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Entladungsrohr mit Gas- oder Dampffüllung von niedrigem Druck Es sind
Steuereinrichtungen für Gas- oder Dampfentladungsrohre, bei denen während des Betriebes
auch im Raum zwischen Anode und Steuergitter Stoßionisation herrscht, bekanntgeworden,
welche die verschiedenartigsten Anwendungen des Quecksilberdampfgleichrichters und
ähnlicher Steuerröhren für Energie- und Frequenzumformung, Abschaltung von großen
Strömen und Leistungen usw. ermöglichen. In wissenschaftlichen Verriffentlichungen
wurde bisher. die Ansicht vertreten, daß man in Entladungsröhren mit Gas-oder Dampffüllung
während des Bestehens der Entladungsbedingungen das Ventil wohl auf-, nicht aber
wieder zumachen kann. Erst wenn die Anode der betreffenden selbständigen Entladung
keine positive Spannung gegen die Kathode mehr besitzt, hört der Strom zu fließen
auf, so daß das Ventil durch Anlegen einer negativen Spannung gesperrt werden kann.
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Alle diese Steuerungen haben bei ihrer Anwendung auf Gleich- und Umrichter
> den Nachteil, daß die äußeren Schaltungen dieser Apparate oft sehr kompliziert
und teuer werden. Außerdem gibt es weitere wertvolle Anwendungsmöglichkeiten für
Gleichrichter, die aber erst dann praktisch ausführbar sind, wenn es gelingt, die
Anodenströme mit besonderen Steuergittern nicht nur in jedem beliebigen Zeitmoment
zu zünden, sondern auch zu löschen, und zwar bevor die Anodenspannung relativ zur
Kathode auf Null abgenommen hat.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Entladungsrohr mit Gas- oder
Dampffüllung von niedrigem Druck, bei dem jede Anode mit einem Steuergitter, das
den Raum um die Anode vom übrigen Entladungsraum abschließt und, schon an eine niedrige
negative Spannung gelegt, den Anodenstrom in jedem beliebigen Zeitpunkt seiner Brenndauer
löscht, versehen ist und bei dem Stoßionisation vorhanden ist, bei dem erfindungsgemäß
die gesamte Oberfläche der gleichmäßig über die Gitterfläche verteilten Gitteröffnungen
gleich oder kleiner ist als .Io°/a der wirksamen Anodenoberfläche, während die Entfernung
zwischen Gitter und Anode kleiner ist als das 5ofache des größten Durchschnittes
einer Gitteröffnung, und die Maschenweite oder der Lochdurchmesser bei Verwendung
von Quecksilberdampf als Füllgas kleiner oder höchstens gleich der doppelten mittleren
freien Weglänge der Gasmoleküle). beim höchsten Arbeitstotaldruck gewählt (d <2
2,), und bei Verwendung 'eines anderen Füllgases der Lochdurchmesser im Verhältnis
der Ionisierungsspannung dieses Gases E" zur Ionisierungsspannung des Quecksilberdampfes
EH, vergrößert ist ( d<-
# 2 A,) .
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Durch die erfindungsgemäße Bemessung der Durchlässigkeit des Gitters,
des Abstandes
zwischen Gitter und Anode sowie des Durchinessers
der Öffnungen im Gitter im Zusammenhang mit dem verwendeten Gas- oder Metalldampfdruck,
der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle und der Ionisierungsspannung wird
dafür gesorgt, daß die Dicke der Raumladeschicht im Raume zwischen Gitter und Anode
viel größer wird als zwischen den Gittermaschen. Auf diese Weise ist es möglich
geworden, Anodenströme zu löschen, ohne daß der Kathodenfleck beseitigt wird. Es
ist bei solchen Entladungsröhren auch möglich, Glühkathoden zu verwenden, die bekanntlich
keinen Kathodenkrater besitzen, sondern dauernd zur Stromabgabe bereit sind, wenn
nur die Temperatur genügend hoch gehalten wird. Die Bemessung des Gitters erfolgt
nicht mit Rücksicht auf den Spannungsdurchgriff der Anode durch das Gitter, sondeUn
mit Rücksicht auf die Ionisierungsverhältnisse im Raume zwischen Gitter und Anode.
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Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, durch die Dimensionierung
der Durchtrittsöffnungen in Steuergittern von Gleichrichtern oder Lichtbogenapparaten
das Abschalten oder Unterbrechen eines durch die Öffnungen hindurch brennenden Lichtbogens
in einem gewissen Bereich des Metalldampf-oder Gasdruckes bei solchen negativen
Gitterspannungen zu ermöglichen, die ein Rückzünden des Gitters noch nicht zur Folge
haben, Wie die Versuche gezeigt haben, wird dies dadurch erreicht, daß bei Vakuumzellen,
bei denen Stoßionisation auch im Raum zwischen Gitter und Anode stattfindet, die
Öffnungen in den Gittern im Zusammenhang mit dem Metalldampfdruck (Quecksilberdampf)
oder Gasdruck (Neon, Argon usw.), in welchem der Lichtbogen brennt und die Steuerung
stattfindet, so bemessen werden, daß der Langmuirsche Dunkelraum dieselben bei solchen
negativen Spannungen überdeckt und verschließt, auf welche sich die Gitter, isoliert
angebracht, von selbst aufladen würden. Die Dicke des Langinuirschen Dunkelraumes
ändert sich nun proportional mit der Wurzel aus der Gitterspannung. In dein Maße,
wie die positive Anodenspannung durch das Gitter und die vorgelagerte Raumladung
hindurchgreift, werden Elektronen aus dem Lichtbogen herausgezogen und gelangen
durch die Raumladungsschicht und durch die Löcher des Gitters hindurch auf die Anode.
Einerseits wirken nun diese Elektronen auf die in den Maschen des Gitters vorhandene
und diese eventuell überdeckende und verschließende Schicht der positiven Raumladung
des Gitters neutralisierend, andererseits können sie den Raum zwischen Gitter und
Anode durch Stoß ionisieren. Sowohl für den Stromtransport als auch für den Durchgriff
der Anode durch das Gitter spielt diese Ionisierung hinter dein Gitter eine große
Rolle. Ist die Ionisierung z. B. sehr gering, so daß die neutralisierende Wirkung
der gebildeten positiven Ionen nicht hinreicht, um die negative Raumladung der durchtretenden
Elektronen zu kompensieren, so schirmt die negative Raumladung der Elektronen das
Feld der Anode ab, so daß der Einfluß der Anodenspannung durch das Gitter hindurch
abnimmt. Bei wachsender negativer Gitterspannung nimmt nun, wie oben bereits erläutert,
die Dicke der positiven Raumladeschicht vor dem Gitter zu, so daß der Einfluß derAnodenspannung
von dieser Seite aus ebenfalls verringert wird. Nach der Townsendschen Theorie ist
die Neubildung von Ladungsträgern durch Stoßionisation bei ein und derselben Gas-
oder Dampfart und derselben Elektrodenanordnung abhängig von der Anzahl der stoßenden
Teilchen oder Ionen sowie vom Gasdruck und der Feldstärke. Auf vorliegenden Fall
angewendet heißt das, daß die Ladungsträgerbildung (Ionisation) im Raume zwischen
Gitter und Anode und damit die Stromaufnahme durch die Anode von der Gitter- und
von der Anodenspannung und außerdem vom Quecksilberdampfdruck (Gasdruck) sowie von
der Dimensionierung der Durchtrittsöffnungen im Gitter abhängig ist. Um daher bei
Quecksilberdampfdrücken, wie sie sich im Innern von Großgleichrichtern selbst bei
guter Kühlung einstellen, arbeiten zu können, ist es notwendig, den freien Durchtrittsquerschnitt
in den Gittern im Vergleich zum Anodenquerschnitt in einem bestimmten, dem Arbeitsdampfdruck
angepaßten Verhältnis zu halten. Außerdem ist die Maschenweite oder der Lochdurchmesser
bei perforierten Gittern stets kleiner oder höchstens gleich der doppelten mittleren
freien Weglänge der Dampfmoleküle beim höchsten Arbeitstotaldruck zu halten. Für
die Stoßionisierung im freien Durchtrittsquerschnitt zwischen den Gittermaschen
spielt die Ionisierungsspannung des verwendeten Füllgases oder -dampfes insofern
eine Rolle, als Gase mit höherer Ionisierungsspannung auch eine höhere, pro freie
Weglänge durchlaufene Spannung der ionisierenden Elektronen verlangen. Die Maschenweite
des Steuergitters kann daher bei solchen Füllgasen in bezug auf die freie Weglänge
größer gewählt werden als z. B. für Quecksilberdampf.
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Ist: u = das Verhältnis der Ionisierungsspannung
eines beliebigen Füllgases zur Ionisierungsspannung des Quecksilberdampfes und bedeutet
d die Diagonale der Maschenweite oder den Lochdurchmesser des Steuergitters
und
2, die freie Weglänge zwischen Elektroden und Gasmolekülen im verwendeten Füllgas,
so ergibt sich für die Berechnung von d folgender Ausdruck: d < u # -, .?.
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Der Abstand zwischen Gitter und Anode dagegen soll auf keinen Fall
mehr als der 5ofache Betrag der Maschenweite des- Gitters betragen. Die Versuche
ließen erkennen, wie die zum Unterbrechen des Anodengleichstromes notwendige negative
Gitterspannung mit steigendem Quecksilberdampf zunimmt. Es ergab sich dabei für
einen Druck von a X io-3 mm Hg eine Steuerspannung von etwa io bis 2o Volt, bei
io X io--3 mm Hg 6o bis 85 Volt und bei z8 X io-3 mm Hg 29o Volt. Diese Zahlen gelten
für einen Gitterdurchtrittsquerschnitt von 40°/o, bezogen auf die derKathodezugewandteAnodenoberfläche,
einen Gitterabstand von 4 mm und einen Lochdurchmesser von o,9 mm. Wählt man bei
demselben Gitterabstand einen kleineren Durchtrittsquerschnitt als 4o0/0 der Anodenstirnfläche,
so sind die notwendigen Gitterspannungen für dieselben Quecksilberdampfdrücke nach
kleineren Werten- verschoben. Bei einem Durchtrittsquerschnitt von mehr als 40"/,
dagegen liegen die Gitterspannungen über den angegebenen Werten. Bei größeren Durchtrittsquerschnitten
kommt man daher leicht zu einer solch hohen negativen Gitterspannung, daß das Gitter
selbst bei den bestehenden Dampfdrücken zur Kathode wird, d. h. rückzündet.
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Die praktische Anwendungsmöglichkeit solcher Steuergitter auf Gleichrichter,
Schalter, Steuerröhren ist naturgemäß eine sehr große, nicht nur zur Abschaltung
von Rückzündungen, sondern auch zur Steuerung des Vorwärtsstromes zwecks Regulierung
der Leistung oder zwecks Frequenzümformung und vor allem zur Umwandlung von Gleichstrom
in Wechselstrom beliebiger Frequenz zwischen o und 40 ooo Hertz und zur Entnahme
von voreilendem Strom aus Wechselstromnetzen, d. h. zu Phasenkompensation.