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Die
Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Vakuumschaltröhre
mit mindestens einer Steuerelektrode zur Beeinflussung eines außerhalb
des Gehäuses befindlichen elektrischen Feldes. Ein derartiges Gehäuse
ist aus der deutschen Patentschrift
DE 101 18 960 C1 bekannt. Weiterhin betrifft
die Erfindung eine Vakuumschaltröhre mit einem derartigen
Gehäuse.
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Im
Gehäuseinneren von Vakuumschaltröhren wird aufgrund
des dort herrschenden Vakuums eine hohe innere elektrische Spannungsfestigkeit
erreicht. Diese innere Spannungsfestigkeit gibt an, bis zu welcher
Potentialdifferenz ein Spannungsüberschlag zwischen einem
im Inneren des Gehäuses angeordneten Festkontakt und einem
dort angeordneten Bewegkontakt sicher vermieden wird. Neben dieser
inneren Spannungsfestigkeit ist weiterhin auch die sogenannte äußere
Spannungsfestigkeit von Bedeutung, welche angibt, bis zu welcher
Potentialdifferenz ein Spannungsüberschlag zwischen den
unterschiedliches Potential aufweisenden Kontakten bzw. Röhrenteilen
außerhalb des Vakuumschaltröhrengehäuses
sicher vermieden wird. Auch außerhalb des Gehäuses
der Vakuumschaltröhre kann es zu Spannungsüberschlägen
zwischen dem Potential des Festkontakts und dem Potential des Bewegkontakts kommen.
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Insbesondere
an den Verbindungsstellen zwischen verschiedenen Gehäuseteilen
kann es zu Überhöhungen der elektrischen Feldstärke
kommen, welche einen Spannungsüberschlag begünstigen können.
Dadurch wird die äußere Spannungsfestigkeit der
Vakuumschaltröhre herabgesetzt. Daher werden Vakuumschaltröhren
mit Steuerelektroden zur Beeinflussung des außerhalb des
Gehäuses befindlichen elektrischen Feldes ausgestattet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse und eine
Vakuumschaltröhre der oben genannten Art anzugeben, die über
eine lange Nutzungsdauer eine hohe äußere Spannungsfestigkeit aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Gehäuse
der oben beschriebenen Art dadurch gelöst, dass das Gehäuse
derart mit einem nichtgasförmigen Isolierstoff ummantelt
ist, dass die mindestens eine Steuerelektrode im Inneren des Isolierstoffs angeordnet
ist. Durch die Ummantelung des Gehäuses mit einem nichtgasförmigen
Isolierstoff, dessen Isolationsfähigkeit höher
ist als die Vakuumschaltröhren oftmals umgebende Luft,
wird eine höhere äußere Spannungsfestigkeit
der Vakuumschaltröhre erzielt, als sie bei luftumgebenen
(luftisolierten) Vakuumschaltröhren auftritt. Dabei ist
insbesondere vorteilhaft, dass die Steuerelektrode im Inneren des
Isolierstoffs angeordnet ist. Dadurch kann vorteilhafterweise das
elektrische Feld im Inneren des Isolierstoffs beeinflusst werden,
so dass insbesondere Spannungsüberschläge bzw.
-durchschläge im Inneren des Isolierstoffs vermieden werden
können. Dadurch wird eine bei solchen Durchschlägen
auftretende Schädigung des Isolierstoffs vermieden, so
dass dieser Isolierstoff lange Zeit seine Isoliereigenschaften behält
und ein derart ausgestaltetes Gehäuse bzw. Vakuumschaltröhre
lange Zeit eingesetzt werden kann.
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Der
nichtgasförmige Isolierstoff kann ein dauerelastischer
Isolierstoff sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass über
eine lange Nutzungsdauer der Vakuumschaltröhre die Ausbildung
von Rissen oder Hohlräumen vermieden werden kann.
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Ein
solcher dauerelastischer Isolierstoff kann vorteilhafterweise Silikon
enthalten.
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Der
nichtgasförmige Isolierstoff kann auch ein duroplastischer
Isolierstoff sein.
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Ein
derartiger nichtgasförmiger Isolierstoff kann vorteilhafterweise
ein Epoxidharz enthalten.
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Das
Gehäuse kann vorteilhafterweise so ausgestaltet sein, dass
die Steuerelektrode derart angeordnet ist, dass sie eine Ausbildung
von Feldstärkeüberhöhungen in dem Isolierstoff
in der Umgebung einer Verbindungsstelle zwischen einem elektrisch
isolierenden Gehäuseteil und einem elektrisch leitenden
Gehäuseteil vermindert. Dadurch wird vorteilhafterweise
verhindert, dass derartige an der Verbindungsstelle entstehende
Feldstärkeüberhöhungen einen Spannungsüberschlag
bzw. -durchschlag in dem Isolierstoff verursachen. Ein solcher innerhalb des
Isolierstoffs stattfindender Spannungsüberschlag ist insbesondere
deshalb schädlich, weil durch ihn Schädigungen
des Isolierstoffes, insbesondere die Entstehung von Durchschlagskanälen,
auftreten können. Derartige Schädigungen des Isolierstoffes
werden durch die im Inneren des Isolierstoffs angeordnete Steuerelektrode
wirksam vermieden.
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Das
Gehäuse kann auch so ausgestaltet sein, dass die Steuerelektrode
mit dem elektrisch leitenden Gehäuseteil elektrisch verbunden
ist. Dadurch erhält die Steuerelektrode das Potential des elektrisch
leitenden Gehäuseteils; mittels dieses Potentials wird
das elektrische Feld in der Umgebung der Verbindungsstelle beeinflusst.
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Das
Gehäuse kann aber auch so ausgestaltet sein, dass die Steuerelektrode
gegenüber dem elektrisch leitenden Gehäuseteil
elektrisch isoliert angeordnet ist. Dabei ist besonders vorteilhaft,
dass keine elektrische Verbindung bzw. Anbindung zwischen der Steuerelektrode
und dem elektrisch leitenden Gehäuseteil notwendig ist.
Aufgrund der zwischen dem elektrisch leitenden Gehäuseteil
und der Steuerelektrode bestehenden elektrischen Kapazität stellt
sich dennoch ein elektrisches Potential der Steuerelektrode ein,
welches das elektrische Feld in dem Isolierstoff in der Umgebung
der Verbindungsstelle beeinflusst.
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Das
Gehäuse kann derart ausgestaltet sein, dass das elektrisch
isolierende Gehäuseteil im Wesentlichen eine Form eines
Hohlzylinders aufweist, dessen Grund- oder Deckfläche mit
dem elektrisch leitenden Gehäuseteil verbunden ist.
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Ebenso
kann das Gehäuse so ausgestaltet sein, dass das elektrisch
leitende Gehäuseteil eine Lotverbindung ist, mittels der
das elektrisch isolierende Gehäuseteil mit einem weiteren
Gehäuseteil verbunden ist.
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Vorteilhafterweise
kann das Gehäuse auch so realisiert sein, dass die Steuerelektrode
ein rotationssymmetrischer Körper mit einer ellipsenförmigen Querschnittsfläche
ist.
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Erfindungsgemäß wird
eine Vakuumschaltröhre mit einem Gehäuse der vorstehend
beschriebenen Arten ausgestattet.
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Zur
weiteren Erläuterung werden im Folgenden anhand der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei ist
in
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1 eine
Vakuumschaltröhre mit einem erfindungsgemäßen
Gehäuse mit elektrisch isoliert angeordneten Steuerelektroden
im Längsschnitt, in
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2 eine
Vakuumschaltröhre mit einem Gehäuse mit elektrisch
leitend angebundenen Steuerelektroden im Längsschnitt,
in
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3 ein
weitere Vakuumschaltröhre in einer Schnittdarstellung,
in
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4 ein
Teil einer Vakuumschaltröhre in einer Schnittdarstellung,
in
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5 ein
Teil einer Vakuumschaltröhre in einer Schnittdarstellung,
in
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6 ein
Ausschnitt aus einer Vakuumschaltröhre in einer Schnittdarstellung
und in
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7 ein
weiterer Ausschnitt aus einer Vakuumschaltröhre in einer
Schnittdarstellung dargestellt.
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1 zeigt
in einer Schnittdarstellung eine Vakuumschaltröhre 1.
Diese Vakuumschaltröhre 1 hat eine im Wesentlichen
rotationssymmetrische Form. Die Vakuumschaltröhre 1 weist
einen Festkontakt 2 und einen Bewegkontakt 3 auf.
Der Festkontakt 2 umfasst ein feststehendes Kontaktstück 5,
welches an einem feststehenden Kontaktbolzen 7 befestigt ist.
Axial gegenüberstehend dem feststehenden Kontaktstück 5 ist
ein bewegliches Kontaktstück 9 angeordnet, welches
an einem beweglichen Kontaktbolzen 11 befestigt ist.
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Der
Bewegkontakt 3 ist axial beweglich bezüglich des
Festkontakts 2 in der Vakuumschaltröhre 1 angeordnet.
Die axiale Beweglichkeit bei vakuumdichtem Abschluss wird durch
einen Faltenbalg 13 ermöglicht, der den beweglichen
Kontaktbolzen 11 mit einem Gehäuse der Vakuumschaltröhre 1 verbindet.
Durch einen Doppelpfeil ist die mögliche Bewegung des Bewegkontaktes 3 angedeutet.
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Die
Vakuumschaltröhre 1 weist ein formstabiles Gehäuse
auf, welches ein erstes Gehäuseteil 15, ein zweites
Gehäuseteil 17, ein drittes Gehäuseteil 19 und
ein viertes Gehäuseteil 21 umfasst. Das erste
Gehäuseteil 15 und das zweite Gehäuseteil 17 sind
elektrisch isolierende Gehäuseteile, die im Wesentlichen
eine Form eins Hohlzylinders aufweisen. Im Ausführungsbeispiel
sind das erste Gehäuseteil 15 und das zweite Gehäuseteil 17 Keramik-Hohlzylinder.
Das erste Gehäuseteil 15 ist mit dem zweiten Gehäuseteil 17 mittels
einer Lotverbindung (eines Lotverbindungsteils) 23 verlötet.
Diese Lotverbindung weist an der Außenfläche des
Gehäuses eine Lotkante 24 auf. Bei dem Lötprozess
wird im Inneren der Vakuumschaltröhre 1 gleichzeitig
ein Dampfschirm 25 befestigt, welcher die Innenseite des
ersten Gehäuseteils 15 und des zweiten Gehäuseteils 17 vor
Metalldampfablagerungen schützt.
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Im
Ausführungsbeispiel ist das dritte Gehäuseteil 19 eine
domförmige Metallkappe, welche mit dem ersten Gehäuseteil 15 mittels
einer Lotverbindung 27 verlötet ist. Diese Lotverbindung
weist an der Außenfläche des Gehäuses
eine weitere Lotkante 28 auf. Bei dem Lötprozess
wird im Inneren der Vakuumschaltröhre 1 ein weiterer
Dampfschirm 29 angebracht.
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Das
elektrisch isolierende Gehäuseteil 15 hat im Wesentlichen
eine Form eines Hohlzylinders, dessen Grund- bzw. Deckfläche
mit den elektrisch leitenden Gehäuseteilen 23 bzw. 27 verbunden
ist. Mittels des elektrisch leitenden Gehäuseteils 23 ist das
elektrische isolierende Gehäuseteil 15 mit dem elektrisch
isolierenden Gehäuseteil 17 verbunden.
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Das
vierte Gehäuseteil 21 ist im Ausführungsbeispiel
ebenfalls eine domförmige Metallkappe, welche mit dem zweiten
Gehäuseteil 17 mittels einer weiteren Lotverbindung 31 verbunden
ist, an der eine Lotkante 32 auftritt. Mittels dieser Lotverbindung 31 ist
im Inneren der Vakuumschaltröhre 1 ein weiterer
Dampfschirm 33 befestigt. Die Metallkappe 21 ist
mit dem Faltenbalg 13 verlötet.
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Steuerelektroden 35, 37 und 39 umgreifen jeweils
das Gehäuse der Vakuumschaltröhre 1.
Die Steuerelektroden 35, 37 und 39 sind
zu der Außenfläche des Gehäuses beabstandet
angeordnet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei
diesen drei Steuerelektroden um rotationssymmetrische Körper, die
im Allgemeinen eine ellipsenförmige Querschnittsfläche
aufweisen. In 1 weisen die Körper eine
kreisförmige Querschnittsfläche auf. Im Rahmen dieser
Beschreibung wird ein Kreis als ein Spezialfall einer Ellipse betrachtet,
nämlich als eine Ellipse, bei der die Länge der
kleinen Halbachse gleich der Länge der großen
Halbachse ist. (Die Querschnittsfläche liegt in einer Ebene,
die die Rotationsachse des Gehäuses bzw. der Vakuumschaltröhre
enthält.) Die Steuerelektroden 35, 37 und 39 weisen
also jeweils die Form eines Torus auf.
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Die
außerhalb des Gehäuses angeordneten Steuerelektroden 35, 37 und 39 beeinflussen
das elektrische Feld, das sich außerhalb des aus dem ersten
Gehäuseteil 15, dem zweiten Gehäuseteil 17, dem
dritten Gehäuseteil 19 und dem vierten Gehäuseteil 21 bestehenden
Gehäuses der Vakuumschaltröhre befindet. Dieses
Gehäuse ist mit einem nichtgasförmigen Isolierstoff 41 ummantelt.
Die an einer Außenfläche des Gehäuses
angeordneten Steuerelektroden 35, 37 und 39 sind
im Inneren des Isolierstoffs 41 angeordnet, beeinflussen
also das elektrische Feld innerhalb des Isolierstoffes.
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Im
Ausführungsbeispiel ist das aus Keramik bestehende erste
Gehäuseteil 15 sowie das aus Keramik bestehende
zweite Gehäuseteil 17 ein elektrisch isolierendes
Gehäuseteil. Das aus Metall (z. B. Edelstahl) bestehende
dritte Gehäuseteil 19 und das aus Metall bestehende
vierte Gehäuseteil 21 sind elektrisch leitende
Gehäuseteile. Auch die Lotverbindungen 23, 27 und 31 bilden
elektrisch leitende Gehäuseteile.
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Die
Steuerelektroden 35, 37 und 39 sind so angeordnet,
dass sie in dem Isolierstoff 41 die Ausbildung von örtlich
hohen Feldstärken (Feldstärkeüberhöhungen)
in der Umgebung von Verbindungsstellen zwischen den elektrisch isolierenden
Gehäuseteilen und den elektrisch leitenden Gehäuseteilen
vermindern. Derartige Verbindungsstellen treten beispielsweise zwischen
dem ersten Gehäuseteil 15 und der Lotverbindung 23,
zwischen der Lotverbindung 23 und dem zweiten Gehäuseteil 17,
zwischen dem ersten Gehäuseteil 15 und der Lotverbindung 27 oder zwischen
dem zweiten Gehäuseteil 17 und der Lotverbindung 31 auf.
Es hat sich gezeigt, dass die äußere Spannungsfestigkeit
von Vakuumschaltröhren wesentlich beeinflusst wird durch
Feldstärkeüberhöhungen, die an den Verbindungsstellen,
insbesondere an den Lotkanten, herrschen. Durch Verminderung solcher
Feldstärkeüberhöhungen wird die äußere Spannungsfestigkeit
vergrößert.
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Im
Ausführungsbeispiel der 1 sind die Steuerelektroden 35, 37 bzw. 39 so
angeordnet, dass sie in der Ebene der Verbindungsstellen 27, 23 bzw. 31 liegen,
wobei bezüglich der Rotationsachse der Vakuumschaltröhre
die Steuerelektroden einen größeren Radius aufweisen
als der äußere Radius der kreisringförmigen
Fläche der Verbindungsstellen.
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Im
Ausführungsbeispiel sind die Steuerelektroden 35, 37 und 39 gegenüber
den elektrisch leitenden Gehäuseteilen 19, 21, 23, 27 und 31 elektrisch isoliert
angeordnet, d. h. es besteht keine elektrisch leitende Verbindung
zwischen den elektrisch leitenden Gehäuseteilen und den
Steuerelektroden. Aufgrund der zwischen den elektrisch leitenden
Gehäuseteilen und den Steuerelektroden vorhandenen elektrischen
Kapazitäten (für die der Isolierstoff 41 das
Dielektrikum bildet) und der stets zwischen den Steuerelektroden
und Erdpotential vorhandenen Erdkapazitäten stellt sich
ein elektrisches Potential der Steuerelektroden ein, welches das
elektrische Feld in dem Isolierstoff 41 in der Umgebung
der Verbindungsstellen beeinflusst. Dieses elektrische Potential hat
zur Folge, dass Feldstärkeüberhöhungen
in dem Isolierstoff 41 in der Umgebung der Verbindungsstellen
vermindert werden.
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Im
Ausführungsbeispiel besteht die Isolierstoff-Umhüllung 41 des
Vakuumschaltröhren-Gehäuses aus einem dauerelastischen
Isolierstoff, der beispielsweise ein Silikon enthält. In
einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Isolierstoff
auch ein duroplastischer Isolierstoff sein, der beispielsweise ein
Epoxidharz enthält.
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In 2 ist
eine Anordnung mit einer Vakuumschaltröhre 200 und
drei Steuerelektroden dargestellt, die sich im Wesentlichen darin
von der 1 unterscheidet, dass eine Steuerelektrode 201 mit
der Lotverbindung 27, eine Steuerelektrode 203 mit
der Lotverbindung 23 und eine Steuerelektrode 205 mit der
Lotverbindung 31 elektrisch verbunden ist. Die Steuerelektroden
sind also elektrisch an die Lotverbindungen angebunden. Dadurch
werden die Steuerelektroden 201, 203 und 205 auf
das Potential der jeweiligen Lotverbindung festgelegt. Beispielsweise ist
die Steuerelektrode 201 mit der Lotverbindung 27 elektrisch
verbunden; die Lotverbindung 27 ist ihrerseits elektrisch
mit der Metallkappe 19 verbunden. Daher weisen die Steuerelektrode 201,
die Lotverbindung 27 und die Me tallkappe 19 dasselbe
elektrische Potential auf. In diesem Ausführungsbeispiel
liegt z. B. die Steuerelektrode 201 außerhalb
der Ebene der Verbindungsstelle 27.
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In 3 ist
in einer Schnittdarstellung eine Vakuumschaltröhre 300 dargestellt,
bei der ein (in den 1 und 2 nicht
dargestelltes) Gleitlager 302 für den Bewegkontakt 3 abgebildet
ist. Im Ausführungsbeispiel besteht dieses rotationssymmetrische
Gleitlager 302 aus Kunststoff. An diesem Gleitlager 302 ist
mittels einer Schraubverbindung 304 eine Steuerelektrode 306 befestigt.
Diese Steuerelektrode 306 besteht aus gebogenem Edelstahlblech und
weist ebenfalls bezüglich der Rotationsachse der Vakuumschaltröhre
eine rotationssymmetrische Form auf. Diese Steuerelektrode 306 berührt
das vierte Gehäuseteil 21 und weist daher das
elektrische Potential dieses vierten Gehäuseteils 21 auf.
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Im
oberen Teil der 3 ist eine Steuerelektrode 308 dargestellt,
welche eine Form eines Torus aufweist und welche mittels einer elektrischen
Verbindung 310 mit dem dritten Gehäuseteil 19 elektrisch
verbunden ist. Diese elektrische Verbindung 310 kann als
ein rotationssymmetrisches Blech ausgestaltet sein. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist diese elektrische Verbindung 310 jedoch
als ein einfacher elektrisch leitfähiger Draht ausgestaltet, der
mit dem dritten Gehäuseteil 19 verlötet
ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerelektroden
im Inneren des das Gehäuse der Vakuumschaltröhre 300 ummantelnden
Isolierstoffs 312 angeordnet.
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In 4 ist
eine Vakuumschaltröhre 400 dargestellt, die eine
Steuerelektrode 401 mit einer Torus-Form aufweist, wobei
die Steuerelektrode 401 eine elliptische Querschnittsfläche
zeigt. Steuerelektroden 403 und 405 weisen eine
Torus-Form mit einem kreisförmigen Querschnitt auf und
sind mittels jeweils eines rotationssymmetrischen Blechkörpers 407 bzw. 409 mit
der Lotverbindung 27 bzw. 31 elektrisch verbunden.
Die Steuerelektroden 401, 403 und 405 sind
innerhalb des nichtgasförmigen Isolierstoffes 408,
welcher die Vakuumschaltröhre ummantelt, angeordnet.
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In 5 sind
bei einer Vakuumschaltröhre 500 weitere Ausführungsbeispiele
von Steuerelektroden dargestellt. Steuerelektroden 502 und 503 ähneln
den in 2 dargestellten Steuerelektroden 201 und 205.
Weiterhin ist eine Steuerelektrode 505 dargestellt, bei
der die Form der Schnittfläche der Form der Schnittfläche
des im Inneren der Vakuumschaltröhre angeordneten Dampfschirms 25 entspricht bzw. ähnelt.
Die Steuerelektrode 505 hat die Form eines Hohlzylinders,
dessen obere und untere Stirnseite jeweils mit einem Radius versehen
ist. Genauer betrachtet ist an der oberen und unteren Stirnseite
jeweils ein hohler Halbtorus angeordnet. Der hohle Halbtorus ist
im Ausführungsbeispiel durch Umformen eines Bleches entstanden,
aus welchem der Hohlzylinder besteht. Die Steuerelektroden 502, 503 und 505 sind
innerhalb eines nichtgasförmigen Isolierstoffes 508,
welcher die Vakuumschaltröhre ummantelt, angeordnet.
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In 6 ist
eine Vakuumschaltröhre 600 dargestellt, welche
anstelle einer domförmigen Metallkappe eine Metallplatte 603 als
drittes Gehäuseteil aufweist. An diese Metallplatte 603 ist
eine Steuerelektrode 605 angeschweißt und in nichtgasförmigen Isolierstoff 607 eingegossen.
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In 7 ist
eine Vakuumschaltröhre 700 mit einer Steuerelektrode 703 dargestellt,
welche an der Metallplatte 603 mittels Punktschweißen
befestigt ist und nach dem Schweißvor gang in den nichtgasförmigen
Isolierstoff 607 eingegossen ist.
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Bei
den Steuerelektroden handelt es sich in den Ausführungsbeispielen
um rotationssymmetrische Körper, welche das Gehäuse
der Vakuumschaltröhre umgreifen und an den umlaufenden
Verbindungsstellen zwischen den elektrisch isolierenden Gehäuseteilen
und den elektrisch leitenden Gehäuseteilen die Ausbildung
von Feldstärkeüberhöhungen in dem nichtgasförmigen
Isolierstoff vermindern. Die Steuerelektroden können auch
als Feldsteuerelemente bezeichnet werden. Die Steuerelektroden bewirken,
dass in der Umgebung der Verbindungsstellen ein sogenannter Feldschatten
entsteht, also ein Bereich, in dem die elektrische Feldstärke
(verglichen mit einer Anordnung ohne Steuerelektroden) verringert
ist. Dadurch werden vorteilhafterweise Spannungsüberschläge
bzw. -durchschläge in dem Isolierstoff verhindert, wodurch
eine Schädigung des Isolierstoffes vermieden wird. Weiterhin
wird vorteilhafterweise vermieden, dass an der Stelle der Feldstärkenüberhöhungen
Teilentladungen auftreten, welche ebenfalls eine langsam fortschreitende
Schädigung des Isolierstoffs verursachen können.
Insgesamt wird eine hohe Lebensdauer der Vakuumschaltröhre
bei gleichbleibend hoher äußerer elektrischer Spannungsfestigkeit
erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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