DE571531C - Elektrostatisch regelbarer Kondensator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrostatisch regelbaren Kondensator.

In einem Aufsatz, der in'der General Electric Review, November 1923, Seite 731 bis 735 veröffentlicht ist, ist die Erscheinung erklärt, daß eine negativ geladene Elektrode, die in einem stark ironisierten Gas bei geringem Druck angeordnet wird, sich mit einer Schicht positiver Ionen' bedeckt, die im

wesentlichen frei von negativen Elektronen ist.

Versuche haben ergeben, daß diese Schicht eine gewisse Kapazität besitzt und daß sie in elektrischen Kreisen für dieselben Zwecke benutzt werden kann wie Kondensatoren gewöhnlicher Konstruktion. So werden die Platten dieses Kondensators durch die Elektrode selbst und die äußere Oberfläche der positiven Ionenschicht gebildet, wobei die Spannung zwischen den Elektroden des Kondensators die Spannung in der Schicht ist. Die Kapazität eines solchen Kondensators ist jedoch im Gegensatz zu dem gewöhnlichen Kondensator unabhängig von der Relativlage der gegenüberliegenden, mechanischen Elektrodenteile und kann, wie später erläutert wird, elektrostatisch gesteuert werden. Die weiteren Versuche haben ergeben, daß sich aus der natürlichen Verteilung negativer Elektronen und positiver Ionen um eine negativ geladene Elektrode in einem ionisierten Gas ein kapazitiver Effekt ergibt.

Diese Erscheinigungen werden erfindungs-' gemäß für den vorliegenden neuen Kondensator nutzbar gemacht, indem bei einer mit ionisiertem Gas gefüllten Röhre, in der sich eine gegenüber dem umgebenden Gas negativ geladene Elektrode befindet, die sich um diese Elektrode bildende Schicht von positiven Ionen als regelbare Kapazität benutzt wird, deren Regelung durch Veränderung der Dicke der erwähnten positiven Ionenschicht erfolgt, z. B. durch entsprechende Änderung der Ionisationsstärke oder (und) durch Spannungsänderung der erwähnten negativen Elektrode.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Elektronenröhre, die sich als elektrostatisch regelbarer Kondensator gemäß der Erfindung eignet, während Fig. 2 bis 5 verschiedene Schaltungen mit einem Kondensator gemäß der Erfindung darstellen.

Das evakuierte Gefäß 1 gemäß Fig. 1 ist mit Quecksilberdampf oder einem inerten Gas gefüllt. Zwecks Erzielung der Ionisation des Gases sind in dem Gefäß eine Heizkathode 2 und eine Anode 3 angeordnet, erstere durch

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die Batterie 4 geheizt, letztere durch die Batterie 5 auf geeigneter positiver Vorspannung gehalten. 6 ist eine zusätzliche Elektrode, die durch die Batterie 7 auf einer gegenüber der Kathode negativen Vorspannung gehalten wird.

Das Gas in der Röhre wird genügend verdünnt, um eine möglichst gleichmäßige Ionisation zu geben. Es bildet sich dann, wie in dem oben angegebenen Aufsatz erläutert ist, eine positivelonenschichto'um dieElektrodeo. Diese Schicht ergibt sich aus der Tatsache, daß negative Elektronen, die sich in dem ionisierten Gas bewegen, durch die negative Ladung, die der Elektrode 6 erteilt wird, daran gehindert werden, sich dieser Elektrode zu nähern. Andererseits können die positiven Ionen sich ungehindert der Elektrode 6 nähern und auf diese fallen. So bildet sich um die Elektrode eine Gasschicht, die frei von Elektronen ist und nur positive Ionen enthält und die so die positive lonenschicht darstellt. ,

Diese positive lonenschicht hat eine bestimmte Dicke, abhängig von der negativen Spannung der Elektrode 6 und von der Stärke der Ionisierung. So ^besteht um die negativ geladene Elektrode 6 ein elektrisches Feld, das sich so weit erstreckt, bis es durch das Feld der positiven Ionen in dem umgebenden Gas neutralisiert wird. Man kann mit anderen Worten annehmen, daß jede von 6 ausgehende Kraftlinie in einem positiven Ion in der Schicht endigen muß. Je geringer also die Stärke der Ionisation ist, um so weiter erstreckt sich das elektrische Feld der Elektrode und um so dicker ist die positive lonenschicht, und umgekehrt. Diese Dicke kann aus den Raumladungsgleichungen des obenerwähnten Aufsatzes berechnet werden und

beträgt etwa 0,0015 · —^ cm, wo V die Spannung der Schicht und / der positive Ionenstrom in Ampere pro Zentimeterquadrat Elektrodenoberfläche ist.

So kann die Dicke der Schicht nach Belieben durch Veränderung der Spannungen von 5 bzw. 7 geregelt werden, wobei die erstere Spannung die Stärke der Ionisation und die

go letztere die Ladung der Elektrode 6 regelt.

Wie oben erwähnt, hat diese positive lonenschicht auch eine bestimmte Kapazität, die berechnet und gemessen werden kann. Diese Schicht kann als nichtleitender Bezirk betrachtet werden, da Elektronen zwischen zwei leitenden Flächen nicht in sie eintreten können, wobei die eine Fläche die negativ geladene Elektrode 6 und die andere Fläche die Oberfläche der Schicht ist, die die Spannung des Gases innerhalb des Gefäßes besitzt, d. h. bei Gasen niedrigen Druckes ungefähr die Spannung der Anode 3. Dieses Gas ist leitend, da sich negative Elektronen frei darin bewegen. Demgemäß ist die Schicht in Wirklichkeit ein Kondensator. Der Abstand zwischen den Platten dieses Kondensators, d. h. die Dicke der Schicht, ändert sich jedoch, wie oben erwähnt, mit der Spannung der Elektrode und der Stärke der Ionisation des umgebenden Gases, so daß sich die Kapazität des Kondensators gleichfalls demgemäß ändert. Diese Kapazität kann berechnet werden und ergibt sich gleich Mikrofarad pro Zentimeterquadrat, wo X die Dicke der Schicht in Zentimetern ist.

Dieser Wert der Kapazität ist jedoch nur richtig im Bereich solcher Frequenzen der steuernden, entweder der Elektrode 6 oder der Anode 3 aufgedrückten EMK, die so hoch ist, daß die verhältnismäßig langsamen positiven Ionen sich nicht entsprechend der momentanen Spannung einstellen können. Mit anderen Worten, dieser Wert der Kapazität ist nur in dem Frequenzbereich richtig, in dem die Periode des Wechselstromes kurz ist im Vergleich zu der Zeit, die ein positives Ion braucht, um durch die Schicht hindurchzugehen.

Innerhalb des Frequenzbereiches anderer- go seits, in dem die positiven Ionen sich gemäß der momentanen Spannung einstellen können und sich daher dauernd in einem Gleichgewichtszustand befinden, hat die Kapazität der Schicht einen Wert von einem Drittel des früheren Wertes.

Zwischen diesen beiden Frequenzbereichen tritt eine kritische Frequenz oder ein schmales Frequenzband auf, dessen Periode vergleichbar ist mit der Periode, die ein positives Ion für das Durcheilen der Schicht benötigt. In diesem Frequenzbereich .schwankt die Kapazität der Schicht zwischen den beiden Werten hin und her.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 ist an die normale Röhre 8 ein Schwingkreis 9 und zwischen Gitter und Kathode ein Steuerkristall 10 angeschlossen; 11 ist der Gitterwiderstand. Die in dem Kreis 9 erzeugten Schwingungen werden über den Kondensator 13 dem no Verstärker oder Frequenzvervielfacher 12 zugeführt, der an die Antenne 14 angeschlossen ist.

Zwecks Veränderung der durch die Röhre 8 erzeugten Frequenz ist die Röhre 15 als Kapazität im Nebenschluß zum Kreis 9 geschaltet. Diese ist entsprechend der Fig. 1 ausgebildet, und zwar ist ihre dritte Elektrode über den Kondensator 19 mit dem Schwingkreis 9 und ihre Kathode 2 durch die Leitung 20 mit der Kathode von 8 verbun- . den. So kann der Raum zwischen der dritten

Elektrode und der Kathode von 15 als parallel zu dem Schwingkreis 9 geschaltet betrachtet werden. Die dritte Elektrode ,wird durch eine Batterie 7 stark negativ und die Anode durch "die Batterie 5 positiv vorgespannt.

Zur Veränderung der Frequenz der Röhre 8 ist der Kreis, bestehend aus dem Blockierungskondensator 24 und der Sekundärwicklung des Transformators 25, zwischen die Anode 3 und die Kathode 2 geschaltet. Die Primärwicklung des Transformators wird mit Sprechfrequenzströmen gespeist, die__an_ d?i3i^eleghon_26.^ri;eugt und durch den Verstärker 27 verstärkt werden. Bei dieser An-Ordnung wird die Frequenz der Schwingungen durch den Kristall 10 und die Abstimmung des Schwingkreises 9 bestimmt, wobei die Kapazität der positiven Ionenschicht um die Elektrode 6 als'ein Teil des Schwingkrei-

?.o ses 9 betrachtet wird. Wenn der Anode 3 Sprechwellen zugeführt werden, ändert sich die Anodenspannung und damit das Maß der Ionisation des Gases in der Röhre 15."Dieses

"hat wiederum eme~entsprechende Expansion und Kontraktion der positiven Ionenschicht zur Folge, welche Änderung zur Steuerung der Frequenz des Schwingungsgenerators benutzt wird. Auf diese Weise wird die Frequenz der erzeugten Schwingungen entsprechend moduliert, worauf die Frequenz durch das Gerät 12 vervielfacht wird.

Zu beachten ist jedoch, daß bei der Schaltung gemäß Fig. 2 zwei sich teilweise aufhebende Effekte auftreten. Die EMK, die zwischen Kathode und Anode angelegt wird, steuert nicht nur das Maß der Ionisation des Gases, sondern auch die Potentialdifferenz innerhalb der Schicht. Dieses ergibt sich aus der Tatsache, daß die äußere Oberfläche der Schicht angenähert Anodenspannung besitzt, während die Elektrode 6 auf einer bestimmten Spannung gegenüber der Kathode gehalten wird. Eine vergrößerte Anodenspannung vergrößert die Tonisation des Gases und verkleinert daher die Dicke der Schicht. Andererseits hat diese vergrößerte Potentialdifferenz innerhalb der Schicht, die sich aus der Vergrößerung der Anodenspannung ergibt, die Wirkung, die Dicke der Schicht zu vergroßem.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 ist daher die Sekundärwicklung von 25 zwischen, Katho^_un4_d_eii_^dritJ;en^EJ_;ektrode.6 der Röhre iy~geschaltet. Hier wird das Maß der Ionisation des Gases auch bei "^veränderlicher """Spannung innerhalb der Schicht konstant gehalten.

Diese Regelung der Kapazität der Schicht besitzt noch den weiteren Vorteil, daß der Strom zwischen der Elektrode 6 und der Kathode sehr gering ist und die gewünschte Regelung ausschließlich dujxh-Jinderung der Spannung eier "Elektrode 6 bewirkt wird. Andererseits fließt ein bestimmter Strom notwendigerweise von der Kathode nach der

Anode 3, um die gewünschte Ionisation zu erzeugen. Diese Änderung der Kapazität wird bei der Schaltung gemäß Fig. 2 größtenteils durch die Änderung dieses Stromes hervorgebracht. So sind größere Spannungsänderungen notwendig, um die gewünschten Kapazitätsänderungen hervorzubringen. Da ferner die Anodenspannung bei der Schaltung gemäß Fig. 3 konstant ist, besteht keine Gefahr, daß die Ionisation des Gases unterbrochen wird, während bei der Schaltung nach Fig. 2 zwecks Vermeidung der Verzerrung der ausgesendeten Signale die Minimalspannung der Anode genügend hoch sein muß, um die Ionisation des Gases aufrechtzuerhalten.

Bei der Schaltung gemäß„Fig. 4 ist die Sekundärwicklung von 25 mit einer Leitung verbunden, die dem Kreis von 3 und 6 gemeinsam ist. So wird bei Vergrößerung der Anodenspannung die jiegative_^_S.pannung von_jEL_en±sprechend verringert. ' Die Spannungsdifferenz in der Schicht bleibt so konstant, wobei die Änderung der Kapazität vollständig von der Änderung der Ionisation abhängig ist.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 5 ist die Anode mit einem Zwischenpunkt an der Sekundärwicklung von 25 verbunden. Hier sind die an Hand der Fig. 3 und 4 erläuterten Wirkungen so kombiniert, daß sie sich gegenseitig unterstützen. Demgemäß ist der rechte Teil der Sekundärwicklung mit dem Kreis von 3 und 6 verbunden. Dadurch entsteht der an Hand der Fig.4 beschriebene Effekt, nämlich eine Änderung der Ionisation, ohne Änderung der Spannung in der Schicht. Andererseits ist der linke Teil der Sekundärwicklung ausschließlich mit dem Kreis der Elektrode 6 verbunden und hat daher die an Hand der Fig. 3 beschriebene Wirkung, nämlich eine Änderung der Spannung in der Schicht, ohne"Änderung^d^_G_ajionisatiön7* Da eine Zunahme der Gasionisation, die von dem rechten Teil der Sekundärwicklung herrührt, gleichzeitig auftritt mit einer Abnahme der Spannung in der Schicht, die von der linken Seite der Sekundärwicklung herrührt, und da beide Effekte die Tendenz haben, die Dicke der Schicht zu verringern und ihre Kapazität zu vergrößern, unterstützen sich beide Spannungen in ihrer Wirkung.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrostatisch regelbarer Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mit ionisiertem Gas gefüllten Röhre,- in der