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Einrichtung zum Abschalten eines elektrischen Stromkreises bei Unter-
oder Überschreiten von Sollwerten der Stromstärke Die Erfindung bezieht sich auf
eine Einrichtung zum Abschalten eines elektrischen Stromkreises, sobald die Stromstärke
einen vorgegebenen Sollwert unter- oder überschreitet. Zu diesem Zweck wird nach
der Erfindung von dem diskontinuierlichen Verlauf der Stromspannungskennlinie einer
besonders ausgebildeten elektrischen Entladungsröhre Gebrauch gemacht. Dabei wird
von der Erkenntnis ausgegangen, daß bei einer elektrischen Entladungsröhre, bei
der die positive Säule oder ein Teil derselben von einem Rohr aus metallisch leitendem
Werkstoff umgeben ist, die Entladung bei geringen Spannungsabfällen je Zentimeter
Bogenlänge axial durch das Metallrohr hindurchgeht, mit wachsendem Spannungsabfall
der positiven Säule dann aber bei einem ganz bestimmten Grenzwert der Stromstärke
plötzlich auf die Endteile des Metallrohres umspringt. Überraschenderweise wächst
bei diesem Umspringen der Entladung der elektrische Widerstand der Entladungsröhre
sprungartig an, und außerdem tritt die Erscheinung auf, daß nunmehr die Entladung
nur noch durch eine wesentlich höhere, z. B. um 301/" höhere Röhrenspannung aufrechterhalten
werden kann. Ist im Augenblick des Stromüberganges auf das Metallrohr diese höhere
Mindestspannung nicht an der Röhre vorhanden, so erlischt die Entladung. In Ausnutzung
dieser Erscheinung wird nach der Erfindung vorgeschlagen, eine derart ausgebildete
elektrische Entladungsröhre zum Abschalten des Stromkreises zu benutzen.
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Bei Entladungsröhren, bei denen der Spannungsabfall in der positiven
Säule mit der Stromstärke zunimmt, tritt das Umspringen der Entladung auf die Endteile
des Metallrohres dann ein, wenn die im Stromkreis aus irgendwelchen Gründen anwachsende
Stromstärke auf einen bestimmten Höchstwert angelangt ist; umgekehrt erfolgt dieses
Umspringen der Entladung bei Entladungsröhren mit fallender Stromspannungskennlinie
dann, wenn die im Stromkreis fallende Stromstärke auf einen bestimmten Mindestwert
herabgesunken
ist. Im ersteren Falle wirkt die Einrichtung als überstromäbschalter,
im zweiten Falle als Unterstromabschalter.
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Es hat sich gezeigt, daß man die Grenzstromstärke, bei der die Entladung
auf das Metallrohr umspringt, innerhalb weiter Grenzen beliebig einstellen kann,
indem man entweder den Durchmesser des Metallrohres, die Länge desselben oder :die
Art und den Druck der Röhrenfüllung ändert. Dabei kann die Röhrenfüllung aus Gasen,
Dämpfen oder Gasdampfgemischen bestehen. Auch können die außerhalb des Metallrohres
in den Enden der Entladungsröhre angeordneten Elektroden entweder als kalte Elektroden
oder als Glühelektroden ausgebildet sein.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfinclung läßt sich durch die gleichzeitige
Verwendung von zwei verschiedenen, nach der Erfindung beschaffenen und eingestellten
Entladungsröhren ein bestimmter, nach oben und unten abgegrenzter Betriebsstroinbereich
festlegen. Zu diesem Zweck werden eine auf den zulässigen Höchststrom eingestellte
Entladungsröhre mit steigender Stromspannungskennlinie und eine zweite, auf den
zulässigen Mindeststrom eingestellte Entladungsröhre mit fallender Stromspannungsk
ennlinie in den Betriebsstromkreis in Reihe eingeschaltet. Die erstere unterbricht
den Stromkreis beim t?berschreiten des Höchststronigrenzwertes, die zweite beim
Unterschreiten des Mindeststroing reilzwer tes.
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Das die positive Säule oder einen Teil derselben umgebende Metallrohr
kann aus einem Vollzylinder, der gegebenenfalls selbst die Gefäßwandung bildet,
oder aus einer Draht-Wendel oder aus einem auf de Glasrohrinnenwand aufgebrachten
Metallbelag bestehen oder auch aus einem Metallnetz aufgebaut sein, z. B. um Lichtstrahlung
durchzulassen. Wesentlich ist nur, daß die positive Säule innerhalb eines metallischen
Stromleiters verläuft.
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Da nach dem selbsttätigen Erlöschen der Entladungsröhre und Stromloswerden
des Kreises nun die volle Anschlußspannung an der Entladungsröhre liegt, muß ihre
Zündspannung höher als die Anschlußspannung >ein, wenn der Stromkreis abgeschaltet
bleiben, also eine sofortige Wiederzündung Jer Entladungsröhre vermieden werden
soll. Zur Inbetriebsetzung eines solchen Stromcreises muß daher ein die Zündung
der'Entad.ingsröhre herbeiführendes Mittel zu Hilfe ;enommen werden, z. B. eine
vorionisierende Hochfrequenzduelle oder eine Zündeinrichtung, lie einen Hochspannungsstoß
an die Röhre egt. Dieses Zündhilfsmittel wird natürlich lach erfolgter Zündung .der
Röhre von Hand )der selbsttätig außer Betrieb gesetzt. Die diskontinuierlich verlaufende
Stromspannungskennlinie einer Entladungsröhre mit die positive Säule umschließendem
Metallrohr läßt sich aber auch z,zr Erzeugung von Kipp-Schwingungen benutzen. Zu
diesem Zweck wird beispielsweise eine Entladungsröhre mit ansteigender Stromspannungskennlinie
verwendet und ferner :der elektrische Widerstand im Betriebsstromkreis so klein
,bemessen, @daß der Entladungsstrom nach erfolgter Zündung der Entladungsröhre sofort
öder gegebenenfalls etwas verzögert auf den eingestellten Höchststromwert ansteigt
und dabei die Entladungsröhre zum Erlöschen bringt. Ist nun die Entladungsröhre
so ausgebildet, ,daß ihre Zündspannung bzw. Wiederzündspannung unter der Anschlußspannung
liegt, so zündet die Entladungsröhre sofort wieder, und das Spiel wiederholt sich
von neuem: die Entladungsröhre schaltet sich also selbständig abwechselnd ein und
aus. Die Frequenz dieser Kippschwingung der gebebenenfalls zum Blinken dienenden
Entladungsröhre läßt sich beeinflussen, etwa durch ein das Anwachsen des Stromes
verzögerndes Mittel, z. B. durch einen Vorschaltwiderstand mit stark fallendem Ternperaturwiderstandskoeffizienten
oder eine Kondensatorwiderstandskombination. Unter Umständen kann ein gegebenenfalls
verzögert arbeitendes Wiederzündmittel benutzt werden, wobei dann ,die Wiederzündspännüng
der Schwingungsröhre auch über der Anschlußspannung liegen darf.
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Auch mittels einer Entladungsröhre mit fallender Stromspannungskenniinie
und unter der Anschlußspännung liegender Wiederzündspannung lassen sich Kippschwingungen
erzielen. In diesem Falle muß aber der Entladungsröhre ein Hilfswiderstand mit stark
steigendem Temperaturwiderstandskoeffizienten vorgeschaltet werden, so daß nach
der Zündung der Entladungsröhre der anfangs auftretende, verhältnismäßig große Strom
infolge der Widerstandszunahme des Hilfswiderstandes mehr und mehr gedrosselt wird
und schließlich bis zurr eingestellten Mindeststromwert absinkt, wobei dann die
Entladungsröhre erlischt. Da aber ihre Wiederzündspannung unterhalb der Anschlußspanüung
liegt, kommt sie wieder zum Zünden, aber erst dann, wenn der Widerstandswert des
Hilfswiderstandes so stark gesunken ist, z. B. durch Abkühlung, daß eine bestimmte
Stromstärke; z. B. von 30 niA bzw. von mehr als 3o mA, auftreten kann. Die
Entladungsröhre wird also abwechselnd zünden und erlöschen.
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Ein wesentlicher Vorteil, den eine nach der Erfindung ausgebildete
und eingestellte Elitladungsröhre gegenüber den in bekannter
Weise
als Schaltmittel benutzten Entladungsröhren ohne Metallrohreinlage bietet, liegt
darin, daß die Schaltwirkung weitgehend unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannung
ist, sofern dieselben sich innerhalb eines begrenzten Bereiches halten, wie das
meist der Fall ist. `° Die neue Einrichtung hat sich besonders bei Gleichstrombetrieb
bewährt, sie kann aber auch für Wechselstrombetrieb Verwendung finden.
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Auf der Zeichnung sind in der Abb. i die Stromspannungskennlinien
von zwei als Ausführungsbeispiele gewählten, nach der Erfindung ausgebildeten Entladungsröhren
veranschaulicht.
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Die Kurve x ergibt sich bei einer nach der Erfindung ausgebildeten
Entladungsröhre mit steigender Stromspannungskennlinie, also beispielsweise bei
einer Entladungsröhre mit einem Innendurchmesser" von z cm, einer Füllung aus Neon
und 0,41/o Argon und einem Füllungsdruck von q. inm.
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Die Kurve y erhält man bei einer nach der Erfindung ausgebildeten
Entladungsröhre mit fallender Stromspannungskennlinie, also beispielsweise einer
Entladungsröhre, die mit reinem Neongas von 6 mm Druck gefüllt ist.
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Die normale Betriebsstromstärke soll bei beiden Entladungsröhren etwa
:Io mA sein. Im ersteren Falle ergibt sich beim Ansteigen des Betriebsstromes auf
etwa 5o mA und im zweiten Falle beim Absinken des Betriebsstromes auf etwa
30 inA ein sprungartiges Anwachsen des Spannungsbedarfes der Entladungsröhre
und, wenn diese höhere Spannung bei diesen Stromstärken nicht an .der Röhre vorhanden
ist, ein Erlöschen der Entladung.
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Bei Verwendung einer Entladungsröhre mit fallender Kennlinie y kann
unter Umständen bei einer hohen Anschlußspannung der Fall eintreten, daß die Entladung
nicht erlischt, sondern auf einen Punkt des oberen Teiles der Kennlinie umspringt,
also mit hoher Spannung und geringem Strom weiterbrennt. Dies ist dann möglich,
wenn der obere Teil der Kennlinie y von der sogenannten Widerstandsgeraden z geschnitten
wird. Diese Widerstandsgerade .s wird erhalten, wenn man in Abhängigkeit von der
Stromstärke i den Spannungsunterschied zwischen der Anschlußspannung und dem Spannungsabfall
am Gesamtwiderstand R des Stromkreises aufträgt, wobei die Entladungsröhre nicht
mitgerechnet wird. Die Widerstandsgerade stellt also E-i d2 als Funktion von i dar.
Es ,gelingt aber in fast allen Fällen, die Entladungsröhre so auszubilden, daß ihr
oberer Teil der Kennliniey nicht von der Widerstandsgeraden geschnitten wird, daß
also .die Entladung beim Absinken des Stroms bis zum Kennliniensprung erlischt.
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In Abb. a ist als Ausführungsbeispiel eine nach der Erfindung ausgebildete
Einrichtung für Dauerabschaltung schematisch dargestellt.
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In die aus Glas bestehende Entladungsröhre i ist ein Metallrohr 2
eingeschoben, das an der- Innenwand der Glasröhre i anliegt und die positive Säule
umschließt. Die beiden Elektroden 3 sind über den Verbraucher . die Drosselspule
5 und den regelbaren Ohmschen WiderstandA mit den Sekundärklemmen des Schalters
7 verbunden, der an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist. Ferner ist ein Zündschalter
8 vorgesehen, mit dem die Drosselspule unmittelbar an ,das Gleichstromnetz gelegt
und durch Wiederausschaltung in bekannter Weise ein Hochspannungszündstoß erzeugt
werden kann. Die Spannung der Gleichstromquelle beträgt 300 Volt, die Zündspannung
der Entladungsröhre, die die fallende Stromspannungskennlinie y der Abb. i aufweisen
soll, etwa 400 Volt.
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Die Wirkungsweise der in Abb. 2 dargestellten Einrichtung ist wie
folgt: Nach Schließen des Netzschalters 7 wird der Zündschalter 8 geschlossen und
kurz darauf wieder geöffnet und dadurch die Entladungsröhre i gezündet. Der elektrische
Gesamtwiderstand des Stromkreises ist so bemessen, daß nach erfolgter Zündung der
Entladungsröhre i sofort eine Stromstärke von etwa .4o mA auftritt. Dieser Stromkreis
weist also die in der Abb. i eingetragene Widerstandsgeradez auf, die bei .4o mA
im Punkte a die Kurve y schneidet, den oberen Ast der Kurve y aber nicht berührt.
Wenn nun die Stromstärke im Stromkreis auf etwa 30 mA absinkt, beispielsweise
weil ,der elektrische Widerstand des Verbrauchers d. unzulässig hoch ansteigt, so
erlischt die Entladung, weil bei dieser Grenzstromstärke der Spannungsbedarf der
Entladung sprungartig ansteigt und die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderliche
hohe Spannung nicht an der Röhre vorhanden ist. Nach dem Stromloswerden des Stromkreises
tritt zwar sofort an der Entladungsröhre i die volle Netzspannung von
300 Volt auf; diese reicht aber zur Zündung nicht aus, der Stromkreis bleibt
also stromlos. Zur Wiederinbetriebsetzung ist eine erneute Betätigung des Zündschalters
8 erforderlich.
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Die Entladungsröhre kann bei einer nach . der Erfindung ausgebildeten
Schaltereinrichtung statt unmittelbar im Betriebsstromkreis auch im Ne#benschluß
zu einem Widerstand des Betriebsstromlzreises liegen oder über einen Hilfstransformator
gespeist sein, dessen Primärwicklung im Betriebsstromkreis liegt. Die Abschaltung
des Betriebsstromkreises erfolgt
dann mittels eines vom Strom im
Nebenschlußkreis gesteuerten Schalters. Bei dieser Trennung des Betriebsstromkreises
vom Steuerstromkreis; in dem die Entladungsröhre liegt; können selbstverständlich
die Betriebsstromstärken in beiden Kreisen unabhängig voneinander gewählt, also
Relaiswirkungen erzielt werden.
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Besonders wirksam läßt sich die Stromspannungskennlinie einer Entladungsröhre
mit die positive Säule innschließendem Leiter dann beeinflussen, wenn statt eines
einzigen Metallrohres zwei oder mehrere in Abständen hintereinandergestellte Metallrohre
verwendet werden. Die Anordnung kann dabei so getroffen sein, daß heim Erreichen
des Grenzstromwertes die Entladung auf sämtliche Metallrohre gleichzeitig umspringt,
selbstverständlich aber nur dann, wenn die dazu erforderliche, nunmehr sehr hohe
Überspannung an der Röhre vorhanden ist. Es bilden sich dabei außer den beiden Entladungen
von den Elektroden zu dem äußeren Metallrohr auch noch Teilentladungen zwischen
den einzelnen Metallrohren aus. Durch die Verwendung mehrerer Metallrohre müssen
also nach dem Umspringen der Entladung mehr als zwei Teilentlädungsstrecken überwunden
werden, wodurch der Spannungsbedarf beim Umspringen der Entladung wesentlich größer
ist als bei einer Entladungsröhre mit nur einem Metallrohr: Verwendet man mehrere
Metallrohre mit verschiedenen Durchmessern und verschiedenen Längen, so läßt sich
erreichen, daß das Umspringen der Entladung auf die verschiedenen Rohre bei verschiedenen
Stromgrenzwerten erfolgt, also der Spannungsbedarf der Entladungsröhre stufenweise
ansteigt. Eine derart ausgebildete Entladungsröhre wirkt auch in Art eines Stromreglers
mit sehr steiler Kennlinie, also ähnlich wie ein Eisenwasserstoffwiderstand. Eine
solche Entladungsröhre nimmt nämlich, sobald die Stromstärke ansteigt, stufenweise
eine immer größere Spannung auf, wodurch sie dem Anwachsen des Stromes im Stromkreis
entgegenwirkt. Beim Sinken der Stromstärke im Stromkreis gibt die Entladungsröhre
umgekehrt stufenartig Spannung an die übrigen Widerstände der Stromkreises ab, trägt
also auch hier zur Konstanthaltung,des Stromes bei.
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Eine nach der Erfindung ausgebildete Entladungsröhre kann auch als
Temperaturrelais dienen; nämlich dann, wenn sie einen verdampfbaren Stoff enthält,
.der bei Aufheizung des Lampengefäßes entweder einen so hohen Dampfdruck erzeugt,
daß die mit dem Dampfdruck ansteigende Brennspannung den Betriebsstrom bis auf den
Mindestgrenzstromwert herabdrückt, oder wenn der Metallbodenkörper einen Dampf liefert,
der die Leitfähigkeit der Röhrenfüllung erhöht und dadurch die Stromstärke im Stromkreis
bis auf den Höchstgrenzstromwert anwachsen läßt.