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Elektrisches Relais mit in einem Gasentladungsgefäß angeordneter,
durch die Gasentladung thermisch deformierbarer Elektrode Bei elektrischen Relais
für kleine Ströme steigen mit zunehmender Empfindlichkeit die Kosten so erheblich
an und ihre mechanische Stabilität nimmt so schnell ab, daß solche Relais für hohe
Empfindlichkeit und sehr kleine Ströme, etwa für weniger als einige Mikroampere,
aus diesem Grunde kommerziell nicht ausführbar sind. Für sehr kleine Ströme benutzt
man häufig Lichtrelais, jedoch erfordern diese gewöhnlich einen Verstärker zwischen
Photozelle und Relais, da der Photozellenstrom zur direkten Betätigung eines robusten
Relais der üblichen Form zu klein ist. Bei einer Anordnung, die Photozelle, Verstärker
und elektromagnetisches Relais benötigt, ist die Zeitverzögerung manchmal sehr merklich,
so daß man für den Verstärker verhältnismäßig höhe Spannungen braucht.
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Nun ist es bereits bekannt, daß Gasentladungsstreckenmitlichtempfindächer
Kathode lichtelektrisch gezündet werden können. Benutzt man allerdings den Gasentladungsstrom
selbst als Relaisstrom, dann muß, man den Vorschaltwiderstand sehr groß bemessen,
damit die Entladung ohne Belichtung der Kathode ,erlischt. Man ist dadurch .auf
Ströme von :einigen Miniampere beschränkt.
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Es ist ferner eine Relaisanordnung bekannt, bei der eine Gasentladung
eine Elektrode thermisch deformiert, die einen beweglichen Kontakt trägt, der einen
äußeren Stromkreis steuert. Wird die Gasentladung eingeschaltet, dann deformiert
sich die eine Elektrode und schließt mit -Hilfe der beweglichen Kontakte einen zweiten
Stromkreis. Dieser Kreis bleibt geschlossen, bis die Gasentladung abgeschaltet wird.
Die Anordnung arbeitet also wie ein Schalter.
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Die Erfindung stellt eine Weiterentwicklung dar, mit dem Ziel, ein
lichtelektrisch auslö,sbäres, empfindliches Relais für größere Leistungen zu schaffen.
Das wird erfindungsgemäß erreicht, indem in einem elektrischen Relais mit in einem
Gasentladungsgefäß angeordneter, durch die Gasentladung thermisch deformierbarer
Elektrode, die einen beweglichen Kontakt trägt, der einen äußeren Stromkreis steuert,
eine Photokathode innerhalb des Entladungsgefäßes derart angeordnet wird, daß die
bei ihrer Belichtung
ausgelösten Photoelektronen die Zündung der
Gasentladungsstrecke bewirken und die Kontakte derart atisgel)ii(let untergebracht
sin#I daß unabhängig von der Höhe der Betriebs-5 spannurig zwischen ihnen keine
Gasentladun auftreten 1,211111.
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Damit ist ein kommerziell und praktisch brauchbares Relais geschaffen,
das schon auf Ströme von einigen Mikroampere anspricht und durch eine Photozelle
betätigt wird. Das Ralais kann in eine Vakuumröhre eingebaut werden, die eine elektrische
Vorrichtung zti seiner -ßetütigung entli:ilt. -Man erhält so eine einfache, kc@mpaktc@
ulid stabile Vorrichtung niir der. Vorteilen eines Vakuumschaltrelüis. Das Relais
ersetzt eile übliches Ger;it aus Photozelle, Verst:irker und clektromagl:etischeni
Rukais, eignet 5i(1) besonders als Auslöser;-lais, besitzt keilte merkliche Z_eitver-ZOge!7ttl)g
Und l@tV4 SI(ll mit _gerii15eI1 5pa.11-ntlngen betreiben.
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Das erfiilcltin"sgeili:il',e Ger-it enthält z«-ei gegeneinander hewegliclle
Kgiiitakte, die finit dem zti st@,tierildeil Kreis verbunden sind und in eirein
ab` c schloss@enen evakuierten Gefäß liegen. Dis GefäU enthält ein verdünntes Gas
oder ein - anderes ionis:erbares Medium, das eiilc sich selbst aufrechterhaltende
Einladung zwischcil kalteil Elektroden ii111erIitilli des GeiäU:es gestattet. Betätigt
«erden die Kontakte durch ein Organ innehalb des Gefäl.)cs, das z. B. aus einer
"cspaiiiiteii Feder, die die Kontakte zti schließen sucht, und aus eineng Paar kalter
Elektroden besteht. Eilre davon ist mit der Feder verbunden und verhindert im normalen,
kalten Zustand, d,ii:) diese die Kontakte scliliel.,)t. ,
W ,_hrend
sie sich bei Erhitzun- ausdehnt und dann die Feder freigibt. Der Abstand der kalten
Elektroden und der Gasdruck sind so gewiihlt, daß die normale Betriebsspannung mischen
den kauen Elektroden nicht geneigt, eine Entladung zwisclicn ihnen einzuleiten.
diese Entladung aber aufrechterhält, sobald sie einmal eingesetzt hat. In dem Gefiiß
ist eine Photokathode so angeordnet, daß bei einer bestimmten Lichtstarke geiiti-cild
Elektronen aus ihr austreten und in den Raum z«-ischen den Elektroden gelangen,
ein (las Gas zu ionisieren und eine Entladung zwisehen den kalten Elektroden zu
veranlassen. Die Entladung erhitzt die mit der Feder verbundene Elektrode, so daß
sie sich ausdehnt und die Feder die Kontakte schließen kann. Das Relais ölliiet
sich con selbst wieder, wenn die den kalten Elektroden zugeführte Spannung eine
Wechselspannung ist und die Lichtquelle entfernt wird, da die Gasentladt:ng hach
jeder Halbperiode erlischt und oin:e Photokathodenstrom nicht wieder einsetzt. Fig.
1 zeigt ein Lichtrelais gemäß der Erfindung im Längsschnitt; Fig.2 ist ein teilweiser
Schnitt einer abbeänderten Ausführungsform, Fig.3 ist ein zti beiden Figuren gehöriges
Schaltbild.
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Das Lichtrelais besteht aus einem Gefäß i o mit einem Sockel t t an
einem Ende und Kontaktkappen 12 und 13 am anderen Ende und aus Elektroden, die auf
dem Quetschfuß 11 montiert sind. Es ist mit einem ionisierbaren Medium (Argon, Neon,
Helium o. dgl.) gefüllt, das eine sich selbst aufrechterhaltende Entladung ermöglicht.
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Die Schaltvorrichtung, die in den Kopf des Gefäßes eingeschmolzen
ist, besteht aus einem domförmigen Gefäß 15, zweckmäßig aus Isoliermaterial, etwa
aus Glas, das an scinern unteren Ende durch eine elastische Membran 16 abgeschlossen
ist. Der Kolben ist so in zwei getrennte Räume unterteilt. Innerhalb des Gefäßes
befindet sich ein fester Kontakt i i" an der mit der Kappe 13 verbundenen Einführungsleitung
18 und der bewegliche Gegenkontakt 19, der an der elastischen Membran 16 sitzt.
Die elastische Metallmembran und der Kontakt 19 sind durch die Leitung 2o mit dein
Kontakt 12 verbunden. Der Behälter 15 wird vor seinem Einsetzen in den Kolben auf
etwa denselben Druck wie den des Kolbens 1 o evakuiert, nachdem dieser Kolben zugeschmolzen
ist. Da der Behälter im wesentlichen frei von Luft ist, können die Kontakte nicht
oxydieren und verschmoren. Der besondere Behälter ist in erster Linie vorgesehen,
um eine Ionisation zwischen den Kontakten durch das Gas zu verhindern, wenn diese
an eine Spannung gelegt werden, doch können die Kontakte unter gewissen Bedingungen
auch direkt in dem Kolben ohne besonderen Behälter unterge=bracht werden, ohne daß
eine Ionisation auftritt (Abb.2). Die Betätigung der Kontakte erfolgt durch die,
Feder 25, die mit der Membran und dem Kontakt 19 vermittels des isolierenden Verbindungsstückes
26 verbunden ist und so gespannt ist, daß sie die Membran nach oben in die Kontaktstellung
zu bewegen sucht. Die Feder sitzt an dem Stab 27, der 1 in den Quetschfuß i4. eingeschmolzen
ist.
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28 ist eine kalte Elektrode, zweckmäßig ein Wolfram- oder Molybdänfaden,
der am einen Ende durch ein Isolationskügelchen 29 mit der Feder 25 und am anderen
Ende mit 1 einer in den Quetschfuß eingeschmolzenen Leitung 3o verbunden ist. Diese
kalte Elektrode zieht normalerweise die Feder 25 nach. unten und verhindert dadurch
das Schließen der Kontakte 17 bis 19. Die andere kalte i Elektrode 31 ist zweckmäßig
als Gitter ausgebildet. Zwischen ihr und der Fadenelektrode
liegt
eine Spannung gerade unterhalb der Zündspannung. 32 ist eine Photokathode, die Elektronen
in den Raum zwischen den beiden kalten Elektroden aussendet, wenn sie einer bestimmten
Lichtstärke ausgesetzt wird. Dadurch tritt zwischen den beiden Elektroden eine Ionisatiön
auf, die eine Entladung zwischen ihnen in Gang bringt; durch die Gasentladung wird
die kalte Fadenelektrode erhitzt und dehnt sich aus, so daß; die Feder 25 sich nach
oben bewegen und die Kontakte schließen kann.
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Die Arbeitsweise des Lichtrelais- soll -an-Hand von Fig. 3 erläutert
werden. Normalerweise liegt zwischen- den beiden Elektroden 31 und 28 eine Wechselspannung,
beispielsweise von i i o Volt, und parallel zu diesen Elektroden ein Widerstand
33. Der Gasdruck und der Abstand der kalten Elektroden 28 und 31 ist so gewählt,
daß bei normaler Betriebsspannung die Gasentladung zwischen den kalten Elektroden
gerade die Grenze des Einsetzens erreicht, d. h. die Betriebsspannung liegt gerade
unterhalb der Durchschlagsspannung. Unter diesen Bedingungen bleiben die Kontakte
in der Offenstellung. Wenn genügend Licht auf die mit dem Mittelpunkt des Widerstandes
33 verbundene Photokathode 32 fällt, bringt die Emission dieser Kathode Photoelektronen
in den Raum zwischen dem Gitter und dem Faden, und die Gasentladung zwischen diesen
Elektroden setzt ein. Die Temperatur der Fadenelektrode- nimmt nun merklich zu,
so daß sie sich ausdehnt und der Feder 25 gestattet, die Kontakte 17 bis i9 zu schließen.
Während jeder Halbperiode, in der die kalte Fadenelektrode positiv ist, geht eine
Entladung vom Gitter 31 zur Fadenelektrode 28 über und hält diese auf genügend hoher
Temperatur. Die- Kontakte bleiben so lange geschlossen, als die Lichtstärke einen
bestimmten Wert übersteigt. Da die Gasentladung jede halbe Periode unterbrochen
wird, arbeitet das Lichtrelais automatisch. Ohne Zuführung einer genügenden Anzahl
von Photoelektronen zum Gitter findet eine Fademaumionisation nicht statt, und es
wird keine nennenswerte Wärme in der Fadenelektrode entwickelt, die ihre Länge vergrößern
könnte.
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Fig.2 zeigt eine Abänderung des Relais in Fig. i, bei der ebenfalls
eine Entladung zwischen den den Arbeitskreis steuernden Kontakten verhindert ist.
Hier ist der Kontakt 35 mit einem runden Schirm 36 versehen urid in dem oberen Teil
des Kolbens vermittels der Leitung 37 montiert, die mit einer oberen Kappe 38 verbunden
ist. Der untere bewegliche Kontakt 39 ist gleichfalls mit einem Schirm 40 versehen
und sitzt an der Feder ¢i, die durch die Leitung ¢2 mit dem Kontakt ¢3 verbunden
ist und die durch das Zwischenstück 44 von der Tragstütze 27 isoliert ist.
Der Raum zwischen den Kontakten und Schirmen ist kleiner als die mittlere freie
Weglänge der Elektronen bei dem betreffenden Gasdruck in der Röhre. Natürlich können
die "Gasdrücke so gewählt werdest, daß keine besondere Vorrichtung notwendig ist,
um bei den vorbeschriebenen Spannungsbedingungen eine Gasentladung zwischen den
Kontakten zu verhindern. Die Schirme reichen sehr dicht an die Wände des Kolbens,
damit nicht --um ihre Kanten herum eine Gasentladung -auftreten kann. Die kalte
Elektrode, die die Kontakte schließt, kann natürlich verschiedene Formen annehmen;
sie kann beispielsweise aus einem Bimetallstreifen bestehen, der sich entsprechend
den thermischen Bedingungen durchbiegt und das Schließen der Kontakte verursacht.
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Es ist demgemäß; mit der vorliegenden Erfindung ein sehr einfaches
und robustes Lichtrelais geschaffen, das die Notwendigkeit, Verstärker und elektromagnetische
Lichtrelais zu verwenden, beseitigt und nicht nur bereits bei kleinen Änderungen
der Lichtstärke anspricht, sondern auch die Notwendigkeit hoher Spannungen für den
Verstärker beseitigt und Kreise mit Strömen von mehreren Ampere ohne merkliche Zeitverzögerung
steuern kann. Die Kontakte können Ströme bis zu 5 Ampere bei i io Volt Spannung
schließen und öffnen.