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Verstärkereinrichtung mit einem thermisch gesteuerten Entladungsrohr
Bekanntlich ist eine Regelung des Anodenstromes bzw. der Anodenspannung bei Entladungsgefäßen
durch Regelung des Heizwertes der Glühkathode möglich. Je nach dem Heizwert werden
nämlich verschieden große Elektronenmengen von der Kathode emittiert, und dadurch
ist je nach Größe des Elektronenstromes die Größe des Anodenstromes gegeben. Derartige
Regelungen weisen jedoch verschiedene, unter Umständen sehr wesentliche Nachteile
auf. Eine schnelle und hochempfindliche Regelung auf diese Weise ist beispielsweise
deshalb nicht möglich bzw. mit großen Schwierigkeiten verbunden, weil die Regelung
thermisch träge arbeitet. Andererseits kann durch die Heizwertregelung der Kathode,
wenn man sie schonen will, nur eine verhältnismäßig kleine Anodenstromänderung hervorgerufen
werden, da stets die Lebensdauer der Kathode berücksichtigt werden muß.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkereinrichtung mit
einem solchen thermisch gesteigerten Entladungsrohr,, bei der durch eine besondere
Ausbildung und Schaltung des Entladungsrohres eine wesentlich größere Änderung des
Anodenstromes bei gegebener Änderung der Kathodentemperatur erreicht wird, als dies
bisher der Fall war. Gemäß -der Erfindung wird das Entladungsrohr mit einem Raumladegitter
ausgerüstet. Die Änderungen der der Verstärkereinrichtung entnommenen Nutzspannung
werden dann durch die bei Schwankungen der Kathodentemperatur auftretenden Änderungen
des Raumladegitteratromes gegenüber dem Anodenstrom erzeugt.
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Es ist an sich bereits eine Verstärkereimrichtung bekannt, bei der,
die Änderung des Raumladegitterstromes gegenüber dem Anodenstrom zur Erzeugung der
Nutzspannung verwendet wird. Bei der bekannten Einrichtung handelt es sich jedoch
nicht um eine thermisch gesteuerte Röhre, sondern um eine Röhre, die in der allgemein
üblichen Art durch. Potentialänderungen eines besonderen Steuergitters gesteuert
'wird. Der Erfindung liegt demgegenüber ein grundsätzlich neues Arbeitsprinzip der
Entladungsröhre zugrunde. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Steigerung
des Kathodenheizstromes von einem, bestimmten Wert ab der Anodenstrom konstant bleibt,
während der Raumladestrom weiterhin ansteigt. Durch eine besondere Ausbildung läßt
sich erreichen, daß der Anodenstrom bei -weiterer Steigerung des Kathodenheizstromes
sogar wieder absinkt. Die Erfindung möge an Hand der Zeichnung näher erläutert werden,
wobeHnsbesondere das, Verhalten des Raumladestromes und des Anodenstromes durch
die in,den Fig. 2 und q: wiedergegebenen Diagramme erklärt werden soll.
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Fig. i zeigt eine Spannungsquelle i, an die ein Spannungsteilerwiderstand
2 angeschlossen ist. Von dein Spannungsteilerwiderstand
wird die
Röhre 3 mit .der Anode q. und der Kathode 5, die ein Steuergitter 6 und bei dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Raumladegitter 7 enthält, gespeist. Die Kathode
5 wird ebenfalls von der Stromquelle r über einen Widerstand 8 gespeist. Das Steuergitter
6 ist mif der Kathodenleitung verbunden und die Anode q. und das Raumladegitter
7 über eine Widerstandsanordnung g mit dem Abgriff 1o des Spannungsteilerwiderstandes
2 verbunden, wobei der im Anodenstromkreis liegende Widerstand größer ist als der
im Raumladestromkreis angeordnete Widerstand. Von der Widerstandsanordnung 9 führen
die Abgriffe z i und 12 zu einer Meß- oder Regelvorrichtung 13. Die Wirkungsweise
dieser Anordnung ist nun folgende: Es können sich zwei Stromkreise ausbilden, und
zwar einerseits der Anodenstromkreis und anderseits der Raumlädestromkreis. Der
erstere schließt folgende Elemente in sich: Spannungsteilerwiderstand 2, den Widerstand
z4., die Anode 4 und die Kathode 5. Der Raumladestromkreis hingegen enthält folgendeElemente:
Spannungsteilerwiderstand 2; Widerstand 15, Raumladegitter 7 und Kathode
5. In dem Anodenstromkreis treten .sowohl an dem Widerstand?, als auch an
dem Widerstand 1:a. Spannungsabfälle auf, die einander entgegengesetzt gerichtet
sind. Gibt man der Kathode einen bestimmten Heizwert, so werden diese Spannungsabfälle
eine solche Größe annehmen, daß sie sich angenähert gegeneinander aufheben und somit
ein an die. Anode und Kathode der Röhre 3 angeschlossenes statisches Voltmeter praktisch
Null zeigt, wie Versuche ergeben haben. Die Spannung 1\u11 in einem Stromkreise
würde jedoch das Fließen eines Stromes unmöglich machen. Ein solcher Stromfluß muß
jedoch vorhanden sein, um überhaupt an dem Widerstand 1.4 einen denn Spannungsabfall.
in dem Widerstand 2 entgegengesetzt gerichteten Spannungsabfall zu erzeugen. Die
treibende Spannung, die diesen Stromfluß ermöglicht, liefert nun der Raumladestromkreis.
Dieses Raumladegitter 7 wird je nach der an ihm anliegenden Spannung einen gewissen
Betrag von Elektronen durch seine Gitteröffnungen hindurchtreten lassen. Ändert
man nun den Heizwert der Kathode vom .Nullwert an, so tritt ein Anstieg des Raumladestromes
und des Anodenstromes ein. Bei einem bestimmten Wert ist jedoch entsprechend der
gewählten Widerstandsverteilung im Anodenstromkreis der erreichbare Höchstwert des
Anodenstromes erreicht, nämlich der Wert des Anodenstromes, der einen solchen Spannungsabfall
an, dem Widerstand 14 hervorruft, daß durch diesen Spannungsabfall die an dem Widerstand
2 auftretende Spannung kompensiert ist. Bei weiterer Steigerung des Heizwertes der
Kathode steigt aber der Raumladestrom immer weiter an, der an dem Widerstand 15
einen entsprechenden Spannungsabfall erzeugt. Der .Anodenstrom--erfährt dadurch
aber praktisch leine Änderung mehr: Diese Vorgänge bzw. Wirkungsweise der Anordnung
ist in dem Diagramm der F ig. 2 veranschaulicht: Auf der Abszisse ist hier der Heizstrom
il, und auf der Ordinate der Anoden- bzw. Raumladestrom i" bzw. i,. aufgetragen.
Ändert man nun den Heizwert, so steigt, wie das Diagramm erkennen läßt, sowohl der
Raumladestrom und der Anodenstrom bis zu einem bestimmten Heizwert etwa gleichmäßig
an. Von diesem Heizwert ab bleibt jedoch der Anodenstrom konstant, hingegen steigt
der Raumladestrom weiterhin an. Der Punkt, von dem ab der Anodenstrom konstant bleibt,
sei mit S" und der Punkt; bei dem. etwa der Sättigungswert des Raumladestronies
erreicht ist, mit SR bezeichnet. Ändert man nun den Heizwert der Kathode zwischen
den Werten S" und SR, so wird zweifellos an den Spannungsklemmen 13 eine
Spannungsdifferenz auftreten, wobei jedoch diese Spannungsdiffereißz wesentlich
größer ist als etwa die Spannungsschwankungen, die bei Änderung des Heizwertes der
Kathode bei den bekannten thermisch gesteuerten Entladungsgefäßen auftritt. Wie
Versuche ergeben haben, kann man beispielsweise bei Änderung des Heizstromes eines
unterheizten Rohres um etwa 0,5 mA eine Spannungsänderung von etwa a V an
den Spannungsklemmen 13 feststellen.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung kann nun weiterhin dadurch verbessert
werden, daß man dem Steuergitter 6 nicht, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
i gezeigt . ist, ein konstantes Potential bzw. das Kathodenpotential aufdrückt,
sondern daß man in :den Kathodenstromkreis einen Widerstand ein.-fügt, an dem das
Steuergitterpotential abgegriffen wird.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Art zeigt Fg. 3, wobei die der Fig.
i entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen besitzen. Hier wird jedoch der
Röhrenkreis von der Stromquelle i über einen Kondensator 2o- gespeist, wodurch angedeutet
werden soll; daß die Anordnung auch an eine Wechselstromquelle angeschlossen werden
kann. Die Kathode 5 der Röhre 3 wird durch den Transformator z i geheizt und in
den Hauptstromkreis der Röhre (Anodenstromkreis) ein Widerstand 22 eingefügt, an
dem das Potential des Steuergitters 6 abgegriffen wird. Steigt der Kathodenstrom
an, so wird auch das Potential des Steuergitters ansteigen, und zwar im negativen
Sinne. Das bedeutet aber,
daß je nach-der durch Änderung des Heizwertes
hervorgerufenen Spannungsänderung des Steuergitters der Anodenstrom gedrosselt wird.
Wie aus dem in Fig. 4 gezeigten Diagramm hervorgeht, wird also der Anodenstrom nach
Erreichen des Wertes S'" nicht konstant bleiben, sondern absinken. Hierdurch wird
eine weitere Steigung,der Differenzbildung zwischen. dem Anodenstrom und dem Raumladestrom
erzielt bzw. eine wesentlich vergrößerte Differenzspannungsbildung in Abhängigkeit
von dem Heizwert der Kathode erreicht. Wird die' Röhrenanordnung gemäß der Erfindung
an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, so, kann es vorteilhaft sein, insbesondere
wenn es sich um die Ermittlung von Effektivwerten handelt, zum unmittelbaren Anschluß
der Anordnung an Wechselspannungsquellen mit .verzerrten Spannungen Schaltmittel,
z. B. Siebketten, vorzusehen, die eine Entzerrung der Speisewechselspannung, insbesondere
für den Anoden- und Hilfsgitterkreis, herbeiführen. Soll jedoch die Anordnung zur
Ermittlung eines Kombinationswertes zwischen einem Effektivwert und einem Maximalwert
dienen, so. wird man zusätzliche Resonanzkreise anordnen.
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Eine andere Verbesserung der Anordnung gemäß der Erfindung ist in
Fig. 5 veranschaulicht, in der die der Fig. i entsprechenden Teile ebenfalls mit
den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hier wird jedoch der Heizstrom der Kathode
durch die Erregerwicklung 25 eines Magnetfeldes geführt, das die Richtung der Elektronenbahnen
in der Röhre beeinflußt. Die Elektronen sind in ihrer Bewegungsrichtung innerhalb
der Röhre zwar durch das Spannungsfeld derselben im wesentlichen bestimmt. Durch
ein Magnetfeld an der Röhre kann jedoch die-Flugrichtung der Elektronen derart verändert
werden, daß ein mehr oder weniger großer Elektronenstrom auf das Raumladegitter
trifft. Für die betrachtete Anordnung hat dies nun zur Folge, daß bei einer Änderung
des Heizwertes der Kathode und der damit erfolgenden Änderung der Stärke des Magnetfeldes
mehr oder Weniger Elektronen zu der Anode hin gelangen. Es wird sich also auch bei
dieser Anordnung nach Erreichen -des Punktes S" bei weiterer Steigerung des Heizstromes
und damit eintretender Verstärkung der Magnetfeldwirkung der Anodenstrom vermindern,
während der Raumladestrom weiterhin verstärkt ansteigt. Für dieses Ausführungsbeispiel
gilt also auch das in Fig. 4 wiedergegebene Diagramm.
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Verwendet man bei dem Erfindungsgegenstand als Entladungsgefäß ein
solches, bei dem anstatt eines Raumladegitters ein anderes Hilfsgitter vorhanden
ist, so wird die Widerstandsanordnung vorteilhaft eine entsprechende Abänderung
erfahren.
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Bei den gezeigten Anordnungen kann ferner dadurch eine weitere wesentliche
Betriebsverbesserung erzielt werden, daß parallel zu dem Heizfaden der Kathode ein
die Einschaltstöße minderndes Schaltelement angeordnet wird. Es kann dies beispielsweise
ein Kondensator, ein Magnetkreis o. dgl. sein. Ferner hat sich zur Einstellung des
Fadenstromes oder der Fadenspannung die Verwendung von Kohlefadenlampen oder Metallfadenlampen
bzw. eine Kombination beider als vorteilhaft erwiesen, da hierdurch die Empfindlichkeit
der Anordnung weiterhin erhöht wird. Schaltet man alsdann die Anordnung ein, so
wird die Glühkathode nicht unnötiger und schädlicher Beanspruchung ausgesetzt und
Fehlanzeigen durch diel Anordnung gemäß der Erfindung vermieden.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung bietet die mannigfaltigsten Verwendungsmöglichkeiten.
Beispielsweise kann das gemäß der Erfindung ausgebildete thermisch gesteuerteEntladungsgefäß
in einer Anordnung zur vergrößerten Abbildung, Anzeige oder zum Messen der Schwankung
einer elektrischen Größe verwendet werden, wobei der .Heizwert des Entladungsgefäßes
durch die Änderung der- zu vergrößernden elektrischen' Größe beeinflußt wird, wobei
letztere auch eine Zwischengröße, z. B. Tachometerspannung, sein kann; denn, wie
oben betont, ergibt eine verhältnismäßig geringe Heizwertänderung innerhalb der
Grenzen S" bis SR eine sehr beträchtliche Spannungsänderung an den Klemmen 13. Ein
Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 6 gezeigt.
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An die Klemmen der Stromquelle i, die hier eine Wechselspannungsquelle
darstellt, ist eine Frequenzbrücke 35 angeschlossen, die sich aus den Kondensatoren
30, 3 i und den Induktivitäten 32, 33 zusammensetzt. An die Stromquelle i ist ferner
über ein Netzanschlußgerät 34 die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete
Röhre 3 angeschlossen. Die Heizung der Kathode der Röhre 3 wird von der Diagonale
des Brückenkreises 35 abgegriffen. Ändert sich nun die Frequenz des Wechselstiomes
der Stromquelle i, so wird eine Änderung des Heizwertes der Kathode eintreten und
somit eine wesentlich vergrößerte Abbildung der Spannung bzw. der Spannungsschwankung
in der Frequenzbrücke 35 an den Klemmen 36 angezeigt. Diese sich in Abhängigkeit
von den Frequenzschwankungen des Stromkreises i ändernde Spannungsschwankung an
den Klemmen 36 kann nun zum Messen der Frequenz bzw. der Frequenzschwankung dienen,
wobei der sehr beachtliche Vorteil vorhanden ist, daß mit Meßinstrumenten
gearbeitet
werden kann, die eine wesentlich robustere Ausbildung besitzen und trotzdem deutlichere
und einwandfreiere Meßresultate liefern.
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Es kann jedoch auch die an den Klemmen 36 auftretende Spannung dazu
verwendet werden, um auf ein Regelorgan einzuwirken, das die Frequenzschwankung
im Stromkreis i behebt bzw. mildert, oder; mit anderen Woräten, das gemäß der Erfindung
ausgebildete Entladungsgefäß kann in Anordnungen zur Regelung von Betriebswerten
eines Stromkreises dienen, wobei die durch Veränderung des Heizwertes der Röhre
gewonnene Differenzspannung mittelbar oder unmittelbar zur Beeinflussung der Regel-
oder Steuerorgane der den Stromkreis speisenden Stromquelle dient. Beispielsweise
kann die an den Klemmen 36 abgegriffene veränderliche Spannung dazu dienen, einen
im Gitterkreis von Gas-oder Dampfentladungsgefäßen liegenden Kondensator mehr oder
weniger schnell auf- bzw. umzuladen und hierdurch eine Verschiebung des Zündeinsatzpunktes
der Entladung in Ga.sentladungsstrecken zu erreichen. Bekanntlich ist auf diese
Weise eine Regelung der von den Gasentladungsstrecken gelieferten Spannung b:zw.
Stromes möglich.
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Besonders vorteilhaft wird sich die vorgenannte Verwendung der Anordnung
gemäß der Erfindung dann erweisen, wenn das Regel- oder Anzeigeorgän ein solches
ist, das nur verhältnismäßig geringe Stromänderungen erzeugt. Dies ist beispielsweise
bei Thermoelementen, Photozellen u. dgl. der Fall. Ein Ausführungsbeispiel dieser
Artist in Fig. 7 wiedergegeben. Die Röhre 3 ist hier über eine Glimmröhre 44, ein
Netzänschlußgerät 4.5 und einen Transformator 4.6 an die Stromquelle i angeschlossen.
Es wird ferner bei dieser Anordnung ein Thermoelement 4.3 benutzt, das entsprechend
den Temperaturschwankungen eines Verbrauchers Stromänderungen ergibt. Diese wirken
auf die Erregerwicklung 41 eines magnetischen Verstärkers q.o ein. Eine zweite Erregerwicklung
.42 des magnetischen Verstärkers 40 wird von dem nach Erreichen eines bestimmten
Heizwertes bzw. des Sättigungspunktes S« konstant bleibenden Anodenstrom der Röhre
3 erregt; und zwar derart, daß der Anodenstrom den Tliermoelementstrom bis zu einem
Normalwert kompensiert. Der magnetische Verstärker wird somit lediglich durch die
Stromänderungen des Thermoelementkreises beeinflußt. Der Hauptkreis des magnetischen
Verstärkers wirkt nun auf die Heizung der Röhre 3 ein, so daß an den Klemmen 36,
feie oben erläutert, entsprechend den Änderungen des Thermoelementstromes verstärkte
Spannungsschwankungen an den Klemmen 36 auftreten. Wird der Verbraucher durch eine
Gasentladungsstreckenanordnung gespeist, so kann nun in der angedeuteten Weise der
Steuerkreis dieser Gasentlädungsstreckenanordnung durch die Spannungsschwankungen
der Klemmen 36,geregelt werden. In entsprechender Weise kann die Anordnung gemäß
der Erfindung dazu dienen, andere elektrische Größen eines zu beeinflussenden Stromkreises
zu regeln.
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Wie bereits oben erwähnt, zeitigt die Anordnung gemäß der Erfindung
vor allen Dingen dort wesentliche Vorteile, wo es sich darum handelt, Differenzwerte
zu bilden. Bisher benötigte man zu diesem Zweck stets eine Kompensationsspannung,
die etwa gleich groß der zu regelnden Spannung ist.
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Handelt es sich beispielsweise um die Regehing einer Maschinenspannung,
so ist leicht ersichtlich, daß verhältnismäßig groß dimensionierte . Spannungsbatterien
zur Kompensation des Normalwertes der zu regelnden Spannung erforderlich sind. Eine
solche 1?ifferenzwertbildung ist aber stets dann erforderlich, wenn es sich um Feinregelungen
handelt, bei denen der Absolutwert der Abänderung einer elektrischen Größe zur Regehing
bzw. Anzeige herangezogen wird. Soll ferner der Differenzwert an einem.Instrument
angezeigt werden; so benötigt man hochempfindliche Geräte, und trotzdem wird man
vielfach nur eine ungenaue und wenig deutliche Anzeige des Regelwertes erreichen.
Alle diese Ubelstände und Schwierigkeiten werden durch die Anordnung gemäß der Erfindung
restlos beseitigt; denn ohne Benutzung einer Kompensationsspannung erzielt man eine
einwandfreie und deutliche Anzeige eines Differenzwertes bzw. eine genaue und hochempfindliche
Regelung von Betriebsgrößen.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Wirkungsweise der Anordnung
gemäß der Erfindung dadurch verbessert werden kann, daß der Heizfaden mit an sich
bekannten Mitteln zu seiner Kühlung, z. B. Kühlrippen oder wärmeableitenden bzw.
wärmeabstrahlenden (Metall-) Flächen, versehen wird, um weiterhin die thermische
Trägheit der Röhre zu verringern.
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Ferner wird man unter Umständen vorteilhaft Strom- oder Spannungsrelais
anordnen, die die Einschaltung der Röhre bzw. der Röhrenanordnung gemäß der Erfindung
ganz oder teilweise nur in dem verlangten Regelbereiche gestatten: