DE658883C - Anordnung zur Steuerung elektrischer Entladungsgefaesse mit Steuergitter, insbesondere mit Gas- oder Dampffuellung, durch lichtelektrische Zellen o. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung von wechselstramge-speisten, mit Steuergitter versehenen Entladungsröhren, insbesondere mit Gas- oder Dampffüllung, mittels an das Steuergitter angeschlossener Steuer- oder Signalvorrichtungen, vorzugsweise lichtelektrischer Zellen. Es sind schon Anordnungen bekanntgeworden, bei denen die Entladung derartiger Entladungsgefäße, insbesondere von Quecksilberdampfgleichrichtern, durch Gitter gesteuert werden, die zum Teil an besondere Gleichspannungen angelegt werden, wobei diese durch Schaltvorrichtungen verschiedener Art in einem wünschenswerten Rhythmus unterbrochen oder verändert werden. In anderen Fällen benutzt man Wechselspannungen' für die Steuergitter, die durch Induktivitäten geregelt werden.

Demgegenüber besteht der Grundgedanke vorliegender Erfindung darin, daß dem Steuergitter der Entladungsröhre eine Wechselspannung aufgedrückt wird, welche der gleichen Quelle wie die Anodenwechselspannung entnommen ist und gegenphasig .zu ihr verläuft und daß die Entladungsröhre mit ihrem Steuergitterkathodenkreis derart in einer Kapazitätsbrückenschaltung liegt, daß die Kapazitäten von Gitter/Anode der Röhre und von Steuermittel durch die veränderliche Kapazität im Brückenzweig von Steuergitterkathode zumindest neutralisiert ist und die Phasenlage des Gitters gegenüber dem Anodenkreis der Röhre durch das Steuermittel mehr oder weniger sperrend beeinflußt wird.

Die Anordnung gemäß der Erfindung hat gegenüber dem Bekannten den "Vorteil großer Empfindlichkeit gegen geringe Änderungen der Steuer- oder Signalvorrichtungsenergie, wie auch, daß der Absolutbetrag dieser Energie sehr gering sein kann. Letzteres ist von besonderem Wert bei Verwendung von lichtelektrischen Zellen als Signalorgane sowie bei Verwendung von gas- oder dampf- gefüllten gittergesteuerten Entladungsgefäßen. Ferner kann man durch geeignete Abstimmung der Kapazitätsverhältnisse auch annähernde Proportionalität zwischen den steuernden Helligkeitsänderungen und den Anodenströmen erreichen.

Ganz hervorragende Bedeutung hat die erfindungsgemäße Anordnung in Anwendung auf gas- oder dampfgefüllte Entladungsgefäße mit lichtbogenartiger Entladung, weil sie für diese Gefäße erstmalig die Möglichkeit ergibt,

den Anodenstrom stufenlos durch das Gitter zu steuern.

Weitere Vorteile, die durch die vielseitige Anpassungsfähigkeit der Anordnung an die. verschiedensten Betriebsbedingungen gegeben sind, werden im Verlauf der nachstehendeil .·■ Beschreibung an Hand der Abb. I bis S er-' örtert werden.

Abb. ι zeigt als Beispiel eine Brückenanordnung gemäß der Erfindung mit einer Verstärkerröhre in Form einer gasgefüllten Glühkathodenröhre mit lichtbogenähnlicher Charakteristik und einer Photozelle.

Abb. 2 zeigt die Beziehungen zwischen Anoden-; Gitter- und kritischer Gitterspannung bei abgeglichener Brücke.

Abb. 3 erläutert an Hand dreier typischer Kurven die Wirkungsweise dieser Anordnung. Abb. 4 stellt die Beziehung zwischen Entladungsstrorn und Belichtungsstärke der' Photozelle bei der Anordnung der Abb. ι für verschiedene Einstellungen dar.

Abb. 5 erläutert die elektrische Wirkung der Anordnung bei verschiedener Einstellung des Kondensators.

In Abb. ι bedeutet 1 beispielsweise einen gas- oder dampfgefüllten Glühkathodenverstärker mit gittergesteuerter Bogenentladung (vgl. A·. B. Hull in The General Electric Review, Band 32, Nr. 2, April 1929, dort mit Thyratron bezeichnet). Derartige Röhren sind charakterisiert durch eine große Ausgangsleistung, die durch "einen außerordentlich kleinen Energiebetrag in der GröJßen-Ordnung von einem Mikrowatt gesteuert werden kann. Sie enthalten gewöhnlich eine Dreielektrodenanordnung in einem ionisierbaren Medium, z. B. Quecksilberdampf oder Argon von einem Druck zwischen 1 bis 50 Mikron, der hinreicht, um eine bogenähnliche Entladung bei den benutzten Spannungen aufrechtzuerhalten.

Die Elektroden sind eine Glühkathode 2, eine Anode 4 und ein Steuergitter 3 zwischen diesen beiden Elektroden. Alle Elektroden werden durch die angezapfte Sekundärwicklung eines Transformators 5 durch Wechselstrom gespeist. Die Primärseite des Transformators liegt an einer Wechselstromquelle 6 der üblichen Frequenz. Wie in der genannten Arbeit auseinandergesetzt ist, erfolgt der Stromdurchgang durch ein Entladungsgefäß obenerwähnter Art in Form eines Lichtbogens, bei dem lediglich das Einsetzen der Entladung durch das Gitter gesteuert wird. Nach Einsetzen des Lichtbogens kann der Stromdurchgang jedoch nur noch durch Entfernen der Anodenspannung unterbrochen werden. Der Betrieb einer solchen Röhre erfolgt deshalb in der Weise, daß die Anodenspannung bei Verwendung von Gleichstrom durch äußeren Eingriff auf Null gebracht werden muß, um den Anodenstrom zu unterbrechen. Bei Wechselstromspeisung, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, findet diese Unter- ^brechung automatisch und' periodisch statt, ■ nämlich bei jedem Nulldurchgang der . Wechselspannung. Der Moment des Wiedereinsetzens in der folgenden positiven Halbwelle wird durch die Gitterspannung bzw. ihre Phasenlage zur Anodenspannung bestimmt und damit auch der mittlere Auodenstrom.

Das Gitter ist nun mit dem einen Ende der Sekundärwicklung des Transformators über einen veränderlichen Kondensator 7 verbunden, während die Anode über den Nutzwiderstand 14 an dem anderen Ende der Wicklung liegt. Der Heizstrom wird über die mittleren Anzapfungen 8, 9 entnommen, die in dem dargestellten Beispiel symmetrisch liegen. Zwischen Gitter und dem mit dem Nutzkreis 14 verbundenen Ende der Sekundärwicklung liegt die Lichtzelle 10. Die Kathode der Zelle ist mit dem Gitter verbunden, ihre Anode mit dem Transformator. Die Lichtzelle kann durch die Lichtquellen oder z.B. das sich ändernde Tageslicht belichtet werden. Der Nutzkreis 14 liegt zwischen Anode 4 der Röhre 1 und dem an die Photozelle angeschlossenen Ende der Sekundärwicklung.

Zum weiteren Verständnis der Anordnung, die gemäß Abb. 1 eine B rücken schaltung darstellt, soll zunächst der Fall erörtert werden, daß die Brücke abgeglichen ist. Wenn auch die endgültige Einstellung der Anordnung sich nach der Art richtet, wie der Nutzkreis ansprechen soll, d.h. ob besonders große Empfindlichkeit oder Linearität zwischen auf die Lichtzelle auftreffender Lichtmenge und Ausgangsstrom der Röhre bestehen soll, so empfiehlt es sich doch im allgemeinen auch in der Praxis, die elektrische Brücke zunächst abzugleichen. Dies geschieht durch Einstellen des Kondensators 7, während die Lichtzelle im Dunkeln gehalten und das Ansprechen des Gefäßes 1 beobachtet wird, wie noch näher auseinandergesetzt werden soll.

Die Zweige der Brücke bestehen einerseits aus dem Kondensator 7 und dem Wicklungsteil 12, andererseits aus dem kapazitiven Weg zwischen Steuergitter 3 und Anode 4 der Röhre in Parallelschaltung zu der Photozelle 10 und dem Wicklungsteil 13. Die Zelle stellt im Dunkeln ebenfalls einen kapazitiven Widerstand dar, da ihr Ohmscher Widerstand dann unendlich oder fast unendlich groß ist. Um die für die Brückeneinstellung maßgebenden Widerstandsgrößen zu übersehen, sind die durch die Elektroden gebildeten Kapazitäten durch punktierte Kondensatoren C₂ und C₃ dargestellt. Die Gitterkathoden-

kapazität ist wegen ihrer Kleinheit fortgelassen. Die Heizkreisanschlüsse sind so gewählt, daß bei richtiger Einstellung des Kondensators die Brücke abgeglichen ist, in welchem Falle die Kapazität C₁ die Wirkung der Kapazitäten C₂ und C₃ aufhebt. Das Gitter erhält dann, wie ersichtlich, während der positiven Halbwellen des Wechselstromes keine Spannung. Wenn auch auf diese Weise

ίο das Gitter nicht geladen wird, so setzt doch normalerweise die Entladung im Entladungsgefäß ι ein, wenn nämlich die negative Gitterspannung dauernd positiver ist als ein kritischer Werty bei dem das Einsetzen der Entladung verhindert wird. Diese Verhältnisse gehen aus Abb. 2 deutlich hervor. Die Nulllinie der Spannung ist in ihr durch die obere parallel der Geraden c verlaufende Horizontale dargestellt. Kurve α stellt die Spannung dar, die die Anode des Gasentladungsrohres durch den Transformator erhält. Die gestrichelte Linie b zeigt die kritische negative Sperr- oder Zündspannung, die den Betrieb der Gasentladungsröhre unterbindet.

Ein Lichtbogen wird nur verhindert, wenn die Gitter.spannungskurve c nicht die kritische Spannungskurve b schneidet. Die Kurve c gilt für einen genauen Abgleich der Kapazitäten C₁ und C₂, C₃ und stellt, eine gerade Linie dar, die parallel zur horizontalen Achse verläuft. Ihre Lage hängt lediglich ab von dem Ableitungsstrom zwischen dem' Gitter und den übrigen Teilen der Röhre und von deh von der Kathode her auf das Gitter auftreffenden Elektronen. Es nimmt das Gitter etwa V₂ Volt negativer Spannung gegenüber der Kathode an. In Abb. 2 schneidet nun die Gitterspannungskurve c die Sperr- oder Zündspannungskurve b. Infolgedessen setzt der Lichtbogen ein und'fließt praktisch während des ganzen positiven· Teils der Halbwelle, wie durch die Schraffierung angedeutet ist.

Die in Abb. 2 wiedergegebenen Verhältnisse

liegen in der Praxis im allgemeinen vor, so daß also die bei verdunkelter Zelle abgeglichene Brücke nahezu den maximalen Anodenstrom in der Röhre 1 fließen läßt. Eine Steuerung ist dabei also nicht möglich. Für die praktische Verwendung muß also¹ die Kapazität C₂ und C₃ durch den Kondensator C₁ gerade so weit überkompensiert werden, daß bei verdunkelter Photozelle noch keine Zündung in Röhre 1 einsetzt.

Wird die Gasentladungsröhre jedoch durch eine gewöhnliche Hochvakuumröhre ersetzt, so ergibt der Versuch, was sich durch theoretische Überlegungen bestätigen läßt, daß die Spannung, die das Gitter bei abgeglichener Brücke annimmt, genügend negativ ist, um einen merklichen Stromfluß während des ganzen positiven Teils der Halbwelle zu verhindern. Während der negativen Halbwelle kommen weder bei dem einen noch bei dem anderen Rohrtyp aus bekannten Gründen Ströme zustande.

Erhält die Photozelle 10 durch die Lichtquelle 11 Licht, so sinkt ihr Widerstand erheblich; die Abgleichung der Brücke wird geändert, und das Gitter erhält eine Wechselspannung. Bei hinreichender Zellenbelichtung wird diese Spannung positiver als die Zündspannung b der Abb. 2, die nötig ist, um die gasgefüllte Röhre 1 in Betrieb zu setzen. Es setzt ein Lichtbogen ein, der bis zum Ende der positiven Halbwelle der Steuerung durch das Gitter nicht mehr unterliegt. Für Hochvakuumröhren gilt Sinngemäßes.

Diese Verhältnisse sind in Abb. 3 näher dargestellt. Ein Lichtbogen setzt nur ein, wenn die Gitterspannungskurve c die kritische Sperrspannungskurve b während des Intervalles schneidet, wo die Anode positiv ist. Es ist augenscheinlich, daß die Konstanten des Kreises, insbesondere auch die Anschlüsse des Heizfadens, so gewählt werden können, daß die gewünschte Art des Ansprechens der Anordnung erfolgt, so daß mittels der Entladungsröhre ein Relais oder irgendein anderer Nutzkreis 14 in Tätigkeit gesetzt wird. Die Phase des Stromteiles, der bei unbelichteter Zelle 10 über den Kapazitätsweg C₂, C₃ fließt, um den Stromteil, der über den Gitterkondensator C₁ fließt, aufzuheben, wird bei Belichtung der Zelle geändert, indem in dem Zweig, der die Kapazität C₂ enthält, ein Widerstand eingeführt wird, wodurch -die Gitterspannungskurve die in den Diagrammen A, B und C der Abb. 3 dargestellte Form erhält. Die Phasensteuerung des Gitters hat also ein verschiedenes Aussehen, je nachdem ob die Zelle Licht empfängt oder nicht. Wird die Belichtung der Zelle nun fortschreitend geändert, so ändert sich die Phasenbeziehung ebenfalls fortschreitend, und der mittlere Stromfluß durch das Entladungsrohr kann auf diese Weise gesteuert werden.

Es ist auch ersichtlich, daß die Phasenänderung der dem Gitter zugeführten Spannung ebenfalls durch den Kondensator 7 vorgenommen werden kann, wenn die Beiichtung der Zelle konstant ist. Sowohl durch Änderung der Lichtintensität als auch durch Änderung der Kapazität 7 kann der Anodenstrom von seinem Nullwert bis zu seinem Maximalwert geändert werden. Dies geht deutlich aus den Diagrammen^i, B und C der Abb. 3 hervor,' die die einzelnen Stufen der Phasensteuerung und die Stellen zeigen, an denen der Lichtbogen während der Wechselstromhalbwellen einsetzt. In Diagramm y4 besitzt die Gitterspannung eine Phasenverschiebung von annähernd i8o° gegen die

Anodenspannung; infolgedessen setzt der Strom erst gegen Ende der Halbwelle ein. In Diagramm B ist die Gitterspannung in der Phase etwas weiter voraus, so daß der Strom schon etwa in der Mitte der Halbwelle einsetzt, während in Diagramm C die Gitterspannung beinahe in Phase mit der Anodenspannung ist und der Strom faßt zu Beginn der Halbwelle einsetzt und also fast während

ίο der ganzen Halbwelle fließt. Der Strombetrag während jeder Halbwelle ist durch die schraffierte Fläche dargestellt. Der mittlere Strom ergibt sich durch das Integral über die Zeiteinheit. ' Der mittlere Strom ist also durch den Schnittpunkt der Gitterspannungskurve c und der kritischen Spannungskurye b gegeben, der seinerseits wieder bestimmt wird durch die Phasenverschiebung zwischen Gitterspannungskurve c und Anodenspannung a.

Es ist ohne weiteres verständlich, daß sowohl eine stetige Änderung des Ausgangsstromes durch eine stetige Änderung der Konstanten des Brückenkreises erfolgen kann, als auch eine plötzliche Änderung der Brückenkonstanten vorgenommen werden kann, z.B. indem die Zelle plötzlich verdunkelt und dann belichtet wird oder umgekehrt.

Die bisher beschriebenen Brückeneinstellungen ergeben höchste Empfindlichkeit der Anordnung. Die erfindungsgemäße Anordnung hat aber noch weitere Einstellungsmöglichkeiten, die ihre Anwendbarkeit noch vielseitiger machen. Es hat sich herausgestellt, daß der Kondensator nicht nur dazu benutzt werden kann, um die Kapazitäten C₂, C₃ so weit zu kompensieren, daß ein Maximum der Empfindlichkeit der Anordnung erzielt wird, sondern auch bei anderen Einstellungen dazu dienen kann, um eine mehr oder weniger lineare Beziehung zwischen Anodenstrom und Belichtung der Zelle herzustellen. Diese Kondensatoreinstellungen mögen mit Überneutralisation der Elektrodenkapazitäten C₂, C₃ bezeichnet werden. Es wurde gefunden, daß bei gewisser Einstellung, die von den charakteristischen Größen der Entladungsröhre, der Lichtzelle und der damit verbundenen Kreise abhängt, tatsächlich eine weitgehende Proportionalität zwischen Strom und Belichtung zu erzielen ist, die für viele Zwecke von Vorteil ist, z. B. wenn in einem Lampenkreis ein Widerstand ausgeschaltet werden soll durch eine Vorrichtung, die genau entsprechend den Änderungen der Belichtung durch die Entladungsröhre betätigt werden soll.

Abb. 4 zeigt hierzu drei Kurven, die den Anodenstrom in Abhängigkeit von der Belichtung der Photozelle bei verschiedener Überneutralisation der Elektrodenkapazität zeigen. Kurve d gilt für den Fall, daß die Kapazität C₁ auf den zehnfachen Wert der Kapazitäten C₂, C₃ eingestellt ist und zeigt tatsächlich einen fast geradlinigen Verlauf. Kurve e gilt für den Fall, daß C₁ doppelt so groß ist wie C₂, C₃, während Kurve/ den Fall einer nur geringen Überneutralisation zeigt, wie sie zur Erreichung größter Empfindlichkeit notwendig ist. Im Falle der Kurven e und f ergibt sich eine größere Empfindlichkeit der Anordnung, jedoch auf Kosten der Proportionalität und vorausgesetzt, daß im steilsten Teil der Kurve gearbeitet wird. Der beste Wert der Kapazität C₁ hängt deshalb von der Art ab, wie der Nutzkreis ansprechen soll. Dieser Kapazitäfswert muß aber in jedem Falle größer als C₂, C₃ sein, sonst fließt durch das Entladungsrohr dauernd der Maximalstrom, auch wenn keine Belichtung vorhanden ist. Die Notwendigkeit einer wenn auch geringen Überneutralisation wurde oben erörtert und ergibt sich deutlich aus den Spannungskurven der Abb. 5. Die Diagramme C-, H und / zeigen die Wirkungsweise der Anordnung nach Abb. 1 bei Unterneutralisation, genauer Neutralisation und Überneutralisation. Die Linien i, 2, 3 und 4 stellen in diesen Diagrammen die Gitterspannungen bei verschiedenen Graden der Belichtung dar, wobei die Linie 1 für die schwächste Belichtung gilt. Im Falle der Unterneutralisation und Neutralisation C- und H ist die Gitterspannung bei allen Belichtungen positiver als die kritische Zündspannung, so daß der Anodenstrom während der ganzen oder fast ganzen positiven Halbwelle fließt, wie aus den schraffierten Flächen ersichtlich ist. Bei Überneutralisation ergeben sich dagegen die durch die Kurve 7 veranschaulichten Betriebsbedingungen. Wie ersichtlich, verlagert sich in diesem Falle bei verschiedenen Graden der Belichtung der Schnittpunkt zwischen den Gitterspannungskurven'i, 2, 3 und 4 und der kritischen Spannungskurve b derartig, daß der Anodenstrom mit wachsender Belichtung immer früher in jeder Halbwelle einsetzt und infolgedessen der mittlere Strom zunimmt.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von gas- oder dampfgefüllten Röhren und photoelektrischen Zellen beschränkt, sondern kann auch in Verbindung mit Selenzellen oder, wie schon oben erwähnt, mit Hochvakuumentladungsgefäßen benutzt werden. Ferner ist die Anwendung des Neutralisierungskondensators auch bei kombinierten Lichtzellenverstärkeranordnungen, wenn sie mit Wechselstrom gespeist werden, gegeben.

Um den Anodenstrom bei einer bestimmten Belichtung der Photozelle abzuschalten, sind der Kondensator 7 und die Lichtzelle 10 zu vertauschen. Der Strom nimmt dann nicht mit wachsender Belichtung stetig ab,"sondern fällt bei einem kritischen Wert

der Belichtung von seinem vollen Wert auf Null. Die Lichtzelle muß in diesem Falle ein Zweiwegwiderstand sein, z. B. eine Selenzelle oder eine photoelektrische Zelle mit zwei; Elektroden, die mit lichtempfindlichem Ma-· terial bedeckt sind.

An Stelle der Photozellenströme können zwischen Gitter 3 und Anode 4 auch irgendwelche andere Steuer- oder Signalimpulse angewandt werden, die, falls sie stark genug sind, um die Brücke außer Gleichgewicht zu bringen, ebenfalls eine Stromleitung zwischen Kathode und Anode über den Nutzkreis hervorrufen.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Steuerung von unmittelbar wechselstromgespeisten, mit Steuergitter versehenen Entladungsröhren, insbesondere mit Gas- oder Dampffüllung und lichtbogenartiger Entladung, mittels an das Steuergitter angeschlossener Steuer- oder Signal vorrichtungen, vorzugsweise lichtelektrischer Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre mit ihrem Steuergitterkathodenkreis derart in einer von der gleichen Wechselspannungsquelle wie die Anode gespeisten phasenverschiebenden Kapazitätsbrücken-

   schaltung liegt, daß die'Kapazitäten von Gitter/Anode der Röhre (·ΐ) und von Steuermittel (10) durch die veränderliche

   • Kapazität (7) im Brückenzweig von Steuergitter/Kathode mindestens kompen-

   siert sind und die Phasenlage des Gitters gegenüber dem Anodenkreis der Röhre (1) durch das Steuermittel (10) mehr oder weniger sperrend beeinflußt wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strecke Gitterkathode der Entladungsröhre (1) die Diagonale einer Brückenschaltung bildet, deren an das Gitter angeschlossene Zweige durch das Steuermittel (10), vorzugsweise eine lichtelektrische Zelle, und den Kompensierungskondensator (7) und dessen an die Kathode angeschlossene Zweige durch Teile (12, 13) der Sekundärwicklung des die Gitter- und Anodenspannung liefernden Transformators (5) gebildet sind, während' die Anode der Entladungsröhre (1) über den Nutzkreis (14) an den Verbindungspunkt von Transformatorwicklung und Steuermittel (10) angeschlossen ist.
3. 3. Anordnung- nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung einer linearen Abhängigkeit zwischen Entladungsstrom im Gefäß und Belichtung einer lichtelektrischen Zelle (10) die Kompensierungskapazität (7) ein Mehrfaches. von Gitteranodenkapazität plus Zellenkapazität beträgt.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plätze von Kompensierungskapazität (7) und Steuermittel (10) gegeneinander vertauscht sind, und daß das Steuermittel (10) ein Zweiwegwiderstand ist, z. B. eine Selenzelle oder eine Photozelle, deren beide Elektroden mit lichtempfindlichem Material bedeckt sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen