-
Schaltungsanordnung zur Zierminderung der Abnützung von Gasentladungsröhren
In der elektronischen Vermittlungstechnik und der Technik der elektrischen Rechenmaschinen
werden vielfach Zählketten verwendet, die zur Zählung elektrischer Impulse dienen.
Zum Aufbau derartiger Zählketten benutzt man meist Gasentladungsröhren mit besonderer
Steuerelektrode, da sich deren Eigenschaft, nach der Zündung unabhängig von der
Spannung an der Steuerelektrode weiterzubrennen, hier vorteilhaft verwenden läßt.
-
Derartige Zählketten bestehen aus einzelnen Stufen, die je eine Gasentladungsröhre
enthalten, und arbeiten nach folgendem Prinzip: In Reihe zur Kathode jeder Gasentladungsröhre
ist ein Kathodenwiderstand geschaltet, der durch einen Kondensator überbrückt ist.
Die Steuerelektroden sind in bezug auf die Impulsspannungsquelle parallel geschaltet,
d. h. die zu zählenden Impulse. werden gleichzeitig sämtlichen Steuerelektroden
zugeführt. Eine in der Zählkette brennende Gasentladungsröhre läßt an ihrem Kathodenwiderstand
einen bestimmten Spannungsabfall entstehen, welcher den parallel geschalteten Kondensator
auflädt. Durch diesen Spannungsabfall wird außerdem die Kathode der entsprechenden
Gasentladungsröhre in ihrem Potential angehoben. Diese Potentialanhebung wird über
eine Verbindung der Steuerelektrode der folgenden Röhre mitgeteilt, wodurch deren
Zündung beim nächsten auftretenden Impuls vorbereitet wird. Durch diese Maßnahme
ist gewährleistet, daß immer nur die einer brennenden Gasentladungsröhre folgerade
Röhre
durch den nächstfolgenden Impuls gezündet werden kann. Tritt ein solcher Impuls
auf, so zündet also die folgende Röhre. Da nun der Kondensator, welcher dem zu dieser
Röhre gehörenden Kathodenwiderstand parallel geschaltet ist, im Zeitpunkt der Zündung
der Röhre ungeladen ist, stellt er in diesem Zeitpunkt einen Kurzschluß dar, so
daß momentan die sich dadurch einstellende Brennspannung zwischen den Anoden der
Röhren und den Fußpunkten der Kathodenwiderstände liegt. Dies bedeutet aber, daß
die an der vorhergehenden Röhre liegende Spannung unter die Brennspannung sinkt,
da in Reihe mit ihr ein aufgeladener Kondensator liegt. Infolgedessen muß diese
Röhre erlöschen.
-
Eine Löschung der jeweils vorhergehenden Gasentladungsröhre tritt
nur ein, wenn die Absenkung der ihr zur Verfügung stehenden Spannung.unter die Brennspannung
länger erfolgt, als die Entionisationszeit dauert. Die durch die Kathodenwiderstände
und die parallel geschalteten Kondensatoren bestimmte Zeitkonstante muß demnach
so gewählt sein, daß diese Forderung erfüllt ist. Die Zeitkonstante unterliegt vielfach
aber noch- einer weiteren Bedingung, nämlich der Forderung nach hoher Zählgeschwindigkeit,
d. h., daß däs die Zündung der jeweils -folgenden Röhre vorbereitende Potential,
welches vom Kathodenwiderstand der jeweils vorhergehenden Röhre abgeleitet wird,
so schnell wie möglich zur Verfügung stehen muß. Diese Forderung läßt sich nur bei
Wahl einer kleinen Zeitkonstante erfüllen.
-
Um beiden Forderungen zu genügen, ist man im allgemeinen gezwungen,
den Kathodenwiderstand so hochohmig zu wählen, daß bei der Zündung der jeweils folgenden
Röhre die zwischen Anode und Kathode der jeweils vorhergehenden Röhre liegende Spannung
sich zu entgegengesetzten Werten verschiebt. Es hat sich nun gezeigt, däß sich dieser
Vorgang sehr schädlich auf die Gasentladungsröhren auswirkt und eine wesentliche
Verkürzung von deren Lebensdauer zur Folge hat.- Dies gilt selbstverständlich ganz
allgemein nicht nur für Zählkettenschaltungen, sondern auch für alle Schaltungen,
in denen eine Spannungsverschiebung zu entgegengesetzten Werten auftritt.
-
Diesem Nachteil kann erfindungsgemäß dadurch begegnet- werden, daß
die Speisung einer Gasentladungsröhre über den Abgriff eines Spannungsteilers erfolgt,
dessen einer Teil aus einem bei gezündeter Röhre von dem Röhrenstrom in Durchlaßrichtung
beanspruchten Gleichrichter besteht und dessen anderer Teil während des Löschvorganges
einen solchen Widerstandswert besitzt, daß der größte Teil der die Potentialverschiebung
bewirkenden Spannung an dem Gleichrichter abfällt. Die Wirkung einer solchen Schaltung
besteht demnach darin, die die Potentialverschiebung bewirkende Spannung anstatt
an der Gasentladungsröhre an einem anderen Verbraucher abfallen zu, lassen, wobei
dieser Verbraucher jedoch im gezündeten Zustand der Gasentladungsröhre nicht in
Erscheinung treten darf. Für eine solche Aufgabe eignet sich besonders. ein Gleichrichter,
da dieser in Abhängigkeit von der Stromrichtung einen hohen bzw. einen niedrigen
Widerstandswert annehmen kann.
-
Man kann den Spannungsteiler in verschiedener '@ Weise aufbauen..
In der Fig. i ist eine Schaltung dargestellt, in der der Spannungsteiler aus zwei
Gleichrichtern besteht, welche beide in entgegengesetzter Polarität zusammengeschaltet
sind. Der -eine Gleichrichter liegt in Reihe zur Anoden-Kathodenstrecke der Röhre
und wird von dem Röhrenstrom in Durchlaßrichtung beansprucht. Der andere Gleichrichter
ist entgegengesetzt geschaltet und liegt parallel zur Röhre. Infolgedessen wird
dieser Gleichrichter in gezündetem Zustand der Röhre in Sperrichtung beansprucht.
Das in dieser Figur dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine Zählkette, welche
hier aus drei Gasentladungsröhren besteht; sie ist also nur für die Zählung dreier
Impulse verwendbar. Das Zählvermögen einer Zählkette ist jedoch in diesem Zusammenhang
ohne Belang. Die Gasentladungsröhren R i, R 2 und R 3 enthalten j e zwei Steuerelektroden
S i und S2. Den Steuerelektroden S i wird über je einen Entkopplungswiderstand
W i, W 2 und W 3 die dem Generator G entnehmbare Impulsspannung zugeführt.
Die Steuerelektroden S2 sind über Entkopplungswiderstände LTl q., W 5 und
W 6 an die Kathoden der jeweils vorhergehenden Röhren angeschlossen, so daß
über diesen Weg die die Zündung der jeweiligen Röhre vorbereitende Potentialanhebung
an den Steuerelektroden S 2 bewirkt wird. Im Ruhezustand liegt an sämtlichen Steuerelektroden
eine Vorspannung - Ug, welche den Steuerelektroden S2 über die Vorwiderstände
W7, W8 und Wg und den Steuerelektroden Si über einen gemeinsamen Vorwiderstand
W to sowie über je einen der drei Entkopplungswiderstände W i, W 2 und
W 3 zugeführt wird. Die Röhren R i, R 2 und R 3 erhalten ihre Anodenspannung
über einen gemeinsamen Vorwiderstand W i i aus der gemeinsamen Speisespannungsquelle
Usp. In die Verbindung von der Kathode der Röhre R3 über den Widerstand W6 zum Gitter
S2 der Röhre 12 i ist noch die Taste T eingebaut, bei deren Schließen die Zählkette
als Ringzähler arbeitet. Bei geöffneter Taste kann die Kette nur bis zur Röhre R
3 durchzählen.
-
Die sich in einer solchen Zählkette abspielenden elektrischen Einschwingvorgänge
seien an Hand der in den Fig.-2 a und 2 b dargestellten Diagramme näher erläutert,
wobei die in der Schaltung vorgesehenen Gleichrichter zunächst noch unberücksichtigt.
bleiben sollen. Die Zählkette sei in einem Zustand, in dem Röhre R i gezündet ist.
Wird nun vom Generator G ein Impuls geliefert, so gelangt er u. a. auch zum Gitter
S i der Röhre R 2, deren Gitter S2 infolge von der Kathode der Röhre R i abgeleiteter
Potentialanhebung so vorgespannt ist, daß ein im Zeitpunkt t i dem Gitter S i der
Röhre R 2 zugeführter Impuls zur Zündung dieser Röhre ausreicht. Die Röhre zündet
also und senkt damit für den Zeitpunkt der Zündung das zwischen den Anoden und Erde
liegende Potential auf die Brennspannung ab. ;Dies ist in Fig. 2 a durch die nusgezogene
Kurve
dargestellt, die den Verlauf der zwischen den Anoden und Erde auftretenden Anodenspannung
Ua darstellt. Zum Zeitpunkt t i des in Fig. 2a dargestellten Diagramms findet
ein schlagartiges Absinken der Anodenspannung Ua auf die Brennspannung Ub statt.
Danach beginnt sich der parallel zum Kathodenwiderstand W 13 geschaltete Kondensator
C 2 infolge Spannungsabfall am Kathodenwiderstand W 13 aufzuladen. Die Anodenspannung
Ua steigt damit nach einer e-Funktion auf den alten Wert wieder an. Die strichpunktierte
Kurve gibt den Verlauf der Kathodenspannung Uk i an, die als Spannungsabfall am
Kathodenwiderstand W 12 zwischen der Kathode der vorhergehenden Röhre R i und Erde
auf trift. Der Kondensator C i ist im Zeitpunkt t i (Zündung der Röhre R 2) voll
aufgeladen. Seine Spannung wird durch den Spannungsabfall im Kathodenwiderstand
W 12 bestimmt. Vom Punkt t i ab beginnt sich der Kondensator C i gemäß der strichpunktierten
Kurve zu entladen.
-
Die zwischen Anode und Kathode der Röhre R i herrschende Röhrenspannung
Ur wird nun durch die Differenz der Anodenspannung Ua und der Kathodenspannung
Uh i bestimmt, d. h. Ur = Ua - Uk i. Eine entsprechend ausgeführte
Subtraktion der in Fig. 2 a dargestellten Kurvenzüge ergibt die Kurve gemäß Fig.
2b. Aus dieser ist ersichtlich, daß im Zeitpunkt t i die Röhrenspannung
Ur zu negativen Werten umschlägt, um danach entsprechend der Aufladung bzw.
Entladung der Kondensatoren C 2 und C i wieder dem ursprünglich an den Anoden herrschenden
Wert zuzustreben. Die für die Entionisation erforderliche Zeitspanne ist mit te
bezeichnet. Wie ersichtlich, erreicht die Röhrenspannung Ur während dieser
Zeit die Zündspannung Uü noch nicht. Damit ist die Röhre R i gelöscht.
-
Die aus der Fig.2b ersichtliche Umkehr der Röhrenspannung
Ur wird nun durch die in der Schaltung gemäß Fig. i vorgesehenen Gleichrichter
Gi bis G6 vermieden. Die parallel zu den Röhren liegenden Gleichrichter G i bis
G 3 schließen alle Spannungen kurz, die gegenüber der Brennspannung umgekehrte Polarität
besitzen. Bei gezündeter Röhre sind sie infolgedessen gesperrt, so daß sie in diesem
Betriebszustand die Funktion der Schaltung nicht beeinflussen. Die Wirkung dieser
Gleichrichter ist in dem -in Fig. 3 dargestellten Diagramm gezeigt, das den Verlauf
der zwischen Anode und Kathode der Röhren herrschenden Röhrenspannung
Ur wiedergibt. Wie ersichtlich, folgt die gezeichnete Kurve zunächst dem
entsprechenden Kurvenzug in Fig.2b bis zur Spannung U = O. Hier setzt die Wirkung
der Gleichrichter G i bis G 3 ein, die eine weitere Verschiebung der Röhrenspannung
Ur zu negativen Werten verhindern. Damit sich nun die parallel zu den Kathodenwiderständen
geschalteten Kondensatoren C i bis C 3 nicht plötzlich über die Gleichrichter G
i bis G3 entladen können, sind die Gleichrichter G4 bis G 6 vorgesehen, die jeweils
in Reihe zur Anoden-Kathodenstrecke der Röhren liegen. Eine solche Entladung der
Kondensatoren C i bis C 3 muß verhindert werden, um die Röhrenspannung
Ur der zu löschenden Röhre für einen ausreichenden Zeitraum, nämlich wenigstens
für die Entionisierungszeit, unter die Brennspannung abzusenken. Andernfalls würde
die Röhrenspannung Ur zu schnell wieder über der Brennspannung liegende Werte
erreichen, so daß die zu löschende Röhre wegen noch nicht vollständig erfolgter
Entionisierung ihren gezündeten Zustand beibehalten könnte. Die Polarität der Gleichrichter
G4 bis G6 ist daher so gewählt, daß sie einen dem Anodenstrom entgegengesetzten
Strom, also einen -Entladungsstrom der Kondensatoren C i bis C 3, sperren.
-
Es hat sich gezeigt, daß bei einer derartigen Einschaltung von Gleichrichtern,
welche die erwähnte Spannungsumkehr verhindern, die Lebensdauer von Gasentladungsröhren
wesentlich gesteigert werden kann. Dies ist insbesondere für elektronische Vermittlungseinrichtungen,
in denen nach dem eingangs erwähnten Prinzip arbeitende Zählketten verwendet werden,
von entscheidender Bedeutung, da derartige Zählketten im allgemeinen zu zentralen
Gliedern gehören, deren Ausfall zu erheblichen Störungen, wenn nicht sogar zu einer
Außerbetriebsetzung der betreffenden Vermittlungseinrichtung führen kann.
-
Aus Ersparnisgründen wird man bestrebt sein, möglichst kleine Gleichrichter
zu verwenden. Dies kann dazu führen, daß sich deren Durchlaßwiderstand bemerkbar
macht, was insbesondere im Fall der parallelgeschalteten Gleichrichter G i bis G
3 von Bedeutung sein kann. In diesem Fall würde nämlich während der Zeit, während
der diese Gleichrichter auf Durchlässigkeit beansprucht werden, eine gewisse Restspannung
an ihnen stehenbleiben, die wegen der vorstehend geschilderten Spannungsverhältnisse
in dem betreffenden Zeitraum gegenüber der Brennspannung umgekehrte Polarität aufweisen
müßte. Je höher der Durchlaßwiderstand ist, desto unangenehmer kann sich die dadurch
verbleibende Restspannung bemerkbar machen. Um dem abzuhelfen, kann man in Reihe
zu den Gleichrichtern G i bis G 3 je ein RC-Glied vorsehen, welches aus der Parallelschaltung
eines Widerstandes und eines Gleichrichters besteht.
-
Eine entsprechende Schaltung zeigt die Fig. 4, in der aus Vereinfachungsgründen
nur eine Stufe einer Zählkette dargestellt ist. Der Aufbau dieser Stufe entspricht
vollkommen der in Fig. i dargestellten Schaltung. Während die Röhre brennt, wird
sich der Kondensator C4 auf eine bestimmte Spannung aufladen. Diese ist durch den
aus dem Widerstand W 15 und dem Gleichrichter G i bestehenden Spannungsteiler bestimmt.
Der Gleichrichter G i wird für diesen Zeitraum in Sperrichtung beansprucht. Besitzt
also beispielsweise der Widerstand W i5 den Wert des Sperrwiderstandes des
Gleichrichters G i, so lädt sich der Kondensator auf die halbe Brennspannung auf.
Im Zeitpunkt der Zündung der nächstfolgenden Röhre muß dann an der zu löschenden
Röhre diese Kondensatorspannung mit gleicher Polarität wie die Brennspannung stehen,
da jetzt der Gleichrichter G i leitend geworden ist.
Da aber, wie
gesagt, die Kondensatorspannung nur gleich der halben Brennspannung ist, beginnt
sich die Röhre zu entionisieren. Durch entsprechende Bemessung dieses RC-Gliedes
kann man erreichen, da$ an der zugehörigen Röhre so lange eine vom Kondensator C4.
gelieferte Spannung steht, bis infolge Umladung der den Kathoden parallel geschalteten
Kondensatoren das Kathodenpotential der zu löschenden Röhre so weit abgesunken und
das Anodenpotential infolge Zündung der folgenden Röhre so weit angestiegen ist,
daß der Bereich einer möglichen Spannungsumkehr bereits überschritten ist. Es hat
sich gezeigt, da$ eine Bemessung des RC-Gliedes, gemäß der bei Zündung der folgenden
Röhre an der zu löschenden Röhre die halbe Brennspannung stehenbleibt, sich sehr
günstig auf die Lebensdauer der Röhren auswirkt.
-
Ein anderer Aufbau des in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
vorgesehenen Spannungsteilers ist in der Fig: 5 dargestellt. In diesem Fall besteht
der Spannungsteiler aus einem Gleichrichter G q. bzw. G 5 oder G 6, der, wie beim
vorher behandelten Ausführungsbeispiel, bei gezündeter Röhre von dem Röhrenstrom
in Durchlaßrichtung beansprucht wird, und einem ohmschen Widerstand W15 bzw. W16
oder W17, der gegenüber dem Sperrwiderstand des Gleichrichters niederohmig ist und
infolgedessen die die Potentialverschiebung bewirkende Spannung ableitet. Auch im
Fall der Fig. 5 handelt es sich um eine Zählkette. Diese Zählkette entspricht in
ihrer Funktion vollkommen der in Fig. i dargestellten Zählkette. Für einander entsprechende
Bauelemente sind daher die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. i verwendet. Die
Aufgabe des Spannungsteilers besteht in diesem Fall darin, mit dem Beginn des Löschvorganges
die Spannung an der Kathode mindestens so weit abzusenken, da$ das bei Zündung der
jeweils folgenden Röhre an den Anoden auftretende Potential noch höher liegt als
- das Kathodenpotential der zu löschenden Röhre. Eine Spannungsumkehr an der zu
löschenden Röhre ist dann also nicht mehr möglich. Mit Beginn des Löschvorganges
wird der Gleichrichter G q. bzw. G 5 oder G 6 in Sperrichtung beansprucht, da sich
der zugehörige Kondensator C i bzw. C2 oder C 3 einerseits über seinen Parallelwiderstand
und andererseits über den angeschlossenen Spannungsteiler entladen will. Die Kondensatorspannung
fällt dabei an dem Span- . nungsteiler ab, und zwar liegt -der größte Teil der Spannung
am Gleichrichter, da der zugehörige Widerstand W 15 bzw.
W 16 oder W 17 gegenüber dem Sperrwiderstand des Gleichrichters
niederohmig ist. Auch in diesem Fall kann man den Spannungsteiler so bemessen, da$
beim Beginn des Löschvorganges die an der Röhre stehende Spannung dem Betrag der
halben Brennspannung angenähert ist.
-
Die sich in einer Schaltung gemäß Fig. 5 abspielenden Einschwingvorgänge
sind in der Fig. 6 dargestellt. Die Diagramme dieser Figur entsprechen im wesentlichen
denen der Fig. 2a. Bis zum Zeitpunkt t i, dem Beginn des Löschvorganges, gibt die
strichpunktiert gezeichnete Kurve die Spannung Uk r an der Kathode der betreffenden
Röhre und die Spannung Uc an dem zugehörigen, der Kathode vorgeschalteten Kondensator
an, da im gezündeten Zustand der zwischen der Kathode und dem Kondensator liegende
Gleichrichter geöffnet ist und infolgedessen praktisch nicht in Erscheinung tritt.
Vom Zeitpunkt t i ab wird, wie bereits erwähnt, der Gleichrichter gesperrt, der
Kondensator beginnt sich zu entladen. Seine Spannung zeigt die mit Uc bezeichnete
strichpunktierte Kurve. Dieser Spannungsverlauf entspricht vollkommen dem in Fig.2
dargestellten Spannungsverlauf. Die Spannung an der Kathode Uk i wird vom Zeitpunkt
t i ab um das Spannungsteilerverhältnis herabgesetzt. Den entsprechenden Spannungsverlauf
zeigt die strichpunktierte Kurve Uk i. Wie ersichtlich, liegt das Potential der
Kathode wesentlich tiefer als das Potential am zugehörigen Kondensator. Bei der
gewählten Darstellung nimmt die Kathode der betreffenden Röhre im Zeitpunkt t i
ein Potential an, das etwa der halben Brennspannung entspricht. Infolgedessen verbleibt
für die zugehörige Röhre ebenfalls eine Spannung vom Betrag der halben Brennspannung,
da im Zeitpunkt t i das Potential an den Anoden gerade auf die Brennspannung abgesenkt
wird.