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Schutzeinrichtung für Hochleistungs-Elektronenröhren Die Erfindung
bezieht sich auf die Verbesserung von Schutzeinrichtungen für Elektronenröhren und
insbesondere auf eine Einrichtung, um derartige Röhren gegen die Beschädigungen
zu schützen, welche von anomal hohen Strömen hervorgerufen werden können.
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Die heute bekannten Hochleistungsröhren sind in der Lage, Leistungen
bis zu einer Million Watt unter gewöhnlichen Bedingungen zu liefern, vorausgesetzt,
daß der Röhrenstrom sich etwa gleichmäßig über die Röhrenelektroden verteilt. Derartige
Röhren können aber für die Ansprechdauer der üblichen Überlastschut7vorrichtungen
auch ungleichmäßig verteilte anomal hohe Ströme führen. Ein schwieriges Problem
liegt jedoch in dem Betrieb solcher Röhren, wenn ein Röhrenfehler anomal hohe Ströme,
die sieh mir auf eine kleine Stelle einer oder mehrerer Elektroden konzentrieren,
hervorruft. Gewöhnlich führen solche Röhrenfehler infolge von Gasausbrüchen in der
Röhre zu einer Lichtbogenentladung. Gelegentlich kann auch ein innerer Kurzschluß
in der Röhre zwischen zwei Elektroden auftreten, beispielsweise wenn eine Elektrode
durch örtliche Überhitzung od. dgl. so stark verforint wird, daß sie mit einer anderen
Röhrenelektrode in Berührung kommt. Im Fall einer lichtbogenförrnigen Gasentladung
braucht die Röhre durchaus nicht beschädigt zu werden, wenn der Lichtbogen schnell
genug gelöscht werden kann, während ini Fall eines inneren Röhrenkurzschlusses die
meisten Bestandteile der Röhre gerettet werden können, wenn es gelingt, die die
Kurzschlußstelle speisende Stromquelle schnell genug abzuschalten. In jedem Fall
erfordern jedoch die hohen Kosten solcher Röhren
die Anwendung
der besten möglichen Schutzvorrichtung gegen derartige, möglicherweise verhängnisvolle
Röhrenfelder.
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Die üblichen bisherigen Schutzvorrichtungen bestehen im allgemeinen
aus einer Einrichtung zur Unterbrechung oder Abschaltung der die Röhre speisendert
Stromquelle ini Fall des Auftretens eines Röhrenfehlers. Solche Einrichtungen haben
sich jedoch bei örtlich begrenzten hohen Strömen als unzureichend erwiesen, da sie
nicht schnell -genug ansprechen, um die Erregerspannung vor einer Zerstörung der
Röhre abzuschalten. So besitzen beispielsweise die am schnellsten arbeitenden elektromechanischen
Ausschalter immerhin noch mehrere hundertstel Sekunden Ansprechdauer, die sich möglicherweise
noch durch Lichtbogenbildung an den Schalterkontakten verlängern kann. Eine schnellere
Ausschaltung läßt sich allerdings bei Speisung der Röhre über einen gittergesteuerten
Gleichrichter erreichen, bei welchem die Stromlieferung des Gleichrichters durch
Zuführung einer negativen Spannung an das Gleichrichtergitter unterbrochen werden
kann. Aber auch in diesem Fall- ist die zur Abschaltung benötigte Zeit nicht kleiner
als die Dauer der Halbperiode der am Gleichrichter liegend#nWechselspannung. Bei
einem 6o-Hz-Netz z. B. wäre die Ansprechdauer von der Größenordnung einer hundertstel
Sekunde. Da örtlich begrenzte hohe Ströme in einer für viele Kilowatt ausgelegten
Röhre diese Röhre innerhalb von Mikrosekunden völlig zerstören können, so sieht
man, daß die erwähnten bisherigen Schutzvorrichtungen keinen ausreichenden Schutz
gewährleisten.
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Dementsprechend b ' esteht ein allgemeiner Zweck der Erfindung
in der Schaffung einer verbesserten Schutzeinrichtung von Hochleistungsröhren gegen
durch hohe Ströme hervorgerufene Fehler.
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Ein speziellerer Zweck der Erfindung ist, eine Röhrenschutzvorrichtung
zu schaffen, die im wesentlichen verzögerungsfrei arbeitet und beim Auftreten eines
Röhrenfehlers die weitere Leistungszufuhr zur Röhre unterbricht.
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Weiterhin ist Zweck der Erfindung, eine Schutzvorrichtung zu schaffen,
welche zwischen den durch hohe Ströme in der zu schützenden Röhre und zwischen anderen
unbedenklichen Änderungen beim Betrieb der Röhre unterscheiden kann.
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Die erwähnten und weitere Vorteile werden dadurch erreicht, daß ein
im störungsfreien Betrieb offener Kurzschlußweg parallel zu derjenigen Stromquelle
gelegt wird, durch welche beim Auftreten eines Fehlers in der zu schützenden Röhre
Strom hindurchfließt. Anders ausgedrückt, wird durch die Erfindung eine Einrichtung
geschaffen, um den beim Auftreten eines Röhrenfehlers sich einstellenden hohen Strom
praktisch verzögerungs-.frei von der ihrer Natur nach empfindlichen Röhre durch
Schließung eines Stromweges abzuleiten, also eine Einrichtung zu schaffen, die sich
weitgehend von den verhältnismäßig langsam ansprechenden Stromkreisunterbrechern
unterscheidet, Es werden dabei Fehleranzeigevorrichtungen an den Kreis d,er zu schützenden
Röhre zur Einleitung der erwähnten Schließung des Parallelzweiges angekoppelt. Ein
bevorzugtes ' Kurzschließungselement zur Benutzung in der erfindungsgemäßen
Schutzvorrichtung besteht in einer Gasentladungsröhre mit zwei Hauptelektroden (Anode
und Kathode) und einer die Steuerwirkung einleitenden Hilfselektrode (Steuergitter
oder Zündelektrode). Es wird dabei im folgenden unter einer Gasentladungsröhre diejenige
Art von Elektronenröhren verstanden, die im nicht leitenden Zustand verhältnismäßig
hohe Spannungen vertragen können und ein Gas oder einen Dampf in solcher Menge enthalten,
daß der Spannungsabfall an der Röhre im leitenden Zustand gering und praktisch konstant
ist und in denen eine Gas- oder Dampfentladung von lichtbogenähnlichem Charakter
stattfindet (also Röhren, wie sie unter den geschützten Bezeichnungen Thyratron
oder Ignitron bekannt sind). Diesen Röhren gegenüber ist bei Hoch-vakuumelektronenröhren
im Fall des Stromdurchgangs die Spannung an der Röhre sehr viel höher und entspricht
etwa dem Röhrenstrom in der Potenz 2 - 3. Der Ausdruck Zündung der Röhre
wird im folgenden in dem Sinne benutzt, daß er den Einsatz des Stromdurchgangs durch
eine Gasentladungsröhre bedeuten soll.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einer Fehleranzeigevorrichtung,
die auf ein mangelndes Gleichgewicht zwischen der Eingangs- und der Ausgangsleistung
der Röhre anspricht, wie es tatsächlich bei einem durch Überstrom hervorgerufenen
Fehler in der zu schützenden Röhre auftritt. Wenn man die Ausgangsspannung der Röhre
als ein eindeutiges Kennzeichen für die Röhrenausgangsleistung betrachtet und den
Eingangsstrom als ein ebensolches Kennzeichen für die Eingangsleistung, so arbeitet
die Fehleranzeigevorrichtung derart, daß die Gasentladungsröhre nur bei gleichzeitig
auftretenden gegenläufigen Änderungen dieser beiden Parameter anspricht,
d. h. gezündet wird, und somit eine schnelle und zuverlässige Schutzwirkung
sichergestellt wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, die Speiseleistung
gleichzeitig mit dem Kurzschluß dieser Leistungsquelle abzuschalten und darin einen
verbesserten Verstärker zu schaffen, der die Ankopplung des Fehleranzeigekreises
an die kurzschließende Röhre bewerkstelligt.
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Fig. i veranschaulicht eine Schutzeinrichtung als eine einfache Ausführungsform
der Erfindung; Fig. 2 ist ein Schaltbild einer Röhrenschutzeinrichtung mit zusätzlichen
erfindungsgemäßen Merkmalen und Fig. 3 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform
des Fehleranzeigekreises mit anderen erfindungsgemäßen Merkmalen.
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In Fig. i der Zeichnung ist die zu schützende Röhre als Dreipolröhre,i(o
dargestellt, welche eine ihrem Steuergitter, 12 von der Klemme i über einen Kopplungskondensator
-14 zugeführte Wechselspannung verstärken soll. Eine Erregergleichspannung für die
Röhre ;io wird mittels eines Netzanschlußgerät-es 26 hergestellt, dessen
positive Klemme ii
über einen induktiven Widerstand:23 mit der Anode
!2o verbunden ist und dereii negative Klemme über einen Widerstand 5 an der
Kathode,iS liegt. Der Zweck der Drosselspule 23 und des Widerstandes
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werden weiter unten erläutert. Zwischen dem,Gitter v2 und der Kathode 18
liegt in Reihe mit einem Gitterwiderstand 16 eine negative Vorspannung, beispielsweise
eine Batterie 17.
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Mit der Anode 2o ist ein aus einem Kondensator 4 und einer Induktivität
3 bestehender Parallelresonanzkreis 22 in der üblichen Weise über einen Blockkondensator
2 verbunden, so daß an der Ausgangsklemme 44 die verstärkte Wechselspannun- erscheint.
Wenn auch in Fig. i der Anschaulichkeit halber eine bekannte Verstärkerschaltung
für die Röhre io dargestellt ist, so ist doch zu bemerken, daß die Röhre,i.o ebensogut
die Röhre eines Schwingungserzeugers sein kann, wenn sie mit geeigneten Rückkopplungsverbindungen
zwischen der Anode 20 und dem Gitter 12 ausgerüstet wird. In jedem dieser Fälle
arbeitet die Röhre io als ein Wechselspannungsverstärker. Ebenso kann die Röhre
io in einem Hochleistungsmodulationskreis oder in einer sogenannten Pufferstufe
liegen.
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Das Netzanschlußgerät 26 besitzt zwei Eingangsklemmen 49, über
welche dem Gleichrichter eine geeignete Wechsels annung zugeführt werden kann. el
p Es sei angenommen, daß das Stromversorgungsgerät 26 eine Gleichspannung
von mehreren Kilovolt liefern möge und mit geeigneten überlastschutzvorrichtungen,
beispielsweise mit elektromechanischen Ausschaltern versehen ist, die den Gleichrichterkreis
unterbrechen, wenn dem Gerät26 übermäßigeLeistung entnommen wird. Das Gerät!2i6
kann auch mit gittergesteuerten Gleichrichtern der bereits obenerwähnten Art ausgerüstet
sein. Wie oben dargelegt, können derartige Schutzvorrichtungen jedoch nicht schnell
genug ansprechen, um die Röhre #io beim Auftreten eines örtlich begrenzten hohen
Stromes und eines damit verbundenen Fehlers in ausreichendem Maß zu schützen.
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Gemäß der Erfindung wird der Fehlerschutz für die Röhre io durch ein
im störungsfreien Betrieb nicht leitendes Element, bestehend aus der Gasentladungsröhre
15, die parallel zum Netzanschlußgerät 26 liegt, bewerkstelligt. Die Anode
9 dieser Röhre ist unmittelbar mit der positiven Klemme i i und ihre Kathode
7 mit der negativen Klemme 13
des Netzanschlußgerätes verbunden. Die
Röhre 15 ist eine sogenannte gittergesteuerte Thyratronröhre, in welcher der Zündvorgang
durch die Gitterelektrode 8 gesteuert wird.
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Die Fehleranzeigevorrichtung besteht bei der Schaltung nach Fig. i
in dem Widerstand 5
zwischen der Kathode 18 und der negativen Netzanschlußklemme
13. Dieser Widerstand 5 liegt außerdem im Gitterkreis der Gasentladun,-sröhre
in Reihe mit einer Vorspannungsquelle, beispielsweise der Batterie 6. Die
Spannung der Vorspannungsquelle 6 ist so hoch gewählt, daß während des störungsfreien
Stromdurchgangs durch die zu schützende Röhre io die Röhre 15 nicht gezündet
wird. Wenn jedoch in der Röhre #i-o infolge eines Lichtbogens oder eines Kurzschlusses
ein Überstrom auftritt, wird der Spannungsabf all am Widerstand 5 so groß,
daß er die negative Vorspannung der Ouelle 6 überwiegt, so d#ß das Steuergitter
8
der (5asentladungsröhre 15 gegenüber ihrer Kathode positiv wird und
die Röhre zündet. Durch diesen Zündvorgang, der innerhalb weniger Mikrosekunden
nach dem Beginn des Überstromes in der Röhre 15 stattfindet, wird der Strom von
der Röhre io abgelenkt und geht auf die Gasentladungsröhre 15 Über, vo7rausgesetzt
daß der Innenwiderstand der Röhre 15 nach dem Entstehen des Fehlers kleiner ist
als der der Röhre io. Wenn dies der Fall ist, ist die Spannung zwischen der Anode
2o und der Kathode 18 so gering, daß kein schädlicher Strom bestehenbleibt, und
die Röhre io wird somit vollständig geschützt.
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UM dafür zu sorgen, daß an der Röhre 15 eine
ausreichende Spannung vorhanden ist, um diese Röhre beim Auftreten eines Fehlers
in der Röhre i o zu zünden, wird ein Widerstand, beispielsweise die Induktivität
z3 zwischen der Anode ?zo und der Gasröhrenanode 9, eingeschaltet.
Die Induktivität :23
wirkt in der Weise, daß die Spannung an der Anode der
Gasentladungsröhre 9 aufrechterhalten wird, wenn in der zu schützenden Röhre
io ein Fehler auftritt, und zwar für eine genügend lange Zeit, um die Gasentladungsröhre
15 zu zünden. Wie leicht verständlich, kann an Stelle der Induktivität
23
auch ein Obmscher Widerstand tretetz, der jedoch gewisse Leistungsverluste
verursacht.
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Für die Stromversorgungsquelle 26 ist ein Kurzschluß in Form
eines Stromübergangs über die Gasentladungsröhre 15 ebenso unerwünscht wie ein Lichtbogen
oder ein Kurzschluß in der zu schützenden Röhreio. Die Schutzvorrichtungen im Stromversorgungsgerät
sprechen jedoch im allgemeinen schnell genug an, um eine Beschädigung dieses Gerätf-s
zu verhindern, da gewöhnlich keine örtlich eng begrenzten starken Ströme im Stromversorgungsgerät
auftreten, wie sie im Fall eines Fehlers in der Röhre io tatsächlich vorkommen können.
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In Fig. 2, der Zeichnung ist wieder eine Dreipolröhre io in einer
Schaltung als Wechselstromverstärker dargestellt. Die Röhre io verstärkt, wie im
obenerwähnten Fall, die ihrem Steuergitter %12 über einen Kopplungskondensator 14
zugeführten Wechselspannungen. Ein gewöhnlicher Gitterableitwiderstand 16 und eine
Gittervorspannungsquelle, die als Batterie 17 dargestellt ist, sind zwischen
dem Steuergitter 12 und die geerdete Kathode 18 der Röhre io eingeschaltet. Die
Röhrenanode120 ist an einen Resonanzschwingungskreis :22 angeschlossen, von welchem
die verstärkten Wechselspannungen einer geeigneten, nicht mit dargestellten Belastung,
z. B. einer Antenne, einem weiteren Verstärker od. d-I. zugeführt werden können.
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Die Röhrenanode 2o ist über einen Widerstand 2 1 und, eine DrosSelSpUle
23 an die positive Klemme eines Gleichstromversorgungsgerätes :26 angeschlossen,
das als ein gittergesteuerter Gasgleichrichter dargestellt ist. Gewöhnlich enthält
das Stromversorgungsgerät 26 mehrere Gleichrichterrühren,
die
mit mehrphasigen Eingangsspannungen betrieben werden. Der Einfachheit halber ist
nur eine Eingittergleichrichterröhre -28 gezeichnet, welche die von einer
geeigneten Wechselspannungsquelle über einen Transformator 29 und einen elektromagnetischen
Stromkreisunterbrecher gelieferten Wechselspannung gleichrichtet. Der Ausschalter
ist schematisch durch einen Kontaktsatz 30
veranschaulicht; diese Kontakte
30 werden durch eine Klinke 27 gegen die Kraft einer Feder
37 geschlossen gehalten, und die Klinke 27 kann mittels eines Relais
#3#i gelüftet werden. Das Relais 31 ist an eine Wicklung 322 in der einen
Wechselstromeingangsleitung angeschlossen, so daß beim Auftreten eines Überstromes
im:Gleichrichter 28 das Relais 311 erregt wird, die Klinke 2-7 aushebt und
die Kontakte So sich öffnen. Die Wirkungsweise des Stromversorgungsgerätes26 wird
weiter unten noch eingehender erläutert werden.
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Im Fall eines Hochleistungshochfrequenzsenders beträgt die vom Stromversorgungsgerät
:26 der Röhrenanode 2o zugeführte Spannung größenordnungsmäßig -mehrere tausend
Volt. Solange die Röhre lio einwandfrei arbeitet, bleibt die Anodenverlustleistung
inder Röhre 2o innerhalb erträglicher Grenzen. Wenn jedoch ein Lichtbogen zwischen
derAnode2o und derKathode(i8 übergeht, der auf einen Restgasgehalt in der Röhre
io zurückzuführen ist, steigt der Anodenstrom in der Röhre bis weit Über seinen
Nennwert an, und ein derartigertberstrom geht gewöhnlich dann auch zwischen örtlich
begrenzten Stellen der Anode und Kathode über. In diesem Fall können beide Elektraden
18, !2o oder eine davon innerhalb weniger hundertstel Mikrosekunden zum Schn-#elzen
gebracht werden.
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Der Schutz für die Röhre io besteht aus einer im störungsfreien Betrieb
keinen Strom führenden Kurzschlußvorrichtung, welche eine gasgefüllte Entladungsröhre
33 Parallel zum Stromversorgungsgerät 26 enthält. Die Hauptanode 34
der Gasentladungsröhre 33 ist unmittelbar an die positiven Klemmen --4 des
Stromversorgungsgerätes angeschlossen, und die Zwischenanode 35 liegt an
dieser Klemme 24 über einen Spannungsteiler 36. Die Röhre 33 besitzt
eine Hilfsanode 38, die von einem weiter unten zu beschreibenden Stromversorgungsgerät
39 erregt wird, und eine Gitterelektrode 40, an der eine feste positive Spannung,
beispielsweise die Spannung der Batterie 41, liegt. Gegenüber den üblichen Schaltungen,
bei denen negative Gittervors pannungen bei Gasentladungsröhren verwendet werden,
zeichnet sich die hier beschriebene Schaltung mit einer positiven Gitterspannung
durch schnelleren Zündeinsatz aus. Der Zündelektrode 42 wird die Zündspannung von
einem Fehleranzeigegerät der weiter unten beschriebenen Art zugefüh*rt. Die Ouecksilberkathode
43 liegt an Erde.
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Die Röhre 33 führt keinen Strom, bis eine positive Spannung
an der Zündelektrode 42, auftritt. Sodann bildet sich ein kleiner Lichtbogen zwischen
der Zündelektrode und der Flüssigkeitskathode 43, der sodann fast verzögerungsfrei
auf die Anoden 34, 3 5
und 38 übergeht. Der Spannungsa bfall an der
Gasentladungsröhre 33, die vor der Zündung'sehr hohe Spannungen sperren kann,
ist nach der Zündung sehr niedrig, beispielsweise von der iGrößenordnung von 15
bis :2o Volt. Da die Gasentladungsröhre 33
beim Auftreten eines Überstromes
in der Röhre zündet, schließt sie also beim Auftreten eines solchen Röhrenfehlers
das Stromversorgungsgerät 2,6 kurz und übernimmt den Röhrenstrom, der anderweitig
die zu schützende Röhre unbrauchbar machen würde.
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Gemäß der Erfindung enthält der Fehleranzeigekreis in Fig.
?, ein Netzwerk 45, welches eine der Ausgangsspannung der zu schützenden
Röhre proportionale Spannung erzeugt, in Verbindung mit ,
einem Widerstand
46, der an die negative Klemme des Stromversorgungsgerätes angeschlossen ist und
eine der Stromaufnahme der zu schützenden Röhre proportionale Spannung liefert.
Das Netzwerk 45 enthält einen Gleichrichter 47 mit zwei Anoden 48, 50, welche
an die beiden Enden eines Resonanzkreises 52 angeschlossen sind. Dieser Resonanzkreis
52 ist an den Ausgangskreis --2 der Röhre io über eine kleine KopplungssPule
54 und einen Isolierkondensator 56 angeschlossen. Die Kathoden
58 des Gleichrichters 47 liegen über ein Potentiometer 6o an der Mittelanzapfung
53 der Spule des Resonanzkreises 52. Vorzugsweise soll auch ein Kondensator
611 zur Glättung der Spannung am Potentiometer,6o vorgesehen sein.
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Man sieht, daß die Größe der am Potentiometer 6o auftretenden Spannung
im Netzwerk 45 von der Größe der im Resonanzkreis 52 vom Ausgangskreis. 21--
der zu schützenden Röhre induzierten Spannung abhängt.DieGröße der amWiderstand46
entstehenden Spannung hängt ihrerseits von der Stromaufnahme der zu schützenden
Röhre io ab. Das Pot#entionieter 6o ist an den Widerstand 46 über ein Potentiometer
62 angeschlossen, um die Spannung am Widerstand 46 mit der Spannung am Potentiometer
6o zu kombinieren.
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Beim Auftreten eines Überstromes in der- zu schützenden Röhre io nimmt
die Ausgangsleistung der Röhre io ebenso wie ihre Ausgangsspannung ab, so daß am
Potentiometer 6o aus beiden #Gründen eine Spanntingsabnahme auftritt. Diese Spannungsänderung
kann in geeigneter Weise verstärkt und zur Zündung der Gasentladungsröhre
33 verwendet werden. Die Anordnung muß jedoch so getroffen sein, daS die
Gasentladungsröhre nur dann anspricht, wenn die erwähnte Änderung infolge eines
Fehlers in der Röhre io auftritt und nicht etwa dann, wenn beispielsweise der Sender
verriegelt oder eingeschaltet wird.
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Durch Gegenschaltung der Spannungen am Widerstand 46 und am Potentiometer
6o läßt sich die gewünschte Unterscheidung zwischen einer betriebsmäßigen und einer
fehlerhaften Änderung treffen. Man sieht, daß an der Klemme 6oa des Potentiometers
6o die Spannung (gegenüber Erde) eine positive Komponente entsprechend der Ausgangswechselspannung
der zu schützenden Röhre io und eine negative Komponente entsprechend dem
Strom
dieser Röhre hat. Während eines störungsfreien Betriebes der Röhre io nimmt die
Spannung am Widerstand 62 des Stromversorgunggerätes ab, d. h. wird
weniger negativ, wenn der Ausgangsstrom der Röhre sinkt, beispielsweise wenn die
Röhre verriegelt wird, und wirkt dadurch dem gleichzeitig auftretenden Abnehmen
der positiven Spannung am Widerstand 6o entgegen. Wenn j edoch
b kn in der Röhre io ein Fehler auftritt, nimmt der Strom durch die Röhre
io, durch das Stromversorgungsgerät,2,6 und durch den Widerstand 46 zu,
so
daß am Potentiometer 62 eine in stärkerem Grad negative Spannung entsteht,
während die gleichgerichtete Spannung am Potentiometer 6o abnimmt, d. h.
stärker negativ wird. Insgesamt entsteht also an der Potentiometeranzapfung 6,oa
eine zunehmend negative Spannung und ferner eine Spannung, welche mit einer Geschwindigkeit
von praktisch dem Zweifachen entweder der Änderung an der Röhrenein-angsseite oder
der Änderung an der Röllrenausgangsseite negativer wird.
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Um die Gasentladungsröhre 33 bei der Anzeige eines Fehlers
zu zünden, muß die negative Spannung an der Potentiometeranzapfung 6oa in eine positive
Spannung umgewandelt werden. Im allgemeinen entstellen zwar solche Röhrenfehler
sehr schnell; merkwürdigerweise tritt aber gelegentlich auch das Gegenteil auf,
d. h. gelegentlich bildet sich ein Fehler verhältnismäßig langsam. Aus diesem
Grund soll eine Gleichstromkopplung, d. h. eine galvanische Kopplung, zwischen
der Fehleranzeigevorrichtung und der Gasentladungsröhre verwendet werden, uni die
Röhre auch gegen sich langsam einstellende Fehler zu schützen. Zu diesem Zweck wird
ein dreistufiger, mit Gleichstromkupplung ausgerüsteter Verstä,rker und Impulsgenerator
66 vorgesehen, welcher eine Dreipolröhre 68 in einer neuenGleichstromverstärkerschaltung
enthält und bei der auf diese erste Stufe eine Vierpolgasentla-dungsröhre
70
sowie eine Dreipolgasentladungsröhre 7.2 folgen. Das Steuergitter
74 der Verstärkerröhre 68 liegt an der Potentiorneteranzapfung 60a im Netzwerk
45, und zwar über eine kleine Vorspannungsbatterie 76.
Die Spannung dieser
Batterie 76 und die Einstellungen der Potentionieter 6o, 62 werden
so gewählt, daß die Röhre 6:8 im störungsfreien Betrieb einen bestimmten
Strom führt, wie weiter unten beschrieben.
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Die Schaltung der Verstärkerröhre 6:8 ist so getroffen, daß
sich eine negative Vorspannung bildet, welche einen Stromdurchgang durch die Gasentladungsröhre70
verhindert, solange die Röhre 68
den erwähnten endlichen Strom führt. Die
Verstärkerröhre 78 ist all die positive Klemme 80a einer Spannungsquelle,
z. B. der Batterie So, angeschlossen, während die Röhrenkathode 82 an der
negativen Klemme 80b, und zwar über einen Widerstand 84 liegt. Die Batterie So ist
durch ein Potentiometer 86 überbrückt, und, zwischen die Anode
78 und die Anzapfung 87 des Potentioineters 86 ist ein Kondensator
go eingeschaltet.
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In dieser Verstärkerschaltung befindet sich die Batterie So und das
Potentiometer 86 zwischen dem Widerstand und der Röhrenaliode 78 tatsächlich
auf einem veränderlichen Potential. Ein Punkt des Potentiometers 86 zwischen
den Batterieklemmen Soa und 8ob liegt also auf Erdpotential.
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Man sieht, daß die Größe und Polarität (gegenüber Erde) der an der
Potentiometeranzapfung 87
auftretenden Spannung von der Einstellung dieser
Anzapfung 87 und von der Größe des durch die Röhre 68 und durch den
Widerstand 84 fließenden Stromes abhängt. Dementsprechend läßt sich die Potentiometeranzapfung
87 verhältnismäßig einf ach so einstellen, daß die Spannung an der Alizapfung
87
um einen bestimmten Betrag negativ wird, solange der genannte Strom durch
die Röhre 68 fließt.Wenn der Strom abnimmt, wird die Spannung an der Anzapfung
87 weniger iie,-,ativ. Das Gitter 94 der Gasentladungsröhre 7o kann also
an die Anzapfung 87
angeschlossen werden, um am Vierpolröhrengitter 94 eine
negative Sperrspannung auf rechtzuerhalten, solange die Verstärkerröhre
68 den erwähnten Anodenstrom führt. Beim Auftreten eines Fehlers in der zu
schützenden Röhre io nimmt der Strom durch die Verstärkerröhre 68 ab, und
die Spannung an der Anzapfung 87 steigt, so daß die Vierpolröhre
70 gezündet wird. Der erforderliche normale Strom durch die Verstärkerröhre
68 kann durch die Einstellung der beiden Potentiometer 6o und #62 sowie -durch
die Spannung der Batterie 76 eingeregelt werden. Die Schaltung der Röhre
68 zusammen mit dem Fehleranzeigekreis, wie er oben beschrieben wurde, läßt
sich also verschiedenen etwa vorliegenden Betriebsbedingungen weitgehend anpassen.
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Der Kondensator go zwischen der Röhrenanade 78
und die Potentiometeranzapfung
87 verbessern die Schaltung hinsichtlich ihres Ansprechens auf plötzliche
Spannungsänderungen erheblich. Da die Batterie So (oder eine andere gebrütichliche
Gleichvorspannungsquelle) im allgemeinen eine nennenswerte innere Kapazität besitzt,
befinden sich die Batterieklemmen 80a und 8ob praktisch auf derselben Wechselspannung.
Daher tritt ein plötzlicher Spalinungssprung am Widerstand 84, auch an der Röhrenanode
78, auf und kann praktisch verzögerungsfrei an die Anzapfung 87 übertragen
werden, und zwar dadurch, daß diese Anzapfung mit der Anode 78 über den Kondensator
go gekoppelt wird.
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Die Anode 96 der Gasentladungsröhre ist an das Stromversorgungsgerät
39 angeschlossen, wobei ein Lastwiderstand voo zwischen der Kathode,io2 und
Erde liegt.
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Um eine unmittelbare bzw. Gleichstromkopplung und einen starken Zündimpuls
an der Gasröhre 33
zu erhalten, soll die Dreipolröhre 72 vorzugsweise
eine solche Röhre sein, die all ihrem Gitter einen positiven Zündimpuls gegenüber
der Kathode benötigt und eine hohe Leistung besitzt, beispielsweise also eine Röhre
der in USA. für kommerzielle Röhren gebräuchlichen Typenbezeichnung 5o22.
Das Steuergitter io4 der Dreipolgasröhre 72 liegt am Kathodenlastwiderstand
ioo der Vierpolröhre 70,
und die Kathode io6 der Dreipolröhre 72 ist
an die Zündelektrode 4-9 der Gasröhre 3,3 angeschlossen.
Die
Anode- iog der Röhre 72 liegt an'der Spatnungsquelle 39. Beim Auftreten
eines Überstromfehlers in der zu- schützenden Röhre i o -wird die Dreipolröhre
72 durch die positive, am Widerstand u oo- äuftretende Spannung gezündet.
Wenn die Dreipolröhre 7--> Strom führt, entsteht ein, Lichtbogek z%v!-schen der
Zündelektrode 42. und der Flüssigkeitskathode 43 in der Gasröhre 33, so daß
diese Röhre ebenfalls gezündet wird und die'Stromversörgtingsquelle- 26 kurzschließt.
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Obwohl durch die Gasröhre 33 die Röhreao gegen das Auftreten
von inneren Fehlern geschützt wird, sieht man, daß die Röhre 33 der Stromversorgungsquelle
26 einen verhältnismäßig starken Stton#'efii;-nimmt. -Wenn auch mit diesem
starken StrOM-#iin allgemeinen das'Ausschaltrelais 3:1,zum Ansprechen gebracht werden'
kann> so läßt s-ich,doch die Stromversorgungsquelle besser gegen überlastungen schützen,
wenn der Ausschalter unmittelbar von dem rehleranzeigekreis betätigt wird.- Wahlweise
kann man auch, -wenn -ein Stromversorgungsgerät mit gittergesteuerten Gleichrichtern
benutzt wird, die Gitter der Gleichrichterröhren beim Auftreten eines Fehlers. verriegeln.
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Beispielsweise kann- ein -derartiges - -Stromversorgungsgerät-i:io
mit gittergesteuerten Gleichrichtern so geschaltet werden, daß das Steuergitter
--5 der- Gleichrichterröhre 2,8 liegativ vorgespannt -wird, wenn ein-Fehler
in der-Röhre io auftritt, Als Ausführungsbeispiel sei gesagtdaß -das -Gerät ia-o
,aus einer I5te-ipolröhre m -9 in -einer Gleich-stTOnl' verstärk#rschaltung
bestehen 'kann, welche derjenigen, die für die Röhre und den Impulsgenerator 66
bereits 27 beschrieben'.wurde, weitgehend ähnlich ,ist. Im Gerät i io wird die Röhre
m2-1111 störungsfreien Betrieb-.b.is über: ihren unteren Knickpunkt hinaus durch'e_
fne Batterie 114 vorgespannt, so daß die'Spannung am Steuergitter z5 des Cyleichrichters
!2r8 normalerweise einen- Stromdurchgang durch ,dieseil'Gleic-hrich'ter eintreten'Iäß#,--
Der Verstärker 112-, ist vorzugsweise an die Fehle- ranz - eigeschaltung
über eine im allgemeinen keinen Strom führende GasentladungsröhrefM5 an--gekoppelt-
Die Gasentladungs-röhre -wird -über einen - im störungsfreien Betrieb
geschlossenen Schalter i ig mit ihrer- Anodens#annung von einer .als Batterie i17
dargestellten Span'nungsquelle gespeist.
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Wenn ein Fehler in der Röhre#iig auftritt, bewirkt-die am Widerstand
ioo sich bildendeSpannung eine Zündung der Röhre i 15. Hierdurch wird wieder
die Sperröhre!iii2 eingeschaltet, welche eine Spannungsabsenkung an dem Steuergitterz-5
hervorruft, die groß genug ist, um- einen weiteren Stromdurchgang durch den Gleichrichter
28 zu verhindern. Wenn ein' Fehler während einer Halbwelle des Strorndurchgangs
im Gleichrichter 28 -auftritt, kann jedoch das Gitte'r 25 den- Gleichrichter-.strom
erst am Ende- der betra#litet(enHalbwelle unterbrechen. Die Gasentladungsröhre:ii5
führt jedoch weiterhin Strom, bis der Ausschalter rig sich öffnet,- und stellt es
dadurch sicher, daß die Sperrspannung am Gleichrichtergitter:25 erhalten bleibt-,
so daß also de'r Gleichrichter 2,8 so schnell wie möglich gesperrt wird.
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- Wenn das Strornversorgungsgerät mit einem elektromechanischen
Ausschalter ausgerüstet ist, wie in -Fig.:,2# dargestellt, kann der Ausschalter
ebenfalls fast gleichzeitig mit der Zündung der Gasröhr# 33 betätigt w- erden,
indem die Relaisspule über einen Widerstand 11,6 an den Widerstand -i oo angeschlossen
ist, wobei der Widerstand ri6 groß genug ist, um die richtigen Widerstandsverhältnisse
im Kreise nicht zu stören.. Wenn also die gashaltige Vierpolröhre.#7o gezündet wird,
fließt ein Teil des Stromes durch die MeßsPule 32 und das Relais
3 1 und öffnet somit die Speiseleitung zum Transformator 29.
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Nach dem Ansprechen der Schutzeinrichtung -müssen die Stromkreise,
welche zur Zündung der Röhre 33 dienen, wieder in einen betriebsbereiten
Zustand gebracht werden, um auf den etwaigen nächsten Fehler ansprechen zu können.
Um eine selbsttätigeRückstellung der Kreise zu ermöglichen, wird das Stro'm-versorgungsgerät
39 für die Hilfsanode 38 und für die Gasentladungsröhren 7o und
7:2
-,rorzugsweise mit Einwellengleichrichtung aus-,gestattet und.kann also
eine Gasentladungszweipolröhre i2o enthalten, welcher über einen Transforrnator
12,2-, eine Wechselspannung von einer nicht mitgezeichneten Spannungsquelle
- zugeführt wird. Die Spannungen für die Gasentladungsröhren 7o und
7:2 und für die Hilfsanode 38 werden von geeigneten Punkten eines
Spannungsteilers124 abgegriffen unter Benutzung von üblichen Filterkondensaioren
io6 und 128. -
Da die 'Zweipolgasentladungsröhre 1i2o nur in jeder zweiten
-Halbwelle der Eingangsspannung Strom führt, können dieKondensatoren 126. und 128
durch
die Röhre 33 -und die Gasröhren 70, 72 zwischen den Stromdurchlaßhalbwellen
der Zweipolröhre i2o entladen werden. Dies hat zur Folge, daß die Anodenspannung
der Röhren 70 und 72 und die Spannung an der Hilfsanode
38 verschwindet und daher der Strom zu der Hilfsanode#38 und der Stromdurchgang
durch die Röhren 70 und 72 nach der Unterbrechung eines Überstromes
durch die Röhre ti o ebenfalls gesperrt wird.
-
Um die Betriebsbereitschaft des Verstärkers und Impulsgenerators
66 prüfen zu können, ist ein Prüfanzeiger 129 vorhanden, der auf eine Stromaufnahme
d#r Hilfsanode 38 in der Röhre 33 anspricht, und - es ist ferner
ein Schalter v3o vorgesehen, welcher eine kurzzeitige Erdung des Steuergitters c)4
der Vierpolröhre über ein Widerstandskondensatorgliedd32 ermöglicht. Wenn das Stromversorgungsgetät
26 abgeschaltet ist, wird bei einer Schließung des.SchaltersU3o die Vierpolröhre70
zum Zünden gebracht, so daß auch die Dreipolröhre 7:2 zündet und der Strom
nur zur Hilfsanode 38 der Röhre 33-fließt. In die Kathodenzuleitung der Röhre
33 ist ein Fehleranzeigegerät 134 eingeschaltet, welches nur bei vollem Stromfluß
durch die Röhre 33 anspricht. Es wird für vorteilhaft gehalten, getrennte
Anzeigemittel für den Prüffall und für die Anzeige wirklicher Fehler vorzusehen,
da es beim
Auftreten eines Fehlers in demjenigen Fall, daß die Röhre
33 nicht die erwartete Schutzwirkung ausübt, von Nutzen sein kann, zu wissen,
ob der Fehler etwa in den Felileranzeigekreisen liegt oder nicht oder ob das Versagen
der Einrichtung auf die Röhre 33 zurückzuführen ist, wie es z. B. der Fall
sein kann, wenn die Röhre 33 mit ihrer Hauptanode 34 vom Stromversorgungsgerät
?,6 abgetrennt wird.
-
In dem Fehleranzeigekreis in Fig. ?- ist der Kondensator 611 parallel
zum Potentiometer 6o geschal et, um die Empfindlichkeit der Fehleranzeigeschaltung
zu verbessern. Ohne diesen Kondensator würde der Verstärker und Impulsgenerator
166 so beschaffen sein müssen, daß die Röhre 33 nur gezündet wird,
wenn die Gesamtspannung am Widerstand 46 und am Potentiometer 6o größer als die
gewöhnliche am Widerstand 6o auftretende Spannun- zwischen zwei Spitzenwerten ist.
Der Kondensator 61 bewirkt jedoch eine Verschlechterung der Ansprechdauer der Schaltung,
d. h. wenn der Kondensator -61 von Nutzen sein soll, muß die Zeitkonstante
des Kondensators 61 und des Potentiometers 6o von der Größe einer Halbperiode der
von der Röhre io verstärkten bzw. zu verstärkenden Wechselspannung sein. Die Spannung
am Potentio.-ineter 6o kann sich dann nicht innerhalb von Zeiten, die kleiner sind
als diese Halb_periode, ändern. Ein in der Röhre io auftretender Fehler wird dann
nicht schneller, als diese Halbperiode beträgt, angezeigt, nämlich nicht schneller,
als bis die Spannung am Widerstand 46 genügend angestiegen ist, um die Gegenspannung
am Potentiorneter 6o zu überwinden. Wenn die Spannung, die von der Röhre io verstärkt
wird, eine genügend holie Frequenz besitzt, ist diese Eigenschaft der Schaltung
in Fig. 2,
durchaus unbedenklich. Wenn es sich aber um verhältnismäßig tiefe
Frequenzen handelt, ist es an sich möglich, daß der Fehler in der Röhre#io die erlaubten
Grenzen überschreitet, bevor die Schutzeinrichtung anspricht.
-
In Fig. 3 ist eine Fehleranzeigeschaltung dargestellt, bei
welcher die eben geschilderte Schwierigkeit im wesentlichen vermieden wird. Bei
dieser Ausführungsform besitzt sowohl die dein Eingangsstrom der Röhre entsprechende
Spannung als die der Ausgangsspannung der zu schützenden Röhre entsprechende Spannung
pulsierende Form. Zwischen die Kathode 18 der zu schützenden Röhre und Erde ist
ein Widerstand i5o ohne Nebenschlußkondensator eingeschaltet, um einen positiven
Spannungsimpuls zu erzeugen, der dem Eingangsstrom der Röhre während jeder positiven
Halbwelle der Wechselspannung am Gitter 12 entspricht. über einen Kopplungskondensator
154 ist an den Ausoran-skreis:22 der Röhre ein Halbwellengleichel t' - -richter
152 angeschlossen, um einen negativen Spannungsimpuls am Potentiometer 15,6 -während
jeder positiven Halbwelle der Spannung am Gitter 1:2 hervorzurufen. Mittels eines
Widerstandes 153 wird der Kreis des Gleichrichtersk152 geschl(?ssen.
-
Ein Steuergitter 16o einer Vierpolgasentladungsröhre i_58 ist über
eine Vorspannungsbatterie 162 all die Kathode v8 der zu schützenden Röhre angeschlossen,
und ferner ist ein Schirmgitter 16,4 an eine Anzapfung i56a eines Pontentiometers
gelegt, so daß dieses Schirrngitter die Funktion eines zweiten Steuergitters in
der Röhre 158 übernimmt. Die Anode der Vierpolgasentladungsröhre 166 liegt an einem
mit Einwellengleichrichtern arbeitenden Stromversorgungsgerät 39, welches
der Schaltung 39 in Fig. 2 entspricht, während die Kathode 16,8, der Vierpolröhre
158 über einen Lastwiderstand 170
mit Erde verbunden ist.
-
Solange die zu schützende Röhre io störungsfrei arbeitet, wird die
Zündung der Röhre 158 durch die positiven Impulse an ihrem Steuergitter i6o durch
die negativen Spannungsimpulse am Schirrngitter 164 verhindert. Wenn jedoch in der
Röhre io ein Fehler auftritt, wird die Spannung am Steuergitter i6o der Gasröhre
158 zunehmend positiv, während die negativen Spannungsimpulse am Schirmgitter 164
in ihrer Amplitude abnehmen, so daß also die Röhre.i58 bei Bildung eines
Fehlers sehr schnell gezündet wird. Bei der Zündung dieser Röhre li #58 entsteht
am Lastwiderstand 117o ein positiver Spannungsimpuls, der seinerseits zur Zündung
der Röhre 33 dienen kann.
-
Eine zweite GasentladungS-röhre 172 ist zur Ankopplung des Fehleranzeigekreises
an die Röhre 33
vorgesehen und dient zur Zündung dieser Röhre 33
beim
Auftreten eines Fehlers in der zu schützenden Röhre,io. Die Kathode 174 der zweiten
Vierpolröhre 17-- ist an die Zündelektrode 42 der Röhre 33
angeschlossen und
die Anode 176 der Vierpolröhre 172 an die Hilfsstromquelle 39. Das Schirrngitter
178 der zweiten Vierpolröhre 1712 liegt an einer negativen Spannungsquelle,
beispielsweise einer Piatterie#i8o, so daß im störungsfreien Betrieb kein Strom
in der Vierpölröhre 172 auftritt. Das Steuergitter 182 der Röhre
'172 ist an den Belastungswiderstand i7o der ersten Vierpolröhre
158 über eine Zweipolröhre 184 angekoppelt. Wie dargestellt, kann die Zweipolröhre
184 in zwei oder mehrere Teile aufgeteilt werden, um eine Kopplung zwischen der
zündenden. Röhre 172 und zusätzlichen, nicht mitgezeichneten Verstärkerröhren io
zu bewerkstelligen, die von der Stromquelle 26 gespeist werden. Beim Auftreten
eines Fehlers in einer der zu schützenden Röhren io zündet also die Vierpolröhre
172 die Röhre 33, so daß die Stromquelle 26
kurzgeschlossen
wird, und zwar in derselben Weise, wie es weiter oben bei Erläuterung der Fig. 2
el erklärt wurde.
-
Die Kopplungsdiode 184 ist zwar nicht unumgänglich notwendig, aber
es erscheint vorteilhaft, sie zur Entkopplung des Kathodenkreises der zu schützenden
Röhre zu verwenden.
-
Es liegt auf der Hand, daß die hier beschriebenen Schutzeinrichtungen
nur beim Auftreten anomal hoher Ströme ansprechen und ihre Schutzwirkung ausüben,
unabhängig -' davon, ob der Fehlerstroln zu einer oder mehreren der Röhrenelektroden
örtlich begrenzt ist. Während die beschriebenen Einrichtungen in erster Linie für
Schutzzwecke von Bedeutung sind, üben sie auch eine Schutzwirkung aus, wenn örtlich
begrenzte, anomal holl c Ströme
auftreten, welche die Röhre
zerstören könnten, sofern sie nicht fast verzögerungsfrei unterbrochen werden. Die
beschriebenen Einrichtungen bieten jedoch auch einen wirksamen Schutz gegen anomal
hohe Ströme, die ohne örtliche Begrenzung auftreten, also beispielsweise bei
* Strömen, die durch Wegfall der Gitterspannung od. dgl. hervorgerufen werden
können.. Wenn auch derartige, nicht örtlich begrenzte Ströme durch einen Ausschalter
unter-.brochen werden können, bevor sie die Röhre vollständig zerstören, so vermindert
doch ein schnelleres Ansprechen der Schutzeinrichtun#g die kummulativen Effekte,
die bei wiederholtem Auf treten von überströnien ohne örtliche Begrenzung auftreten
können, und trägt daher zur E#,höhung der Lebensdauer der Röhre bei.