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Funkenstreckenrelais Die Erfindung hat eine Einrichtung zum Gegenstand,
die auf einfache Weise das Steuern von sehr starken Strömen mit Hilfe von sehr schwachen
Spannungen ermöglicht. Sie bezieht sich auf das Steuern eines sich in der Luft bildenden
Lichtbogens und benutzt dazu eine Speisespannung sehr kolier Frequenz. Sie ist insbesondere
für die Speisung vom Apparaten geeignet, die einen geringen iirnere» \Viderstand
besitzen, wie z. B. Glühhirnen Oder V.lcktronna;@netspulen.
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Werden in einem Gas oder einfach in der Luft in geringem Abstand voneinander
zwei Elektroden, vorzugsweise aus Wolfram, angeordnet und wird zwischen diesen Elektroden
eine starke Spannung erzeugt, die noch etwas niedriger als die Übersprungsspamiung
ist, so kann ein derartiger unstabiler Zustand erreicht werden, daß das Überspringendes
Funkens entweder durch eine sehwache zusätzliche Spannung oder durch eine in der
Nähe der Elektrode ausgeübte elektrostatische Wirkung hervorgerufen werden kann.
Die für diese Steuerung erforderliche Energie ist in jedem Fall gegenüber der 'hervorgerufenen
Wirkung sehr klein, so daB diese Einrichtung ein sehr starkes Relais bildet.
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Ein sehr empfindliches Relais kann auch dadurch gebildet werden, daB
zwei gleiche Funkenstrecken in Reihe geschaltet werden und daB zur Speisung des
Ganzen eine Spannung benutzt wird, die höher als die Übersprungsspannung jeder einzelnen
Funkenstrecke und niedriger als das Doppelte
dieser Spannung ist.
Solange der zentrale, die zwei Funkenstrecken verbindende Anschluß einen mittleren
Wert zwischen beiden Endspannungen aufweist, springt der Funke nicht über: sobald
aber das Potential dieses mittleren Anschlusses in genügendem Maße bis zum Potential
des einen Endes erhöht wird, empfängt die andere in Reihe geschaltete Funkenstrecke
die gesamte Spannung. Dies kann mit Hilfe eines sehr schwachen Stromes bewirkt werden,
wenn der mittlere Anschluß eine sehr gute Isolierung und eine sehr geringe Kapazität
aufweist. Der Funke springt dann sofort in die zweite Funkenstrecke über, wodurch
das überspringen in die erste Funkenstrecke seinerseits auch erfolgt, so daß die
beiden in Reihe geschalteten Funkenstrecken sozusagen einen Kurzschluß für die Speisehochspannung
bilden. Mit Hilfe der Leitfähigkeit des Lichtbogens können somit sehr bedeutende
elektrische Leistungen ausgeübt werden.
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Diese elektrostatische Steuerung des Funkens hat sehr große Nachteile,
die durch die Erfindung ausgeschaltet werden. Um den Funken zwischen zwei um einige
Millimeter voneinander entfernten Elektroden zu bilden, ist eine sehr starke Spannung
von z. B. 5ooo bis io ooo V erforderlich. Bei Anwendung eines Gleich- oder Wechselstromes
von normaler Frequenz (5oPerioden/Sek.) zur Speisung dieser Elektroden ist hiermit
die Gefahr einer tödlichen Hochspannungswirkung verbunden. Andererseits sind die
Kraftquellen sehr kostspielig, da sie über Hochspannungstransformatoren oder Gleichrichter
gespeist werden müssen. Eine andere Schwierigkeit in der Praxis besteht darin, daß
die gesteuerte Leistung eine sehr hohe Spannung und eine verhältnismäßig schwache
Stromstärke besitzt, so daß der Verbrauchskreis einen sehr hohen Widerstand aufweisen
muß, was zur Speisung einer Wicklung oder einer Glühbirne, die bekanntlich einen
schwachen Widerstand aufweisen, nicht geeignet ist. Aus diesem Grund hat sich diese
Art von Funkenstreckenrelais trotz ihrer Einfachheit bisher nicht bewährt.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie ermöglicht die Verwendung
einer sehr hohen, aber ungefährlichen Speisespannung. Mit ihrer Hilfe kann mit sehr
starkem Strom auch ein Kreis von sehr geringem Widerstand gesteuert werden, und
zwar bei einem sehr guten Wirkungsgrad.
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Erfindungsgemäß wird die Funkenstrecke mit Hilfe einer Hochfrequenzspannung
von z. B. aoo ooo Perioden/Sek. gespeist, die über eine Kapazität oder, allgemein
gesagt, über eine Inilx#danz unterhalten wird. Diese Kapazität oder Impedanz ist
praktisch verlustlos; es wird hierzu ein Kondensator verwendet, dessen Isolierung
erstklassig ist. Die Höhe des durch den Funken gesteuerten Stromes ist durch den
Kondensator Begrenzt, so daß weder eine gefährliche Hoc'hspannungswirkung'noch die
Höhe des Widerstandes des Verbrauchskreises in Betracht g:°nonini"n zu «erden ]>raucht.
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Die elektrostatische Steuerung des Lichtbogens wird dadurch bewirkt,
daß die Funkenstrecke zulammen mit der unterhaltenen Hochfrequenz eine Gleichspannung
erhält, die der Funkenstrecke über Entkopplungsglieder zugeführt wird. Wenn die
Richtung des Stromes in dem Verbrauchskreis keine Rolle spielt, wie es z. B. bei
Glühlampen der Fall ist, wird der Strom einfach in Reihe geschaltet. Wenn dagegen
ein gleichmäßiger oder sich langsam verändernder Strom verlangt wird, wie es z.
B. für die Wicklung eines Elektromagneten der Fall ist, wird der Strom über einen
vorgeschalteten Gleichrichter dem Verbrauchskreis zugeführt.
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Auf Grund seiner einfachen Bauweise und seines außerordentlich niedrigen
Herstellungspreises ist das neue Relais ganz besonders bei Anlagen wirtschaftlich,
die eine große Anzahl von Relais erfordern, wie z. B. bei der Herstellung von Leuchtschirmen
für das Fernsehwesen. Die Erfindung ermöglicht dabei die Verwendung von elektronenoptischen
Elementen, die einen verhältnismäßig starken Strom benötigen, wie es z. B. bei Glühlampen
der Fall ist. Diese Lampen können dann mit Hilfe von sehr schwachen Steuerspannungen
gesteuert werden, die sehr leicht auf die verschiedenen Punkte des Schirms verteilt
werden können.
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Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
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Abb. i gibt die gesamte Schaltung wieder; Abb.2 zeigt die Art der
Verstärkung der auf einen Fernsehschirm verteilten Impulse; Abb. 3 ist eine verbesserte
Ausführungsform des Relais, bei welcher nur eine schwache Leistung von dem Hochfrequenzerzeuger
abgeiioinmeii und ein übliches Stromnetz zur Lieferung der Leistung an den Verbrauchskreis
benutzt wird.
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Die Funkenstrecken 2, 3, 4 des Relais nach Abb. i werden über den
Kondensator 5 von einer Hochfrequenz- und Hochspannungsstromquelle i gespeist. Die
Verluste des Kondensators sind sehr gering. Der Verbrauchskreis 6 ist in Reihe geschaltet;
dieser Kreis ist in der Abbildung schematisch durch eine Glühlampe dargestellt.
Der Verbrauchskreis kann auch in 6' angeordnet werden, falls einer der Kreise an
ein geerdetes Potential angeschlossen werden muß.
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Die Funkenstrecke 2, 3, 4 weist zwei hintereinanderliegende Trennstellen
auf. Die Zwischenelektrode 3 ist auf einem Halter 7 befestigt, der einen sehr hohen,
genau bemessenen Widerstand aufweist und z. B. aus einem Bakelitstab besteht. Der
Sockel dieses Stabes besitzt gegenüber der Elektrode 4 eine bedeutende Kapazität
8, wodurch ein Entkopplungsglied gebildet wird. Die Entkopplung kann außerdem durch
ein zweites Glied 7'-8' verbessert werden.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Die Hochfrequenzspannung
gibt keinen Strom ab, solange der Funke nicht zwischen den Elektroden springt. Der
Abstand der Elektroden ist so bemessen, daß der Funke bei einem Spannungswert 2
nicht überspringen kann. und daß er dagegen mit Sicherheit springt, lange bevor
die
Spannung den Wert U erreicht. Nimmt die Elektrode 3 während
der Hochfrequenzperiode ein zwischen 2 und 4 liegendes Potential an, dann kann der
Funke nicht überspringen. Er springt dagegen über, wenn das Potential nicht gleichmäßig
verteilt ist und insbesondere dann, wenn in irgendeinem Augenblick das Potential
der Elektroden 3 und 4 gleich wird.
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Sobald der Funke zwischen den Elektroden 2, 3, 4 springt, ist der
Strom in der Lampe 6 fast ausschließlich durch den Kondensator 5 begrenzt, dessen
Kapazität mit c bezeichnet wird, und zwar nach der bekannten Formel 1 = U; die verbrauchte
c Energie beträgt dabei nur R12, wobei R der Widerstand des Verbrauchskreises ist.
Dieser Widerstand spielt praktisch zur Bestimmung des Stromwertes ]:eine Rolle.
Ein sehr geringer Anteil der von der Quelle l entnommenen Energie geht in dem Funken
verloren, und der Rest wird in dem Kreis 6 benutzt.
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1:s genügt also, den Wert des auf den Kondensator 8 bzw. 8' aufgedrückten
Potentials zu ändern, um das Oberspringen des Funkens bei 2, 3, 4 hervorzurufen
oder auch nicht hervorzurufen. Da die Kapazität der Kondensatoren 8, 8' verhältnismäßig
niedrig ist und die Elektrode 3 mit ihrem Halter vor dem Überspringen einen sehr
hohen Isolierwiderstand besitzt, kann die Änderung des Potentials durch einen sehr
schwachen Gleichstrom bewirkt werden.
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Als sehr vorteilhafte Steuervorrichtung kann, wie aus Abb. i ersichtlich,
eine Triodenröhre verwendet \\-erden: die Spitze io erhält eine negative Hochspannung
i i und liegt einer durchlöcherten Elektrode 12 gegenüber. Das sich bei der Spitze
bildende Büschel liefert durch das Loch einen Fluß von elektrischen Teilchen, die
unter der Wirkung eines durch die Batterie 13 erzeugten elektrostatischen Feldes
durch die Luft wandern können und somit einen sehr schwachen elektrischen Strom
erzeugen. Dieser Plattenstrom kann elektrostatisch mittels einer Elektrode oder
eines Steuerringes 14 gesteuert werden. Das Ende des Kondensators 8 ist mit der
gegenüber dem Loch liegenden Sammelplatte 9 verbunden; die Spannung der Batterie
13 wird über einen sehr hohen Widerstand 15 der Platte 9 aufgedrückt. Durch das
Ändern des Potentials des Steuerringes 14 um einige io V ändert sich das Potential
der Elektrode 9 bis um mehrere iooo V und somit auch das mittlere Potential der
Elektrode 3.
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Die Hochfrequenzspannung i muß hinsichtlich ihrer Amplitude sehr genau
stabilisiert sein, da die erfindungsgemäße Einrichtung auf den L'nterbrechungsabständen
der Elektroden 2, 3, 4 beruht. Es wird hierzu ein Oszillator benutzt, dessen Gitterspannung
begrenzt ist. Die Ausgangsspannung wird somit selbsttätig reguliert. Ein solcher
( >szillator ist in Abl,. i dargestellt: 15' bezeichnet die Selbstinduktion, 16
die Kapazität des schwingenden Kreises, 17 die schwingende Triode, 18 die anodische
Kopplungskapazität und i9 die Stoßdiese verscliiedenen Glieder sind alle von bekannter
Bauart. Erfindungsgemäß wird die Spannungsamplitude des Gitters 2o der Röhre 17
genau begrenzt; zu diesem Zweck weist die Gitterspule 21 eine ziemlich große Anzahl
von Windungen auf, damit sie eine sehr hohe Reaktionsamplitude liefert. Durch einen
polarisierten Gleichrichter 22 wird durch den Widerstand 23 ein Strom abgegeben
und die Amplitude der Gitterspannung hierdurch begrenzt. Eine Entkopplungsselbstinduktion
24 und eine Verbindungskapazität 25 dienen dazu, das mittlere Potential des Gitters
beliebig zu wählen.
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Als besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung kommt die Verstärkung
von Fernsehimpulsen in Betracht, die auf die Fläche des Leuchtschirms eines Fernsehempfängers
verteilt sind, wie bereits in der französischen Patentschrift 860 481 beschrieben
wurde. Abb. 2 zeigt das Schema; einer solcheh Schaltung.. Der übliche Fernsehempfänger
43 speist drei verschiedene Kanäle: den Videokanal 44, den Zeilenendkänal 45 und
den Bildendkanal 46. In der Abbildung ist die Speisung von nur einem elektronoptischen
Element wiedergegeben, es ist aber klar, daß eine große Anzahl solcher Schaltungen
vorhanden sind, z. B. 8r9 in senkrechter und iooo in waagerechter Richtung.
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Das in der Abb. 2 dargestellte Relais weist die an Hand der Abb. i
schon beschriebenen Elemente auf, und zwar den Hochfrequenzgenerator i von z. B.
5oo ooo Perioden/Sek., den Verbindungskondensator 5 von z. B. ioo elektrostatischen
Einheiten, die Elektroden der Funkenstrecke 2, 3, 4, den hohen Widerstand 7, den
Entkopplungskondensator 8, die Hochspannungsspitze io, die durchlöcherte geerdete
Elektrode 12, den Steuerring 14, die Platte 9 usw. Erfindungsgemäß wird der sehr
sorgfältig isolierte Steuerring 14 mit einem drahtförmigen Leiter 26' verbunden,
der sehr nah an einem anderen Leiter 27 und parallel dazu angeordnet ist. Dieser
Leiter 27, der den senkrechten Leiter des Leuchtschirms bildet, nimmt die vom Videostrom
kommende und schon einmal in 28 verteilte Modulation auf. Gegenüber den Leitern
26', 27 ist eine Spitze 29 angeordnet, die mit Hilfe eines durch einen kleinen auf
die Bildendzeichen synchronisierten Motor angetriebenen Umschalters 30 periodisch
auf eine hohe negative oder positive Spannung gebracht wird. Der Leiter 14 bis 26'
weist gegenüber dem waagerechten Leiter 31 des Leuchtschirms eine Kapazität auf.
Diese Kapazität ist z. B. durch eine Muffe gebildet, die um eine isolierende Perle
gelegt ist und die von einem ebenfalls auf die Bildendzeichen svnchronisierten Generator
32 erzeugten periodischen Impulse überträgt. Durch Aufdrücken von Spannungsimpulsen
auf jeden waagerechten Leiter 31 können die durch den gemeinsamen senkrechten Kanal
27 ankommenden Zeichen auf die verschiedenen isolierten Leiter 26' verteilt werden;
die kleine auf dem isolierten Leiter 26' aufgenommene Spannung wird auf das Gitter
14 der Triode aufgedrückt, und es wird in 8' eine verstärkte Spannung erzielt, die
genügt, um das Potential der Zwischenelektrode 3 der Funkenstrecke
zu
steuern. Der Funken springt über und bringt die Lampe zum Glühen. wenn dieses Potential
hoch genug ist.
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An Stelle dieser stufenlosen Steuerung des Verbrauchskreises 8 kann
auch eine nach dem Prinzip der Phasenverschiebung wirkende abgestufte Steuerung
vorgesehen «-erden. Zu diesem Zweck wird die Leistung des Erzeugers i stufenweise
geändert, und zwar so, daß nur der Mittelwert berücksichtigt zu werden braucht.
Man kann z. 13. die Hochfrequenzspamiung als Sägezahnspannung mit einer Kadenz
von 251Sel:. modulieren. Bei dieser periodischen Änderung springt der Funke an der
Funkenstrecke früher oder später, je nach der Amplitude der auf die mittlere Elektrode
3 aufgedrückten Gleichspannung. Die Dauer des Funkens, die den Effektivwert des
durch die Lampe 6 fließenden Stromes bestimmt, steht somit in Abhängigkeit des Potentials
der Steuerelektrode 14.
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Bei den bisher beschriebenen Schaltungen wird die gesamte, dem Verbrauchskreis
6 gelieferte Energie dem Hochfrequenzerzeuger i entnommen. Wird eine große Anzahl
von Kreisen gleichzeitig gespeist, dann - muß der Erzeuger i eine große Leistungsfähigkeit
besitzen. Dieser Nachteil kann erfindungsgemäß dadurch beseitigt werden, daß die
i#irtliche, durch die Hochfrequenz hervorgerufene Leitfähigkeit der Luft zum Durchlassen
eines viel stärkeren Stromes ausgenutzt wird. Abb.3 stellt (las Schema einer solchen
Anordnung dar. Bei dieser Anordnung ist wiederum mit i der Hochfrequenzerzeuger
und mit 5 der Kopplungskondensator bezeichnet. Die zwei in Reihe geschalteten Funkenstrecken
bestehen aus den Elektroden 33, 34 und 36. Das mittlere Potential der Zwischenelektrode
34 kann mit Hilfe eines Widerstandes 39 über Entkopplungsglieder 40, 40' geändert
werden. Die zu verstärkende Modulation ist schematisch in Form eifies Schalthebels
42 dargestellt, der sich auf den Polen einer Batterie bewegt. Gegenüber der Elektrode
36 wird eine vierte Elektrode 35 angeordnet; die Funkenstrecke 35-36 'kann auch
für sich getrennt gebildet sein. In Reihe mit der Elektrode 36 wird eine Selbstinduktionsspule
41 geschaltet. Die Elektrode 35 ist mit einem Verbrauchskreis 38 und mit einer üblichen
Gleich- oder Wechselspannungseluelle 37 in Reihe geschaltet, die über den Licht-35-36
dem Kreis 38 die Energie liefert. Sobald der Funke zwischen 34 und 36 überspringt,
erscheint in 41 eine Hochfrequenzhochspannung. Die IIochfrequenzspannung ruft das
Springen des Funkens zwischen den Elektroden 35 und 36 hervor, wodurch der Kreis
geschlossen wird und die Quelle 37 an den Kreis 38 Strom abgeben kann.
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Damit der Strom einen hohen Wert erreichen kann, werden zweckmäßig
die Elektroden 35 und 3f> mit großen Kühlrippen aus Kupfer oder Aluminium versehen.
Es kann auch eine Luft- oder Wasserkiililuiig der Elektroden vorgesehen werden.
Der Lichtbogen kann mit Hilfe eines magnetischen Feldes in geschlossenem Kreis geführt
werden.
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Selbstverständlich kann auch die vorhererwähnte stufenweise Modulation
durch Phasenverschiebung dabei verwendet werden. Die Modulation der Quellen i und
37 wird dabei derart synchronisiert, daß in dem Verbrauchskreis 38 nur der Effektivwert
Berücksichtigt zii werden braucht.