DE479403C - Vorrichtung zur Umwandlung von Druckschwingungen innerhalb eines gasfoermigen Mittels in elektrische Schwingungen - Google Patents

Description

Ind.
2 4 ATC. 1928

AUSGEGEBEN AM
16. JULI 1929

Die Erfindung'bezieht sich auf die Umwandlung von Druckschwingungen in einem gasförmigen Mittel in elektrische Schwingungen, insbesondere auf die Umwandlung von Schallwellen in der Luft oder einem Gase bei Atmosphärendruck für Zwecke des TeIephonierens und ähnliche Zwecke.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Telephonübertragers, welcher keine beweglichen Teile enthält und insbesondere keine übliche Schwingungsmembran.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Umwandlung mittels einer Glimmentladung, welche in einem Gase bei angenähert atmosphärisdiem Druck hervorgerufen wird und welche bezüglich ihres Spannungsgefälles vom Druck abhängig ist. Es sind vorher bestimmte Teile . dieser Glimmentladung in einem elektrischen Stromkreis eingeschlossen, wodurch Strom-■"■'-Schwankungen hervorgerufen werden, welche den Druckschwankungen in dem gasförmigen Mittel genau entsprechen.

Wenn eine 'Glimmentladung zwischen getrennten positiven und negativen Elektroden -^ in einem Gase bei Atmosphärendruck hervorgerufen wird, so ist die Entladungserscheinung ähnlich wie bei einer Entlädung bei niederem Druck. Es lachen sich die charakteristischen Erscheinungen der Entladung beobachten, wie die positive Anodensäule, die in unmittelbarer Berührung mit der positiven Elektrode ist, ferner der Faraday-Dunkelraum, das Kathodenglimmlicht, der Kathodendunkelraum und das negative Glimmlicht, das in unmittelbarer Berührung mit der negativen Elektrode ist. Als Ergebnis eingehender Versuche hat sich gezeigt, daß die Empfindlichkeit des Teiles der Entladung, welcher die positive Säule einschließt, sich mit der Frequenz der auf treffenden Schallwellen ändert.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung ist die, bei der der Strom durch die Entladung im wesentlichen konstant erhalten wird und die auf die Gegenwart der Schallwellen zurückzuführenden "Änderungen 'in der Spannung längs der Entladungsstrecke in verstärkte Stromänderungen mittels eines Verstärkers bekannter Bauart übergeführt werden.

Bei der Entwicklung der Erfindung ergaben sich erhebliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Herstellung und Aufrechterhaltung einer Glimmentladung zwischen den Entladuiigselektroden. Außerdem machte die Entladung, wenn sie einmal hergestellt war, beim

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Arbeiten ein sehr störendes Geräusch. Nach vielen Experimenten und Durchproben der verschiedensten, für Entladungselektroden in Frage kommenden "Stoffe hat sich ergeben, daß Entladungselektroden aus Kupfer die Herstellung und Aufrechterhaltung einer Glimmentladung begünstigen und daß die Entladung bei diesen Elektroden ruhig verläuft. Die Entladung zwischen den Elektroden läßt sich durch zugespitzte Elektroden wesentlich stetiger machen, da normalerweise eine solche Entladung zwischen Spitzen besser vor sich geht.

Weitere Schwierigkeiten ergaben sich aus der Neigung der Entladung, zeitweise in einen unempfindlichen Zustand zu geraten. Mit zunehmender Gebrauchsdauer entsteht ein Zustand, wo diese geringe Empfindlichkeit dauernd wird. Diese Schwierigkeit wurde dadurch überwunden, daß man die Entladung in einem magnetischen Feld arbeiten läßt, welches parallel zur Entladungsbahn verläuft. Eine weitere Schwierigkeit entstand bei Anwendung eines Abschirmungsmittels für die Speiseleitungen nach den Entladungselektroden insofern, als die Glimmentladung durch diese Abschirmungen unstetig wird. Diese Schwierigkeit wird behoben durch Einschaltung einer relativ hohen Impedanz in die eine oder auch mehrere dieser Leitungen unmittelbar vor den zugehörigen Entladungselektroden.

Ferner hat sich ergeben, daß die Qualität der übertragenen Energie sowie auch die Stetigkeit der Entladung in Gegenw-ärt von Luftströmen erheblich dadurch verbessert wird, daß die Anodensäule von den Schallwellen .während der normalen Arbeit der Vorrichtung abgeschirmt wird, wie dies später näher beschrieben wird..

Weitere Kennzeichen und Anwendungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung an Hand der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigt Abb. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit dem zugehörigen Stromkreis. Abb. 2 ist eine vergrößerte Einzeldarstellung der Entladungselektroden nach Abb. ι in Verbindung mit der dritten Elektrode.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist ein Paar metallischer Elektroden 1 und 2 mit voneinander abstehenden Funkenspitzen 3 und 4 durch Leiter 5 und 6 mit den Plus- und Minusklemmen einer nicht dargestellten Gleichstromenergieqiielle verbunden.

Ein Widerstand 7 liegt in Serie mit dem

Leiter 5 und dient dazu, die durch die Entladung gehenden Ströme im wesentlichen konstant zu erhalten trotz der Änderungen in j der Entladungscharakteristik entsprechend den Druckänderungen, wie dies später näher beschrieben ist.

Bei der für die Versuche benutzten Vor- 6; richtung hatte die nicht dargestellte Energiej quelle eine Spannung in der Größenordnung von 6000 Volt, und der Widerstand 7 war ein solcher von einem Megohm.

Wenn Elektroden von geeignetem Stoff 7< verwendet werden, für den nähere Angaben spä/ter folgen, und beispielsweise etwa 2V₂ mm voneinander getrennt sind, in einem System, welches die vorgenannten Konstanten hat, wird selbsttätig eine Entladung zwischen den 7: beiden Elektroden 1 und 2 hervorgerufen, wenn ein genügend hohes Potential zwischen ihnen erzeugt wird. Diese Entladung unterscheidet sich von der gewöhnlichen Bogenentladung in folgenden wichtigen Punkten: 8c

Die Elektroden bleiben verhältnismäßig kalt, und es findet keine merkliche Verdampfung, Schmelzung oder Verbrennung der Elektroden statt. Die gewöhnliche Charakteristik des üblichen Bogens fehlt, und die Entladung erfolgt in einer stetigen, sanften Weise, ohne Schwankungen. Diese letztere Eigenschaft der Glimmentladung ist von besonderer Wichtigkeit, weil solche Schwankungen beim Arbeiten der 'Glimmentladung so stark werden können, daß sie Potentialänderungen oder Stromänderungen hervorrufen, welche in der Größenordnung mit den Änderungen, wie sie durch Schallwellen hervorgerufen werden, vergleichbar sind, wie dies durch die folgenden Darlegungen augenscheinlich wird.

Die Glimmentladung zwischen den Elektroden ι und 2 umfaßt folgende· Teile in Aufeinanderfolge, nämlich ein erstes negatives Glimmlicht 8 in unmittelbarer Berührung mit n der negativen Elektrode 2, einen Kathodendunkelraum 9, der auch als Crookesscher Dunkelraum bekannt ist, ein zweites negatives Glimmlicht 11, einen Faraday-Dunkelraum 12 und eine positive Säule 13, welche an der .1 Spitze 3 der positiven Elektrode endet, wie dies aus Abb. 2 ersichtlich ist.

Wenn die Entladung in der vorbeschriebenen Weise entstanden ist und der Strom durch sie -im wesentlichen konstant gehalten 1 wird, ändert sich der Spannungsabfall mit dem Druck und mit der Frequenz der Druckschwankungen in den höheren Teilen des Hörbereiches. Das Ergebnis dieser Änderungen ist eine Verzerrung der höheren Töne 1 in diesem hörbaren - Frequenzbereich. Nach vielen Experimenten wurde, wie gesagt, gefunden, daß es nur die positive Säule ist, welche sich bei Änderungen der Frequenz der Druckschwankungen bezüglich ihrer Emp- 1 findlichkeit verschieden verhält, während die < Empfindlichkeit des übrigen Teiles der

Entladung (Faraday-Dunkelraum, Kathodenglimmlicht, Kathodendunkelraum und negatives Licht) im wesentlichen konstant für. Druckschwankungen aller Frequenzen ist. Dementsprechend ist die Einrichtung so getroffen, daß die Druckschwankungen in dem Teil der Entladung zwischen dem freien Ende der positiven Säule 13 und der negativen Elektrode 2 erfaßt werden. Die Vorrichtung

ίο hierfür umfaßt eine dritte Elektrode 14, die innerhalb der Entladung gerade am freien Ende der positiven Säule 13 angeordnet ist, und ferner einen Verstärker 14°. Die dritte Elektrode 14 ist mit einer engen Bohrung 15' in der Größe von etwa 0,3 5 mm Durchmesser. versehen, die sich in der Bahn der Entladung befindet.

Die wechselnde Spannungskomponente, die zwischen der dritten Elektrode 14 und . der negativen Elektrode 2 in Gegenwart von Schallwellen entsteht, wird vorteilhaft in verstärkte Ströme gleicher Wellenform dadurch verwandelt, daß sie durch Leiter 15 und 16 dem Gitter 17 und Heizfaden 18 der Verstärkerröhre 14« aufgedrückt wird, welche außerdem eine Anode 19 enthält.

Ein Kondensator 21, welcher gegenüber Strömen von Schallwellenfrequenz eine zu vernachlässigende Impedanz hat, ist in den Gitterleiter 15 eingeschaltet und dient dazu, zu verhüten, daß der sogenannte Ruhespannungsabfall in der Glimmentladung zwischen der dritten Elektrode 14 und der negativen Elektroden die Röhre 14« blockiert. Ein Gitternebenschlußwiderstand 22 wird vorteilhaft im Nebenschluß zu Gitter- und Heizfaden eingeschaltet, um die Intensität der negativen Entladungen, die sich auf dem Gitter 17 sammeln, zu regeln.

Der Anodenkreis für die Verstärkerröhre 14° schließt eine Gleichstromquelle 23 und eine Widerstandskupplung 24 von hoher Impedanz ein. Die Potentialänderungen, welche über den Widerstand 24 gehen, wenn die Glimmentladung von den Druckänderungen, beispielsweise den Schallwellen, beeinflußt wird, können mittels der ausgehenden Leiter 2 5 und 26 den Eintrittselementen eines zweiten, nicht dargestellten Verstärkers oder anderen Stromkreisanordnungen aufgedrückt werden, welche diese modulierte Energie benutzen^ sollen.

Während der Experimente hat sich gezeigt, daß die Empfindlichkeit der Glimmentladung mit der Vergrößerung des Durchmessers der engen Bohrung 15' abnimmt, und daß das beste Ergebnis dann erzielt wird,, wenn der Durchmesser klein ist gegenüber dem der positiven Säule 13.· Wie aus Abb. 2 ersichtlich, tritt das Ende der positiven Säule durch die Bohrung 15', ohne deren Wandung zu berühren, und bildet eine feine Spitze 27. Bei längerem Arbeiten erwärmt sich die dritte Elektrode 14 leicht, aber sie bleibt unter der Temperatur der Glimmentladung.

Bei der Entwicklung der Erfindung entstand eine beträchtliche Schwierigkeit hinsichtlich der Hervorrufung und Aufrechterhaltung einer Glimmentladung zwischen den Entladungselektroden. Auch wurde diese Entladung, wenn sie einmal hergestellt war, sehr geräuschvoll beim Arbeiten. Es ergab sich als unmöglich, zwischen Elektroden aus Mangan, Eisen, Nickel, Kohle, Aluminium und Molybdän überhaupt eine solche Glimmentladung zustande zu bringen, während diese, wenn sie zwischen Elektroden 'aus Wolfram, Silber oder Platin gelang, außerordentlich geräuschvoll war. Ein besseres Ergebnis wurde erreicht, als die Elektroden aus Kupfer gemacht wurden. Doch bewirkten diese Elektroden nicht die Ausschaltung eines leichten Grundtones, welcher auch während des Arbeitens der Entladung bestehen blieb. Weiter war_ die Entladung intermittierenden plötzliehen Wechseln im Gradienten ausgesetzt, wodurch die verhältnismäßig leichten Änderungen, die durch die Druckänderungen der Schallwellen hervorgerufen werden, vollständig verdeckt wurden.

Diese unerwünschten Eigenschaften glaubte man teilweise auf den hohen Schmelzpunkt der negativen Entladungsspitze unter den ebenerwähnten Bedingungen zurückführen zu müssen. Wenn die Glimmentladung für eine kurze Zeit zwischen solchen Elektroden hergestellt ist, höhlt sich die Entladungsfläche der negativen Spitze aus und bildet' einen Krater mit verhältnismäßig feinen Rändern oder Spitzen. Da diese sehr heiß werden, oxydieren sie und bewirken eine intensive. Ionisation in dem Raum zwischen diesen Rändern und dem Kathodenglimmlicht. Das Ergebnis ist ein Abreißen in der Impedanz des Kathodendunkelraumes, der unmittelbar kurzgeschlossen wird und den Rand bzw. die . Spitzen mit dem Kathodenglimmlicht leitend λ'-erbindet. Wenn dies eintritt, jreißt natürlich die Entladung ab. Diese unerwünschte Arbeitsweise wird überwunden dadurch, daß die Kathodenspitze aus verhältnismäßig leicht schmelzbarem Material, wie beispielsweise Widerstandsdraht, d. h. einer Legierung aus Kupfer und Nickel in ungefährem Verhältnis von 600/0 zu 400/0, hergestellt wird. Wird die Glimmentladung zwischen solchen Elektroden erzeugt, so ist die Wirkung der Entladung die, daß die negative Entladungsspitze einen konvexen Entladungskegel bildet.

Die Ionisation, die bei einer Elektrode mit niedrig schmelzender Spitze entsteht, verteilt sich gleichmäßig durch den ganzen Kathoden-

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dunkelraum 9 wegen der Form der Entladungsfläche der negativen Spitze 4, wodurch jede Tendenz für einen Kurzschluß zwischen dem Ende der negativen Entladungsspitze 4 und dem Kathodenglimmlicht 11 vermieden ist und damit auch das unerwünschte Abreißen der Entladung.

Der obenerwähnte Grundton läßt sich weiter vermindern sowie der gesamte Nutzeffekt der Entladung steigern, wenn die negative Entladungsspitze 4 aus einem Material mit niedrigem Wärmeleitvermögen gemacht wird, d. h. einem Material, welches gestattet, daß die durch die Glimmentladung gehenden Ströme nur das Ende der. negativen Entladungsspitze 4 auf eine solche Temperatur erwärmen, daß sie eine Ionisationsquelle wird. Ist dies der Fall, so verlängert sich der Faraday-Dunkelraum 12 und macht die Ent-■ 20 ladung stetiger. Die besondere Notwendigkeit eines verhältnismäßig langen Faraday-Dunkelraumes 12 stellte sich dann heraus, wenn die Spitze der positiven Säule 13 durch den Faraday-Dunkelraum 12 bis zum Kathodenglimmlicht 11 bei einer außergewöhnlichen Modulation sich erstreckte und hierdurch die Gefahr des Abreißens der Entladung entstand.

Der Durchmesser und die Länge der negativen Entladungsspitze 4 sind so einzustellen, j daß, wenn in der beschriebenen Weise die j richtigen Temperaturbedingungen am Ende j der negativen Spitze erzielt werden, der Durchmesser des Kathodenglimmlichtes 11 annähernd der gleiche ist wie der der Kathodenspitze 4. Eine größere Strommenge als der für dieses Verhältnis nötige Wert bewirkt laute hochtönende Pfeifgeräusche bei der Entladung, während eine geringere Strommenge zischende Geräusche verursacht. Eine Toleranz von ungefähr ioo/o nach oben und unten erwies sich als erlaubt für einen Stromkreis mit den obenerwähnten Konstanten. Die Abmessungen der negativen Entladungspitze, die bei der Experimentier arbeit benutzt wurde, waren 1,7 mm im Durchmesser und 2,2.5 ni™¹ Länge. Der Winkel der Kegelmantelfläche der Elektrode 2 zur Längsachse derselben beeinflußt ebenfalls die Arbeitsweise der Ent- I ladung. Das bestmögliche Ergebnis wird j erreicht mit einem Winkel von ungefähr 30⁰. j Wenn die Erfindung bei dem Stromkreis 1 einer großen Sendestation Verwendung finden j soll, ist es notwendig, die verschiedenen I Leiter, die zu der Glimmentladungsvorrich- : tung gehören, mit Abschirmungen zu ver- ■ sehen. Dies wurde zunächst in der Weise ! vorgenommen, daß der Eintrittsleiter S mit einem Schirm, der durch einen Erdleiter geerdet war, versehen wurde, und die ausgehenden Leitungen, die von der dritten Elektrode ausgehen, ebenfalls mit Abschirmungen, die durch Leiter geerdet waren. Es stellte sich dann heraus, daß die Arbeitsweise der Glimmentladung außerordentlich unstetig wurde, weil diese Leiter und Abschirmungen als Kondensatoren wirkten, die periodisch die normale Glimmentladung auslöschten. Die Strombahn einer solchen Entladung umfaßt den Kondensator, der zwischen dem Eintrittsleiter 5 und seiner Abschirmung und . Erdleiter gebildet wurde, sowie den Teil des Leiters 6 zwischen dem Erdleiter und der negativen Elektrode 2, diese negative Elektrode 2 selbst, die Glimmentladung und die positive Elektrode 1. Dieser unerwünschte Zustand wurde· beseitigt durch Einschaltung eines Widerstandes 7 in den positiven Eintrittsleiter 5 unmittelbar neben der positiven Elektrode 1.

Auch dann noch kam, wenn auch in geringerem Maße, zeitweiliges Abreißen der Entladung vor. Die Ursache hierfür wurde schließlich auf die kapazitative Wirkung zwischen den ausgehenden Leitern der dritten Elektrode und ihren Abschirmungen zurückgeführt. Der Entladungsstromkreis für den Kondensator, der zwischen dem ausgehenden Leiter der dritten Elektrode und seiner Abschirmung gebildet wurde, erstreckt sich von dieser Abschirmung durch die Erdleitung, go einen Teil des negativen Eintrittsleiters 6, die negative Elektrode 2 und den Zwischenraum zwischen der negativen Elektrode 2 und der dritten Elektrode 15' sowie durch diese selbst nach ihrem ausgehenden Leiter 15.

Der Kondensatoreffekt der Abschirmungen wird beseitigt durch Einschaltung eines Widerstandes in den Teil zwischen der Verbindung zur Erde und die negative Elektrode 2. Der Widerstand für die Abschirmungen ist ungefähr in der Größenordnung von 100 000 Ohm oder mehr.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   r. Vorrichtung zur Umwandlung von Druckschwingungen innerhalb eines Gases in Stromänderungen in einem elektrischen Stromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Elektroden eine Glimmentladung hervorgerufen wird, welche mit einem bestimmten Teil in den elektrischen Stromkreis gelegt und bezüglich ihres Spannungsgefälles vom Druck abhängig ist.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß an einer bestimmten Stelle zwischen den beiden Elektroden, die an eine Potentialquelle angeschlossen sind, in an sich bekannter Weise eine dritte Elektrode angeordnet ist und daß an die dritte sowie an die negative Elektrode der elektrische Stromkreis angeschlossen ist.

   "3· Vorrichtung nach Anspruch ι und 2, , dadurch gekennzeichnet, daß die dritte,

   dadurch gekennzeichnet, daß die positive j mit einer feinen Öffnung versehene Elek-

   Elektrode aus Kupfer und die negative | trode an der Grenze zwischen der posi-

   Elektrude aus einem Material von niedri- ' tiven Säule und dem Faraday-Dunkelraum

   gern Wärmeleitvermögen ist mit einer > der Glimmentladung angeordnet und daß

   aktiven Spitze aus einem .Material von ■ der Eintrittsstromkreis eines Verstärkers

   niedrigem Schmelzpunkt. ι an die dritte und die negative Elektrode

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, ; angeschlossen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   BERLIN. GEDRUCKT IN Ht¹Il HKICIlSI¹ItI '"UKItKl