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Emissions- und Entladungsapparate für Zwecke der technischen Elektronik,
im besonderen für die Regelung und Steuerung elektrischer Maschinenkreise. Für die
Kontrolle und Regelung elektrischer Maschinen auf den Grundlagen der technischen
Elektronik, d. h. mittels Elektronenentladungen, kaskadierender Wirkungen von solchen
untereinander oder mittels Stromimpulse erzeugender Lichtbogen sowie für Steuerung
und Regelung von Dampf-, Gas-und anderen primären Antriebsmaschinen sind Systeme
vorgeschlagen worden, die in der Praxis eine mehr selbständige Bedeutung erlangt
haben und auch weiter durchgebildet worden sind, wobei sich weitere Vorteile für
den Maschinenbetrieb ergeben haben. Die hierfür zur Verwendung empfohlenen und zum
Teil verwendeten Apparate haben Relais- und andere nah@eliegendc Funktionen, die
allgemein nach mehrfachen Richtungen hin vervollkommnungsfähig sind, und zwar nicht
kur in der Empfindlichkeit der Wirkung und der Beherrschungshöhe der Energie, sondern
auch in bezug auf eine Vereinheitlichung der Apparate und Systeme, auch bei erweiterter
Wirkungsweise.
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Es sind dabei für die Zwecke der technischen Elektronik zur Erzielung
höherer Empfindlichkeiten Kaskaden von Glühkathodenrelais von einem bestimmten Wert,
und zur Erzielung besonders hoher Leistungen werden Lichtbogenentladungen gewissermaßen
den Kaskadenwirkungen mit angereiht. Es war auch schon vorgeschlagen, daß gerade
für die geforderte Einfachheit des Maschinenbetriebes ein gewisser Zusammenbau solcher
Kaskaden in einem gemeinsamen Gefäß in Betracht zu ziehen sei.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind nun aber weitergehende Vereinigungen
aller solcher Apparate, in ihren Einzelanordnungen, Haupt- und Empfindlichkeitskreisen
und den Vorgängen darin zum Zwecke größerer Einfachheit, Sicherheit und der Vervollkommnung
der Arbeitsweise getroffen, wobei namentlich noch gegenseitige Beeinflussungen der
Vorgänge eine Rolle spielen.
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Ein Beispiel für einen einfachen Fall liefert die Anordnung nach Abb.
i, welche gewissermaßen eine Kaskade aus Lichtbogenentladung und Glühkathodenrelais
darstellt. Wir haben nämlich einen Bogengleichrichter, der an der als Spannungsteiler
wirkenden Wicklung T eines Transformators liegt, die Quecksilberkathode K und die
beiden Anoden A und B besitzt, während bei M etwa der Anker- oder Feldstromkreis
eines Gleichstrommotors als der zu regelnden elektrischen Maschine angeschlossen
zu denken ist. Eine besondere Zündelektrode für den Gleichrichter ist nicht vorhanden.
Die Zündung wird vielmehr unmittelbar bewerkstelligt durch die Entladung der eingebauten
Glühkathodenrelaisanordnung, welche durch die Glühkathode C, das Gitter G und die
Anode La dargestellt ist, wobei noch H die Heizbatterie für die Kathode C ist.
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Der Relaiskreis ist zum Teil über die Batterie E und den Schutzwiderstand
W geschlossen. Daneben ist aber noch ein Schluß über die Quecksilberkathode K, die
Batterie F und den Schutzwiderstand R vorhanden. Die Glühkathode C mag so angeordnet
sein, daß immer etwas Quecksilberdampf durch Erhitzen .erzeugt wird, was aber um
so weniger nötig ist, je mehr man durch :einen zusätzlichen Gasdruck, etwa von Argongas,
für eine gewisse ionisierbare Atmosphäre von geringer Pressung sorgt.
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Wird nun in Abb. i eine Spannung an den Empfindlichkeitskreis S gelegt,
derart, daß das Gitter G positiv wird, oder eine negative Spannung daselbst vermindert,
so daß die elektronische Raumladung bei C vermindert und im übrigen eine Ionisation
genügend gefördert wird, so gelangt bei richtig gewählten Verhältnissen eine Anzahl
der gebildeten positiven Ionen alsbald an C vorbei in die untere Entladungsbahn
und zündet den Bogen durch seine kinetische Energie beim Aufprall bei K, worauf
sich der Hauptbogen zwischen K und A oder B für den in Frage kommenden
Impuls einer Halbperiode bildet. Die Zündung kann durch einen geeigneten geformten
Körper Z, etwa aus Wolfram o. dgl., begünstigt werden; doch tritt, namentlich bei
zu spitzer
Form, dann leicht eine Selbsterhaltung des Bogens ein,
und damit würde der Empfindlichkeitskreis S seine bestimmende Kraft über Zündung
oder Nichtzündung und die Verzögerung einer Zündung während einer Halbperiode verlieren,
also die Gesamtrelaiswirkung und Regelmöglichkeit bei Maschinen verlorengehen. Übrigens
wirkt die Anordnung auch, wenn auch nicht so sicher, wenn Glühkathode I( Lind Empfindlichkeitskreis
S nicht direkt mit dem Zündkreis verbunden sind. Das Gitter kann, namentlich wenn
mit stärkerem negativen Potential daselbst gearbeitet wird, auch isoliert sein,
sofern der jeweils bis zum natürlichen Verlöschen .einsetzende Bogen einer Periode
stark genug ist, den sich an der Isolierschicht im Innern des Gefäßes bildenden
Ionenhelag jedesmal wieder genügend zu entfernen.
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Grundsätzlich im Sinne der vorliegenden Erfindung kann nicht nur eine
Vereinigung von Haupt- und Empfindlichkeitskreisen an gewissen Punkten oder eine
gegenseitige Beeinflussung -von solchen zur: Erzielung entsprechender Vorteile,
wie vervollkommneter Kaskadeneffekte der Gesamtanordnung in Dauer- oder natürlicher
Periodenwirkung erfolgen, sondern die Betätigung der verschiedenen Kreise kann auch
zeitlich nachgeordnet sein, so daß etwa .ein künstlicher Periodenbetrieb erst dadurch
entsteht.
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In Abb.2 ist ein solcher vorgesehen, indem vermittels des angedeuteten
rotierenden Kontaktapparates mit den Kontakten L D
und H die beiden Empfindlichkeitskreise
S und V nacheinander für dieselbe Hauptentladungsstrecke des angedeuteten Glühkathodenrelais
zur Wirkung gelangen. Das Relais selbst macht noch einen andern Gebrauch von dem
Leitgrundsatz, indem ein und dieselbe Kathode I( für Erzeugung einer inneren Kaskadenwirkung
dient. Wir haben nämlich außer den gewöhnlichen Elektroden G und A noch ein zweites
Gitter F und eine zweite Anode B, und der hierdurch angedeutete Emissions-oder Entladungskreis
arbeitet auf das erste Gitter G. Zu diesem Zwecke ist außer der Hauptbatterie N
und der Heizbatterie Q noch eine Hilfsbatterie P angeordnet, die mit dem negativen
Pol an G liegt, ohne in der Regel in ihrem Kreis Steueranschlüsse zu enthalten.
Damit in diesem Kreis nicht nur ein etwas unsicherer Ladungs- und Verluststrom eintritt,
kann ein Parallelwiderstand zwischen G und I( eingefügt werden, der mit R bezeichnet
ist und in seiner Regelung die Erzielung günstigster Verhältnisse erlaubt. Bei M
ist wieder eine Arbeitsstrecke, also etwa ein Maschinenkreis, zu denken, und zwischen
I( und F liegt der feinste oder eigentliche Empfindlichkeitskreis oder Steuerkreis,
der also an den Kontaktapparat beispielsmäßig angeschlossen ist. Letzterer könnte
natürlich wechselnd auch noch Anschlüsse an den Hauptgitterkreis bilden, wenn eine
geringere Empfindlichkeit zeitweise erwünscht ist. Übrigens ist am Kontaktapparat
auch eine zeitweise völlige Unterbrechung vorgesehen, und ebensogut könnten wir
einen zeitweiligen Kurzschluß anordnen. Dies kann natürlich auch wegfallen und z.
B. der zweite Kreis kurzgeschlossen sein, was einen einfachen Grenzfall für unser
Prinzip darstellt, wie deren viele möglich sind.
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Verbindungspunkte zwischen den einzelnen Entladungen brauchen nicht
materiell ausgeprägt zu sein, und es kann ein Kreuzen der Entladungen in Frage kommen,
wie in Abb. 3 angedeutet ist. Wir haben daselbst den Bogenapparat mit der Kathode
1( und der Anode A, der, angebaut, eine Glühkathodeneinrichtung für eine kreuzende
Entladung enthält. Die Glühkathodenrelaisanord iung hat mit der gemeinsamen Kathode
C dabei noch eine innere Kaskadenwirkung vorgesehen, indem wieder ein Hilfsgitter
F und eine Hilfsanode B diesmal etwas anders als vorher angeordnet sind, während
wieder Q die Heizbatterie, P eine Hilfsbatterie, N eine Hauptbatterie und O eine
Batterie im Empfindlichkeitskreis ist. Das Glühkathodenrelais bildet nun eine die
Bogenstrecke ionisierende Querentladung zur Anode U, wozu unter C gegebenenfalls
etwas Quecksilber verdampfen möge. Nach Maßgabe der Vorgänge im Empfindlichkeitskreis
wird so das Anspringen der Impulse des Bogenkreises bewirkt, der den Motor M treiben
möge, obwohl der Bogenapparat, der von der Linie L gespeist sei, praktisch ein Doppelgleichrichter
sein wird. Im Empfindlichkeitskreis liegt noch die auf der Welle des mit Stromimpulsen
geregelten Elektromotors M angeordnete Tachometermaschine T, die der Batterie 0
bei Beeinflussung der Bogenstrecke entgegenwirkt. Dabei ist aber noch ein Kontaktapparat
S eingebaut, der von dem Synchronmotor D betrieben wird. Er hat die Aufgabe, für
eine gute Verteilung der Stromimpulse zu sorgen, indem er die Zündung vor einem
bestimmten Punkt P der Halbwelle nicht erlaubt, also die Impulse selbst gegebenenfalls
stark reduziert, wie in Abb. q. für die Stromwelle angedeutet ist. Der Punkt kann
durch Verschiebung der angedeuteten Kontaktbürste einreguliert werden, und eine
solche Regelung könnte gegebenenfalls auch ohne Tachometermaschine Wert haben, da
gewissermaßen die Effektivspannung für den Anker der Maschine bequem eingestellt
wird, so daß Effektverluste vermieden werden. Auch könnte die Verschiebung durch
die Tachometermaschine automatisch vorgenommen werden, wie in verschiedener Weise
gleichfalls
erprobt wurde, um rauhere Regeleffekte zu erzielen,
während die hauptsächlich hier in Rede stehende trägheitslose Methode die fcineren
Effekte ergibt.
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Es ist nicht nötig, daß die Querentladung eine Glühkathode hat. Vielmehr
kann die Querentladung eine Bogenentladung sein von geringer Stärke, wie in Abb.
5 angedeutet ist. Dabei kann gleichwohl eine Gitterkontrolle, wie in der Nähe der
Hilfskathode C angedeutet, bestehen, da solche zwar bei starkem Bogen, also dem
Hauptbogen, unmöglich wird, selbst wenn der Hauptbogen ein Wechselstrombogen ist,
ganz abgesehen davon, daß dann die Gitterkontrolle wenig haltbar ist, nicht aber
bei schwachen Bogen, wobei Unbestimmtheiten noch durch die Gesamtkaskade ausgeglichen
werden können, sofern es sich z. B. um Maschinenbetrieb handelt. Der Hilfsbogen
hat dabei aber praktisch einen Hauptentladungsweg, wie zur Anode 0 angedeutet, so
daß dadurch die Hilfskathode sichergestellt wird. Die Querentladung zur Anode U
enthält zur Vergrößerung der Empfindlichkeit außer der Batterie N eine wechselelektromotorische
Kraft. Die Batterie für den Hilfsbogen ist mit P bezeichnet, während wieder M der
Maschinenkreis und S der Empfindlichkeitskreis sei. Der letztere kann dann wieder
unter Umständen auch ein isoliertes Gitter oder auch einen einfachen Kontrollring
H am Umfang des Rohres enthalten.
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Der Zahl der Entladungen für eine Kaskade und ihren Verkettungen ist
eine Grenze nicht gesetzt. In Abb. 6 ist z. B. gezeigt, wie eine größere Anzahl
von Glühkathodenentladungen zu einer Kaskadenrelaiswirkung mit gemeinsamer Kathode
l( vereinigt werden kann, wobei die Anoden der Reihe nach mit A, B, C, D,
E und F bezeichnet ist, jede mit einer zugehörigen Gitteranordnung, und es ist auch
einer der zweckmäßig anzuordnenden Regulierwiderstände R angedeutet, und die Kaskade
ist von dem Empfindlichkeitsanschluß S zum Arbeitsanschluß M leicht zu verfolgen.
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Es ist denkbar, daß die nacheinander wirkenden Empfindlichkeitskreise,
wozu auch die Zündkreise beim Bogen gehören, nacheinander an den Hauptelektroden
wirken, ohne jedwede Sonderanordnungen. In Abb. 7 ist dergleichen für die Bogenentladung
zwischen I( und A gezeigt, indem die weiter angedeuteten Steuerapparate der
Kaskade nacheinander Zündung und Löschung des Bogens bewirken. Hierdurch entsteht
ein Impuls, für den die Batterie B Strom liefert, und zwei solcher Impulse können
vermittels der Transformatorenanordnung T zu einer resultierenden Wechselstromwirkung
vereinigt werden, so daß wir einen Gleichstrom-Wechseistrombogenumformer haben.
Zündung und Löschung geschehen durch scharfe Induktionsstöße, erzeugt durch das
angedeutete Doppelrelais mit dem funkenlos arbeitenden und darum die scharfe Wirkung
ergebenden Kontakt V und übertragen auf den Bogenkreis durch die selbständige Krafteinflüsse
besitzende Transformatorenkombination Z. Der zu unterbrechende Gleichstrom entstammt
der Batterie H, während der Steuerkreis die kleine Batterie P .enthält und außerdem
noch einen Empfindlichkeitsanschluß S haben mag. Bei der vereinigten Kathode C im
Doppelrelais ist zu beachten, daß es sich auch manchmal darum handeln kann, bei
vereinigten Apparaten nachteilige Wirkungen auszuschließen.' Im vorliegenden Falle
können unerwünschte Rückwirkungen der Gitter auf die nicht zugehörige Anodenseite
erfahrungsgemäß leicht .entstehen. Es kann ihr aber durch die besondere doppelteilige
Kathodenanordnung entgegengetreten werden.
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Solche Rückwirkungen sind natürlich auch zu vermeiden, wenn eine Doppelanordnung
mit gemeinsamer Kathode zur Umformung von Gleich- in Wechselstrom nach Abb. 8 benutzt
wird, und ihr wird wieder durch eine richtige Verteilung der Kathode entgegengetreten.
Die Gleichstromquelle B arbeitet hierbei auf den Transformator T, und die notwendige
Umsteuerung wird vermittels der beiden Gitter G und des Kontaktapparates V herbeigeführt,
indem Spannung P wechselnd nach beiden Seiten wirkt.
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Bei S ist noch ein Empfindlichkeitskreis angedeutet, der auch an Stelle
von P gedacht werden kann, je nachdem Umstände und Relaiswirkung es erfordern, während
an Al der Arbeitskreis anzuschließen ist.
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Der Relais- oder Periodenbestimmungskreis S kann, wie in Abb. 9 angedeutet,
auch ein Wechselstromkreis sein. Doch würden sich dann bei einfacher Kathode und
Kathodenverbindung des Empfindlichkeitskreises nicht nur unzulässige Einflüsse auf
die Hauptentladungskreise ergeben, sondern die beiden Gitterwirkungen, da gleich
und entgegengesetzt, heben sich, namentlich bei höchstem Vakuum, fast völlig in
bezug auf die Einflüsse auf die elektronische Raumladung an der Kathode auf, so
daß eine eigentliche Relaiswirkung nicht zustande kommen kann. Es findet auch keine
eigentliche Umsteuerung im Sinne der Erfindung mehr statt. Man kann eine solche
aber erzielen, indem man statt der direkten Kathodenverbindung vom Steuerkreis eine
Elektrode E anordnet, die nur anodisch wirken kann und die Hälfte des Steuerkreises
jeweils tötet. Bezüglich der Kathodenverteilung gilt das vorher Gesagte, und so
kommt eine richtige Wirkung auf den Arbeitskreis M zustande.
Handelt
:es sich nicht haupt- oder nebensächlich um eine Umformerwirkung, sondern um eine
Relaisverwendung einer Doppelanordnung in einem Wechselstromkreis, der nach Abb.
io auf -M arbeitet, so genügt die Elektrode E im Steuerkreis bei einfacher Kathode,
da ein Hauptkreis ohnehin jeweils tot ist. Man kann dann aber auch den Steuerkreis
mit Gleichstrom arbeiten lassen und die Gitter verbinden. Die Hilfselektrode E kann
auch ein besonderes Gitter F haben, so daß mit höherer Empfindlichkeit V statt S
Steuerkreis wird. Ferner kann der Arbeitskreis auch in der Kathodenverbindung liegen,
falls Umformung auf Gleichstrom erwünscht ist.
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Eine Doppelanordnung bei einer Frequenzwandlung zeigt Abb. I I, wo
T T zwei Transformatorenwicklungen zur Speisung zweier Anodensysteme dienen,
deren Elektroden alle mit A bezeichnet sind. Es handelt sich hier gewissermaßen
um eine Kombination einer Gleich- und einer Wechselrichtung, und die Kathode I(
ist also mit dem Mittelpunkt der einen Seite des Transformators V, der auf M arbeitet,
verbunden. Das Gittersystem und die Kathode liegen hier direkt an der Sekundärseite
des Wechselstromsteuerkreises S, unter der Annahme, daß es hauptsächlich auf die
umformende Wirkung ankommt und dann durch eine Batterie B sich der Einfluß einer
Seite genügend aufheben läßt.
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Sollen höhere Leistungen durch Glühkathodensysteme bei hohen Empfindlichkeiten
unmittelbar bewältit werden, so kann man nach Abb. 12 eine' Kaskade verwenden, die
eine ausgedehnte Kathode I( besitzt und auch eine Verwendung bei weniger hohen Hauptspannungen
erlaubt, namentlich wenn die Kathode -eine mit katalytischem Effekt und geringeren
Temperaturen arbeitende Hochemissionskathode ist.
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Die Anode A für den Arbeitskreis M und namentlich die
plattenförmige Steuerelektrode H liegen dann unmittelbar vor bzw. hinter der Kathode,
und ein Hauptgitter ist nicht vorhanden. Zur Vermeidung unbequemer Steuerströme
arbeitet H von der Batterie N
her mit negativem Potential, oder es
geht Strom höchstens durch einen hohen justierwiderstand IR. Die weitere Wirkung
der Kaskadenkombination vom Steuerkreis her durch die Anoden B und D und die Gitter
G und F ist klar.
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Eine Verbindung von unmittelbarer Thermokontrolle und Gitterkontrolle
beim Bogen zeigt Abb. 13, wo Transformator T auf den Arbeitskreis M gleichrichtend
wirkt. Die Pulskontrolle der Bogenkathode I( erfolgt von der Glühkathode C her,
die mit I( gegebenenfalls über ein Anlasserelement P verbunden ist, indem die sich
bei C bildende Entladung unter Bogenbildung nach I( gleitet. Die Zündung der Impulse
und ihr zeitlicher Beginn ist abhängig von der Temperatur von C, und somit ist bei
F ein Thermokontrollkreis denkbar. Aber auch von der Anode D her vermag man die
Temperatur etwas durch das Bombardement mit positiven Quecksilber- oder Argongasionen
zu beeinflussen, und das Gitter G ergibt bei S die feinste Kontrollmöglichkeit in
der Beeinflussung der Ionisationsverhältnisse der Entladung zwischen C und D. Es
ist auch möglich, mit P als Hauptkathode zu arbeiten, bei ausreichender Eigenlöschfähigkeit
am Ende des Impulses. I( liefert dann nur Dampf für die Entladung.
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Bei den Einkathoden-Gitter-Kaskadenrelais, wie beschrieben, tritt
an den Gittern wechselnd eine Vermehrung und Verminderung des negativen Potentials
ein, das dort vorausgesetzt ist, während nur das erste Gitter irgendeine Spannung
haben kann. Diese in ihren Zusammenwirkungen auf die Kathode nicht immer angenehmen
Schwankungen lassen sich nach Abb. 14 vermeiden, indem man zwei Teile der Kathode
I( und C vorsieht, so daß in dem einen Teil nur Potentialvermehrung und im andern
nur Verminderung eintritt, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Natürlich müssen
dabei von S her zum Arbeitskreis M die Gitter G, F, H und J und die
Anoden A, B; D und E richtig verbunden sein. Als Regelwiderstand ist nur
1Z angedeutet.
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Ein Zusammenwirken mehrerer Gitter oder Plattenelektroden in gleichem
Sinne kann auch benutzt werden, um unter Rückwirkung vom Arbeitskreis M die Wirkung
des ersten Empfindlichkeitskreises S -zu verbessern, wie in Abb. 15 zu erkennen
ist. Anode A wirkt auf Steuerelektrode B und diese auf Anode D:
aber
am Parallelwiderstand R zum Arbeitskreis wird ein passendes negatives Potential
für die Steuerplattenelektrode E eingestellt. Eine andere Justierung kann bei W
erfolgen.