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Verfahren zur Erzeugung negativer Widerstände zwecks Erzeugung oder
Verstärkung hochfrequenter "Schwingungen Die Erfindung betrifft eine Röhrenanordnung
zur Erzeugung negativer Widerstände zwecks Erzeugung und Verstärkung hochfrequenter
Schwingungen durch eine mehr oder weniger vollständige Kompensation von positiven
Widerständen unter Verwendung einer Röhre mit einer Kathode und wenigstens zwei
weiteren Elektroden, von denen wenigstens eine positiv vorgespannt ist.
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Es ist- bekannt, daß in einer Elektronenröhre mit zwei Gittern, von
denen das von cler I@atliode aus gezählte zweite Gitter ein Positives Potential
hat, und einer positiven Anode, die Stromspannungskennlinie des zweiten Gitters
einen fallenden Bereich aufweisen kann, der weder mit Sekundäremissionseorgängen
nöch mit Influenzerscheinungen erklärt werden kann, sondern auf eine Elektronenstauung
zwischen dem zweiten Gitter und der Anode und eine Stromverteilung zwischen diesen
Elektroden zurückzuführen ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung negativer
Widerstände zwecks Erzeugung oder Verstärkung hochfrequenter Schwingungen durch
eine mehr oder weniger vollständige Kompensation von positiven Widerständen unter
Verwendung einer Röhre mit einer Kathode und wenigstens zwei weiteren Elektroden,
von denen die, von der Kathode aus gesehen, hinter der anderen liegende Elektrode
gegen diese stark positiv vorgespannt ist, gemäß welchem erfindungsgemäß der negative
Widerstand durch Influenzierung von elektrischen Ladungen auf der Elektrode erzeugt
wird, welche die
Märke des zu der dahinterliegenden Elektrode fließenden
Stromes steuert, und gemäß welchem dieser Elektrode eine solche Vorspannung erteilt
wird, daß der Arbeitspunkt an einer Stelle der .'liodenstronigitterspannungsketitiIitiie
liegt, wo diese eine konkave Krümmung gegen die Abszissenachse (GitterN)annulig)
hat.
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Um dieses '\-erfahren durchfuhren zti können. «-erden zweckmäßigerweise
die Betriebsspannungen, die einen Einfluß auf die Laufzeit der Ladungsträger haben,
so gewählt, daß der influenzierte N'erschiebungswechselstrom gegenüber der Steuerwechselspannung
eine nacheilende Phasenverschiebung zwischen oo und -270° aufweist.
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Die Elektrode. an welcher der negative Widerstand auftritt, kann eine
gegen den Ausgangspunkt der Ladungsträger (Kathode) negative Vorspannung erhalten.
so daß an dieser Elektrode keine Leistung verbraucht wird. Uni das zti ermöglichen,
ordnet nian eine positive vorgespannte Elektrode, durch welche der Entladungsvorgang
im wesentlichen eingeleitet, erzeugt bzw. aufrechterhalten wird, von der Kathode
aus gesehen, hinter der vorzugsweise durchbrochenen Elektrode, in deren Stromkreis
der negative Widerstand auftritt, an.
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Uni einen an die Röhre angeschlossenen Kreis zu entdärnpfen, muß man
die Betriebsbedingungen derart -,wählen, daß beim Vergrößern der Spannung der Steuerelektrode
die auf dieser influenzierte Ladung kleiner wird. Daraus ergibt sich auch, daß die
dynamische Kapazität der Elektrode, an welcher der negative Widerstand auftritt.
bei Vergrößerung der Absolutspannung bzw. Verkleinerung der negativen Vorspannung
dieser Elektrode abnimmt. Den günstigsten Betriebszustand erreicht man, wenn man
die Vorspannung der Elektrode, in deren Stromkreis der negative Widerstand auftritt,
so wählt, daß die dynamische Kapazität dieser Elektrode gleich oder kleiner ist
als die statische Kapazität derselben Elektrode. Etwas vor diesem Betriebszustand
beginnt der Widerstand der Entladungsstrecke negativ zu «-erden und bleibt bis über
den Punkt, an dem die dynamische Kapazität ihren negativeti Scheitelwert erreicht.
hinaus noch negatiV, solange sich die auf der Steuerelektrode irlflttenzierende
Ladung unigekehrt proportional zur Spannung dieser Elektrode ändert.
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Zum Verständnis dieser Zusammenhänge soll folgende: erwähnt werden:
Von den Elektronen, die in einer Dreielektrodenröhre- von der Glühkathode zur Anode
gelangen, wird auf dem Gitter eine positive Ladung n influenziert. Die Größe dieser
Ladung ist nur von der Paumladungdichte n im Entladungsraum abhängig. In einer ebenen
Elektrodenanordnung mit einer Ladungsverteilung nach der Schottky-Langinuirschen
Raümladungsgleicliung ist in jeder Entfernung x von der Kathode direkt proportional
zu U, dein Potential an der Stelle .r.
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Daraus folgt, daß unter den üblichen idealisierten Voraussetzungen
über die Gleichmäßigkeit des Gitters die insgesamt von den Elektronen auf dem Gitter
influenzierende Ladung proportional zum Effektivpotential des Gitters, 'd. h. also
auch zur Gitterspannung. sein muß. Wie eine nähere Rechnung zeigt, ist die gesamte
Gitterladung größer als die ohne Raumladung vorhandene statische Gitterladung.
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In den Abb. i a bis r c sind diese Zusammenhänge graphisch dargestellt.
Abb. i a zeigt T".'L'9-Kennlinien einer Röhre für zwei verschiedene -.Anodenspannungen.
Die voll ausgezogene Kurve der Abb. i b zeigt die negative Gitterladung zufolge
der raumladungsfreien Gitterkapazität, während die gestrichelten Kurven die gesamte
Gitterladung beim Vorhandensein eines Elektronenstromes angeben. Die wirksame Kapazität
zwischen Gitter und Kathode ist definiert als
Die zwischen Gitter und Kathode niit Wechselspannung gemessene Kapazität muß also
am Einsatzpunkt der Kennlinie eine sprunghafte Änderung um einen Betrag
A C,
aufweisen, an allen übrigen Stellen aber konstant bleiben. wit
Abb. i c zeigt.
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Praktisch erfolgt wegen der unvermeidlichen Inhornogenität des Steuergitters
die Änderung .9 C., nicht so sprunghaft. Sie verläuft vielmehr um so flauer, je
weiter die Kennlinien nach negativen Gitterspannungen zu verschoben sind. da dann
auch die Entladungskennlinien immer stärker -vorn T_ @@ "-'-Gesetz abweichen.
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Weicht die Kennlinie vorn U"'-Gesetz ab, so ist die influenzierte
Ladung nicht mehr proportional zur Gitterspannung. Die Kapazitätsänderung
l C" muß sich dann im Kennlinienfeld ändern, und zwar mit steigendem Anodenstrom
für 11>3!r2 zunehmen, für 1t. < 3!2 abnehmen, «-ober n den Exponenten
der Kennliniengleichung (T = k # U°)
bedeutet.
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Betreibt man eine Rühre derart, daß sich in der Nähe des Gitters eine
virtuelle Kathode ausbildet, so entsteht bei Veränderung der Gitterspannung infolge
Ausbildung und Wiederauflösung der virtuellen Kathode auf
dem Gitter
eine zusätzliche influenzierende Ladung nach der gestrichelten Linie der Abb. 2
b. Durch Differentation ergibt sich daraus die Kapazitätsänderung A C, (Abb.
a c),
die auch negative Werte annehmen kann.
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Wird an das Gitter z. I3. einer Dreielek trodenröhre eine Wechselspannung
U"=Asino)t gelegt, so fließt im Gitterkreis ein Wechselstrom
der sich aus zwei Komponenten zusammensetzt: a) der Komponente, die durch die statische
Gitterkapazität entsteht, und b) der Komponente, die durch den schwankenden Elektronenfluß
influenziert wird. Genauere Überlegungen zeigen, daß für alle weiteren Betrachtungen
nur die Differenz des Gesamtstromes gegenüber dem Strom des rein statischen Falles
maßgebend ist, d. h. der Strom
Überschlägig läßt sich dieses aus folgenden Überlegungen erkennen: Für alle dvnämischen
Vorgänge ist nur der durch die Laufzeiteffekte der Elektronen phasenverschobene
Verschiebungsstrom von Interesse. Alle Verschiebungsströme der statischen Kapazitäten
sind also belanglos. Im Falle des durch die Raumladungsgleichung beschriebenen Zustandes
wird die Kathode durch die zum größten Teil unmittelbar vor der Kathode angesammelte
Raumladung gegen das Gitter abgeschirmt. Der von diesen Elektronen herrührende Verschiebungsstrom
ist folglich gegen den statischen Verschiebungsstrom kaum phasenverschoben. Von
Bedeutung ist daher hauptsächlich der Verschiebungsstrom, der von den unmittelbar
in der Umgebung des Gitters befindlichen Elektronen herrührt, d. h. praktisch nur
der Unterschied gegen den statischen Verschiebungsstrom.
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Es sei zuerst eine Dreipolröhre betrachtet, bei der entsprechend Abb.
i A C, stets positiv ist. Bei genügend niedrigen Frequenzen (f <
etwa i MHertz) ist der Elektronenlaufzeitwinkel t, das ist der Winkel, um den der
Elektronenwechselstrom in der Gitterfläche wegen der endlichen Laufzeit der Elektronen
gegen die Gitterwechselspannung nacheilt, genügend klein, so daß T, genau 9o° gegen
U, voreilt (Abb. 3 a) und der Widerstand der Gitterkathodenstrecke rein kapazitiv
ist. Bei steigender Frequenz ist nun wohl, wie genauere Rechnungen zeigen (siehe
z. B. H. Zuhrt, Hoehfrequenztechn. u. Elektroak. 47, S. j#8 und 79 (i936)), die
Steilheit der Kennlinie, «-elche den Elektronenwechselstrom, der bei einer bestimmten
Gitterwechselspannung die Gitterfläche durchsetzt, bestimmt bis zu sehr hohen Frequenzen
(f > 300 MHertz) gleich der statisch gemessenen Steilheit, jedoch hat wegen
der Laufzeit der Elektronen der Elektronenwechselstrom gegenüber der Gitterwechselspannung
eine nacheilende Phasenverschiebung um den Laufzeitwinkel -r. Der auf dem Gitter
influenzierte Wechselstrom muß daher in erster Näherung linear mit e) ansteigen:
,jg=.dC,(1)Acosoit, eilt aber. einem reinen Verschiebungsstrom um den Laufzeitwinkel
z nach. Wie die Abb. 31> zeigt, ist daher die Phasenverschiebung zwischen T, und
U, kleiner als 9o'^'. Der Wechselstrom im Gitterkreis erhält also eine reelle Komponente.
Die Steuerung des Anodenstromes erfolgt nicht mehr leistungslos,- und äußere Schwingungskreise
werdenbedämpft. Die kapazitive Komponente des Wechselstromes nimmt dagegen wegen
des Laufzeitwinkels ab: daher muß auch die Gitterkapazitätsänderung _IC, mit steigender
Frequenz unter den bei niedrigen Frequenzen gemessenen Betrag sinken.
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Die beiden Stromkomponenten (reell bzw. kapazitiv) lassen sich einfach
berechnen. Da z linear mit der Frequenz zunimmt, gilt '6 r (d # ßJ ,
wobei
die Elektronenlaufzeit a eine von den Abmessungen der Röhre, insbesondere dem zwischen
Abstand Gitter und Kathode und den. Betriebsspannungen abhängige Größe ist. Für
kleine Werte von r, für die sin z - r und cos z - I-- gesetzt werden kann, gilt
dann Jreell = A C',. cc (,o- A cos o) t
und für die Ohmschen Komponente des Widerstandes der Gitterkathodenstrecke R,
= i/d Cm a m= bzw. für die äußerlich meßbare Kapazitätsänderung
Sind diese beiden Größen R" bzw. A Csx durch Messung- bestimmt, so .kann daraus
rückwärts
der Laufzeitwinkel berechnet werden zti: tangt = R.. o) A CJ.
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Diese Rechnung ist natürlich nur möglich, wenn die obigen Voi-atissetzungen
der Proportionalität von l4 zu os streng erfüllt ist.
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Im Kennlinienfeld einer idealen Dreipolröhre mit Elektronen ohne Anfangsgeschwinpositiv
und konstant; digkeit ist nun _IC, die Elektronenlaufzeit a dagegen nimmt vorn Fußpunkt
der Kennlinie (l" ^ O ) mit steigenden Strömen von oc stetig ab. Der
Widerstand R, inul l daher am Fußpunkt der Kurve gleich -Null sein und muß mit wachsendem
Strom zunehmen. Da diese idealen Voraussetzungen nie erfüllt sind, erreicht u nie
den Wert Unendlich. Ati11erdeni ändert sich , C@ ganz merklich im Kennlinienfeld.
Die tatsächlich für RT gemessenen Werte weichen daher von den theoretischen ab.
Im vorliegenden Zusammenhang ist dabei aber nur wesentlich. daß der gemessene Wert
von R, immer weitgehend gleichartig mit den gemessenen Werten von i `J C, verläuft
und streng proportional zu ,,j(,)= ist.
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Bei der Betrachtung einer Röhre, bei der für Cl und , C, die Kennlinien
der Abb. ? a bis 2 c gelten, soll dabei zur Vereinfachung angenommen werden, daß
die Elektronenlaufzeit a im Kennlinienfeld konstant bleibt, weil dadurch nur quantitative
aber keine qualitativen Unterschiede entstehen können (a ist stets positiv). Der
Widerstand R, muß dann auch beim Anodenstrom Ja = O
schon einen endlichen
Wert besitzen, da auch in diesem Fall ein positives J C, vorhanden ist, und
-zwar wegen der in der virtuellen Kathode vor dein Gitter vorhandenen Elektronen.
Bei Einsetzen des Anodenstromes muß dieser Widerstand zuerst abnehmen (der Leitwert
der Gitterkathodenstrecke steigt), da A C, zunimmt, aber nach Durchlaufen des llaximuins
von J C, wieder -zunehmen und schließlich für den Punkt, in dem ' C m = O ist, auf
den Wert Unendlich ansteigen. Wird nun die Gitterspannung Zweiter in gleichem Sinn
geändert, so wird J C4 negativ, d. 1i. aber der Gitterkathodenwiderstand inut) eine
negative Ohnische Komponente erhalten, die im Maximum von , Cg ebenfalls ihren niedrigsten
Wert besitzt. An dem Vektorbild der Abb.-l ist dieser Zusammenhang außerordentlich
einfach zu überschauen. Bei negativr-in _IC, besitzt der Strom 4 für niedrige Frequenzen
(r-o) eine nacheilende Phasenverschiebung von genau go' gegen Bei höheren Frequenzen
wird dieser Vektor durch den Latifzeitwinkel ini.nacheilenden Sinne weiter verdreht,
so daß eine negative reelle Stromkomponente und damit eine negativeOlimsclie Leitfähigkeit
der Gitterkathodenstrecke entsteht.
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Durch Messungen, vor allein an Rauinladugitterrö Kren wurden diese
theoretischen Cherlegungen bis in alle Einzelheiten bestätigt. In Abb. j sind z.
B. 1lessungen einer Ratunladegitterröhre zusammengestellt. _lufgetragen ist dabei
die l" t'4-Kennliiiie, die Ohnische Komponente R, des Widerstandes der Steuergitterkathodenstrecke
sowie 1 Cl;, und zwar gemessen bei einer Frequenz voll :1o MIiertz für zwei verschiedene
Anodenspannungen. Der Wert von J C-, ändert sich längs der Kennlinie, wie oben beschrielicn.
Ausgehend von hohen negativen Gitterspannungen nimmt der Widerstand R, zunächst
ab. Er erreicht an der Stelle des 1 Cg-:\laximums sein Minimum. uni dann außerordentlich
rasch wieder zuzunehmen und an der Stelle, wo A Cg = O ist, ja den Wert Unendlich
zu erreichen. Das Auftreten der negativen Widerstände äußert sich iii einer sehr
intensiven Selbsterregung, die ini Gebiet der negativen JCg-Werte einsetzt, wenn
in die Gitterzuleitung bei hochfreduenzmäßiger Erdung der übrigen Elektroden ein
Schwingungskreis eingeschaltet wird, der auf Frequenzen > etwa i; MfIertz abgestimmt
ist. Führt man die -Messungen bei verschiedenen Frequenzen aus, so ändert sich sowohl
Rg als auch A C, und zwar völlig in dem von der Theorie geforderten Sinne.
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Wie gezeigt, kann aus dem Verlauf einer Kennlinie auf den Verlust
der dynamischen Gitterkapazität ._1 C ,. geschlossen werden. Betrachtet man die
Kennlinie einer normalen Eingitterröhre mit einer Kathode geringer Emmission, z.
B. einer Wolframkatliode, so zeigt sich, daß bei genügend hoben Anodenspannungen
diese Kennlinie genau den gleichen Verlauf wie die Kennlinie (Abb. ?a) der Raumladegitterröhre
besitzt. Bei kleinem Anodenstrom verläuft sie angenähert nach dem Ratnnladegesetz,
besitzt ungefähr iii ihrem mittleren Teil einen Wendepunkt und gellt dann in den
Sättigungsstrom der Kathode über. Aus dieser Ähnlichkeit der Kennlinie mtif@ sich
zwangsläufig ergeben, daß beide Röhren auch den gleichen Verlauf von _IC" und R'
läng: der Keimlinie besitzen müssen. Durch llessungeil wurde dies in der Tat auch
bestätigt.
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Genau das gleiche, «-as für dis Kcnnlinicii der Raumladegitterröhren
und der Dreipolröhren mit sättigutigsfühi"er Kathode gilt, trifft natürlich für
alle ldexoden und Oktoden zu.. Auch diese Röhren müssen cüiccn @.ei"lattf der rlvnaiiiisclien
Gitterkapazität
ähnlich we bei der Raumladegitterröhre aufweisen
und daher an bestimmten Stellen der Kennlinie zur Erzeugung negativer Widerstände
durch Influenz neigen.
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Es ist grundsätzlich möglich, den Teil der kinetischen Energie der
Elektronen der nicht in Schwingungsenergie umgesetzt wird, zurückzugewinnen. Zu
diesem Zweck müssen die Elektronen nach ihrer Arbeitsleistung wieder abgebremst
werden und zu einer Auffangelektrode geführt werden, die mindestens ein dem Energiegefälle
entsprechendes Potential aufweist. In der Praxis muß es mit Rücksicht auf innere
Verluste etwas höher gewählt werden. Demzufolge wird die Vorspannung dieser Auffangelektrode
also meist kleiner sein als die Vorspannung der Hauptbeschleunigungselektrode, aber
positiv gegen die Kathode.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann außer zur Erzeugung und Verstärkung
von Schwingungen auch zur Entdämpfung von Schwingkreisen, Energieleitungen und ähnlichen
Vorrichtungen verwendet werden, wobei es von besonderem Vorteil ist, daß die Entdämpfung
-nicht nur für eine einzige Frequenz (ResonanzTrequenz) eintritt, sondern für einen
ziemlich breiten Frequenzbereich.
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Durch Fernhalten des Ladungsträgerstromes von der Elektrode mit dem
negativen Widerstand wird, indem man - letztere negativ vorspannt, erreicht, daß
zu dem Kreis, der entdämpft werden soll, nicht ein positiver Widerstand der Entladungsstrecke
(elektronische Verluste) hinzugeschaltet wird.
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Es ist auch möglich, die zwei Vorgänge: i. Steuerung der Ladungsträgermenge
bzw. Dichte und 2. Abnahme der influenzierenden Ladung wenigstens teilweise zu trennen,
indem z. B. zwei durchbrochene Elektroden hintereinander oder in einer Fläche nebeneinander
angeordnet werden. Es läßt sich natürlich nicht vermeiden, daß dann auf die für
die Steuerung vorgesehene Elektrode ebenfalls Ladungen influenziert werden. Die-kapazitive
Kopplung zwischen beiden Elektroden läßt sich mit bekannten Mitteln vermindern.
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Der Erfindungsgedanke kann z. B. auf eine Mehrelektrodenröhre derart
angewendet werden, daß z. B. zwischen Kathode und Gitter (Steuergitter) ein abgestimmter
Schwingkreis eingeschaltet wird, welcher den Steuersender verkörpert. Durch die
Entdämpfung wird dieser Kreis zu Schwingungen in seiner Eigenfrequenz angeregt und
steuert bei geeigneter Bemessung der Röhre den gesamten von der Kathode fortgehenden
Entladungsstrom -und damit auch den zur Anode gelangenden Strom. Durch ein zwischengefügtes
Schirmgitter können Rückwirkungen durch Belastungsänderungen weitgehend vermindert
werden. Auf diese Weise hat man einen frequenzstabilen fremdgesteuerten (zweistufigen)
Sender in einer. einzigen Röhre.