DE687263C - Dampf- oder gasgefuelltes Entladungsgefaess mit lichtbogenartiger Entladung, Gluehkathode und Steuergitter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf gittergesteuerte Entladungsgefäße mit Dampf- oder Gasfüllung, lichtbogenähnlicher Entladung und Glühkathode und bezweckt, in derartigen Gefäßen den Steuervorgang von thermischen und von elektrostatischen Einflüssen, wie sie im wesentlichen von Kathode und Anode bestimmt sind, unabhängig zu machen.
Entladungsgefäße der oben bezeichneten Art enthalten als Gasfüllung ein ionisierbares Medium, beispielsweise Quecksilber oder Argon, von einem Gasdruck, der genügend hoch ist, um eine lichtbogenartige Entladung aufrechterhalten zu können. Die Gefäße besitzen im allgemeinen eine ebene oder schwach fallende Stromspannungscharakteristik.

Die Entladungsstromstärke läßt sich in derartigen Gefäßen nicht unmittelbar steuern. Das Gitter kann jeweils nur das Einsetzen der Entladung regeln und hat, nachdem diese einmal eingesetzt hat, überhaupt keinen Einfluß mehr. Die Entladung erlischt erst wieder, wenn die Anodenspannung verschwindet. Bei Anlegen einer Wechselspannung. an die Röhre kann das Gitter das Einsetzen der Entladung in jeder positiven Halbwelle der Speisewechselspannung bewirken und damit den hindurchzulassenden Teil dieser positiven Halbwelle bestimmen. Auf diese Weise wird eine Steuerung des Mittelwertes der Entladungsstromstärke ereicht.

In den bisher bekannten Entladungsgefäßen liegt das Gitter meist so zwischen der Kathode und der Anode in der Entladungsbahn, daß die Ausbildung des zur Steuerung des Elektronenstromes erforderlichen Feldes über eine große Breite der Entladungsbahn gewährleistet ist. Das Gitter ist infolgedessen in den meisten Fällen ziemlich groß.

Es hat sich nun gezeigt, daß der Steuer-Vorgang in der Röhre wegen der Lage und wegen der Größe des Gitters nicht nur temperaturempfindlich ist, sondern auch von zwischen Kathode und Anode stets übergehenden geringen Strömen gestört werden kann. Weiterhin gibt auch das von der Kathode abdampfende, sich auf dem Steuergitter niederschlagende emittierende Material Anlaß zu Störungen. Wenn das Gitter gegen die von Kathode und Anode ausgestrahlte Hitze nicht genügend abgeschirmt ist und heiß wird, kann das auf dem Steue'rgitter niedergeschlagene emittierende Material zu einer Gitteremission Anlaß geben, die dem durch entsprechende

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Aufladung des Gitters bestimmten SteuerefEekt entgegenwirken kann.

Auch die Kapazität zwischen dem Steuergitter und einer der Anoden oder der Kathode kann, obgleich sie verhältnismäßig gering ist, den Steuervorgang in schädlicher Weise beeinflussen, da die elektrische Induktion zwischen diesen verschiedenen Elektroden bei einem plötzlichen hohen Spannungswechsel ίο bzw. einem Wechsel in der Leitfähigkeit des Gefäßes oder angeschalteter benachbarter Gefäße sehr erheblich werden kann. Wenn nämlich ein Entladungsgefäß in einer Anordnung von mehreren Röhren durch Aufdrücken einer bestimmten Spannung auf das Steuergitter gezündet wird, so bricht die an dem Entladungsgefäß liegende, unter Umständen sehr hohe Spannung augenblicklich auf den verhältnismäßig kleinen Wert der Brennspannung von ungefähr io bis 20 Volt zusammen. Dieser plötzliche Spannungswechsel erzeugt häufig in einem oder mehreren der angeschalteten anderen Gefäße einen Spannungsstoß, der ein vorzeitiges Zünden dieser Gefäße oder überhaupt das einwandfreie Arbeiten der Gitter, eben wegen der elektrostatischen Induktion zwischen den Gittern und den dazugehörigen Hauptelektroden, in Frage stellt.

Gemäß der Erfindung wird ein exaktes Steuern des Entladungsstromes dadurch erreicht, daß in dem Entladungsgefäß außer dem Steuergitter eine weitere an Spannung gelegte Hilfselektrode in solcher Anordnung und Ausbildung zwischen dem Steuergitter und der Kathode vorgeshen ist, daß die Entladung beim Durchgang durch die Steuergitteröffnung bzw. -öffnungen von der Hilfselektrode auf einen kleineren Querschnitt eingeengt ist, als der Durchlaßöffnung bzw. den Durchlaßöffnungen des Steuergitters entspricht. Außer der exakten Steuerbarkeit besitzt das Entladungsgefäß nach der Erfindung noch den Vorteil, daß es schon auf schwächste Energieschwankungen im Steuergitterstromkreis anspricht.

Die Hilfselektrode ist zwischen Steuergitter und Kathode angeordnet und schirmt damit das Steuergitter gegen die Kathode ab. Die Hilfselektrode hat dabei eine geringere Durchlaßöffnung als das Steuergitter und engt damit die Entladung auf einen kleineren Querschnitt ein, als der Steuergitterlochweite entspricht. Auf diese Weise wird erreicht, daß etwa von der Kathode abdampfendes Material nicht auf das Steuergitter gelangen kann.

In vielen Fällen ist es zweckmäßig, die Hilfselektrode aus mehreren Teilen derart auszubilden, daß ein Teil zwischen Steuergitter und Kathode und ein anderer Teil zwi-.sehen Anode und Steuergitter liegt. Es ist auch vorteilhaft, der Hilfselektrode die Form eines die Entladungsbahn und vorzugsweise auch Anode und Kathode umgebenden Zylinders zu geben, der in seinem Inneren senkrecht zur Entladungsbahn zwei in Abstand voneinander befindliche Querplatten mit Durchtrittsöffnungen für die Entladung aufweist. Zwischen den Querplatten ist das durch eine seitliche Öffnung im Zylindermantel eingeführte, nur kleine Steuergitter angebracht.

Von besonderem Vorteil ist es, den quer zur Entladungsbahn liegenden Teil der Hilfselektrode bzw. ihre quer zur Entladungsbahn liegenden Teile nur mit einer zentralen Öffnung zu versehen, derart, daß die Entladung zwischen Kathode und Anode auf einen einzigen schmalen Pfad zusammengedrängt wird, so daß zur Steuerung ein verhältnismäßig kleines, nur wenig Energie verbrauchendes Steuergitter mit ebenfalls nur einer Durchtrittsöffnung für die Entladung notwendig ist. Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung erläutert werden. Abb. I zeigt teilweise im Schnitt und teilweise in der Draufsicht eine mögliche Ausführungsform eines Entladungsgefäßes nach der Erfindung und den Aufbau des Anoden- und Steuerstromkreises, wie er bei Röhren gemäß der Erfindung verwandt werden kann. Abb. 2 zeigt einen Teil der Gitteranordnung perspektivisch, und in Abb. 3 ist eine weitere Schaltanordnung mit einem Entladungsgefäß gemäß der Erfindung dargestellt.

In Abb. ι bedeutet 1 die Wandung eines Entladungsgefäßes mit einem Quetschfuß 2,3. In dem Gefäß sind eine Glühkathode 4, ein Steuergitter 5 und eine Anode 6 angeordnet. Die Kathode ist indirekt geheizt und weist einen in den Zylinder 8 eingeschlossenen Heizkörper 7 und radiale Querwände 9 auf. Ein Metallzyiinder umgibt diese Querwände und bildet so eine Anzahl von Hohlräumen, die mit emittierendem Material, beispielsweise einem Erdalkalioxyd, überzogen sind. Die Kathode wird von dem Quetschfuß mittels steifer Drähte 10 getragen, von denen ein paar gleichzeitig als Stromzuführungen dienen können. Ein Schirm H₁. vorzugsweise aus Metall, kann an einem dieser Leiter befestigt werden, um den Quetschfuß vor der von der Kathode ausgestrahlten Hitze zu schützen.

Die Anode 6 besitzt die Form eines flachen, am Rande nach oben gebogenen Metallstückes und ist karbonisiert oder auf irgendeine andere Weise mit Kohlenstoff überzogen. Die Anodenzuführung 12 trägt die Anode und ist am entgegengesetzten Ende wie die Kathode in das Glasgefäß eingeschmolzen. Das Steueritter 5. besteht aus einer kleinen Metalldrahtschraube oder einer Mehrzahl von verhältnismäßig dünnen Drahtringen, welche untereinander in der Längsrichtung durch starre

Drähte 13 zusammengehalten werden. - In der in der Abbildung dargestellten Ausführungsform ist jede Drahtwindung an die Drähte 13 angeschweißt. Das Steuergitter besitzt einen verhältnismäßig geringen Durchmesser, ist aber doch so groß, daß es die gesamte zwischen Kathode und Anode übergehende Entladung umfaßt. Gehalten wird das Steuergitter durch eine starre in den Glasarm 15 eingeschmolzene Stromzuführung 14.

Das Entladungsgefäß enthält ein inertes Gas, wie Argon, oder einen Dampf, wie Cäsium oder Quecksilber, von einem Gasdruck zwischen 1 und 500 Mikron. !5 Gemäß der Erfindung ist nun in dem Gefäß eine weitere Elektrode angeordnet. Diese besteht aus zwei Ouerpkitten 21, die sich in einen verhältnismäßig langen Zylinder 16 aus leitendem Material befinden, der sich über die ganze Länge der Entladungsbahn und weiter über Anode und die Elektronenaustrittsebene der Kathode hinaus erstreckt. Der Zylinder besitzt an seinen Enden einen größeren Durchmesser als die Kathode und die Anode und wird unten durch eine Anzahl Stützstreben 17, die mittels einer Schelle 18 am Fuß 2 befestigt sind, getragen. An seinem oberen Ende trägt der Zylinder 16 mehrere Isolatoren 19 aus Aluminiumoxyd (Al₂O₃), welche ihn an der eingezogenen Gefäßwandung abstützen.

Der Zylinder 16 (s. auch Abb. 2) ist ungefähr in der Mitte mit einer Öffnung 20 versehen, die vorzugsweise rechteckig ausgebildet ist und durch welche die Stromzuführung 14 geführt ist. Der Zylinderhohlraum ist durch die Platten 21 aus Metall oder einem anderen leitenden Material, wie z. B. Kohle, aufgeteilt. Zwischen den beiden Platten 21,21 ist das Steuergitter 5 konzentrisch zur Entladungsachse angeordnet. Die Platten 21 besitzen Öffnungen 22, vorzugsweise vom gleichen Grundriß, wie ihn die Öffnung des Gitters 5, welche im gezeichneten Falle rund ist, aufweist. Die Platten 21 sind am Zylinder 16 befestigt und mit diesem elektrisch unmittelbar verbunden. In vielen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, sie vom Zylinder elektrisch zu isolieren und sie .an besondere Spannungen zu legen. Der Durchmesser der Öffnungen 22 ist etwas kleiner als der Durchmesser des Steuergitters, derart, daß sowohl die Kathode wie auch die Anode vom Gitter aus nicht gesehen werden kann und die Entladung beim Durchgang durch das Steuergitter einen kleineren Querschnitt aufweist, als ihn die Steuergitteröffnung besitzt. Am unteren Ende ist der Zylinder 16 durch eine Platte 23 aus Isolierstoff, welche unmittelbar am äußeren Kathodenzylinder anliegt, abgeschlossen. Die Abb. 1 zeigt auch eine Schaltung, in der eine Röhre gemäß der Erfindung verwandt werden kann. Anodenstromkreis und die Steuerstromkreise des Entladungsgefäßes werden von einem Transformator mit der Primärwicklung 24 gespeist. Von den drei Sekundärwicklungen 25, 26, 27 dient die Wicklung 27 zur Heizung des Heizdrahtes 7. Die Wicklung 25 ist über Leiter 28, 29 an das Steuergitter 5 gelegt. Ein Potentiometer 30 verbindet die beiden Enden der Wicklung 25. Der an dem Potentiometer vorgesehene verschiebbare Kontakt 31 ist sowohl mit dem einen Ende 32 der Primärwicklung 24 als auch mit dem Punkt 33 der Kathodenzuleitung verbunden. -'

Zu der Leitung 28 liegt eine Photozelle 34 oder irgendeine andere Steueranordnung, während die Leitung 29 als weiteres Glied der Brückenanordnung einen hochohmigen Widerstand 35 enthält. Die Anode 6 ist über eine Last 36, hier als Widerstand dargestellt, mit dem Ende 37 der Primärwicklung 24 verbunden. Die Hilfselektrode 21, 16 ist über einen aus einem Widerstand 37, einem Kondensator 38 und einem Potentiometer 39 bestehenden Stromkreis an die mittlere Sekundärwicklung 26 angeschlossen. Das eine Ende der Wicklung 26 ist mit dem Kontakt 31 verbunden.

Durch Anordnung des Steuergitters 5 zwischen den Querplatten 21 des Zylinders 16 wird erreicht, daß die von der Anode und der Kathode ausgestrahlte Wärme durch die Querplatten 21 vom Steuergitter ferngehalten wird. Das Steuergitter ist also im wesentlichen in thermischer Hinsicht isoliert und kann nicht so warm werden, daß es emissionsfähig wird. Da der Durchmesser der Steuergitteröffnung etwas größer ist als die Weite der Öffnungen 22, kann von der Kathode abdampfendes aktives Material nicht auf das Steuergitter 5 gelangen. Ein Emissionsfähigwerden des Steuergitters ist somit weitgehend vermieden. Auch gegen die elektrostatischen Kraftlinien .von Kathode und Anode wird das Gitter 5 durch die Querplatten 21 abgeschirmt. Zum Abfangen der äußeren Kraftlinien dient der zylindrische Teil 16 der Hilfselektrode.

Die kleinen runden Öffnungen 22 in den Querplatten 21 drängen, unterstützt durch die nahe Wandung des Zylinders 16, die lichtbogenartige Entladung zu einem scharf begrenzten Strang zwischen Kathode und Anode zusammen und geben dadurch dem Steuergitter ein Optimum an Steuerfähigkeit. Die Entladung geht frei durch die zylindrische Öffnung des Steuergitters hindurch, so daß dieses nicht besonders heiß wird. Wegen der geringen Ausdehnung des Lichtbogens kann das Gitter auch verhältnismäßig klein sein. Die Größe des Steuergitters 5 ist davon abhängig, wie stark die Entladung durch die Hilfselektrode zusammengedrängt wird. Auf

alle Fälle kann es kleiner gehalten werden als die bisher benutzten Gitter, und dadurch wird auch der Gitterstrom bedeutend geringer. Die elektrostatischen Einflüsse zwischen Anode und Kathode einerseits und dem Gitter andererseits werden damit ebenfalls verkleinert. An Stelle des in der, Abb. ι gezeichneten, den Widerstand 37 und den Kondensator 38 aufweisenden Hilfselektrodenstromkreises können natürlich auch -,andere Stromkreise, die mit Wechselspannungen oder mit Gleichspannungen oder mit beiden gespeist werden können, verwendet werden. In der in der Abb. ι dargestellten Anordnung dient der Kondensator zur Aufrechterhaltung eines festbestimmten Spannungsunterschieds zwischen Kathode und Hilfselektrode. In vielen Fällen ist es jedoch auch vorteilhaft, insbesondere, wenn das Gefäß mit Wechselspannung gespeist wird, an die Hilfselektrode 21, 16 eine Wechselspannung zu legen, welche dann ebenfalls dem den Anodenkreis speisenden-Transformator entnommen werden kann. Die Anordnung wird dann zweckmäßig so getroffen, daß die Phase der Hilfselektrodenspannung verschoben werden kann. Oft ist es auch erwünscht, an die Hilfselektrode unmittelbar Kathodenpotential zu legen, wobei dann Hilfselektrode und Kathode innerhalb des Gefäßes "unmittelbar verbunden werden können.

Das in Abb. 1 dargestellte Entladungsgefäß hat den Vorteil, daß mit ihm durch die schwachen Ströme einer Photozelle unmittelbar, ohne besondere Verstärkeranordnungen, sehr starke Ströme gesteuert werden können. Wird das Entladungsgefäß, wie dargestellt, mit Wechselstrom gespeist und handelt es sich um eine Steuerung der Entladungsstromstärke durch periodisches Zünden der Entladung an vorbestimmten Punkten der positiven Halbwelle, sb liefert das Gefäß eben wegen der Anordnung der besonderen Hilfselektrode unabhängig von Temperatureinflüssen bei einer einmal fest vorgegebenen Steuerspannung mit Sicherheit einen im Mittelwert konstanten Strom. An die Hilfselektrode kann z. B. ein mit Rücksicht auf die Temperatur des Entladungsgefäßes veränderbares Potential gelegt werden. Auch von plötzlichen an der Anode auftretenden Spannungen wird der Steuervorgang nicht beeinflußt, wenn die Hilfselektrode in der richtigen Weise gesteuert wird bzw. ihren vorgegebenen Spannungsunterschied gegen die Kathode beibehält.

In Abb. 3 ist eine Entladungsröhre, gemäß der Erfindung rein schematisch dargestellt in einer Schaltung, bei welcher auch die Hilfselektrode an eine veränderliche Spannung gelegt ist. ι bedeutet das Entladungsgefäß, welches die Kathode 4, ferner das Steuergitter 5 und die zwischen Steuergitter 5 und Kathode liegende Hilfselektrode 46 besitzt. Die Elektroden können in derselben Weise beschaffen sein, wie es an Hand der Abb. 1 dargestellt ist. Die Elektroden 5 und 46 bilden ein Doppelgitter, bei welchem das elektrostatische Feld des einen Gitters durch das andere beeinflußt werden kann. Die Hilfselektrode 46 ist über einen Strombegrenzungswiderstand40 an den Rotor eines Phasenschiebers (von selbst in synchronen Lauf fallender Asynchronmotor) 41 gelegt. Das Steuergitter 5 kann in derselben Weise über den Strombegrenzungswiderstand 42 an eine andere Phasenschieberanordnung angeschlossen werden. Zur Heizung der Kathode 4 dient der Transformator 44. Die Wechselspannung für den Anodenstromkreis des Entladungsgefäßes mit lichtbogenähnlicher Entladung kann unmittelbar dem Netz entnommen werden. Die Belastung ist durch einen Widerstand 45 dargestellt.

Mittels der beiden Phasenschieber kann die Phase der beiden Gitterspannungen verschoben werden. Durch besondere Einstellung der Phasenbeziehungen zwischen den beiden Steuerwechselspannungen kann erreicht werden, daß das Entladungsgefäß gezündet wird, und zwar periodisch in jeder positiven Halbwelle der Speisewechselspannung, womit ein Strom von einem bestimmten Mittelwert fließt. Die Hilfselektrode 46 bewirkt dabei, daß die Regelung der Stromstärke durch das Gitter 5 weitgehend unabhängig vom äugenblicklichen elektrischen und thermischen Zustand des Entladungsgefäßes wird. Die Steuerung durch das Gitter S ist so genau und so empfindlich, daß die Steuerenergie äußerst gering, größenordnungsmäßig nur wenige Mikrowatt, zu sein braucht. Es sind also nur sehr kleine Phasenschieberanordnungen notwendig, wodurch auch in den beispielsweise dargestellten Anordnungen Ersparnisse an Energie und Kosten auftreten.

Die Hilfselektrode 46 braucht nicht wie in den Abb. 1 und 2 dargestellt als Zylinder mit Querplatten ausgebildet zu sein und die Entladungsbahn zu umgeben, sondern kann auch irgendwelche andere Form besitzen. Beispielsweise kann sie im Falle einer zylindrischen Elektronenanordnung, bei welcher sich die Kathode im Innern der Anordnung, umgeben von den übrigen Elektroden, befindet, aus zwei konzentrischen Zylindern bestehen. Die beiden Zylinder besitzen dann öffnungen für den Hindurchtritt der Entladung und sind auf beiden Seiten des Steuergitters angeordnet. Für die Bemessung der Öffnungen in den Hilfselektrodenzylindeni und ihre Anordnung gegenüber dem Steuergitter sowie für die Ausbildung des Steuergitters und die Wirkungs-

weise der Anordnung gilt sinngemäß das vorher Gesagte.

Bei Entladungegefäßen mit Metallwandung ist es vorteilhaft, die Gefäßwand selbst als zylindrischen Teil der Hilfselektrode zu benutzen.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Dampf- oder gasgefülltes Entladungsgefäß mit lichtbogenartiger Entladung, Glühkathode und Steuergitter, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuergitter und der Kathode eine an Spannung gelegte Hilfselektrode in solcher Anordnung und Ausbildung vorgesehen ist, daß die Entladung beim Durchgang durch die Steuergitteröffnung bzw. -öffnungen von der Hilfselektrode auf einen kleineren Querschnitt eingeengt ist, als der Durchlaßöffnung bzw. den Durchlaßöffnungen des Steuergitters entspricht.
2. 2. Entladungsgefäß nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode aus zwei Teilen besteht, von denen der eine zwischen Anode und Steuergitter, der andere zwischen Kathode und Steuergitter liegt.
3. 3. Entladungsgefäß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hilfselektrodenteile von einem die Entladungsbahn und vorzugsweise auch Anode und Kathode umgebenden Metallzylinder getragen werden.
4. 4. Entladungsgefäß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergitter durch eine seitliche Öffnung im Metallzylinder eingeführt ist.
5. 5. Entladungsgefäß nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an die Hilfselektrode ein besonderes, beispielsweise mit Rücksicht auf die Gefäßtemperatur veränderbares Potential gelegt ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen