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Verfahren zum Betrieb von Gas- oder Dampfentladungsgefäßen mit durch
die Entladung selbst aufgeheizten Kathoden bei wechselnden Belastungen Die vorliegendeErfindungbetrifft
eineAusgestaltung von Entladungsgefäßen mit Glühkathoden, welche nicht durch Fremdheizung
erhitzt werden, sondern sich unter dem Einfluß der im Entladungsgefäß frei werdenden
Wärme selbst auf ausreichender Temperatur erhalten. Es hat- sich herausgestellt,
daß zum ökonomischen Betrieb eines Gleichrichters ein bestimmtes Verhältnis ' zwischen
Kathodengröße und der vorn-Gleichrichter gelieferten Stromstärke bzw..Leistung besteht.
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Will man daher einen Gleichrichter bauen, der in hohem-Maße universell
ist, also günstig sowohl bei sehr kleinen wie bei sehr großen Leistungen arbeitet,
so wird es gemäß der Erfindung notwendig; die Kathode zu unterteilen. ' Es ist zwar
an sich schon bekannt, Kathoden zu teilen, doch handelt es sich bei diesen bekannten
Anordnungen nicht um Gasentladungsröhren, sondern um Hochvakuumröhren, und zwar
entweder um Röntgenröhren oder um Hochväkuumventile, bei denen dieAufteilung in
mehrere Kathoden zu dem Zwecke erfolgt, die Ergiebigkeit der zur Verfügung stehenden
Emission den Betriebsbedingungen anpassen zu können.
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Bei Glühkathoden in Gas- oder Dampfentladungsröhren besteht aber die
Schwierigkeit einer für manche Betriebsbedingungen zu geringen Emission kaum, da
in solchen Röhren im allgemeinen stets genug Ladungsträger vorhanden sind. Es ist
jedoch bekannt, daß die Kathoden in solchen Entladungsröhren aus anderen Gründen
in ihrer Dimensionierang sehr kritisch sind. So ist es beispielsweise bekannt, daß
bei bestimmten Glühkathodenröhren bei niedrigerem Druck mehr Elektronen erforderlich
sind, unf eine Schädigung der Kathode zu vermeiden, als bei höherem Druck,' und
daß die Kathoden nicht nur vor zu hoher Emission bewahrt werden müssen, sondern
daß auch eine zu geringe Emission gewisse Kathodenformen schädigen kann.
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Solche Schädigungen sindbesonders bei Glühkathodengleichrichtern mit
Gas- oder Dampffüllang mit durch die Entladung selbst aufgeheizten Kathoden zu befürchten,
bei denen die Emission vom Entladungsstrom abhängt und bei denen es nicht wie bei
Röhren mit fremdgeheizten Kathoden möglich ist, die Emission durch. Änderung der
Heizung zu regeln. - Um ,hier diese Schädigungen zu vermeiden, sollen nach vorliegender
Erfindung wenigstens zwei oder mehr einzelne Kathoden vorgesehen werden, welche
entweder gleich groß sind, und von denenzunächst nur eine eingeschaltet ist und
bei Leistungssteigerung die anderen nacheinander zugeschaltet werden, oderweiche,
was noch zweckmäßiger ist, verschiedene Größen haben; so daß z. B. eine Käthode
für
kleine Leistungen bis etwa 1/4 oder 1/2 A vorhanden ist, eine
größere Kathode, welche die Leistung zwischen 1/2 A und i bis 2 A übernimmt, eine
weitere Kathode, welche etwa 2 bis io A liefert usw., und nacheinander eingeschaltet
werden.
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Diese Schaltung erfolgt erfindungsgemäß in der Weise, daß die jeweils
eingeschalteten Kathoden so hoch erhitzt sind, daß sich noch keine ausgesprocheneBrennfleckbildung
zeigt, während sie andrerseits unterhalb der Temperatur bleiben, bei denen eine
starke Verdampfung des Aktivierungsmateriäls auftritt. Durch diese Schaltungsart
ist es möglich, in Stufen einen großen Bereich zu überdecken und evtl. durch Kombination
der einzelnen Kathoden noch feinere Abstufungen zu erzielen. Bei Entladungsgefäßen,
bei denen infolge besonderer Wirkungen die Größe oder sonstige Bestimmungsstücke
anderer Elektroden ebenfalls eine Rolle spielen, kann man analog auch diese anderen
Elektroden aufteilen und umschaltbar machen. Es ist besonders zweckmäßig, dafür
zu sorgen, daß diese Umschaltung automatisch'vor sich geht. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, daß durch ein vom Hauptstrom oder von einem bestimmten
Teil des Hauptstromes durchflossenes Relais bei steigendem Strom nacheinander die
verschiedenen Kathoden angeschaltet werden: Fig. i zeigt ein Ausführungsbeispiel.
i ist eine Anode, 2; 3, q. und 5 sind verschieden große Kathoden, 6 ist das Entladungsgefäß,
ein Quecksilbertröpfchen und 8 ein Widerstand. Die Anordnung ist so gebaut, daß
sich die kleinste Kathode am nächsten der Anode oder einer etwa vorgesehenen besonderen
Zündelektrode befindet, so daß =hier zunächst eine Zündung einsetzt. Diese Kathode
arbeitet zunächst bei kleinen Stromstärken, wie wenn die anderen Kathoden nicht
vorhanden wären. Steigt die Stromstärke erheblich, so- nimmt auch der im ersten
Teil des Widerstandes 8 auftretende Spannungsabfall zu. Es wird daher zwischen derKathöde2
und derKathode3 ein erhöhter Spannungsabfall auftreten, der schließlich so groß
wird, daß er zur Zündung der Kathode 3 führt, die durch die erhöhte Erwärmung der
Kathode 2; die sich in .der-Nähe von -Kathode 3 befinden kann, noch unterstützt
wird. Tritt eine weitere Steigerung der Stromzunahme auf, so wird dasselbe Spiel,
das -zwischen Kathode 2 und 3 stattgefunden hat, sich zwischen 3 und 4 wiederholen,
bis schließlich bei weiterer Steigerung sich die Kathode 5 eingeschaltet hat. Fällt
die Stromstärke, so wird die Kathode 5, deren große Oberfläche auch eine große Energieabstrahlung
bewirkt, zunächst sich unter die Emissionstemperatur abkühlen und infolgedessen
die Entladung auf Kathode 4. überspringen und bei weiterem Sinken sich die Entladung
nach und nach wieder auf die Kathode 2. zurückziehen.
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Die Kathoden können dabei, wie in Fig. 2 veranschaulicht, als konzentrische
Ringe oder sonstige konzentrische Gestrüppkonstrukturgebilde ausgebildet sein. Eine
solche Ausbildung begünstigt erstens die Wärmeabgabe von einer Kathode zur anderen,
da sie annähernd konzentrisch angeordnet sind, außerdem können die äußeren Kathoden
als wärmezurückstrahlende Schirme um die inneren Kathoden konzentrisch angeordnet
sein, so daß auch dadurch noch das Temperaturgefälle bei sinkendem Strom zuerst
an den äußeren größeren Kathoden auftritt: Eine solche konzentrische Anordnung hat
den weiteren Vorteil; daß bei der Herstellung der Kathoden die äußeren Kathoden,
welche die inneren konzentrisch umgeben, durch Hochfrequenzströrne o. dgl: leicht
aufgeheizt werden und dann zum Zwecke der Aktivierung ihre Wärme durch Strahlung
auch auf die inneren Kathoden abgeben.
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Die Röhren können lieispiels\@eise mit einem Zündgas gefüllt sein,
z. B. Argon von etwa '/, bis io mm Druck, und es kann weiter ein Quecksilbertröpfchen
oder ein anderes Metalltröpfchen 7 vorgesehen sein, welche einen günstigen Dampfdruck
herstellt.
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Da insbesondere bei gesteuerten Gleichrichtern die richtige Wahl derKathodengröße
kritisch ist, da sowohl Unterdimensionierung wie Überdimensionierung der Kathode
entweder Verdampfen oder Zerstäuben von aktiviertem Kathodenmaterial zur Folge haben,
das dann 'auf die Steuerelektrode gelangt und dabei leicht den Steuervorgang störende
Finissinn oder sekundäre Emission von den Steuerelektroden bewirken kann, so besitzen
die hier angegebenen Maßnahmen ganz besondere Bedeutung bei gesteuerten Stromrichtern.
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Das, was hier für gleichrichterartige Entladungsgefäße beschrieben
ist, ist natürlich ohne weiteres auch auf solche Entladungsgefäße übertragbar, welche
keinen Gleichrichtercharakter haben; bei denen also ein Stromdurchgang in beiden
Richtungen stattfindet, wobei dann die hier gegebenen Lehren sinngemäß zu übertragen
sind: Die durch die hier geoffenbarte Lehre ermöglichte universelle Verwendbarkeit
derartiger Entladungsgefäße ermöglicht es auch in erhöhtem Maße, erfindungsgemäß
ausgeführteEntladungsröhren alseinphasigeGleicbrichter o. dgl. in Mehrphasenstromkreisen
dadurch zu benutzen, daß mehrere solcherAppar ate in die einzelnen Phasen eines
Dreiphasensystems o. dgl. eingeschaltet werden.
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Der in Fig. i mit 8 bezeichnete Widerstand
kann gleichzeitig
zu irgendeiner Nacherwärmung im Gefäß herangezogen werden. Er könnte - also beispielsweise
bei ganz schwachen geringenLeistungen, bei denen eineAufheizung an der Kathode von
selbst nicht mehr eintritt, dazu dienen, als Beheizung für eine direkt oder indirekt
geheizte Kathode zu -wirken. In solchen Fällen muß man die Entladung mit zuerst
etwas höheren Strömen oder höheren Spannungen zünden, damit zunächst einmal eine
Anfangsleistung zur Aufheizung gegeben ist, oder aber man kann einen kurzen Stromstoß,
der über einen Widerstand aus einer Starkstromleitung oder aus einem besonderen
Transformator oder von einer Drosselspule in Sparschaltung als Autotransformator
abgenommen wird,-zur Beheizung der genannten Kathode übergehen lassen, die dann
ihrerseits durch die Heizwirkung des Widerstandes 8 geheizt wird; wenn sie beispielsweise
als indirekt geheizte Kathode ausgeführt wird, wobei der Kathodenzylinder mit einem
Ende des Widerstandes verbunden ist, während das andere Ende nach außen geführt
ist.
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An sich ist es zwar-schon bekannt, durch einen vom Entladungsstrom
durchflossenen Widerstand eine Kathode aufzuheizen; dieses bekannte Mittel läßt
sich im vorliegenden Fall nun, wie oben beschrieben, sehr günstig benutzen.
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Ferner kann die Heizenergie des Widerstandes 8 dazu benutzt werden,
verdampfbares Material zu verdampfen, beispielsweise den Quecksilbertropfen 7. Ist
die abgegebene Leistung gering, so daß die Eigenerwärmung des Entladungsgefäßes
zur Verdampfung der Ouecksilbermenge nicht ausreichen würde, so tritt der Widerstand
B. in Wirkung. Durchfließt eine großeStromstärke das Entladungsgefäß, so ist die
Eigenerwärmung durch die Entladung bereits so hoch, daß das Quecksilber ganz verdampft
ist.
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In dem Fall geht dann aber auch .die Entladung über die Kathode 5,
so daß im Widerstand 8 kein nennenswerter Strom fließt.
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Man sieht also, daß die Anordnung auch in dieser Beziehung als selbstregulierend
angesproehen werden kann, obwohl es natürlich für manche Fälle auch vorzuziehen
sein kann, an Stelle der Selbstregulierung ein Regulieren von Hand, durch Schalter
ö. dgl. vorzunehmen. Der Widerstand 8 kann, insbesondere bei größeren Röhren, innerhalb
des Röhrenfußes untergebracht sein.
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Er kann dabei direkt, also ohne besondere Zuführungen, mit den verschiedenen
Kathodenverbunden sein, und es kann endlich der Widerstand selbst aktiviert werden
und gleichzeitig mit als Kathode wirken. Im letztgenannten Fall ist aber dafür zu
sorgen, daß der Widerstand ungleichen Querschnitt hat, so daß also die dicksten
Teile des Widerstandes die Rolle der Kathode 5 übernehmen, während die dünnsten
Teile des Widerstandes dieRolle der Kathoden in Fig. i übernehmen.
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Um dies zu erreichen, kann man beispielsweise einen gestreckten als
Widerstand wirkenden Draht auf seiner Länge mit anderen Drähten umwickeln oder umspinnen,
wobei die Umspinnung an einem Ende sehr stark ist, während sie am anderen Ende sehr
dünn wird oder überhaupt aufhört. Auch eine Umwicklung mit Einzeldraht oder Einzeldrähten
in einer Schraubenlinie mit verschiedener Ganghöhe kann diese verschiedene Stärke
und Dimension eines einfachen langgestreckten Leiters erreichen. Ein solcher Leiter
ließe sich dann zu einer flachen Spirale aufwickeln, siehe Fig, 3, wobei das dünnste
Ende den Scheitel des Kathodenkegels der Fig. 3 bildet, so' daß die Zündung darauf
ansetzt.
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Sind, wie eingangs erwähnt, besondere Zündelektroden vorgesehen,,
so ist es zweckmäßig, die kleinsten Kathoden bzw. die Kathodenspitze einer Kathode
nach Fig. 3 der Zündelektrode zuzuwenden.