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Entladungsgefäß mit einer unter einem Druck von etwa 0,01 bis 0,5
man Quecksilbersäule stehenden Füllung aus Krypton oder Xenon oder einem Gemisch
dieser beiden Gase Es ist bekannt, Entladungsröhren, die mit Lichtbogen arbeiten,
als Relais ohne Trägheit zu verwenden, indem ein Gitter zwischen Anode und Kathode
eingeschaltet wird, um die Zündzeit des Bogens zu regeln.
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Vorrichtungen dieser Art mit geheizter Kathode oder mit Quecksilberkathode,
bei welchen im allgemeinen eine Füllung mit Quecksilberdampf verwendet wird, sind
unter dem Namen Lichtbogenrelais bekannt.
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Die Lichtbogenrelais mit geheizter Kathode besitzen den Übelstand,
daß eine längere Zeit vergeht, bis die Kathode aus dem kalten Zustand heraus auf
die richtige Betriebstemperatur gebracht ist. Außerdem ist im allgemeinen die Verwendung
von auf die Temperatur der Kathode ansprechenden Hilfsrelais nötig. Man hat nicht
immer in der Praxis die Möglichkeit, die erwähnte Verzögerung beim Inbetriehsetzen
der Röhre zuzulassen. Bei Röhren von großer Leistung kann die Verzögerung beispielsweise
31, Stunden betragen.
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Diese Vorrichtungen mit geheizter Kathode sind außerdem schwer verwendbar
in. dem Falle, wo man Gleichstrom verwenden muß; denn, von einigen Ausnahmeei abgesehen,
man muß für die Heizung der Kathode eine Stromquelle von sehr niedriger Spannung,
beispielsweise z bis 15 Volt, verwenden, wobei ein gemeinsamer Punkt mit
dem Netz vorhanden ist, so daA die Notwendigkeit besteht, eine besondere Akkumulatorenbatterie
für die Heizung hinzuzufügen.
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Schließlich können die Vorrichtungen mit geheizter Kathode keine starken
Überlastungen vertragen.
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Die Relais mit Quecksilberkathode besitzen den großen Übelstand, daß
sie sehr schwer zu befördern und praktisch auf Fahrzeugen unverwendbar
sind,
wie Eisenbahnen, Schiffe, Wagen usw., und zwar wegen der Bewegung der Quecksilbermasse,
die sie enthalten.
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Schließlich haben die beiden Arten dieser Vorrichtungen mit Quecksilberdampf
den gemeinsamen Fehler, in ihrer Wirkungsweise stark von der Temperatur der Umgebung
abzuhängen, indem diese auf den Druck des Dampfes einwirkt und die Beständigkeit
der Kennlinien beeinflüßt.
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Man hat versucht, bei den Relais mit geheizter Kathode den Quecksilberdampf
durch Edelgase zu ersetzen; jedoch ist bei Relais mit Edelgäsfüllung die Rückzündungsfestigfeit
sehr viel geringer als bei Quecksilberdampf. Außerdem wirkt sich in diesem Falle
die Absorption der Gase durch die Elektroden dahin aus, daß die Lebensdauer der
Röhre abgekürzt wird.
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Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenentladüngsröhre mit Steuergitter,
bei der die angegebenen Übelstände vermieden sind. Diese Entladungsröhre; die in
an sich bekannter Weise als Füllung Krypton oder Xenon oder eine Mischung der beiden
Gase unter einem Druck von o,oi bis 0,5 mm Quecksilbersäule in Verbindung mit einer
Alkalimetallkathode verwendet, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode in .einem
schlüsselartig erweiterten Kondensationsraum angeordnet ist, der von dem röhrenartigen
Entladungsraum durch eine auf höherer Temperatur als die benachbarten Gefäßteile,
gehaltene Gefäßzone getrennt ist, und däß eine Prallfläche die Kathode überfängt,
welche größer ist als die Ouerschnittsweite am Einlaß zum Entladungsraum, und die
auf jeden Fall eine. solche Gestalt besitzt, daß sie infolge ihrer Anordnung zwischen
der erwähnten Zone und der Kathode die fortgeschleuderten Kathodenteilchen an einem
Eindringen in den Entladungsraum hindert.
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Der Vorteil der Verwendung dieser beiden Gase, hauptsächlich des Xenons,
besteht in der Tatsache, daß sie bei den angegebenen niedrigen Drucken Eigenschaften
nahe denen ' des Quecksilbers besitzen sowohl hinsichtlich des Ionisationspotentials
als auch des Potentialabfalls in der positiven Säule und der Rückzündungsfestigkeit;
ihre Anwendung in einer Entladungsröhre gemäß der Erfindung gestattet, einen durchaus
befriedigenden Bereich und eine befriedigende Empfindlichkeit der Steuerung zu erreichen.
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Die Entladungsröhre gemäß der Erfindung besitzt im übrigen den Vorteil
einer praktisch unveränderlichen Zündkennlinie; was für das Arbeiten eines Lichtbogenrelais
sehr wesentlich ist. Dieses Ergebnis ist dem Umstand zuzuschreiben, daß die in Frage
stehende Anordnung gestattet, die Kathode genügend von dem Entladungsraum abzutrennen,
einmal um das Gitter gegen die Wärmestrahlung der Kathode zu schützen und das Eindringen
einer beträchtlichen Menge des Alkalimetälls in den Entladungsraum zu verhindern,
wodurch in diesem Raum Druckschwankungen der Füllgase (Druckschwankungen des Alkalidampfes
mit der Temperatur und der des Füllgases infolge der Absorption einer gewissen Menge
des letzteren durch die alkalischen Niederschläge) und erhebliche Elektronenausstrahlung
seitens des Gitters hervorgerufen würden.
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Vorteilhaft kann bei Röhren gemäß der Erfindung die Kathode, insbesondere
bei großen Stromstärken von etwa z5 bis 4o Ampere und darüber, mit einer Kühlvorrichtung
versehen sein, die an dem Boden der Kathode dort, wo sich: die Stromzuführung zur
Kathode befindet, angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung kann beispielsweise aus Kühlflügeln
bestehen. Diese Vorrichtung verhindert das Springen der Einschmelzstelle der Stromzuführung
zur Kathode durch chemische Einwirkung es Alkalimetall,s auf das Glas. Diese Einwirkung
ist an der Einschmelzstelle besonders kräftig. Die Kühlung ist besonders wirksam,
weil sie sich längs der Stromzuführung direkt durch Wärmeleitung auf die genannte
Einschmeizstelle überträgt. Außerdem bewirkt sie, da sie zwischen der Gefäßzone
mit höherer Temperatur und dem Boden des Kathodenbehälters wirksam. ist, daß das
verdampfte Kathodenmetall sich immer wieder am Boden des Kathodenbehälters niederschlägt,
also im Kathodenraum keine Verluste an Kathodenmetall entstehen, Infolgedessen genügt
eine geringere Menge Alkalimetall für den Betrieb der Röhre als in anderen Fällen.
Andererseits verhindert die erwähnte Kühlung in Verbindung mit der Gefäßzone höherer
Temperatur, daß bei sehr kaltem Wetter oder bei starkem Wind sich an den Wänden
des Kathodenraumes Kathodenmetall niederschlägt, sich an den Wänden festsetzt und
nicht mehr zurückfließt. Ein solches Festsetzen des Kathodenmetalls kann zur Folge
haben, daß die Einschmelzstelle der Stromzuführung von Kathodenmetall entblößt wird
und unter der Wirkung des Kathodenflecks Risse bekommt.
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Es kann vorteilhaft sein, dem Alkalimetall Siliciumcarbid in Körnern
zuzufügen, welches die Bildung des Kathodenflecks erleichtert, so daß die Unterhaltung
der Entladung schon mit so schwächen Strömen wie ioö Miniampere möglich wird.
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Die Entladungsröhre nach der Erfindung kann auch mit den folgenden
Vorrichtungen versehen werden, welche die Wirkungsweise der Röhre verbessern.
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Ein massiver Stab aus Widerstandsstoff,
beispielsweise
mineralischer Beschaffenheit, wird in der Entladungsröhre so angeordnet, daß sein
in die Kathodenkammer reichendes Ende sich in geringer Entfernung von dem Kathodenmetall
befindet, während sein anderes Ende an einem von oben her durch das Entladungsgefäß
geführtenStromzuführungsleiter befestigt ist.
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Dieser Widerstandsstab hat den Zweck, die Zündspannung bedeutend zu
vermindern. Sobald bei Anlegen einer positiven Spannung an den Stab der Kathodenfleck
zwischen der Kathode und dem Stabende entstanden ist, findet ein Ohmscher Potentialabfall
in diesem Stabe statt. Dieser Spannungsabfall, welcher infolge entsprechender Stabbemessung
größer ist als der Spannungsabfall im umgebenden Gas, zieht allmählich die Entladung
aus dem Kathodenraum, und es ist schließlich das obere Stabende, welches als Erregeranode
dient.
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In dem Falle, wo die Entladungsröhre an ein Netz geringer Spannung,
beispielsweise von iio Volt, angeschlossen ist, kann man mit Rücksicht auf die für
die Kathodenerregung nötige geringe Energie außerdem einen Unterbrecher für die
Zündung verwenden.
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Im Falle höherer Spannungen ist es nötig, eine Anodenschutzhülle zu
verwenden oder Jie Anoden und ihre Gitter so weit wie möglich von der Kathode anzuordnen,
beispielsweise am Ende eines gebogenen Anodenarmes. Um die Gitterspannung zu vermindern,
wird in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein Stab von hohem Widerstand
ähnlich dem vorher erwähnten Widerstandsstab verwendet, welcher mit seinem einen
Ende elektrisch mit dem Gitter verbunden ist und mit seinem anderen Ende frei in
den Raum der Röhre in der Nähe der Kathode hineinragt.
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Die Zeichnung zeigt in zwei Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung,
welche auch die Wirkungsweise der Erfindung erläutern sollen.
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In Fig. i ist das Eniladungsgefäß mit i bezeichnet; das Gefäß hat
eine genügende Größe, um eine Gasreserve zu bilden bei dem niedrigen in der Röhre
herrschenden Druck und der hohen Betriebsspannung. Die Füllung der Röhre besteht
aus Krypton oder Xenon oder einem Gemisch beider. Der Druck liegt zwischen o,oi
bis 0,5 mm Hg. Vorzugsweise beträgt er o,i mm Quecksilbersäule. Das Gefäß
i ist entsprechend der Phasenzahl der Betriebsstromquelle mit einem oder mehr als
einem Anodenarm 2 versehen, der j e nach der Höhe der Anodenspannung gerade oder
gebogen sein kann. Jeder Arm enthält eine Anode q. und ein oder mehr als ein Steuergitter
3. Ein Gefäßteil 7 enthält die Kathode aus Alkalimetall, beispielsweise aus Kalium.
Der untere Teil des Gefäßteiles 7 ist mit einem Kühlmantel 8 versehen. An der Stelle
g ist das Gefäß so weit verengt, daß hier bei Stromdurchgang durch das Entladungsgefäß
eine Zone höherer Temperatur entsteht. Die Zone höherer Temperatur kann auch dadurch
zustande kommen, daß an der, in Frage kommenden Stelle die Entladungsröhre mit einer
wärmeisolierenden Hülle oder einer elektrischen Heizvorrichtung versehen wird.
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Zwischen der Zone g und der Kathode liegt die Prallfläche g'. Die
Prallfläche überfängt die Kathode und besitzt eine größere Ausdehnung als -der Gefäßquerschnitt
bei g. Die Prallfläche hindert die Kathodenteilchen an einem Eindringen in den Entladungsraum.
Das Entladungsgefäß besitzt an der Stelle g in seinem Innern noch eine nach unten
gerichtete Verlängerung, die die Wirkung der Prallfläche g' unterstützt.
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Der Widerstandsstab 5 dient zur Verminderung der Zündspannung. Er
durchsetzt den verengten Teil g des Entladungsraumes, der die Zone mit höherer Temperatur
bildet, und den Teil g', der die Pralifläche bildet, und endigt oben in der Nähe
der Öffnung der Seitenarme des Rohrkörpers i. Das obere Ende des Stabes ist mit
einer Metallkappe io versehen, die mit der Stromzuführung 6 verbunden ist. Das andere
Ende des Stabes 5 ist der Kathodenoberfläche bis auf etwa io bis 15 mm genähert.
Dern Kathodenmetall ist eine große Menge Siliciumcarbid in Form von Körnern zugesetzt.
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Fig.2 zeigt einen gebogenen Anodenarm. Das Gitter ist in diesem Falle
mit einer Verlängerung i i, i2 aus Widerstandsstoff versehen zwecks Senkung der
erforderlichen Gitterspannung. Der Widerstandsstab 1i, 12 folgt den Umrissen des
gebogenen Armes. Der Stab besitzt großen Widerstand, um nicht unnötig den Gitterstrom
zu vergrößern. Ein Gesamtwiderstand in der Größenordnung von i bis 2 Megobm genügt
für die meisten Fälle. Die Zündung am Gitter erfolgt alsdann ungefähr bei 4o bis
5o Volt, oftmals auch bei geringerer Spannung. Es ist an sich bekannt, an dem Steuergitter
eines Gasentladungsgefäßes eine Verlängerung auf die Kathode zu anzubringen, um
die Steuerung des Entladungsgefäßes zu verbessern.