-
Verfahren zur Steuerung von mit Steuerelektrode und elektronenemittierender
Kathode ausgerüsteten Gasentladungsrelais Das grundlegende Kennzeichen, durch welclies
sich die bekannten, mit Glühkathode ausgeriisteten gittergesteuerten Gasentladungsrelais
von Elektronenröhren unterscheiden, besteht darin, daß die Steuerelektrode während
des eigentlichen Entladungsvorganges unwirksam ist und nur das Einsetzen der Entladung
bestimmt. Um ein solches Gasentladungsr elais einer dauernden Steuerung unterwerfen
zu können, muß man es mit Wechselstrom oder unterbrochenem Gleichstrom betreiben,
damit die Entladung jeweils nach erfolgter Zündung wieder unterbrochen wird. Hierbei
entstehen dann zwischen den einzelnen Entladungen Löschperioden, innerhalb deren
die Entladungsröhre stromlos ist und in ihren Ausgangsstand zurückkehrt.
-
Damit die Steuerelektrode, welche während der Entladung das Sondenpotential
annimmt, in den beschriebenen Entladungspausen ihr negatives Ausgangspotential wiedergewinnt,
pflegt man sie über einen hohen Widerstand mit einer geeigneten Spannungsquelle,
z. B. einer Vorspannungsbatterie, zu verbinden. Bei 'Benutzung von mehreren derartigen
Entladungsröhren in Gegentaktschaltung hat man gelegentlich auch Anordnungen getroffen,
um jeweils die sondenmäßige Elektronenaufnahme des einen Gitters zur Erzeugung der
Vorspannung für das andere Gitter zu verwenden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine der Größe des Steuerstromes
weitgehende proportionale Steuerung von Gasentladungsröhren. der beschriebenen Art.
Bei Wechselstrombetrieb hat man eine solche bereits dadurch ermöglicht, daß man
die Steuerelektrode an den Mittelabgriff eines z. B. aus Kondensator und Reihenwiderstand
bestehenden Phasenschiebers legte; man konnte dann durch Beeinflussung eines dieser
beiden Glieder jede beliebige Phasendifferenz zwischen Steuerspannung und Anodenspannung
erzielen und auf diesem Wege die Phase des Zündungseintrittes und damit den entladungsfreien
Phasenwinkel in weiten Grenzen verändern. Diese Steuerungsmethode ist natürlich
nur für Wechselstrombetrieb verwendbar und sehr frequenzabhängig.
-
Die Erfindung betrifft ein neues, nicht auf elektrodynamischen, sondern
auf rein elektrostatischen Überlegungen aufgebautes Verfahren, das sich bei Gleich-
und Wechselstrom anwenden läßt, praktisch frequenzunabhängig ist und schön mit verschwindend
geringen Energien eine betriebssichere Steuerung ermöglicht. Aus dem letztgenannten
Grunde hat es sich u. a. besonders hei Benutzung von Photozellen als Steuerungsmittel
bewährt.
-
Nach der Erfindung wird auf die Steuerelektrode jeweils während der
Löschperiode der Hauptentladung über einen Kondensator ein vorübergehender positiver
Impuls übertragen. Hierbei nimmt die Steuerelektrode zur Erhaltung ihres Sondenpotentials
aus der Kathodenemission Elektronen auf, welche zunächst auf der an sie angeschlossenen
Kondensatorbelegung elektrostatisch gebunden
werden, dann aber beim
Abklingen des beschriebenen Impulses wieder auf die Zündelektrode zurückströmen
und diese negativaufladen. Die entstehende negative Auf-, ladung der Steuerelektrode
wird anschließelZ,d' während der Zündfähigkeitsperiode des Hauptentladungskreises
durch die Steuer= ströme, z. B. über eine Photozelle, wieder abgeführt. Hierbei
hält man das Potential der von der Steuerelektrode abgewandten Belegung des Kondensators
nahezu konstant. Je früher es bei dem Abführen der Steuerelektrodenaufladung zu
einer überschreitung ihres für .die Zündung der Hauptentladung kritischen Potentials
kommt, desto kürzer wenden die Entladungspausen.
-
Die Erfindung sei zunächst an Hand von Abb. i erläutert. Die gasgefüllte
Entladungsröhre i ist mit der Glühkathode 2, der Anode 3 und der die Glühkathode
2 korbartig umgebenden Steuerelektrode q. ausgerüstet. Sie liegt über die aus den
Drosseln 5 bis 8 und den Kondensatoren 9, io bestehende Drosselkette an Gleichspannung,
während eine Duddellsche Schwingschaltung, welche aus dem Kondensator i i und der
Selbstinduktion 12 besteht, parallel zu ihr gelegt ist. Die Steuerelektrode q. ist
über den Kondensator 13 und die Spule 1d. mit dem Kreis 1i, 12 gekoppelt und über
die Photozelle 15 mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden. Zur Messung
des das gesamte System durchfließenden Gleichstromes dient das Instrument 16, welches
durch einen Stromzähler oder (unter Fortlassung der Drosselkette 5 bis io j gegebenenfalls
auch durch ein Zählwerk ersetzt werden kann. Der Heizkreis für die Glühkathode :2
ist der Ü:bersichlichkeit halber nicht mit eingezeichnet. Die Wirkungsweise ist
folgende: Sobald die Glühkathode aufgeheizt ist und Spannung am Kondensator i i
liegt, wird zur Einleitung der nachstehend beschriebenen, selbsttätig periodisch
ablaufenden Vorgänge der Schalter 17 geschlossen. Hierbei entlädt sich der Kondensator
i i über die Selbstinduktion 12 und die Entladungsröhre i in Form einer Schwingung.
-
Durch den entstehenden Induktionsstoß wird der Schwingungskreis 1q.
angestoßen, so :daß er bei seinem Ausschwingen in der Zeitspanne, wo die Spannung
an der Entladungs@strecke i Null wird bzw. ihre Polarität umkehrt, d. h. innerhalb
der Löschperiode, einen positiven Impuls auf den Kondensator 13 überträgt,
der die Steuerelektrode zu einer Elektronenaufnahme aus der Glühkathodenemission
veranlaßt; näch Abklingen der Schwingung besitzt die Steuerelektrode infolgedessen
eine negative Rufladung, welche das Entladungspotential der Röhre i so stark erhöht,
daß das Einsetzen einer neuen Entladung zunächst unmöglich gemacht wird. Erst wenn
diese Aufladung über die Photozelle 15 wieder abgeflossen ist, vermag sich der beschriebene
Vorgang zu wiederholen. Es fließen infolgedessen durch die Entladungsröhre i periodisch
Stromstöße, deren Frequenz von der Beleuchtung der Photozelle 15 abhängt und dieser
im wesentlichen proportional ist. Da bei jeder Entladung die gleiche Elektrizitätsmenge
gefördert wird, ist auch der Ausschlag des Instrumentes 16 der Beleuchtung der Photozelle
15 proportional.
-
An Stelle einer Duddellschen Selbstunterbrecherschaltung kann natürlich
auch jede andere Selbstunterbrecherschaltung verwendet werden. Wichtig im Sinne
.der Erfindung ist nur, daß während der durch die Selbstunterbrechung erzeugten
Entladungspause kapazitiv ein von positiven nach negativen Werten hin sich verschiebendes
Potential auf die Steuerelektrode q. übertragen wird.
-
Ein für Wechselstrombetrieb geeignetes Schaltungsbeispiel zeigt Abb.2.
Die Entladungsröhre 18 ist wiederum mit einer Glühkathode i9 und einer Anode 2o
ausgerüstet. Sie enthält außerdem eine rohrförmig den Entladungsweg umgebende Steuerelektrode
21. In ihrem Anodenkreis liegt der Belastungswiderstand 22. Parallel zu den Netzklemmen
23 ist ein kleiner Transformator 24. mit stark übersättigtem Kern geschaltet, dessen
Sekundärende über den Kondensator 25 mit der Steuerelektrode 2i verbunden ist. Die
Steuerelektrode 2i ist wiederum über eine Photozelle 26 nach der Anode hin abgeleitet.
-
Die Wirkungsweise dieser zweiten Schaltung sei an Hand des in Abb.
3 dargestellten Diagramms erläutert, in dem die ausgezogene Linie 27 die Spannungskurve
des Netzes, die punktierte Linie 28 den Verlauf des Zündungspotentials der Steuerelektrode
?i, die gestrichelte Linie 29 die auf der Sekundärseite des Transformators 24 erzeugte
Spannung und die strichpunktierte Linie 3o den Potentialverlauf der Steuerelektrode
2i darstellt. Im schraffierten Teil der Kurve 27 wird die Röhre i von einer Entladung
durchflossen.
-
Der Transformator 2q. sei so bemessen, daß seine Primärwicklung bereits
bei 8 bis ioVolt Primärspannung einen Strom führt, der zu voller magnetischer Sättigung
des Kernes führt. Der Transformator liefert dann ausschließlich innerhalb der Löschperioden
steile Spannungsspitzen auf den Kondensator 25. Zu Beginn desjenigen Wechsels, in
dem die Glühkathode ' i9 negativ wird, überträgt er auf den Kondensator 25 innerhalb
der Lösch= periode einen positiven Impuls, der die
Steuerelektrode
21 zu einer Elektronenaufnahme aus der Emission der Glühkathode z9 v eranlaßt. Mit
absinkender Transformatorspannung strömen diese Elektronen wieder auf die Steuerelektrode
zurück und erteilen dieser eine hohe negative Auf ladung, wie man aus dem Verlauf
der strichpunktierten Linie 30 erkennt. Diese Aufladung fließt dann über
die Photozelle 26 wieder ab. Je nach Stärke des Photostromes verläuft dabei der
schräge Ast der strichpunktierten Potentiall:urve 3o mehr oder weniger steil. Sobald
er die punktierte Kippspannungskurve schneidet, setzt die Entladung ein.
-
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, claß man die Steuerung
über mehrere Perioden ausdehnen kann. Zu diesem Zwecke legt man den Hilfstransformator
24 mit der Entladungsröhre 18 in Reihe und schaltet ihn so, daß er beim Verlöschen
der Entladung die in Abb. 3 gezeichnete steile positive Halbwelle auf den Kondensator
25 liefert. Es kommt dann, gegebenenfalls auch über mehrere Halbwechsel hinweg,
zu keiner Neuzündung, bevor die negative Aufladung der Steuerelektrode 2z wieder
über die Photozelle 26 abgeflossen ist.
-
Da die Steilheit, mit welcher das Steuerelektrodenpotential nach erfolgter
negativer Aufladung wieder absinkt, nicht nur von der Stärke .des Photostromes der
Zelle 26, sondern auch von der Kapazität des Kondensators 25 abhängt, kann die Schaltungsempfindlichkeit
durch passende Einstellung dieses Kondensators leicht an die jeweils vorhandenen
Verhältnisse an.gepaßt werden. In Abb. 2 ist der Kondensator 25 deshalb als Drehkondensatori
gezeichnet.
-
Die Anwendbarkeit der Erfindung beschränkt sich natürlich nicht nur
auf Steuerungen mit Hilfe von Photozellen. Vielmehr können die in den Abbildungen
gezeichneten Photozellen ebensogut durch andere Entladungsstrecken (Elektronenröhren,
Ionisationskammer u. dgl.) oder auch durch irgendwelche hohe Widerstände ersetzt
werden. Ersetzt man in der oben besprochenen, zur Durchsbeuerung über mehrere Perioden
abgewandelten Schaltung der Abb. 2 die Zelle durch einen passend bemessenen Widerstand,
so erhält man z. B. eine Frequenzabbauschaltung.
-
Um die vielseitige Anwendbarkeit der Erfindung aufzuzeigen, sei zum
Schluß noch ein Spezialbeispiel aufgeführt. Für die automatische Bedienung von Eisenbahnschranken
besteht die Forderung, daß die Schranke nur dann geschlossen wird, wenn die Taststelle
vom Zuge in einer bestimmten Richtung überfahren wird. Diese Aufgabe löst die in
Abb. 4 dargestellte Schaltung. Die beiden Entladungsröhren 3z und 32 liegen in Reihe
an Gleichspannung: Ihr Stromkreis umfaßt außerdem noch den zur Bewegung der Schranke
dienenden Motor 33 und den Schalter 3q.. Die Steuerelektrode des Rohres
31
ist über die Spule 35 negativ vorgespannt, so daß das Zündpotential dieses
Rohres über der Betriebsspannung liegt. Die Steuerelektrode des Rohres 32 ist über
den hohen Widerstand 36 mit der Kathode verbunden, so daß die Zündspannung dieses
Rohres normalerweise sehr tief liegt. Über die Spule 37 und den Kondensator 38 kann
dieser Steuerelektrode jedoch ein Potential aufgeprägt werden.
-
Die Spulen 35 und 37 seien im Abstande von einigen Metern zwischen
den Schienen angebracht. Gleitet dann die dauernd von einem hoch- oder mittelfrequenten
Wechselstrom durchflossene, beispielsweise auf der Lokomotive angeordnete Spule
39 in Richtung des Pfeiles q:o über diese Spulen hinweg, so erzeugt sie zunächst
über die Spule 35 an der Steuerelektrode der Röhre 3i ein der Vorspannungs.batterie
entgegengesetztes Potential, durch das dieses Rohr 31 zum Zünden gebracht wird.
Da das andere Rohr 3a sofort mitzündet, wird der Motor 33 in Gang gesetzt und die
Schranke geschlossen. Beim Ankommen in ihrer Endlage öffnet sie dann den Schalter
3.4.
-
Gleitet die Spule 39 hingegen in der vom Pfeile 40 entgegengesetzten
Richtung über die Spulen 35 und 37 hinweg, so wird zunächst über die Spule 3.7 und
den Kondensator 38 ein positiver Impuls auf die Steuerelektrode des Rohres
32 übertragen, der zu einer Elektronenaufnahme seitens der Steuerelektrode
und zu einer Blockierung -dieses Rohres führt. Wenn hierauf in der beschriebenen
Weise die Zündelektrode des Rohres 3 t kurzzeitig positiv wird, so kann dies infolgedessen
zu keiner Zündung mehr führen. Die negative Aufladung der Steuerelektrode des Rohres
32 fließt über den Widerstand 36 langsam wieder ab, so daß die Anlage nach einigen
Sekunden wieder im Normalzustand ist.