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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumschaltröhre mit einem Röhrenkörper, einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Anschlusselement, zwischen welchen eine Schaltstelle innerhalb des Röhrenkörpers angeordnet ist, sowie einer ersten Schirmelektrode und einer zweiten Schirmelektrode, welche voneinander beabstandet sind und zumindest eine der Schirmelektroden eines der Anschlusselemente umgreift, wobei die erste und die zweite Schirmelektrode über eine Varistoranordnung miteinander elektrisch kontaktiert sind.
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Eine derartige Vakuumschaltröhre ist beispielsweise und aus der
DE 10 2008 031 473 B3 bekannt. Aus der
DE 101 18 960 C1 ist eine weitere Vakummschaltröhre bekannt. Die dortige Vakuumschaltröhre ist mit einer Vielzahl von Schirmelektroden ausgestattet. Aufgrund ihrer schirmenden Eigenschaften beeinflussen die Schirmelektroden eine Verteilung der Spannung im Verlauf der beiden Anschlusselemente. Ist man nunmehr bestrebt höhere Spannungen auf einem reduzierten Bauraum zu beherrschen, so erhöht sich die Anzahl der Schirmelektroden. Gegebenenfalls sind komplexere Schirmelektrodenformen zu nutzen. Die Erhöhung der Anzahl von Schirmelektroden und ein Vorsehen von komplexeren Schirmelektrodenformen führen zu einer kostenaufwendigen Konstruktion.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung eine Vakuumschaltröhre anzugeben, welche mit einer begrenzten Anzahl von Steuerelektroden und einfach geformten Steuerelektroden hohe Spannungen beherrscht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vakuumschaltröhre der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die erste und die zweite Schirmelektrode über eine Varistoranordnung zwischen elektrisch leitfähigen Platten angeordnet und von diesen begrenzt ist, die jeweils mit den Schirmelektroden kontaktiert sind.
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Eine Vakuumschaltröhre dient einem Schalten eines elektrischen Stromes. An Vakuumschaltröhren wirkt ein Röhrenkörper als Kapselung, so dass im Inneren des Röhrenkörpers ein Vakuum herstellbar ist. Eine innerhalb des Röhrenkörpers, also innerhalb des Vakuums befindliche Schaltstelle, ermöglicht einen Strompfad, welcher über Anschlusselemente zu einer Schaltstelle verläuft, zu unterbrechen bzw. durchzuschalten. Zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes ist eine entsprechende Impedanzerhöhung innerhalb eines Strompfades herbeizuführen. Die Schaltstelle kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass zumindest Teile der Anschlusselemente relativ zueinander bewegbar sind, so dass zur Herstellung eines Strompfades eine galvanische Kontaktierung und zum Auftrennen eines Strompfades eine galvanische Trennung der beiden Anschlusselemente erfolgen kann. Zur Auftrennung (Ausschalten) wird zwischen den beiden Anschlusselementen eine Vakuumstrecke hergestellt, die bei einem Herstellen (Einschalten) eines Strompfades geschlossen wird.
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Die beiden Anschlusselemente können in Form eines Stieles ausgebildet sein, wobei die Anschlusselemente einander stirnseitig, insbesondere achsgleich gegenüberstehen, wobei eine Relativbewegung zwischen den beiden Anschlusselementen zueinander entlang einer Längsachse erfolgt.
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Zur Ausbildung eines Röhrenkörpers kann vorgesehen sein, dass der Röhrenkörper im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet ist, wobei eine Symmetrieachse des Röhrenkörpers mit den Längsachsen der stielförmigen Anschlusselemente zusammenfallen kann. Der Röhrenkörper kann beispielsweise eine im Wesentlichen kreiszylindrische Struktur aufweisen. Die Anschlusselemente durchsetzen den Röhrenkörper vorzugsweise an den voneinander abgewandten Stirnseiten des Röhrenkörpers. Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest eines der Anschlusselemente zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen den Anschlusselementen beweglich durch den Röhrenkörper hindurchgeführt ist. Dabei muss eine entsprechende Dichtung des entsprechenden Anschlusselementes gegenüber dem Röhrenkörper sichergestellt sein. Dies kann beispielsweise durch einen formveränderlichen Dichtungsbalg erfolgen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Stirnseiten des Röhrenkörpers aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt sind, wobei die jeweils durch diese Seiten hindurchgeführten Anschlusselemente elektrisch leitend mit den Stirnseiten verbunden sind, so dass die einander jeweils zugeordneten Stirnseiten und Anschlusselemente das gleiche elektrische Potential führen. Die Stirnseiten des Röhrenkörpers sind über einen Mantel elektrisch isoliert voneinander beabstandet. Der Mantel ist dabei fluiddicht mit den Stirnseiten verbunden, wobei der Mantel in seinem Verlauf zumindest an einer Stelle einen elektrisch isolierenden Isolierabschnitt aufweisen sollte, damit die elektrischen Potentiale der Anschlusselemente, respektive der Stirnseiten bei geöffneter Schaltstrecke über den Röhrenkörper nicht kurzgeschlossen sind. Vorteilhaft hat sich dabei erwiesen, den Mantel zumindest abschnittsweise in Form eines elektrisch isolierenden Hohlzylinders auszugestalten.
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Ein Einsatz von Schirmelektroden an einem Röhrenkörper ermöglicht eine Feldverteilung im Bereich eines oder beider Anschlusselemente zu beeinflussen. Die Schirmelektroden können dabei in sich geschlossen um eines oder beide Anschlusselemente umlaufen, wobei eine koaxiale Ausrichtung zur Längsachse zur Ausbildung einer kompakten Vakuumschaltröhre vorteilhaft ist. Die Schirme sollten dabei ein schwimmendes elektrisches Potential aufweisen, d. h., ein Potential, welches verschieden von den Potentialen der beiden Anschlusselemente ist. Um die Wirkung der Schirmelektroden zu verbessern ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schirmelektroden miteinander über eine Varistoranordnung elektrisch kontaktiert sind. Wahlweise können die Schirmelektroden niederohmig oder hochohmig miteinander kontaktiert werden. Die unterschiedliche elektrische Potentiale führenden Schirmelektroden sind über ein Element verbunden, welches spannungsabhängig seine Impedanz ändert. Somit ist eine Möglichkeit gegeben, dass bei einer Überschreitung einer Ansprechspannung zwischen den beiden über die Varistoranordnung kontaktierten Schirmelektroden ein niederohmiges Verhalten der Varistoranordnung erzeugt wird. Bei Unterschreiten der Ansprechspannung liegt ein hochohmiges Verhalten der Varistoranordnung vor. In Abhängigkeit der zwischen den beiden Schirmelektroden vorherrschenden Differenzspannung kommt es zur Ausbildung einer hochohmigen oder einer niederohmigen elektrisch leitenden Verbindung zwischen den beiden Schirmelektroden. Ein Varistor ist ein spannungsabhängiges Widerstandselement, wobei je nach konstruktiver Ausgestaltung der Varistoranordnung verschiedene Ansprechspannungen vorliegen können. So ist es beispielsweise möglich, bei Vorliegen einer Überspannung, die ggf. zu irreparablen Schäden an der Vakuumschaltröhre insbesondere an deren Röhrenkörper führen könnte, über die Varistoranordnung ein entsprechender niederohmiger Strompfad ausgebildet wird, so dass Überspannungen mittels eines sich einstellenden Ableitstromes über den niederohmigen Strompfad abgebaut werden können. Die Varistoranordnung sollte dazu vorteilhafterweise Teil eines Strompfades sein, welcher sich von dem ersten zu dem zweiten Anschlusselement erstreckt. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Anschlusselemente über die Varistoranordnung verbunden sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass der gesamte zwischen den Stirnseiten vorzusehende Strompfad aus einer Varistoranordnung gebildet ist, wobei im Verlauf der Varistoranordnung entsprechende Schirmelektroden kontaktiert sind. Die Varistoranordnung kann in mehrere Abschnitte längs des Röhrenkörpers unterteilt sein.
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Die Schirmelektroden können beispielsweise als konzentrische Ringe oder auch als scheibenförmige Platten, die beispielsweise die Stirnseiten des Röhrenkörpers ausbilden, ausgeformt sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann dabei vorsehen, dass die Schirmelektroden ringförmig in sich geschlossen umlaufen und an dem Röhrenkörper der Vakuumschaltröhre voneinander beabstandet positioniert sind.
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Ringförmig in sich geschlossene Schirmelektroden sind beispielweise in Form von Hohlzylindern, Toroiden, bandförmig in sich geschlossenen Strukturen, Ringscheiben usw. ausbildbar. Es sollte lediglich ein geschlossener Umlauf vorliegen, so dass zumindest eines der Anschlusselemente von der Schirmelektrode umgriffen ist. Das Anschlusselement durchsetzt in diesem Falle die Schirmelektrode. Damit ist eine homogene Beeinflussung des um die Anschlusselektrode herum befindlichen Feldes ermöglicht. Eine Beabstandung der Schirmelektroden voneinander gestattet weiterhin eine Homogenisierung des elektrischen Feldes im Verlauf des Röhrenkörpers vorzusehen. Dazu kann vorgesehen sein, dass Schirmelektroden sich längs der Längsachse des Röhrenkörpers aneinander anschließen, wobei jedoch eine entsprechende Beabstandung vorgesehen ist, so dass die Schirmelektroden auch unterschiedliche Potentiale annehmen können, wobei die jeweiligen Potentiale an den jeweiligen Schirmelektroden veränderlich sein können. Damit können sich je nach zu beherrschender Spannung an den Schirmelektroden unterschiedliche Potentiale einstellen. Diese voneinander verschiedenen elektrischen Potentiale werden auch schwimmende Potentiale genannt, da die Potentiale im Wesentlichen durch elektrische Felder auf die Schirmelektroden übertragen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Schirmelektroden innerhalb des Röhrenkörpers der Vakuumschaltröhre angeordnet und außerhalb des Röhrenkörpers der Vakuumschaltröhre über die Varistoranordnung miteinander kontaktiert sind.
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Eine Anordnung der Schirmelektroden innerhalb des Röhrenkörpers ermöglicht die Schirmelektroden neben einer Steuerung von elektrischen Feldern auch dazu einzusetzen, Abbrandteilchen zu binden. Bei einem Unterbrechen eines Strompfades mittels relativ zueinander bewegbarer Anschlusselemente kann in der Schaltstelle ein Schaltlichtbogen auftreten. Der Schaltlichtbogen erodiert die Anschlusselemente und verdampft diese teilweise. Entsprechende Dämpfe können von den Schirmelektroden abgefangen werden, so dass sich Dampfschichten an den Schirmelektroden niederschlagen. Damit sind die elektrisch isolierenden Abschnitte des Röhrenkörpers vor einer Bedampfung durch elektrisch leitfähiges Abbrandmaterial geschützt. Eine derartige Bedampfung würde zur Ausbildung von unerwünschten Kriechstrompfaden führen, die gegebenenfalls die Funktionsweise der Vakuumschaltröhre beeinträchtigen würden. Ordnet man nunmehr die Varistoranordnung außerhalb des Röhrenkörpers an, um die im Inneren befindlichen Schirmelektroden miteinander zu kontaktieren, wird der innere Bereich, d.h. der Bereich des Röhrenkörpers, in welchem ein Vakuum herrscht, von zusätzlichen Einbauten freigehalten. An bekannten konstruktiven Merkmalen kann festgehalten werden und der Innenraum der Vakuumschaltröhre wird nicht zusätzlich zu vergrößern sein. Um die Varistoranordnung außerhalb des Röhrenkörpers elektrisch mit den Schirmelektroden kontaktieren zu können, ist es notwendig, dass entsprechende Kontaktierungselemente durch eine Wandung des Röhrenkörpers nach außen zu führen sind. Dieses Ausführen von Kontaktierungselementen ist entsprechend vakuumdicht vorzunehmen. Die Kontaktierungselemente können auch als Abstützelemente der Schirmelektroden dienen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann dabei vorsehen, dass die Varistoranordnung an einem die Schirmelektroden elektrisch isoliert beabstandenden Isolierabschnitt des Röhrenkörpers abgestützt ist.
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Eine Abstützung der Schirmelektroden an einem Isolierabschnitt ermöglicht, eine mechanische Halterung der Schirmelektroden vorzunehmen und eine dauerhafte elektrisch leitende Verbindung zwischen denselben zu verhindern. Dadurch ist es möglich, dass über die Varistoranordnung eine elektrische Verbindung zwischen den Schirmelektroden schaltbar ist. Weiter wird die Varistoranordnung von Haltekräften entlastet, da die Schirmelektroden an dem Isolierabschnitt positioniert sind.
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Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Isolierabschnitt einen elektrisch isolierenden Hohlzylinder aufweist.
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Die Nutzung eines Hohlzylinders als Isolierabschnitt ermöglicht, die Schirmelektroden beispielsweise an Stirnseiten des Hohlzylinders abzustützen. So ist es beispielsweise möglich, ein entsprechendes Abstützelement, welches auch als Kontaktierungselement für die Varistoranordnung dienen kann, stirnseitig an dem Hohlzylinder aufliegen zu lassen und über den äußeren Umfang des Isolierabschnittes hinaus auch radial nach außen ragen zu lassen. Diese Abstützelemente können beispielsweise entsprechende Ringscheiben sein, welche mit ihrer Stirnseite jeweils an dem Isolierabschnitt anliegen und radial nach innen die Wandung des Hohlzylinders überragen. Innenmantelseitig ist nunmehr an dem ringscheibenförmigen Abstützelement eine winkelstarre Befestigung der Schirmelektrode ermöglicht. Bei einem axialen Aneinandersetzen mehrerer querschnittsgleicher Hohlzylinder ist es möglich, die Abstützelemente durch den von den mehreren Hohlisolatoren begrenzten Röhrenkörper hindurch nach außen zu führen. Zwischen dem Hohlzylinder und den Kontaktierungselementen, die gleichzeitig als Abstützelemente für die Schirmelektroden dienen, ist eine entsprechende vakuumdichte Verbindung herzustellen. Die Ringscheiben/Abstützelemente können bündig mit der Außenmantelfläche des Hohlzylinders abschließen oder die Außenmantelfläche in radialen Richtungen überragen, so dass eine um den Röhrenkörper umlaufende vorspringende Schulter gebildet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Varistoranordnung ringförmig ausgestaltet ist.
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Eine ringförmige Ausgestaltung der Varistoranordnung ist beispielsweise dadurch gegeben, dass ein Isolierabschnitt an dem Röhrenkörper an einem außerhalb des Röhrenkörpers liegenden Mantelbereich von der Varistoranordnung in sich geschlossen umlaufend überdeckt ist. Insbesondere bei der Verwendung einer Varistoranordnung, welche zunächst in einem unausgehärteten Zustand in einer fluiden Masse vorliegt, kann diese fluide Masse auf den bereits winkelstarr vorliegenden Isolierabschnitt aufgetragen werden, wobei nach einem Auftragen ein Aushärten der fluiden Masse der Varistoranordnung erfolgt. Durch ein derartiges Auftragen ist es beispielsweise auch einfach möglich, an dem Isolierabschnitt angeordnete Schirmelektroden elektrisch leitend zu kontaktieren.
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Die Varistoranordnung ist zwischen elektrisch leitfähigen Platten angeordnet und von diesen begrenzt, die jeweils mit den Schirmelektroden kontaktiert sind.
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Leitfähige Platten können beispielsweise durch ringscheibenförmige Abstützelemente der Schirmelektroden und/oder Kontaktierungselemente der Varistoranordnung ausgebildet werden. So ist es beispielsweise möglich, dass Ringscheiben die äußere Kontur des Röhrenkörpers mantelseitig überragen und am Mantel um die Längsachse umlaufend positioniert sind. Mehrere in Längsrichtung voneinander beabstandete umlaufende Scheiben stellen längs des Röhrenkörpers elektrisch leitfähige Platten dar, wobei zwischen diesen leitfähigen Platten eine Positionierung der Varistoranordnung erfolgen kann. Die Platten können als Begrenzung für die Varistoranordnung dienen. Ein seitliches Fließen der Varistoranordnung, d.h. ein Abwandern der Varistoranordnung in Richtung der Längsachse, ist durch die elektrisch leitfähigen Platten verhindert. Gleichzeitig kann eine elektrische Kontaktierung des Varistorelementes mit den elektrisch leitfähigen Platten in einem vergrößerten Flächenbereich erfolgen, so dass die Übergangswiderstände zwischen den elektrisch leitfähigen Platten, welche als Kontaktierungselement und/oder Abstützelement für die Schirmelektroden dienen können, in einfacher Weise möglich ist. Dabei sollte vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Varistoranordnung die Platten nicht vollständig überdeckt, d.h. die elektrisch leitfähigen Platten separieren die Varistoranordnung von benachbarten Bereichen und lassen ein Übergreifen oder Überfließen der Varistoranordnung nicht zu. Dabei können die elektrisch leitfähigen Platten selbst die Varistoranordnung überragen. Es können sich an den elektrisch leitfähigen Platten weitere Barrieren zur Begrenzung der Varistoranordnung befinden. Die Barrieren können das Potential der elektrisch leitfähigen Platten führen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zumindest eine der Platten eine Feldsteuerelektrode trägt.
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Die elektrisch leitfähigen Platten können mit einer Feldsteuerelektrode versehen sein. Damit ist es möglich, die Mantelfläche des Röhrenkörpers überragende elektrisch leitfähige Platten dielektrisch zu schirmen. Sind die Platten dazu ausgelegt, eine Feldsteuerelektrode zu tragen, kann auf zusätzliche Halteelemente verzichtet werden. Da bei einem Tragen auch ein physischer Kontakt zwischen Platte und Feldsteuerelektrode in einfacher Weise herstellbar ist, kann eine Potentialübertragung der Feldsteuerelektrode auf die Platte beziehungsweise umgekehrt in einfacher Weise sichergestellt werden. Die Feldsteuerelektrode kann auch als Barriere für das Varistorelement dienen. Durch die Formgebung der Feldsteuerelektrode kann ein formschlüssiges Fixieren der Varistoranordnung erfolgen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zumindest eine Schirmelektrode, insbesondere die erste Schirmelektrode und die zweite Schirmelektrode von jeweils einer koaxial angeordneten Feldsteuerelektrode umgeben ist/sind.
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Umgibt eine Feldsteuerelektrode eine zugeordnete Schirmelektrode, so können deren Einzelwirkungen einander überlagern und in Gänze eine verbesserte Schirmung beziehungsweise Feldsteuerung erreicht werden. Insbesondere ist bei einer derartigen Anordnung der Bereich nahezu feldfrei ausgestaltbar, in welchem eine Halterung der Schirmelektroden vorgesehen ist. Selbst bei einer qualitativ hochwertigen Ausführung einer Abstützung der Schirmelektroden am Röhrenkörper stellen derartige Bereiche im Verlauf des Röhrenkörpers Unstetigkeitsstellen dar, die als Ausgangspunkt für Teilentladungen oder ähnliches dienen können. Durch eine feldfreie Anordnung im Schirmschatten der Schirmelektrode beziehungsweise der Feldsteuerelektrode können diese Bereiche zumindest dielektrisch entlastet werden.
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Weiterhin kann die zum Halten der Schirmelektrode genutzte Konstruktion auch zum Halten der Feldsteuerelektrode verwendet werden. Neben einem Abstützen kann diese Konstruktion auch einer elektrischen Koppelung der Schirmelektrode und der zugeordneten Feldsteuerelektrode dienen, so dass beide Elektroden das gleiche elektrische Potenzial führen und somit eine gemeinsame Feldsteuerung ermöglicht ist. Des Weiteren können die Abstützelemente zum Positionieren der Schirmelektrode auch als elektrisch leitfähige Platten ausgestaltet werden, so dass eine vereinfachte Kontaktierung der Schirmelektroden mit der Varistoranordnung ermöglicht ist. Die Abstützelemente können beispielsweise als Ringscheiben ausgeführt sein, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der benachbarten Wandung des Röhrenkörpers und deren Außendurchmesser größer ist, als der Außendurchmesser der benachbarten Wandung des Röhrenkörpers. Die Ringscheiben überragen sowohl innenmantelseitig als auch außenmantelseitig eine unmittelbar anschließende Wandung des Röhrenkörpers. Innenmantelseitig und außenmantelseitig bilden die Ringscheiben umlaufende Schultern. Die Ringscheiben durchsetzen den Röhrenkörper vollständig und sind so Teil der durch den Röhrenkörper bereitgestellten Kapselung.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Feldsteuerelektroden außerhalb des Röhrenkörpers angeordnet sind.
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Eine Anordnung der Feldsteuerelektroden außerhalb des Röhrenkörpers gestattet weiterhin an einem schlanken Röhrenkörper festzuhalten. Eine Feldsteuerung muss nicht zwangsweise innerhalb eines den Röhrenkörper durchsetzenden Vakuums stattfinden. Ein Absteuern elektrischer Felder ist auch an der Außenseite des Röhrenkörpers möglich. Bei einer Anordnung der Feldsteuerelektroden außerhalb des Röhrenkörpers können die am Röhrenkörper innenmantelseitig als auch außenmantelseitig befindlichen Bereiche, in welchen Abstützelemente am Röhrenkörper eingelegt beziehungsweise angesetzt sind, dielektrisch geschirmt werden. Damit sind an den Wandungen des Röhrenkörpers befindliche Unstetigkeitsstellen sowohl im Innenbereich des Röhrenkörpers als auch im Außenbereich des Röhrenkörpers in günstiger Weise feldfrei zu halten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die erste und die zweite Schirmelektrode jeweils ein und dasselbe Anschlusselement umgeben.
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Umgeben zwei Schirmelektroden jeweils ein- und dasselbe Anschlusselement, so ist die Möglichkeit gegeben, das Anschlusselement mit einer verbesserten Feldsteuerung zu versehen, da eine Feldsteuerung nicht nur auf besonders exponierte Bereiche begrenzt ist. So ist es beispielsweise möglich, je nach Ausgestaltung des Anschlusselementes, eine Feldsteuerung linear zu vergleichmäßigen, oder besonders gefährdete Bereiche mit einer reduzierten Feldstärkebelastung auszustatten und unkritische Bereiche mit einer erhöhten Feldstärkebelastung zu versehen. So kann es beispielsweise sein, dass die Anschlusselemente im Bereich der Schaltstelle radial erweiterte Kontaktteller aufweisen. In diesem Bereich ist eine besonders effektive Schirmung des elektrischen Feldes vorzusehen, da hier bei der Unterbrechung eines elektrischen Stromes Lichtbogenerscheinungen auftreten können und diese Lichtbogenerscheinungen mit entsprechenden elektrischen und magnetischen Feldern einhergehen.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Röhrenkörper einen zentralen Abschnitt aufweist, der von einer elektrisch leitfähigen Wandung begrenzt ist, an welchen sich in jeweils entgegengesetzten Richtungen jeweils ein oder mehrere Isolierabschnitte anschließen, an welchen Schirmelektroden abgestützt sind.
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An einer Vakuumschaltröhre, die mit einem ersten und einem zweiten Anschlusselement versehen ist, ist sicherzustellen, dass die Anschlusselemente zum einen am Röhrenkörper mechanisch stabil gehaltert sind. Zum anderen ist am Röhrenkörper sicherzustellen, dass zwischen den Anschlusselementen ein entsprechend elektrisch isolierender Abschnitt vorgesehen ist, so dass ein Kurzschlussstrompfad entlang der Oberfläche des Röhrenkörpers unterbrochen ist. Sieht man nunmehr im Bereich eines zentralen Abschnittes des Röhrenkörpers eine elektrisch leitfähige Wandung vor, so ist dies insbesondere dann vorteilhaft, wenn im Bereich des zentralen Abschnittes des Röhrenkörpers eine Positionierung der Schaltstelle vorgesehen ist.
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Bei einem Ausschaltvorgang auftretende Schaltlichtbögen verdampfen Materialien der Anschlusselemente. Dieses verdampfende elektrisch leitfähige Material ist aufzufangen, um eine durchgehende elektrisch leitende Dampfschicht im Innern der Vakuumröhre zu verhindern. Nutzt man nunmehr eine elektrisch leitfähige Wandung zur Ausgestaltung des Röhrenkörpers im Bereich der Schaltstelle, so kann ein Großteil des entstehendes Metalldampfes bereits an dieser Wandung gebunden werden, so dass ein unerwünschtes spontanes Niederschlagen des Dampfes, beispielsweise an elektrisch isolierenden Abschnitten des Röhrenkörpers verhindert ist. Beiderseits des zentralen Abschnittes sollten sich vorteilhaft an die elektrisch leitfähige Wandung ein oder mehrere Isolierabschnitte anschließen, so dass eine Trennung der Potentiale der Anschlusselemente am Röhrenkörper gegeben ist. Bei der Verwendung zweier sich in entgegengesetzten Richtungen anschließender Isolierabschnitte sollte die Dimensionierung derselben derart erfolgen, dass ein einzelner Isolierabschnitt ausreicht, um die Ausbildung eines Kriechstrompfades oder Kurzschlussstrompfades am Röhrenkörper zu verhindern. Somit ist selbst bei einer Beeinflussung eines der Isolierabschnitte eine Funktion der Vakuumschaltröhre noch gegeben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass eine der Schirmelektroden mit dem zentralen Abschnitt elektrisch kontaktiert ist.
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Eine Kontaktierung des zentralen Abschnittes mittels einer Schirmelektrode ermöglicht es, das Potential des zentralen Abschnittes auch auf die Schirmelektrode zu übertragen. Der zentrale Abschnitt und die kontaktierte Schirmelektrode weisen stets dasselbe elektrische Potential auf. Damit kann ein Übergang von der elektrisch leitfähigen Wandung des Röhrenkörpers auf einen sich anschließenden Isolierabschnitt mittels der Schirmelektrode abgeschirmt werden. Somit ist weiterhin ein übertreten von Metalldämpfen von der elektrisch leitfähigen Wandung auf einen sich anschließenden Isolierabschnitt mittels der Schirmelektrode erschwert.
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Dabei kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine am zentralen Abschnitt anliegende Schirmelektrode mit dem zentralen Abschnitt elektrisch leitend verbunden ist.
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Liegt eine Schirmelektrode an dem zentralen Abschnitt an, so ist es möglich, die Schirmelektrode zumindest teilweise an dem zentralen Abschnitt der als elektrisch leitfähige Wandung ausgeführt ist, abzustützen.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei zeigt die Figur einen Schnitt durch eine Vakuumschaltröhre.
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Die in der Figur im Schnitt gezeigte Vakuumschaltröhre weist einen Röhrenkörper 1 auf. Der Röhrenkörper 1 ist rotationssymmetrisch ausgestaltet und weist eine im Wesentlichen kreiszylindrische äußere Kontur auf. Der Röhrenkörper 1 weist einen zentralen Abschnitt 2 auf. Der zentrale Abschnitt 2 ist mit einer elektrisch leitfähigen Wandung, beispielsweise einem Kupferblech, ausgestattet. Der zentrale Abschnitt 2 sollte beispielsweise eine rohrförmige Struktur aufweisen, wobei sich stirnseitig in entgegengesetzten Richtungen jeweils elektrische Isolierabschnitte 2a, 2b anschließen. Der zentrale Abschnitt 2 kann in Bezug auf die sich anschließenden Isolierabschnitte 2a, 2b auch als radial erweiterter Abschnitt an dem Röhrenkörper 1 ausgeformt sein.
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Jeder der Isolierabschnitte 2a, 2b weist mehrere elektrisch isolierende Hohlzylinder 3 auf. Die Hohlzylinder 3 sind jeweils stirnseitig miteinander verbunden. Die endseitigen elektrisch isolierenden Hohlzylinder 3 der Isolierabschnitte 2a, 2b, welche dem zentralen Abschnitt 2 zugewandt sind, sind jeweils mit dem zentralen Abschnitt 2 verbunden. Die endseitigen elektrisch isolierenden Hohlzylinder 3 der Isolierabschnitte 2a, 2b, welche von dem zentralen Abschnitt 2 abgewandt sind, sind mit stirnseitigen Abschlussdeckeln 4a, 4b verbunden. Eine Verbindung der elektrischen Hohlzylinder 3 mit dem jeweiligen stirnseitigen Abschlussdeckel 4a, 4b bzw. mit dem zentralen Abschnitt 2 ist gegebenenfalls unter Zwischenanordnung weiterer Stoffe, beispielsweise Fügemitteln, wie Klebstoffen, Kitten und Zementen oder auch Abstützelementen 17, vakuumdicht ausgeführt.
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Die stirnseitigen Abschlussdeckel 4a, 4b sind jeweils von einem ersten Anschlusselement 5 und einem zweiten Anschlusselement 6 durchsetzt. Die beiden Anschlusselemente 5, 6 sind in Form von Stielen ausgebildet, welche eine rotationssymmetrische Form aufweisen. Vorliegend sind die Anschlusselemente 5, 6 in Form von Zylinderbolzen ausgestaltet, wobei die beiden Anschlusselemente 5, 6 einander koaxial gegenüberliegen. An den einander zugewandten Bereichen zwischen den beiden Anschlusselementen 5, 6 ist eine Schaltstelle 7 ausgebildet. Zur Realisierung der Schaltstelle 7 sind an den beiden Anschlusselementen 5, 6 radial erweiterte Kontaktteller 8 angeordnet. Die beiden Anschlusselemente 5, 6 sind koaxial zu einer Längsachse 9 angeordnet. Die Einzelelemente des Röhrenkörpers 1 sind jeweils im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet und jeweils koaxial zu der Längsachse 9 ausgerichtet. Die einzelnen Teile des Röhrenkörpers 1, wie der zentrale Abschnitt 2, die elektrisch isolierenden Hohlzylinder 3 der Isolierabschnitte 2a, 2b, die stirnseitigen Anschlussdeckel sowie die durch die stirnseitigen Anschlussdeckel 4a, 4b eingeführten Anschlusselemente 5, 6 sind jeweils vakuumdicht untereinander verbunden, so dass der Röhrenkörper 1 eine vakuumdichte Kapselung darstellt, welche im Innern mit einem Vakuum versehen ist.
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Das erste Anschlusselement 5 ist dabei ortsfest zum Röhrenkörper 1 gelagert. Das zweite Anschlusselement 6 ist relativ zum Röhrenkörper 1 bewegbar. Um eine dichte Hindurchführung des zweiten Anschlusselementes 6 durch den Röhrenkörper 1 zu ermöglichen, ist zwischen dem stirnseitigen Anschlussdeckel 4a, welcher das zweite Anschlusselement 6 umgibt und dem zweiten Anschlusselement 6 ein reversibel verformbarer Dichtungsbalg 10 angeordnet, welcher vakuumdicht einerseits mit dem zweiten Anschlusselement 6 und andererseits mit dem stirnseitigen Deckel 4b, welcher das zweite Anschlusselement 6 umgibt, verbunden ist.
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Das zweite Anschlusselement 6 ist längs der Längsachse 9 verschiebbar, so dass die Kontaktteller 8 der beiden Anschlusselemente 5, 6 miteinander in galvanische Verbindung treten können.
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Im Innern des Röhrenkörpers 1 sind eine erste Schirmelektrode 11, eine zweite Schirmelektrode 12, eine dritte Schirmelektrode 13, eine vierte Schirmelektrode 14, eine fünfte Schirmelektrode 15 sowie eine sechste Schirmelektrode 16 angeordnet. Die Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 sind jeweils ringförmig ausgestaltet, wobei die Elektroden im Wesentlichen eine bandförmige Wandung mit einer hohlzylindrischen Kontur aufweisen. Beispielsweise können Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 in Form eines ringförmigen Kupferbleches ausgeführt sein. Die erste, die zweite und die dritte Schirmelektrode 11, 12, 13 sind koaxial zur Längsachse 9 ausgerichtet und umgeben jeweils das erste Anschlusselement 5. Die erste, die zweite und die dritte Schirmelektrode 11, 12, 13 laufen dabei in sich geschlossen um und umgreifen das erste Anschlusselement 5 vollständig. In analoger Weise sind die vierte, die fünfte und die sechste Schirmelektrode 14, 15, 16 ausgebildet. Auch diese Schirmelektroden 14, 15, 16 sind hohlzylindrisch gestaltet und umgreifen das ihnen zugeordnete zweite Anschlusselement 6, wobei die Schirmelektroden 14, 15, 16 in sich geschlossen umlaufen. Die Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 sind an den jeweils zugeordneten Isolierabschnitten 2a, 2b positioniert. Die Schirmelektroden 13, 14, welche unmittelbar benachbart zu dem zentralen Abschnitt 2 angeordnet sind, sind mit dem zentralen Abschnitt elektrisch leitend verbunden und auch zumindest teilweise von diesem gehaltert. Die beiden mit dem zentralen Abschnitt 2 verbundenen Schirmelektroden 13, 14 sind entsprechend über den Zentralabschnitt dauerhaft elektrisch leitend miteinander verbunden und weisen stets das gleiche Potential auf. Je nach Ausgestaltung des zentralen Abschnittes 2a kann auch vorgesehen sein, dass die Elektroden 13, 14, welche sich unmittelbar an den zentralen Abschnitt 2 anschließen, einstückig mit dem zentralen Abschnitt 2 ausgeformt sind.
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Neben den in der Figur dargestellten hohlzylindrischen Gestalten der ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Schirmelektrode 11, 12, 13, 14, 15, 16 können diese auch abweichende Formgebungen aufweisen. Insbesondere können abgerundete Randbereiche vor Feldstärkeüberhöhungen schützen.
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Der zentrale Abschnitt 2 wirkt ebenfalls als Schirmelektrode. Des Weiteren erfolgt ein endseitiges Absteuern von Feldern, welche die Anschlusselemente 5, 6 umgeben können, durch die stirnseitigen Abschlussdeckel 4a, 4b. Die stirnseitigen Abschlussdeckel 4a, 4b sind beispielsweise aus elektrisch leitendem Material gebildet, wobei die Anschlussdeckel 4a, 4b elektrisch leitend mit dem sie jeweils durchsetzenden Anschlusselement 5, 6 verbunden sind. Durch die Anschlussdeckel 4a, 4b erfolgt ein stirnseitiges Schirmen des Röhrenkörpers 1.
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Zur Positionierung der ersten, der zweiten, der dritten, der vierten, der fünften und der sechsten Schirmelektrode 11, 12, 13, 14, 15, 16 sind die Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 an ihren jeweiligen Mantelflächen, welche den Innenmantelflächen des Röhrenkörpers zugewandt sind, von einer in sich geschlossenen Ringscheibe 17 umgeben. Die Ringscheibe 17 ist winkelstarr mit den Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 15 verbunden. Die Ringscheiben 17 können einstückig mit den jeweiligen Steuerelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 ausgeformt sein. Es ist jedoch auch eine Mehrstückigkeit vorstellbar. Die Ringscheiben 17 sind dabei derart in radialer Richtung ausgedehnt, dass die Ringscheiben 17 die Fügestellen zwischen benachbarten elektrisch isolierenden Hohlzylindern 3 der Isolierabschnitte 2a, 2b bzw. zwischen den Hohlzylindern 3, welche dem zentralen Abschnitt zugewandt sind und den zentralen Abschnitt 2 durchsetzen. Die Ringscheiben überragen innenmantelseitig benachbarte Wandungsabschnitte des Röhrenkörpers 1. Der Röhrenkörper 1 ist innenmantelseitig mit einer durch die Ringscheiben 17 gebildeten umlaufenden Rippe versehen. Aufgrund dieser Konstruktion ist im Innern des Röhrenkörpers 1 im Bereich der Außenmantelfläche der Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 und der jeweiligen Innenwandung des Röhrenkörpers 1 eine durchgehende Barriere angeordnet, welche einen Durchtritt von Partikeln verhindert. Die jeweilige Barriere kann lediglich im Innern des von den Schirmelektroden 12, 13, 14, 15, 16 umschlossenen Bereiches in Richtung der Längsachse 9 passiert werden.
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Die hervorstehenden Ringscheiben 17 zur Halterung der Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 überragen in radialer Richtung auch die äußeren Mantelflächen der elektrisch isolierenden Hohlzylinder 3 des Röhrenkörpers 1. Am äußeren Umfang des Röhrenkörpers 1 sind somit elektrisch leitfähige Platten 17 angeordnet. Die elektrisch leitfähigen Platten 17 sind im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet und axial voneinander beabstandet, so dass die Isolierabschnitte 2a, 2b mittels der elektrisch leitfähigen Platten 17 in mehrere Abschnitte unterteilt sind. Zwischen den jeweiligen elektrisch isoliert voneinander beabstandeten elektrisch leitfähigen Platten 17 ist jeweils eine Varistoranordnung 18 angeordnet. Die jeweiligen Varistoranordnungen 18 sind ringförmig umlaufend ausgebildet und liegen auf der äußeren Oberfläche des Röhrenkörpers 1 auf. Die Varistoranordnungen 18 sind jeweils mit den sie in axialer Richtung begrenzenden elektrisch leitenden Platten 17 elektrisch leitend verbunden. Über die elektrisch leitenden Platten 17, die in Form der Ringscheiben auch einer Abstützung der innerhalb des Röhrenkörpers 1 befindlichen Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 dienen und die Varistoranordnungen 18, sind in axialer Richtung benachbart liegende Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 miteinander kontaktiert. Je nach Potentialdifferenz zwischen den benachbart liegenden Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 ist die jeweilige Varistoranordnung 18 mit niederohmigen Eigenschaften oder hochohmigen Eigenschaften ausgestattet. Unterhalb einer bestimmten Ansprechspannung dominieren die hochohmigen elektrischen Eigenschaften, oberhalb einer bestimmten Ansprechspannung dominieren die niederohmigen elektrischen Eigenschaften der Varistoranordnungen 18.
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Zur Begrenzung der Varistoranordnungen 18, welche an den Isolierabschnitten 2a, 2b jeweils zu den stirnseitigen Enden hin angeordnet sind, ist jeweils eine Absteuerelektrode 19a, 19b vorgesehen. Die Absteuerelektroden 19a, 19b sind jeweils elektrisch leitend mit den jeweils zugeordneten Abschlussdeckeln 4a, 4b verbunden. Die Absteuerelektroden 19a, 19b sind dabei mantelseitig auf den Röhrenkörper 1 aufgesetzt und kontaktieren die entsprechenden Abschlussdeckel 4a, 4b mantelseitig. Der Fügebereich zwischen dem jeweiligen Abschlussdeckel 4a, 4b und dem sich jeweils anschließenden elektrisch isolierenden Hohlzylinder 3, wird mechanisch durch eine Überdeckung mit der jeweiligen Absteuerelektrode 19a, 19b zusätzlich stabilisiert. Die Absteuerelektroden 19a, 19b bilden jeweils eine weitere elektrisch leitfähige Platte 17 aus, so dass eine anschließende Varistoranordnung 18 zwischen der jeweiligen Absteuerelektrode 19a, 19b und der in Längsachsenrichtung 9 folgenden elektrisch leitfähigen Platte 17 begrenzt ist. Die elektrisch leitfähigen Platten 17 sowie die beiden weiteren elektrisch leitfähigen Platten, welche an den Absteuerelektroden 19a, 19b angeordnet sind, stellen am äußeren Umfang des Röhrenkörpers 1 Kondensatoranordnungen dar. Die Varistoranordnung 18 bildet an den Kondensatoranordnungen jeweils ein Dielektrikum aus. Aufgrund der Konstruktion des Röhrenkörpers 1 mit dem zentralen Abschnitt 2, welcher elektrisch leitend ist, ist jeweils über die Abfolge der elektrisch leitfähigen Platten 17 sowie der weiteren elektrisch leitfähigen Platten der Absteuerelektrode 19a, 19b zwischen den stirnseitigen Anschlussdeckeln 4a, 4b ein Strompfad gebildet, welcher über die aufeinander folgenden Abschnitte der Varistorelemente 18 spannungsabhängig schaltbar ist.
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Um die elektrisch leitfähigen Platten 17 zu schirmen, sind am Umfang toroidförmige Feldsteuerelektroden 20 auf die elektrisch leitfähigen Platten 17 aufgesetzt. Die Feldsteuerelektroden 20 sind von den elektrisch leitfähigen Platten 17 getragen. Gemeinsam mit den Platten 17 sorgen die Feldsteuerelektroden 20 dafür, dass die zwischen den einzelnen Platten 17 voneinander separierten Varistoranordnungen 18 keinen unmittelbaren Kontakt aufweisen. Das heißt, jede der Varistoranordnungen 18 ist von den benachbarten Varistoranordnungen 18 durch eine dazwischenliegende elektrisch leitfähige Platte 17 bzw. eine auf diese leitfähige Platte 17 aufgesetzte Feldsteuerelektrode 20 separiert. Als Feldsteuerelektrode 20 sind beispielsweise elastomere Ringe einsetzbar, welche elektrisch leitfähige Oberflächen aufweisen, um eine feldsteuernde Wirkung zu entfalten. Weiterhin können die Feldsteuerelektroden 20 auch als winkelstarre Formkörper ausgeformt sein. So können die Feldsteuerelektroden 20 beispielsweise auch als metallische Hohlprofile ausgestaltet sein.
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Die Varistoranordnungen 18 können beispielsweise nach folgenden Verfahren auf dem Röhrenkörper 1 der Vakuumschaltröhre aufgebracht werden. Zunächst wird der Röhrenkörper mit den Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 ausgestattet, wobei die zum Tragen der Schirmelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16 vorgesehenen elektrisch leitfähigen Platten 17 positioniert werden. Weiterhin werden die stirnseitigen Steuerelektroden 19a, 19b am Röhrenkörper 1 befestigt. Durch die Ringscheiben 17 voneinander separierte Streifen am Umfang der jeweiligen Isolierabschnitte 2a, 2b werden mit Varistormaterial zur Ausbildung der Varistoranordnungen 18 befüllt, wobei die Wandstärke der Varistoranordnungen 18 derart gewählt ist, dass ein unmittelbares Verbinden zueinander benachbarter Varistoranordnungen 18 über die elektrisch leitfähigen Platten 17 bzw. die daran befindlichen Feldsteuerelektroden 20 unterbunden ist. Das Varistormaterial kann beim Aufbringen beispielsweise in fluider Form vorliegen, wobei ein Aushärten der Varistoranordnungen 18 nach einem Aufbringen erfolgt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Varistoranordnungen 18 in Form von starren Formkörpern vorliegen, welche passgenau auf die Oberflächen des Röhrenkörpers 1 aufgebracht werden, wobei diese Formkörper beispielsweise aufgrund der Formgebung der Feldsteuerelemente 20 fixiert werden.
