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Einrichtung zur Verstärkung oder Erzeugung elektrischer Schwingungen
Zusatz zum Patent 912 976 Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit stetig stcuerbarer
Gasentladun#gsröhre nach Patent 9 12 976
zur Verstärkung oder Erzeugung
elektrischer Schwingungen, insbesondere für Radioempfänger, und besteht,darin, daß
die Ruhebrennspannung der zweckmäßig mit lichtbogenartiger Entladung arbeiel tenden
niedervoltigen Entladungsröhre (Ruhebrennspannung z. B. io bis 2o Volt) durch eine
Ruhegittervorspannung derart wesentlich erhöht ist, daß das Arbeitsgebiet im Bere#iche
bedeutend höherer Spannungs"verte, etwa die Brennspannung des Arbeitspunktes in
der Nähe von ioo Volt, liegt, so daß die Fallgebiete und Ionendichten um die Gittermaschen
wesentlich stärker zur Ausbildung gelangen.
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Ein Vorteil der im Patent 912 976 beschriebenen Entladungsgefäße
mit stetig steuerbarer Gasentladung ist neben der Möglichkeit der Erzielung großer
Steilheiten und des negativen inneren Widerstandes der Entladungsstrecke auch die
für den Betrieb derartiger Gefäße erforderliche geringe Betriebsspannung entsprechend
der niedrigen, je nach Konstruktion etwa zwischen 8 bis:2o Volt liegenden
Brennspannung derselben. Es erscheint daher vorteilhaft und zunächst dem Fachmann
einzig vernünftig, die infolge des negativen inneren Widerstandes in weitem Strombereich
zumeist annähernd konstante geringe Brennspannung und dadurch bedingte geringe Verlustleistung
bei einer derartigen Entladungsröhre auszunutzen, indem die Brennspannung durch
negatives Potential der Steuerelektrode nur so weit erhöht wird, als dies für die
Schaffung eines richtigen Arbeitspunktes, d. h. geeigneter Verstärkungsverhältnisse,
erforderlich ist.
Diese Regel hat tatsächlich, auch im Lichte der
weiteren Erkenntnis der vorliegenden, Erfindung, normalerweise Gültigkeit, um so
mehr als dabei nicht nur geringste Verlustleistungen, sondern im allgemeinen auch
höchste Verstärkungsgrade erzielbar sind.
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Für den besonderen Zweck der Verstärkung oder auch Erzeugung elektrischer
Schwingungen steht aber nun die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung im Gegensatz
zu dieser Regel. Auf Grund theoretischer Überlegungen durchgeführte Versuche haben
nämlich ergeben, daß die Verstärkung elektrischer Schwingungen, insbesondere von
hochfrequenten, viel verzerrungsfreier erfolgt, wenn :das Arbeitsgebiet übei jedes
sonstige Erfordernis weit hinaus tief in negative Gittervorspannungs- bzw. auf hohe
Brennspannungswerte gerückt wird. Dies ist von der Charakteristik völlig unabhängig
und für den Fachinanin überraschend und wird so erklärt, daß dadurch in den Gitterlöchern
die Elektronen sich mit höherer Ckschwindigkeit bewegen, vielleicht auch (infolge
der höherenFelder) durch Elektronenanlagerung entstandene negative Ionen wieder
zerfallen, sowie eine wegen der größeren Potentiale größere Ionenhülle eine bessere
gegenseitige Ab-
schirmung de-r Elektroden bewirken dürfte. Der günstigste
Wert für die Ruhebrennspannung dürfte dabei in der Nähe von ioo Volt liegen bzw.
wurde bei den Versuchen dort festgestellt. Dabei muß allerdings zumeist für die
erfindungsgemäße verzerrungsfreiere Verstärkung eine normalerweise nicht unerhebliche
Verstärkungsverminderung in Kauf genommen werden. Daher ist als Voraussetzung für
die praktische Durchführbarkeit der erfindungsgemäßen, Maßnahme durch geeignete
Konstruktion überhaupt erst zu sorgen. Die günstigsten Spannungswerte sind natürlich
ebenfalls wesentlich konstruktionsabhängig.
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An Hand der Zeichnung wird der Erfindungsgegenstand noch weiter erläutert.
Es zeigt die Fig. i eine Anordnung zur Aufnahme der Kennlinie -der zur Verwendung
gelangenden stetig Steuerbaren Gasentladungsröhre, die Fig. 2 ein Schaubild (Kennlinie)
zur Erklärung der erfindungsgemäßen Maßnahme, die Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel
der beim Erfindungsgegenstand zweckmäßig angewendeten Schaltung; in den Fig. 4 und
5 ist eine vorteilhafte Konstruktion der stetig steuerbaren Gasentladungsröhre
in seitlichem Schnitt und in Draufsicht (Aufriß und Grundriß) halbschernatisch dargestellt;
die Fig. 6 gibt eine dabei vorteilhaft anzuwendende Gitterkonstruktion in
stark vergrößertem Maßstab wieder.
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In der Fig. i bezeichnet 47 eine für die Zwecke der Verstärkung oder
Erzeugung elektrischer Schwingungen gebaute, stetig steuerbare Gasentladungsröhre
gemäß dem Hauptpatent, bei welcher mittels einer im negativen GMmmlicht oder Faxadayschen
Durikelraum (kathodische Entladungsteile) der Gasentladung, insbesondere einer an
einer Glühkathode ansetzenden lichtbügenartigen- Entladung, angeordneten Stetierelektrode,
zweckmäßig einem engmaschigen Gitter, die Brennspannung der Gasentladung (der innere
Widerstand der Entladungsstrecke) durch Veränderung des Stenergitterpotentials verändert
werden kann. Diese Röhre liegt in Reihe mit einem Anodenwiderstand 48 im Stromkreis
einer Stromquelle 49; für das Steuergitter ist von einer Stromquelle 5o eine wählbare
negative Gitterspannung abgreifbar. Das negative Potential des Steuergitters gegen
die Kathode und der diesem PotentiatentsprechendeWertder Röhrenbrennspannung sind
an Spannungsmessern Eg und Ea ablesbar.
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Eine derartige Gasentladungsröhre weist einen negativen inneren Widerstand
auf. Die Brenn' Spannung ist bei Verwendung einer mit aktivierter Emissionsschicht
versehenen Glühkathode (oder Glimmentladungskathode) zumeist in weiten Grenzen stromunabhängig
und nurdurch das Gitterpotential veränderlich. Der Anodenstrorn der durch,die Röhre
47 fließt, wird vom Widerstand 48 bestimmt und errechnet sich zu
wobei E die Spannung der Anodenstromquelle 49, Ea die Brennspannung der Röhre
47 und Ra den Anodenwiderstand 48 bedeuten. Der Widerstand 48 ist also zunächst
zur Strombegrenzung erforderlich, seine Größe ist aber ohne Einfluß auf die Potential-Schwankungen
des Anschlußpunktes 5 1, d. h. auf die Veränderungen der B-rennspannung
Ea, welche sich im wesentlichen nur mit dein Gitterpotential ändert. Der Wert des
Widerstandes-48 kann aber nichtsdestoweniger zumeist mit Vorteil in der für Hoch-.vakuumröhren
üblichen Anpas,sungsgröße gewählt werden, damit die Stromänderungen bzw. Betriebs-Spannungen
in mäßigen Grenzen bleiben.
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Die Fig. 2 zeigt die mit einer Anordnung nach Fig. i untersuchten
Arbeitsverhältnisse in einem Diagramm, wobei auf der Ordinate,die Brennspannungen
Ea und auf der Abszisse die Gitterspannungswerte Eg, welche die verschiedenen Brenn-Spannungen
bedingen, aufgetragen sind.
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Bleibt das Steuergitter völlig frei, d. h. ohne jeden Anschluß,
so besitzt die Röhre ihre normale Ruhebrennspannung Eao, die im allgemeinen zwischen
z. B. 8 bis 15 Volt liegt. Wird die Steuerelektrode an Kathodenpotential
gelegt, so steigt die Brennspannung auf einen durch den Punkt 52 bezeichneten
Wert, da wegen des im Kathodenfall liegenden relativ hohen Spannungsgefälles die
an Kathodenpotential gelegte Steuerelektrode schon ein gegenüber dem umgebenden
Entladungsraum relativ stark negatives Potential besitzt. Durch gegenüber der Kathode
positive Spannung der Steuerelektrode kann nun die Brennspannung wieder gesenkt,
vor allem aber kann dieselbe durch gegen die Kathode negative Spannung der Steuerelektrode
wesentlich weiter erhöht werden. Es ergibt sich normalerweise eine Kennlinie, wie
eine solche gestrichelt dargestellt und mit 53 bezeichnet
ist.
Es zeigt sich dabei, daß die Kennilinie zunächst mit großer Steilheit praktisch
geradlinig verläuft, aber bei höheren negativen Gitterspannungswerten weiterhin.
als gekrümmte Kurve rasch an Steilheit verlierend verläuft. Der nach normalen Gesichtspunkten
günstigste Arbeitspunkt liegt daher auch für Spannungsverstärkung im geradlinigen
Teil der Kurve etwa bei 54, während bei 55 wegen der geringeren Steilheit
der Charakteristik nur eine kleinere Verstärkung, auch in bezug auf reine Spannungsverstärkun,g,
erzielbar wäre. Der Fachmann wird daher normalerweise mit einem üblichen kleinen
Gittervorspannungswert 56 in; einem Arbeitspunkt 54 der Charakteristik arbeiten,
d. h. die Stenerspan-nungEa diesen Gittervorspannungswert überlagern, oder
noch einfacher und zweckmäßiger in# einem Arbeitspunkt 52, wofür eine besondere
Gittervorspannung überhaupt nicht erforderlich ist und die Steuerspannung einfach
nur zwischen Gitter und Kathode angelegt zu werden braucht. Um mit geringsten Anodenspannungen
bzw. Verlustleistungen arbeiten zu können, kann. es sogar zweckmäßig sein, eine
positive Gittervorspannung anzuwenden.
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Im Gegensatz dazu wurde nun vom Erfinder in, demBestreben, dasMaximum
anWidergabequalität zu erreichen, durch auf Grund gasentladungstheoretischer Überlegungen
vorgenommene Versuche gefunden, daß die Verstärkung elektrischer Schwingungen, insbesondere
von Hochfrequenzschwingungen, bei Verlegung des Arbeitspunktes in den, Bereich höherer
Spannungswerte (von 54 auf 55) überraschenderweise viel verzerrungsfreier
erfolgt als im Bereich geringerer Spannungswerte. Diese Erscheinung wird, wie schon
eingangs erwähnt, so erklärt, daß sich in den Gitterlöchern die Elektronen unter
dem Einfluß des geänderten Feldes viel rascher bewegen, vielleicht auch (infolge
der höheren Feldstärken-) durch Elek.troneinanlagerung entstandene negative Ionen
wieder zerfallen, und dadurch der Strom den Steuerimpulsen besser folgt. Vielleicht
bewirkt auch eine wegen der größeren Potentiale größere Ionenhülle eine bessere
gegenseitige statische Ab-
schirmung der Elektroden. Der Arbeitspunkt wird
daher erfindungsgemäß zweckmäßig durch einen hohen negativen Gittervorspannungswert
57 Weit in den Bereich hoher Brennspannungen, gerückt in einer Weise, wie
dies zum erforderlichen Steuerspannungsbereich Ea in gar keinem Verhältnis steht
und eben nur auf Grund der neuen Erkenntnis der Erfindung seine Begründung findet.
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In Verfolgung des neuen Weges gelang es dann .dem Erfinder noch, durch
konstruktive Maßnahmen den geradlinigen Teil der Charakteristik weiter als erwartbar
ins Gebiet hoher Spannungswerte zu erstrecken, so daß bei den erfindungsgemäß zu
verwendenden Betriebsspannungswerten nunmehr sogar auch noch ein geradliniger Bereich
der Charakteristik zur Verfügung steht und somit nunmehr die Verstärkung in jeder
Hinsicht den Anforderungen entspricht. In der Fig. 2 ist die entsprechende Kennlinie
mit 58 bezeichnet. Durch eine negative Gittervorspannung vom Werte
57 ergibt sich ein Arbeitspunkt 59, so daß die Steuerspannung Ea im
Anodenkreis der Röhre Brennspannungsschwankungen im Gebiet zwischen den Werten 6o
und 61 in einem noch geradlinigen Charakteristikteil hervorruft, während die Kennlinie
58 erst oberhalb dieses Gebietes die genannte Abflachung aufweist. Die Gesetzmäßigkeiten
der Konstruktion, die auch diese Kennliniengestaltung ermöglicht, konnten noch nicht
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werden. Ein Ausführungsbeispiel wird jedoch später an Hand
der Fig. 4 bis 6 beschrieben.
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Als zweckmäßig für beste Verstärkereigenschaften erwiesen sich insbesondere
Werte der durch Gittervorspannung eingestellten Brennspannung (Ruhebrennspannung
des Arbeitspunktes) in der Gegend von ioo Volt.
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Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel der praktischen Verwendung des
Erfindungsgegenstandes. Hier liegt in der Kathodenableitung der Röhre 47 in bei
Hochvakuumröhren an sich üblich#er Weise ein Widerstand 62, der hier aber
nach anderen Grundsätzen zu bemessen ist und eine derartige Gittervorspannling erzeugen
muß, daß die Brennspannung der Röhre auf einen den erfindungsgemäßen Erwägungen
und Grundsätzen entsprechenden Wert gebracht wird. Parallel liegt ein an sich ebenfalls
bekannter überbrückungskondensator 63. Dem Steuergitter wird die Gittersteuerspannung
Es zugeführt, im Anodenkreis liegt z. B. ein Wandler (Hoch- oder Niederfrequenztransformator)
64 oder Verbraucher zur Abna!hme der verstärkten elektrischen Schwingungen. Ein
Vorteil der angegebenen Ausbildung des Kathoden- und Gitterkreises ist es, daß durch
eine derartige Gitterspannungsabnahme bei entsprechender Bemessung die Röhre
-17 für Gleichstrom keinen negativen Widerstand mehr bildet und somit ein
niederohmiger Transformator 64 verwendet werden kann, und infolge des Parallelkondensators
für die zu verstärkenden Schwingungen der negative innere Widerstand mit seiner
verstärkungserhöhenden Wirkung weiterbesteht. In die Zuleitung zum Steuergitteer
kann zweckmäßig noch ein Sicherheitswiderstand eingeschaltet werden. Die für die
erfindungsgemäße Wirkung zweckmäßigen Spannungswerte lassen auch eine Verwendung,des
Verstärkers in üblich-en Radioempfängern ohne weiteres zu.
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In den Fig. 4 und 5 ist eine zweckentsprechende Konstruktion
der in der erfindungsgemäßen Einrichtung zu verwendenden Gasentladungsröhre in seitlichem
Schnitt und Draufsicht (Aufriß und Grundriß) halbschematisch dargestellt. Indem
mit 65 bezeichneten, z. B. aus Glas bestehenden Gefäß ist auf einem Onetschfuß
das Elektrodensysteim montiert. Dasseffibe besteht aus einer indirekt geheizten
Glühkathode 66, welche mit einer Emissionsschicht 67 versehen ist,
einem umgebenden Steuergitter 68 und einer auf dieses folgenden zylinderförmigen
Anode69. Das Eutladungsgefäß besitzt eine Füllung von Gasen oder Dämpfen oder einem
Gemisch daraus von, z. B. den
in Gasentladungsleuchtröhren bzw.
-ventile-u üblichen Drücken. Als besonders geeignet hat sich eine Edelgasfüllung
von einigen Millimetern Quecksilbersäule Druck (zwischen etwa i bis 30 mm,
insbesondere aber in der Gegend von 3 bis 5 mm Hg-Säule) erwiesen,
oder auch ein entsprechender Quecksilberdampfdruck (GrößenordnUng JO-3 bis io-2
mm Hg). Es erwies sich ferner als günstig, das Gitter nicht zu nahe der Kathode
anzubringen. Als zweckmäßig ergab sich ein solcher Abstand, daß die Gitterelektrode
beim gegebenen Gasdruck bei Öffnung ihrer Anschlußleitung im Faradayschen Dunkelraurn
der Entladung oder mindestens in den, an denselben angrenzenden, Teilen des negativen
Glimmlichtes. liegt. Bei Anschaltung der Steuerelektrode rückt dann der Faradaysche
Dunkelraum in der Regel anodenwärts bzw. verschwindet infolge Platzmangels überhaupt,
so daß die SteueTelektrode dann jedenfalls im negativen Glimmlicht liegt bzw. tiefer
in dasselbe rückt. Der Abstand Gitter-Kathode beträgt dabei zweckmäßig einige Millimeter,
insbesondere etwa 5 bis io mm, entsprechend dem gewählten Gasdruck. Es erscheint
auch zweckmäßig, wenn das Steuergitter eine gewisse Masse und Ausdehnung in Richtung
des Stromflusses. besitzt, wie später an Hand der Fig. 6 beschrieben wird.
Auch erscheint es von günstigem Einfluß, den Ab-
stand Gitter-Anode in mäßigen
Grenzen zu halten und die Breite der Anode kleiner als die des Gitters zu machen.
Das Gitter wird in seiner Länge zweckmäßig Über die Kathode hinaus erstreckt und
kann zumeist an den Stirnseiten offen, gegebenenfalls aber natürlich auch als allseitig
geschlossenes Kastengitter ausgeführt sein. Es hat sich ferner auch eine Modellausführung
bewährt, bei welcher die Anode nur als einfacher zentraler Drafitring, wie z. B.
durch starke Verkleinerung der Breite des Zylinders 69 sich ergebend, ausgeführt
war. Von besonderem Einfluß erscheinen aber Anordnungsort des Steuergitters -und
Ausbildungdesselben auf das Verhalten der Röhre. Die Ableitungen, der Elektroden
sind zu einem üblichen Sockel (Anschlußstifte für Gitter, Heizleitungen, Kathode
und Anode) geführt.
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Die Fig. 6 zeigt noch eine-vorteilhafte Konstruktion des Steuergitters
in stark vergrößertem Maßstab. Dasselbe besteht hier aus Drahtstäben,
70,
welche z. B. in Fig. 4 parallel zur Kathodenachse angeordnet die Erzeugenden
des Gitterzylinders bilden, welche von etwas dünneren Drähten 71 durchflochten sind
und so ein einem- Korbgeflecht ähnliches Drahtnetz ergeben. Ähnliche Netzwerke sind
schon für die Anoden von Hochleistungselektronenröhren verwendet worden, was mit
der vorliegenden Verwendung als Steuergitter aber nichts zu tun hat. Die Gittermaschenweite
M beträgt etwa einige zehntel Millimeter; für die Einrichtung gemäß der Erfindung
haben sich Gittermaschenweiten zwischen etwa o,5 bis oß mm bewährt. Das beschriebene
Netzwerk kann in der vorstehend angegebenen Weise einfach wie ein Blech ohne besondere
tragenden Seitenteile zu einem Zylinder gbogen und verlötet werden, so daß diese
Art von Gitter auch in mechanischer Hinsichtsolide und einfachfierstellbar ist.
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Solche Entladungsgefäße können bei Ausführung in einer für Radioröhren
üblichen Größe, bei entsprechender Bemessung der Kathode, bei geringen Brennspannungen
gegebenenfalls auch mit hohen Strömen belastet werden, z. B. bei 15 Volt Brennspannung
leicht mit i bis 2 Amp.
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Besondere Vorteile bietet die Erfindung für Radioempfänger, die dadurch
bei hoher Verstärkun#gs- bzw. Wiedergabequalität einfach und billig hergestellt
werden können. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn Konstruktion
und Anordnung so getroffen sind, daßder Röhrenstrom klein ist, z. B. io Milliampere
nicht wesentlich übersteigt. Es ist dann schon mit kleinsten Spannungswerten eine
hohe sekundare Spannungsmodulation erzielbar, und auch der Störpegel und die Verzerrungen
ergaben sich als recht unwesentlich.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht auch;2ine zweckentsprechende
Anwendungder Vorteile der stetig steuerbaren Gasentladungsröhren für die Verstärkung
von elektrischen Kurz- und sogar Ultrakurzwellen.
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E ine nach den an Hand der Fig. 4 bis 6 erläuterten
Konstruktionsgedanken aufgebaute Gasentladungsröhre kann auch als Stromrichter,
für Reglerzwecke usw., mit Vorteil Verwendung finden. Auch für gitter,beeinflußte
Gasentladu-ngslampen, Leuchtröhren od.dgl. sind die angeführten Künstruktionsgedanken
vorteilhaft und werden in- jenen Fällen, wenn die Entfernung Anode-Kathode aus dem
Zweck des Entladungsgefäßes entsprechen-den Gründen relativ groß gemacht werden
muß, zumindest bezüglich des Raumes Kathode-Gitter und deren Gestaltung zweckmäßig
zur Anwendung gebracht.