DE730774C - Schaltung zur Verstaerkung, Gleichrichtung oder Schwingungserzeugung - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 18. JANUAR 1943

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JA 730774 KLASSE 21 g GRUPPE 1313

T 40234 VIII φι g

Zusatz zum Patent 71 ο

Patentiert im Deutschen Reich vom 14. Februar 1932 an Das Hauptpatent hat angefangen am 12. Februar 1032 Patenterteilung bekanntgemacht am 17. Dezember 1942

In dem Hauptpatent 710 077 wird eine Elektronenröhrenschaltung für Röhren mit einer Kathode, einer Anode und mindestens zwei dazwischen angeordneten Gitterelektroden und einem die Entladungsbahn zwischen der Anode und dem äußeren der beiden Gitter beeinflussenden Steuerorgan angegeben, bei der durch Regelung des Elektronenstromes hinsichtlich der Elektronendichte und· -gesehwindiigkeit die den Entladungsstrom bildenden Elektronen im Wirkungsbereich des Steuerorgans abgebremst werden und eine virtuelle Kathode bilden.

Die Erfindung 'betrifft eine Weiterbildung dieser Anordnung und besteht in einer besonderen Betriebsweise einer solchen Röhre, die eine hohe Steuerempfindlichkeit zu erzielen gestattet. Eine nähere Erläuterung der gemäß der Erfindung ausgenutzten Entladungsvorgänge soll an Hand der Abb. la und ib gegeben werden.

Die Schaltung gemäß Abb. 1 a enthält eine Dreielektrodenröhre, deren Glühkathode aus der Spannungsquelle E_h geheizt und deren Gitter und Anode durch die Spannungs- «5 quellen E_g und E_a auf positivem Potential gehalten werden. Der von der Kathode ausgehende Emissionsstrom J_k kann durch Änderung des Heizstromes bzw. der variabel gezeichneten Heizspannung B_h geregelt werden und verteilt sich auf das Gitter und die Anode. Wenn man die Spannung E_g und B_h festhält und den Gesaimtstrom Jj₁ von Null anfangend allmählich vergrößert, indem man die Heizung erhöht, so findet man, daß der Anodenstrom J_a zu-

nächst mit wachsendem Emissionsstrom J_k ansteigt, ein Maximum erreicht und anschließend wieder absinkt.

Dieser Zusammenhang ist in der Abb. 1 b zeichnerisch dargestellt. Als Abszisse ist der Gesamtstrom J_k und als Ordinate der Anodenstrom T_a aufgetragen. Falls die Gitterelektrode nicht vorhanden wäre oder ein negatives Potential besäße, würde der ganze Emissionsstrom J_k zur Anode übergehen und in dem Diagramm (gleiche Maßstäbe für beide Koordinaten vorausgesetzt) durch die unter 45° ansteigende Gerade J_k dargestellt sein.

") Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden;

Dr_vphil. Günther lobst in Berlin.

Mit Rücksicht auf den von dem- positiven Gitter aufgenommenen Strom verläuft die /„-Kurve stets unterhalb dieser Geraden.

Zur Erklärung des Zustandekommens de-* abfallenden Teiles der Anodenstromkurve" wird darauf hingewiesen, daß sich beim Überschreiten eines kritischen Verhältnisses zwischen der Elektronendichte (welche durch dei Gesamtstrom J₁. gegeben ist bzw. durch die ι ο Heizspannung E_h geregelt werden kann) und der durch die Spannung E_g bestimmten Elektronengeschwindigkeit in dem Raum zwischen Gitter und Anode Raumladungen ausbilden, welche die Stromverteilung auf Gitter und Anode in der festgestellten Weise beeinflussen. Es soll gleich vorweggenommen werden, daß eine Sekundäremission von Gitter und Anode nicht für diese Erscheinungen verantwortlich gemacht werden kann, denn der in Abb. 1 b dargestellte Stromverlauf läßt sj&hVäliEh'.Maiin nachweisen, wenn die Spannungen dieser beiden Elektroden gleich sind (also E_s = _J£_ir]k;Sö-iläß.:-keiae Elektronen, vom Gitter auf die Anode oder umgekehrt übergehen können, oder wenn diese Spannungen an sich so klein sind, daß gar keine Sekundäremission auftreten kann. Andererseits können aber auch Übernahmeerscheinungen, d. h. die bei annähernd gleichen Gitter- und Anoden-. 30 potentialen auftretenden Stromverteilungsvorgänge, nicht die Ursache bilden, da man den charakteristischen Anodenstromverlauf selbst dann beobachtet, wenn die Anodenspannung E₁₁ wesentlich höher als die Gitterspannung E_g ist.- Ebensowenig hängt das Absinken des Anodenstromes bei steigendem Gesauitstrom mit Sättigungserscheinungen an der Kathode zusaminen,;-wie später nachgewiesen-werden soll. '

':1m abfallenden Teil der Anodenstromkurve, d.h.: indem Abschnitt A-R in Abb. 1 b, können, wie eingehende Untersuchungen gezeigt haben, durch-- magnetische oder - elektrische Felder viel größere Anodenstromänderungen hervor 4-5 gebracht werden als außerhalb dieses Gebietes. Dies ist auch aus den in Abb. 2 a dargestellten Kurven deutlich erkennbar. In Abb. 2 a soll die Abhängigkeit des Anodenstromes von Änderungen der Anodenspaunitng gezeigt. werden. Zu diesem Zwecke wurden Anodenstromkurven für zwei verschiedene, jeweils konstant gehaltene Anodenspannungen- E₁₁ bzw. E₁₁ + Λ E₁₁ bei sonst unveränderten Arbeitsverhältnissen auf genonimen.-Als Abszisse wurde wieder der Gesamtstrom /_Λ aufgetragen. Man erkennt, daß die auf- den Anodenspannungsunterschied J E₁₁ zurückzuführende. Stromdifferenz, über dem fallenden Teil der Kennlinie am größten ist.

In Abb. 2 b sind zwei Anodenstromkurven dargestellt, welche mit gleichen Anodenspannungen, aber unter dem Einfluß von verschieden starken äußeren Magnetfeldern H bzw. H + .J H aufgenommen wurden; die Kraftlinien des Alagnetfeldes waren hierbei annähernd senkrecht auf die Ebenen der Elektronenbahnen gerichtet. Auch hier ist die durch die Feldänderung um Δ Η bewirkte Anodenstromdifferenz am größten über dem fallenden Teil der Kennlinie /„' = /' (E₀, "if+JH). _

Wichtiger als die Beeinflussung des Anodenstromes durch ein Magnetfeld oder eine .Änderung der Anodenspannung ist für die Praxis die elektrostatische Steuerung mittels einer weiteren Hilfselektrode, welche zwecks leistungsloser Steuerung vorzugsweise auf einem negativen Potential gehalten wird. Eine derartige Schaltung ist in der Abb. 3 a schematisch dargestellt. Die Röhre enthält zwei Gitterelektroden, von denen die der Kathode benachbarte durch die Spannungsijuelle E_g auf einem positiven und die zweite durch die Batterie P auf einem negativen Potential gehalten wird.

Die Abb. 3 b zeigt zwei Anodenstromkurven, welche bei sonst unveränderten Arbeitsbedingungen für verschiedene Hilfspotentiale P und P + AP aufgenommen wurden. Man erkennt wiederum, daß über dem fallen- gu den Teil der Anodenstromkurve // die durch die Potentialänderung um AP hervorgerufene Anodenstromdifferenz am größten ist.

Eine für die praktische Auswirkung des Ernndungsgedankens besonders zweckmäßige Anordnung ist der Abb. 4a zugrunde gelegt. Diese zeigt eine Röhre mit drei Gitterelektroden, von denen die beiden der Kathode benachbarten ein positives und das dritte Gitter ein negatives Potential erhalten. Das erste Gitter wirkt als Raumladegitter, und sein Potential E_a bestimmt die Größe des zu den beiden anderen positiven Elektroden übergehenden Gesamtstromes (/ _g + J_a). Dieser hängt demnach von der Spannung E_d in gleieher Weise ab, wie der Gesamtstrom /^ von der Heizspannung E₁₁ im Falle der Abb. 1 a und 3 a. Wenn man daher die Abhängigkeit des Anodenstromes J₁₁ von der Spannung E₁₁ des ersten Gitters auf dem Wege einer Mes- no sung bestimmt, erhält man grundsätzlich dasselbe Kurvenbild wie in Abb. 3 mit dem Unterschied, daß auf der Abszissenachse die Werte von E_d statt von J_h aufgetragen sind.

In den Abb. 4b, c und 5 bis 7 sind verschiedene Funktionen des Entladungsstromes, welche mit einer Anordnung gemäß Abb. 4 a gewonnen wurden, dargestellt.

Die Abb. 4b zeigt zunächst den bereits erwähnten Zusammenhang zwischen dem Anodenstrom J_a und der Spannung E₁₁ des ersten itters bei konstant gehaltenen Spannungen E₁₁

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und Eg. Hierbei wurde die Spannung P de? Hilfsgitters als Parameter gewählt und dementsprechend zwei Kurven für zwei verschiedene Werte dieser Spannung P und P — AP eingetragen.

Die Kurvenschar in Abb. 6 entspricht der, gewöhnlichen Röhrenkennlinien, wobei der Anodenstrom J_a als Funktion der Steuergitterspannung betrachtet wird; in diesem ίο Falle geht die Anodenspannung E₁₁ als Parameter ein.

Von großem Interesse ist die Darstellung der Abb." 4 c, welche den Zusammenhang

zwischen der Steuersteilheit S = -v-75- und dP der Spannung E_d des Raumladegitters, bezogen auf die untere Kurve der Abb. 4b, erkennen läßt. Man sieht daraus unmittelbar, daß die Steuerempfindlichkeit an der steilsten Stelle der /„-.E^Kurve, nämlich im Wendepunkt W, am größten ist. Die zu diesem Punkt gehörige Raumladegitterspannung wird mit E_dw bezeichnet.

Die Größe der dem Wendepunkt W der Anodenstromkurve zugeordneten Raumladegitterspannung E_dw hängt ebenso wie der Absolutwert der maximalen Steilheit S_mas von der Wahl der Spannungen E_a und E_g ab. Die maximale Steilheit S_max nimmt, wie Abb. 5 erkennen läßt, bei konstant gehaltener Anodenspannung E_a etwa linear mit der positiven Gitterspannung E_g zu und ist demnach keine durch die Röhrenabmessungen gegebene Größe. Die Abb. 5 zeigt ferner die Abhängigkeit der optimalen Raumgitterspannung E_dw von der Gitterspannung E_g. Der Steigerung von Smax durch Erhöhung der Spannungen E_d und E_g ist lediglich durch die Belastbarkeit der positiv vorgespannten Hilfselektroden eine Grenze ■ gesetzt. Die Abhängigkeit von der Anodenspannung E_a soll möglichst gering sein, um eine Rückwirkung der am Anodenwiderstand auftretenden Wechselspannungen auf den Steuervorgang zu vermeiden. Dies kann in an sich bekannter Weise durch eine geeignete Dimensionierung bzw. durch Einführung eines Schirmgitters zwischen Anode und Steuerelektrode leicht erreicht werden. Die Abb. 7 zeigt den Verlauf zwischen den mit positiver Vorspannung betriebenen Elektroden fließenden Ströme J_a, J_g und J_d in Abhängigkeit von der Raumladegitterspannung Ed. Der von der Kathode ausgehende Gesamtstrom, welcher früher mit I_k bezeichnet wurde, beträgt somit die Summe dieser drei Ströme. Wie man aus der Betrachtung der Abb. 7.ohne weiteres erkennt, beginnt der Anodenstrom J_a abzufallen, obgleich der Gesamtstrom J₁₁ = J_a -f J_g -f- J_d noch stetig .60 weiter ansteigt. Dieses Verhalten kann als Beweis dafür angesehen werden, -daß die fallende Anodenstromcharakteristik nicht auf Sättigungserscheinungen an der Kathode zuj rückzuführen ist.

! Um einen Anhaltspunkt für die durch den ; Erfindungsgegenstand gegenüber normalen Elektronenröhren erzielte Steigerung der Steuerempfindlichkeit zu gewinnen, sei nochmals auf das in Abb. 6 dargestellte Zahlenbeispiel hingewiesen. Aus den dort gezeichneten Kennlinien kann man entnehmen, daß die Steilheit S = -j?ß- etwa 2omA/V beträgt, während die sog. primäre Steilheit s = -rJr- nur etwa 3 mA/V ausmacht.

Die sich auf Grund der vorangegangenen Ausführungen ergebende Anweisung zur Erzielung einer hohen Steuerempfindlichkeit in einer Elektronenröhre mit mindestens zwei Gitterelektroden, die nicht Steuerungszwecken .dienen, kann in Kürze folgendermaßen wiedergegeben werden: Bei vorgegebenen positiven Spannungen an der Anode (E_a) und an dem einen Gitter (-E^) wird der Arbeitspunkt durch. Regelung der Stromdichte mittels der Heizspannung E/, oder Raumladegitterspannung E_d an die steilste Stellung des abfallenden Teiles der Anodenstromkurve J₁₁ verlegt. Dabei steigt die Steuerempfindlichkeit .5* mit zunehmender positiver Gitterspannung E_g, während der Einfluß der Anodenspannung durch geeignete Dimensionierung der Röhre auszuschalten ist. Diese Regel gilt ebensowohl für eine magnetische als auch für eine elektrostatische Steuerung.

Unter Umständen kann es von Vorteil sein, die Elektronenröhre mit einem Gas oder Dampf unter niedrigem Druck zu füllen. Da eine ionisierte Atmosphäre bekanntlich raumladungsvernichtend wirkt, kann dies im vorliegenden Falle dazu benutzt werden, um die zwischen der Kathode und dem Raumlade gitter befindliche Raumladung aufzulösen, so daß an das Raumladegitter zur Erzielung der gleichen Stromdichte eine bedeutend kleinere Spannung angelegt zu werden braucht. Allerdings muß dann (und zwar gelingt dies durch geeignete Bemessung der Elektrodenabstände) dafür Vorsorge getroffen werden, daß in dem Raum zwischen der zweiten positiven Gitterelektrode und der Anode keine Ionisation entsteht, da diese auch die vor der Anode angestaute Raumladung, auf deren Anwesenheit die Wirkung des Erfindungsgegenstandes beruht, vernichtet würde.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Schaltung zur Verstärkung, Gleichrichtung oder Schwingungserzeugung unter Anwendung von gesteuerten Elektronenröhren nach Patent 710077, dadurch ge-

   kennzeichnet, daß die Spannungen der beiden ersten die Kathode umgebenden und hintereinanderliegenden, während des Betriebes auf konstantem Potential gehaltenen Gitter und die Anodenspannung, die wesentlich höher als die Spannung der übrigen Elektroden ist, gegeneinander so abgeglichen werden, daß der Arbeitspunkt auf dem fallenden Teil der auf die Spannung des ersten Gitters bezogenen Anodenstromkurve liegt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan aus einem vor der Anode befindlichen, vorzugsweise auf negativem Potential gehaltenen Gitter besteht, dem die zu verstärkende Spannung zugeführt wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung durch ein Magnetfeld, dessen Feldlinien senkrecht zur Bahnebene der Elektronen stehen, erfolgt.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzwiderstand im Anodenkreis liegt. *5
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Anode ein weiteres auf konstantem positivem Potential gehaltenes Schirmgitter angeordnet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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