elektrode ist es lediglich möglich, den Einsatz der Entladung zu beeinflussen. Ist die Ent ladung eingeleitet, so ist über diese Elektrode keine Beeinflussung der Entladung mehr möglich.
Die Bezeichnung Gitter wird hier zu Unrecht angewendet und müsste exakt durch den Ausdruck Steuerelektrode oder besser Zündelektrode er setzt werden. So ist es beispielsweise bei Kaltkathodenröhren nicht möglich, durch Anlegen einer Gegenspannung an die Steuerelektrode die Entladung zu beenden, also die Röhre zu löschen. Um dies zu bewirken, ist es notwendig, die Anodenspannung unter die Brenn- spannung zu senken, was z. B. durch Anlegen einer Anodenwechselspannung oder eines starken negativen Spannungsimpulses an die Anode erreicht wird. Hier für sind jedoch ein erheblicher Schaltungsaufwand so wie die entsprechenden Schaltmittel erforderlich.
Obwohl bei diesen Röhren die Heizleistung einge spart wird, haben sie sich aus den genannten Gründen in grösserem Umfang noch nicht durchsetzen können. Es liesse sich aber von den Röhren mit heisser Ka thode Gebrauch machen, die sich einfach mit Hilfe eines an der Steuerelektrode liegenden Gegenimpulses oder durch Aufheben der Potentialänderung löschen lassen, wie dies z. B bei den Röhrentypen möglich ist, die unter der Bezeichnung FC 50, Plasmatron und Tacitron bekannt sind.
Die physikalische Voraus setzung bei diesen Röhren jedoch ist, dass die Plasmabildung allein im Raum zwischen Steuerelek trode und Anode, im weiteren Gitter-Anoden-Raum genannt, erfolgt, während im Raum zwischen Kathode und Steuerelektrode (Kathoden-Gitter-Raum) nur eine Elektronenladung vorhanden ist, die von der heissen Kathode herrührt. Bei einer an der Steuerelektrode liegenden Sperrspannung wird durch das negative Po tentialfeld der Inselbildung an der Steuerelektrode ver hindert, dass die Elektronen aus dem Kathoden-Gitter- Raum in den Gitter-Anoden-Raum gelangen.
Im Ka- thoden-Gitter-Raum reicht ihre kinetische Energie zur Ionisation nicht aus.
Durch Verringern der an der Steuerelektrode lie genden Sperrspannung bzw. Steuerspannung wird das Potentialfeld der Inselbildung schwächer, so dass die Elektronen den Gitter-Anoden-Raum erreichen kön- nen, wo sie eine derartig hohe kinetische Energie er halten, die sie in die Lage versetzt, die Gasatome zu ionisieren und damit die Röhre zu zünden. Wird die Steuerspannung erhöht, dann wird infolge des wieder stärkeren negativen Potentialfeldes der Inselbildung an der Steuerelektrode den Elektronen der Weg in den Gitter-Anoden-Raum versperrt.
Damit wird eine wei tere Ionisation verhindert und das im Gitter-Anoden- Raum gebildete Plasma wird an der Steuerelektrode abgebaut, so dass die Röhre erlischt.
Der Einsatz von Röhren mit kalter und heisser Kathode in der elektronischen Regelungstechnik ge- nügt den heutigen Anforderungen und hat wesentliche Schaltungserleichterungen mit sich gebracht.
Der Einsatz in Fernmeldeanlagen, z. B. in Schal tungen für die Fernwahl, weist jedoch eine Anzahl von Mängeln auf. Die Kaltkathodenröhren lassen sich dabei nur als Relaisröhren verwenden, wobei der schaltungstechnische Aufwand zur Löschung der Röhren erheblich ist, so dass der bei elektromechani schen Fernmeldeanlagen übliche Platzbedarf Erwei terungen erfährt. Der Einsatz in Sprechwegen bereitet Schwierigkeiten, da die zur Löschung notwendige Absenkung der Anodenspannung erhebliche Störun gen in den Sprechwegen verursacht.
Bei den Röhren mit heisser Kathode ist ein erheb licher Heizleistungsbedarf erforderlich. Für die dabei auftretende Wärme wären besondere Einrichtungen zur Wärmeableitung sowie zur Klimatisation erforderlich.
Die Schaltung mit einer eine kalte Kathode auf weisenden Gasentladungsröhre gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre mindestens eine gitterartig wirkende Elektrode enthält und die Beendigung der Gasentladung durch Änderung einer an der gitterartig wirkenden Elektrode liegenden Spannung bei unveränderter Anodenspannung erreicht wird.
Ausführungs- und Verwendungsbeispiele werden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die Erfin dung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Gasentla- dungsröhre mit einer gitterartig wirkenden Elektrode, Fig. 2 einen Querschnitt durch die Gasentladungs- röhre gemäss Fig. 1, Fig.3 einen Längsschnitt durch eine Gasentla- dungsröhre mit zwei gitterartig wirkenden Elektroden,
Fig. 4 einen Querschnitt durch die Gasentladungs- röhre gemäss Fig. 3, Fig. 5 eine Röhrenschaltung, Fig. 6 eine Kennlinie, Fig. 7 und 8 Verwendungsbeispiele.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Röhre ist auf einem Quetschfuss 1 aufgebaut und enthält die kalte Kathode 4, die wie ein Mantel eine ring- oder mantel- förmig ausgebildete Hilfsanode 3 sowie eine gitter artig wirkende Elektrode 5 und die stabförmig aus gebildete Hauptanode 6 umschliesst. Die Elektrode 5 ist als Gitter dargestellt und auch so ausgebildet. Das System ist an jedem Ende durch eine Glimmer- Scheibe 2 und 8 abgeschlossen, die die Gasentladung auf das Innere des Systemaufbaues begrenzen und eine wilde Entladung ausserhalb des Systemaufbaues im Innern der Röhre verhindern. Das gesamte System ist an den Kathodenzuleitungsstreben 7 befestigt.
Im Ausführungsbeispiel Fig. 3 und 4 sind zwei Gitterelektroden 5 und 9 vorgesehen. Im übrigen ent spricht der Aufbau der Röhre dem Beispiel gemäss Fig. 1, 2 lediglich mit dem Unterschied, dass die Hilfsanode 3 aus zwei Stäben besteht.
Bei Vorhandensein mehrerer gitterartig wirkender Elektroden können bei an der Anode liegender Gleich spannung sowohl die Einleitung als auch die Beendi gung der Gasentladung durch Verändern des Wertes mindestens einer der an den gitterartig wirkenden Elektroden liegenden Spannungen erreicht werden. Es ist auch möglich, durch Verändern des Wertes einer an einer gitterartig wirkenden Elektrode liegenden Spannung sowohl die Einleitung als auch die Beendi gung der Gasentladung zu erreichen und durch gleichzeitiges Verändern der Werte der in mehreren gitterartig wirkenden Elektroden liegenden Spannun gen die genannten Vorgänge zu verhindern oder um gekehrt.
Hierdurch wird erreicht, dass das Entladungsgefäss als Koinzidenzröhre, Antikoinzid'enzröhre oder Nor malröhre betrieben werden kann. Auch kann bei Vor handensein mehrerer gitterartig wirkender Elektroden, z. B. drei, und bei an der Anode liegender Gleich spannung die Einleitung oder Beendigung der Gas entladung bei konstantem Wert einer Steuerspannung und Verändern der Werte der übrigen an den gitter artig wirkenden Elektroden liegenden Steuerspannun gen bewirkt und durch Verändern der Werte aller Steuerspannungen der genannte Vorgang verhindert werden oder umgekehrt.
Mit Hilfe dieser Massnahme wird erreicht, dass das beschriebene Gasentladungsgefäss in bezug auf unterschiedlich zu steuernde Stromkreise gleichzeitig als Koinzidenz-, Antikoinzidenz- und Normalröhre wirkt.
Die Konstruktion einer Röhre gemäss Erfindung nach Fig. 1 sieht z. B. folgende Werte vor: Abstand Gitter-Anode = 1,2 mm Abstand Gitter-Kathode - 6 " Gittersteigung = 0,2 " Stärke des Gitterdrahtes = 0,08 " Gasfüllung = Neon Gasdruck = 6 bis 8 Torr Material der Kathode = Molybdän (Reinmetall) Die Konstruktion ist natürlich nicht auf diese Ausführung beschränkt, dies hängt vom Gasdruck, der Gasart und der vorliegenden Anodenspannung ab.
Die Funktion der Röhre gemäss Erfindung ist nun wie folgt: Bei gezündeter Röhre können im Raum zwischen Kathode und Anode drei Abschnitte unterschieden werden. Der erste Abschnitt wird als Kathodenfall bezeichnet, der üblicherweise auf ein Gebiet bis etwa 0,2-0,3 mm vor der Kathode beschränkt ist und in dem der grösste Teil (90%) der im Innern der Röhre abfallenden Spannung (Bogenspannung) abfällt. Dem Kathodenfall schliesst sich die sogenannte positive Säule an, die bis kurz vor die Anode reicht und in der praktisch kein Spannungsabfall erfolgt.
Vor der Anode (Abstand ebenfalls 0,2-0,3 mm) ist dann der dritte Abschnitt festzustellen, der sogenannte Anodenfall, in dem ein nochmaliger, nämlich der restliche Spannungsabfall erfolgt. Liegt nun das Gitter innerhalb der positiven Säule, so stellt es sich auf das Potential der Säule ein. Wird nun das Gitter dem gemäss mit der an der betreffenden Stelle herrschenden Spannung vorgespannt (also positiv), so bildet es kein Hindernis im Entladungsweg und entnimmt der Ent ladung keinerlei Energie, das heisst, das beanspruchte Gitter kann im gesamten Gebiet zwischen Kathode und Anode, jedoch innerhalb der positiven Säule lie gen, wo seine Wirkung überall dieselbe ist. Für die Sperrwirkung bzw. das Funktionsprinzip ist Voraus setzung, dass die Öffnungen bzw.
Windungen des Gitters kleiner als die mittlere freie Weglänge der Ionen sind.
Wenn nun die Spannung am Gitter durch die der Vorspannung überlagerte Steuerspannung geringer wird als das an dieser Stelle herrschende Potential in der positiven Säule, so wird das Gitter aus der Ent ladung Energie (Strom) entnehmen, wobei sich gleich zeitig eine lonenwolke bildet, die die Gitteröffnungen schliesst. Hierdurch wird verhindert, dass weitere Elektronen in den Gitteranodenraum gelangen, so dass die Entladung verarmt und schliesslich erlischt. Dieses Erlöschen geschieht in wenigen ,a s. Die Vor spannung des Gitters, die niedriger als die Anoden spannung bei gezündeter Röhre, also niedriger als die Bogenspannung ist, wird durch die überlagerte Steuerspannung noch weiter abgesenkt.
Da die am Steuergitter stehende positive Spannung bedeutend niedriger als die Bogenspannung ist, er halten die Elektronen auch im Kathoden-Gitter-Raum nicht mehr die notwendige Energie, um die Ent ladung aufrechtzuerhalten, wodurch infolge Rekom- bination (Neutralisation) oder Verarmung der Ent ladung die Entladung auch hier, genau wie im Anoden- Gitter-Raum, erlischt.
Für die Zündung der Ent ladung wird mittels der Steuerspannung die positive Vorspannung des Gitters so weit erhöht, d'ass sie im Zusammenhang mit dem durchgreifenden Anoden potential eine zur Zündung der Entladung ausrei chende Höhe erreicht (Zündspannung).
Das Gitter wirkt also wie ein Riegel, der bei Ab senken der Gitterspannung unter das am Gitter herr schende Plasmapotential die Entladung in zwei Teile aufspaltet, die selbständig nicht lebensfähig sind. Es liegen also Verhältnisse mit umgekehrten Vorzeichen als wie bei Thyratrons vor, wobei das beanspruchte Gitter wie ein Steuergitter einer Verstärkerröhre wirkt. Die Röhre wird also mit Hilfe eines Gitters gezündet und gelöscht. Das Gitter kann auch nur zur Löschung dienen und ein anderes Gitter zur Zündung, wobei beide Gitter wiederum gleich ausgebildet sind wie bekannte Steuergitter von Hochvakuumröhren.
Die Vorionisation hat auch eine Veränderung der Steuerspannungsänderung an den gitterartig wirkenden Elektroden der Gasentladungsröhre zur Folge. Ohne eine Vorionisation würde eine Steuerspannungsände- rung beispielsweise zwischen 30 V und 15 V not wendig sein. Die Änderung würde also 15 V betragen. Infolge der Vorionisation lässt sich eine Steuerspan nungsänderung bereits von 15 V auf 10 V erreichen. Hier beträgt die Grösse der Steuerspannungsänderung also 5 V.
Die Vorionisation ionisiert also die Gasmole küle bis zu einem gewissen Grad, der jedoch noch nicht zur Zündung bzw. Löschung ausreicht. Es ge nügt jedoch jetzt bereits eine geringe Steuerspannungs- änderung, um eine Zündung bzw. Löschung der Röhre herbeizuführen.
Die Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Röhre mit einer gitterartig wirkenden Elektrode, bei der neben einer Vorspannung Ug (Gleichspannung) der gitterartig wirkenden Elektrode eine relativ grosse Wechselspannung Uiv zugeführt wird, die die Röhre entsprechend ihrem Spannungsverlauf zum Zünden und zum Löschen bringt. Am Ausgang der Röhre treten _ rechteckförmige Impulse auf.
Das Verhältnis: Impuls/Pause lässt sich durch Einregeln der festen Vorspannung beliebig verändern; es ist sogar möglich, hierbei die Aussendung der rechteckförmigen Impulse völlig zu unterdrücken.
Fig. 6 zeigt schematisch den Verlauf der Kenn linie der Röhre sowie die Entstehung der am Aus gang auftretenden Impulse.
Auch eine Sägezahnschwingung lässt sich bei dem Beispiel nach Fig. 5 zur Zündtang und Löschung der Röhre heranziehen. Die entstehende Impulsbreite ist dann ebenfalls eine Funktion der jeweils anliegenden Vorspannung. Wird hierbei der Vorspannung noch mals eine Wechselspannung, deren Frequenz gegen über der Sägezahnschwingung niedrig ist, überlagert, so treten am Ausgang der Röhre Rechteckimpulse auf, deren Folgefrequenz der Frequenz der Sägezahn schwingung, und deren Breite den Augenblickswerten der Amplituden der zweiten Wechselspannung ent spricht. Dieser Vorgang stellt eine Zeitmodulation dar.
Werden die am Ausgang auftretenden Impulse dif ferenziert und hierauf mit ihrer variablen Flanke einem weiteren Entladungsgefäss nach der Erfindung als Zünd- und Löschimpulse zugeführt, so treten an seinem Ausgang Impulse mit konstanter Frequenz, Amplitude und Breite, jedoch mit einer Phasenlage auf, die sich mit den Augenblickswerten der zweiten Wechselspannung deckt. Dieser Vorgang entspricht einer Phasen-Impuls-Modulation. Der Aufwand für diese Modulationsschaltungen ist erheblich geringer als bei den bekannten Schaltungsanordnungen für die genannten Modulationsarten.
Das beschriebene Entladungsgefäss lässt sich vor teilhaft als Koppelelement in Wechselspannungskrei- sen, z. B. Tonfrequenzkreisen von elektronischen Wählanlagen, einsetzen, was mit den bekannten Kaltkathodenröhren nicht möglich ist.
Fig.7 zeigt eine Koinzidenzschaltung als Teil nehmerschaltung in einem elektronischen Wählamt, das als Koordinatenwählamt aufgebaut ist. Wird der Ader c ein Teilnehmerkennimpuls, der aus einem zen tralen Impulsgeber stammt, zugeführt, so bewirkt die ser im Zusammenhang mit einem gleichzeitig ein treffenden Impuls einer ständig an der Ader c' lie genden Impulsfolge ein Zünden der Röhre. Das Teil nehmerrelais T spricht an und schaltet mit seinen Kontakten die Sprechadern am Kreuzungspunkt zu sammen.
Mit einer weiteren Impulsfolge, die an der dritten gitterartig wirkenden Elektrode liegt, wird erreicht, dass der zu der Röhre gehörende Verbindungssatz als frei oder besetzt gekennzeichnet werden kann (Koinzi- denz-Antikoinzidenzwirkung).
Bei einer mit zwei gitterartig wirkenden Elek troden ausgestatteten Röhre genügt bereits das Auf treten eines Impulses an einer Elektrode, um die Röhre zum Zünden, und das Auftreten eines Im pulses an der zweiten Elektrode, um die Röhre zum Löschen zu bringen (Normalröhre). Hierbei sind jedoch die Elektroden in bezug auf ihre konstruktive Ausbildung anders gestaltet als bei dem Beispiel in Fig. 7.
Andere Versuche haben ergeben, dass sich im gezündeten Zustand des beschriebenen Entladungs gefässes dessen Brennspannung und damit der Ano denstrom mit Hilfe der Steuerspannungen oder einer der Steuerspannungen verändern lassen. Während der Entladung lässt sich die Steuerspannung auf eine ein fache Weise, z. B. mittels eines Potentiometers, auf den gewünschten Wert einstellen. Wird als Steuer spannung eine Gleichspannung verwendet und dieser eine Wechselspannung mit kleiner Amplitude über lagert, so folgt der Anodenstrom der Frequenz und Amplitude der überlagernden Wechselspannung. Die Abhängigkeit des Anodenstromes von der überlagern den Wechselspannung bringt den Vorzug mit sich, dass z.
B. eine an das Gitter der gezündeten Röhre an gelegte Tonfrequenzspannung am Ausgang der Röhre entsprechend verstärkt auftritt.
Fig.8 zeigt eine Schaltungsanordnung, in der die gezündete Röhre gleichzeitig als Verstärker wirkt. Eine an der gitterartig wirkenden Elektrode angelegte Steuergleichspannung bewirkt bei Änderung ihres Wertes ein Zünden und Löschen der Röhre. Wird der Steuerelektrode gleichzeitig eine Wechselspannung Uw mit relativ kleiner Amplitude zugeführt, so tritt diese am Ausgang verstärkt auf.