DE941441C - Elektrische Entladungsroehre fuer kurze und sehr kurze Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Entladungsröhre für kurze und sehr kurze Wellen, d. h. Wellen von einigen Metern bis etwa ι cm, die wenigstens eine Kathode, ein Steuergitter und eine Ausgangselektrode enthält. Bei einer normalen Triode, Tetrode und Pentode bildet die Anode die Ausgangselektrode. Für den Zentimeterwellenbereich kommen im wesentlichen nur Trioden in Betracht.

Um die Röhren für eine möglichst kurze Wellenlänge brauchbar zu machen, gehen die Bestrebungen dahin, die Kapazität zwischen der Eingangselektrode und der Basiselektrode einerseits und zwischen der Basiselektrode und der Ausgangselektrode andererseits soviel wie möglich herabzusetzen. Bei nicht zu kurzen Wellen bildet meistens die Kathode die Basiselektrode. Bei Röhren mit Scheibendurchführung für sehr kurze Wellen ist zumeist das Steuergitter die Basiselektrode. Die Kapazität zwischen den verschiedenen Elektroden hängt nicht nur von der Oberfiächengröße der Elektroden und ihrem gegenseitigen Abstand ab, sondern es gibt auch parasitäre Kapazität. Wenn man denjenigen Teil der Kapazität zwischen den Elektroden, der sich proportional zur wirksamen Oberfläche ändert, als die Nutzkapazität bezeichnet, gilt für die Nutzkapazität einer einfachen flachen

Anordnung, daß diese gleich — ist, wo 0 die wirksame Oberfläche der Elektroden und d den Abstand darstellt. Für verwickeitere Anordnungen kann die Nutzkapazität als die Summe einer Anzahl von

Gliedern oder durch eine Integralform berechne werden. Der nicht durch die Nutzkapazität gebildete Kapazitätsteil wird im folgenden als Ballastkapazität bezeichnet.

Angesichts der Bestrebungen, die Röhrenkapazitäten soviel wie möglich herabzusetzen, wird man zunächst versuchen, die Ballastkapazität möglichst zu verringern. Bei jeder Elektrodenanordnung gibt es ein Minimum, das man infolge der Bedrahtungs- und Zuleitungskapazität nicht unterschreiten kann. Dieses Minimum liegt z. B. für eine Röhrenkonstruktion mit .flachen Elektroden und in die Wand der Röhre eingeschmolzenen Durchführungsscheiben niedriger als für Röhren mit konzentrischer Aufstellung und Stiftdurchführungen.

Die Nutzkapazität soll vielfach verhältnismäßig groß bleiben, da insbesondere die Kathodenoberfläche meistens nicht oberhalb einer bestimmten Stromdichte belastet werden' darf und man bei Röhrenkonstruktionen im allgemeinen von einer bestimmten, gewünschten Leistung ausgeht.

In einer elektrischen Entladungsröhre für kurze und sehr kurze Wellen, die wenigstens eine Kathode, ein Steuergitter und eine Ausgangselektrode enthält, liegt nach der Erfindung das Produkt der Verhältnisse der Nutz- und der Ballastkapazität zwischen Eingangselektrode und Basiselektrode und zwischen Basiselektrode und Ausgangselektrode zwischen ^x/₄ und 4, und es liegt außerdem das Verhältnis der Nutz- und Ballastkapazität zwischen Eingangs- und Basiselektrode und zwischen Basis- und Ausgangselektrode zwischen ¹Z₂ und 2. Vorzugsweise ist das Produkt der beiden Verhältnisse gleich 1 oder rückt möglichst dicht an diesen Wert heran. Am günstigsten sind die beiden Verhältnisse gleich 1.

Werden die Verhältnisse entsprechend den vorgenannten Regeln gewählt, so ist die bei vollständiger Anpassung mit der Röhre zu erreichende Leistungsverstärkung maximal, wenn die beiden Verhältnisse oder wenigstens das Produkt derselben gleich sind bzw. gleich 1 sind. Sind die beiden Verhältnisse gleich 2 oder ¹Z₂, so ist die maximal erreichbare Leistungsverstärkung auch bei vollständiger Anpassung um 25°/₀ niedriger. Dies gilt, wenn die Ohmschen Dämpfungen die elektronischen übersteigen, was bei sehr hohen Frequenzen meist zutrifft. Ist die elektronische Dämpfung verhältnismäßig groß, so ist die Abnahme geringer.

Die Wahl der vorgenannten Verhältnisse dürfte wie folgt erklärt werden. Die maximal zu erreichende Leistungsverstärkung ist von der Röhrensteilheit abhängig, die bei Hochfrequenz im allgemeinen einen komplexen* Wert hat. Weiter ist die Leistungsverstärkung von der Eingangsdämpfung, von der Ausgangsdämpfung und von der Rückwirkung in der Röhre abhängig. Im allgemeinen wird bei nicht allzu großer Rückwirkung die Leistungsverstärkung • dem Produkt der Eingangs- und Ausgangsdämpfung, ausgedrückt im Leitwert, etwa umgekehrt proportional und dem Quadrat des Absolutwertes der Steilheit etwa direkt proportional sein. Die Eingangs- und Ausgangsdämpfungeri sind bei sehr hohen Frequenzen stark abhängig von der Gesamtkapazität (Nutz- und· Ballastkapazität zusammen) des Elektrodensystems, da das Auf- und Entladen dieser Kapazitäten über die Reihenwiderstände der Zuleitungen erfolgen muß, die im wesentlichen nicht von der Größe der¹ Elektrodenoberflächen abhängen. Bei einer bestimmten Frequenz sind die von diesen Auf- undEntladeströmenherbeigeführten Ohmschen, in Leitwert ausgedrückten Dämpfungen dem Quadrat der entsprechenden Gesamtkapazität umgekehrt proportional, und sie bilden bei sehr hohen Frequenzen den wichtigsten Teil der gesamten Röhrendämpfungen.

Die Steilheit der Röhre und die elektronischen Dämpfungen sind der Nutzkapazität direkt proportional, wenn man sich ihre Änderung als nur durch Änderungen der nützlichen Oberfläche zustande gekommen denkt und dabei sämtliche anderen Einzelheiten, wie z. B. den praktisch immer festhegenden Elektrodenabstand, gleichbleiben läßt.

Aus dem oben Geschilderten geht hervor, daß es eine bestimmte optimale Größe der nützlichen Oberflächen geben muß, bei der die Verstärkung maximal ist. Ist nämlich die nützliche Oberfläche sehr klein, so ist die Nutzkapazität klein in bezug auf die Ballastkapazität, aber auch die Steilheit ist sehr gering. Die Ohmschen Dämpfungen infolge der endlichen Ballastkapazität haben jedoch einen endlichen Wert, und in diesem Fall ist also die Leistungsverstärkung sehr gering. Wird die nützliche. Oberfläche größer, so wächst die Verstärkung, da die Steilheit proportional zur Nutzkapazität zunimmt, aber wenn die Nutzkapazität viel größer als die Ballastkapazität wird, so werden die Dämpfungen dem Quadrat der Nutzkapazität proportional, wodurch die Verstärkung wieder abnimmt. Wie oben erwähnt, nimmt die maximal erreichbare Verstärkung nur um 25% ab, wenn die Nutz- und Ballastkapazität um einen Faktor 2 von dem gegenseitigen Verhältnis 1, und zwar beide Verhältnisse nach der gleichen Seite abweichen. Obgleich das Maximum der zu erreichenden Verstärkung in Abhängigkeit von diesen Verhältnissen also ziemlich flach ist, sind trotzdem die üblichen Röhrenkonstruktionen so weit von dem günstigsten Verhältnis entfernt, daß ihre Leistungsverstärkung beträchtlich niedriger ist, als beim günstigsten Verhältnis erreichbar wäre. Die Ursache liegt wahrscheinlich im Fehlen der der Erfindung zugrunde hegenden Erkenntnis und außerdem in der Tatsache, daß - bei den kleinen wirksamen Elektrodenoberflächen, zu denen das günstigste Verhältnis zwischen Nutz- und Ballastkapazität Veranlassung gibt, infolge der geringen zulässigen Stromdichte an der Kathode im allgemeinen bisher nur Röhren von sehr geringer Leistung gebaut werden konnten.

Mit den jetzt zur Verfügung stehenden Kathoden für eine große Stromdichte, die aus einer gut geschlossenen Kathode aus porösem Wolfram mit darin enthaltenem Vorrat an Barium-Strontiumoxyd bestehen, sind beträchtlich größere Stromdichten anwendbar, wodurch Röhren mit kleiner Elektrodenoberfläche trotzdem eine angemessene Leistung zu liefern vermögen.

Namentlich auch, für Oszillatoren wird die Grenzwellenlänge im wesentlichen durch die Ohmschen

Verluste in den Zuleitungen bedingt. Die Grenze des Oszillierens liegt bei derjenigen kürzesten Wellenlänge, bei der die Verstärkung den Faktor 1 unterschreitet. Diese Grenze liegt bei den vorgenannten Verhältnissen entsprechenden Röhren ziemlich tief, da hierbei die Verstärkung so groß wie möglich ist und also bei abnehmender Wellenlänge ziemlich lange den Faktor 1 übersteigt.

Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert, in der Fig. 1 ein Querschnitt des Elektrodensystems einer bekannten Doppelpentode ist und die Fig. 2 und 3 Längsschnitte der Elektrodensysteme einer bekannten Triode mit Scheibendurchführungen bzw. einer Triode mit Scheibendurchführungen, bei der die Erfindung Anwendung findet, darstellen. Von der in Fig. 1 dargestellten Pentode sind die Abmessungen aus der daneben angegebenen Skala abzuleiten. Für jede Röhrenhälfte ist die Kathode mit 1, das Steuergitter mit 2 und das Schirmgitter mit 3 bezeichnet. Das Fanggitter 4 ist als Schirm ausgebildet und den beiden Hälften gemeinsam. Die Anode 5 besteht für jede Hälfte aus zwei Platten. Ein Schirm 6 umgibt das Elektrodensystem; die Röhrenwand ist mit 7 bezeichnet. Von dieser unter der Bezeichnung EFF 50 vertriebenen Röhre beträgt die wirksame Kathodenlänge 18 mm, die Gitterkapazität C₀ = 9,4 pF und die Anodenkapazität C_a = 5,5 pF für jede Röhrenhälfte. Bei dieser bekannten Röhre erfolgt die Energieverstärkung bei einer Wellenlänge von 1 m nur mit einem Faktor 2,5. Bei gleichbleibenden übrigen Baueinzelheiten, wie z. B. dem Querschnitt des Elektrodensystems und der Bedrahtung innerhalb der Röhre, wurde die Länge des Systems verringert, wobei es sich ergab, daß für eine wirksame Systemlänge von 6 mm die maximal zu erreichende Energieverstärkung am größten war und den Faktor 10 erreichte. Zwar fällt infolgedessen die abzugebende Gesamtleistung stark ab, aber dies bildet für viele Anwendungen, wie z. B. für Verstärker mit niedrigem Pegel, keinen Nachteil. Es betrug C_g = 5,3pFundC_ffi = 2,5pF.

Bei diesem System kann angenommen werden, daß die Ballastkapazität praktisch nur an den Enden des Elektrodensystems und in der Bedrahtung vorhanden ist. Hieraus läßt sich dann einfach ableiten, daß für das Gitter gilt: Nutzkapazität 2,05 pF und Ballast 3,25 pF. Für die Anode beträgt dann die Nutzkapazität 1,5 pF und Ballast 1,0 pF. Die beiden Verhält

nisse zwischen Nutz- und Ballastkapazität sind dann —— = 0,63 und -^- = 1,5 und das Produkt s» 0,95. 3)²5 ι

Für die alte Röhre sind die Ballastkapazitäten die gleichen und die Nutzkapazitäten für Gitter und Anode 6,15 bzw. 4,5 pF, so daß die Verhältnisse -^- Rü- 2 und ^- und das Produkt ο betragen.
3,25 1,0 ^{y b}

Bei der bekannten in Fig. 2 dargestellten Röhre ist mit 8 der zylindrische Anodenblock bezeichnet, der mittels des konischen Glaskopfes 9 an der Gitterscheibe 10 festgeschmolzen ist. Ein Glasring 11 bildet die Verbindung zwischen der Gitterscheibe und der als ein Zylinder 12 gestalteten Kathodenscheibe. Im Boden 13 sind mittels Glasperlen zwei Zuführungen 14 und eine Kathodenzuführung 16 vorgesehen; das Pumpröhrchen ist mit 15 bezeichnet. Der Glühdraht ist mit 17, der Kathodenkörper mit 18 bezeichnet. Auf der Vorderfläche des Kathodenkörpers ist eine nicht näher angedeutete dünne Oxydschicht angebracht. Der Kathodenkörper 18 ist mittels einer FoHe 19 an dem mit einem Kragen versehenen ZyHnder 21 festgeschweißt. Der Kragen wird von zwei keramischen Ringen 22 und 23 umfaßt und vom Ring 24 zentriert, der mit dem Zuführungsdraht 16 in Berührung steht. Ein Isolierring 25 trennt die Kathode elektrisch von der Wand 12. Vier aus dem Ring 27 auslaufende Federn 26, die vom ZyHnder 28 angedrückt werden, klemmen die Konstruktion ein. Der keramische Ring 22 stößt gegen eine Kupferfolie 29, die gegen die bespannten Seiten des Gitterringes 30 anliegt. Drei Arme 31 sind durch Email 32 in drei unter Winkeln von 120⁰ angebrachten Nuten im Ring 22 befestigt.

Von .der in Fig. 3 dargestellten, nach der Erfindung hergestellten Röhre sind die Kathoden-, Gitter- und Anodenscheibe mit 31, 32 bzw. 33 bezeichnet; 34 ist die zylindrische Anode. Der Gitterring 35 ruht mit der bespannten Seite 36 auf der Gitterscheibe 32; 37 ist eine poröse Wolframkappe, die einen Vorrat an Barium-Strontiumoxyd 38 enthält. Eine FoHe 39 verbindet die Kathode mit der Kathodenscheibe 31. Diese Röhre ist etwas weniger detailliert dargesteUt als .diejenige nach Fig. 2.

In der folgenden Tabelle werden bauliche Daten und Eigenschaften der bekannten Röhren nach Fig. 2 und der Röhre gemäß der Erfindung nach Fig. 3 miteinander verglichen.

Röhre nach Fig. 2	Röhre nach Fig. 3
4,5 mm	3 mm
16,0 mm2	7 mm2
Oxydkathode	Metallkathode
17,5 μ	40 μ
25o,o μ	250 μ
7.5 μ	ίο μ
25,o μ	50 μ

Durchmesser von Anode und Kathode

Kathoden-Oberfläche

Kathodenart ,

Abstand der Mitte der Gitterdrähte

von der Kathode

von der Anode

Stärke der Gitterdrähte

Schritt der Gitterdrähte

Fixierung des Kathode-Gitterabstandes ........

Gitter-Kathoden-Kapazität gesamt .. .■

davon nützlich

und Ballast

Gitter-Anoden-Kapazität ..,.

davon nützlich

und 'Ballast

Verhältnis zwischen nützlicher und Ballastkapazität

Gitter-Kathode , -

Gitter-Anode

Produkt der Verhältnisse zwischen nützlicher und Ballastkapazität

Erreichbare Leistungsvefstärkung

bei einer Wellenlänge von

Dabei abgegebene Leistung

Zugehöriger Anodenstrom

und Steilheit

Die in der Tabelle erwähnten Kapazitäten sind diejenigen der Röhre ohne die Kapazitäten über das Glas des Kolbens. Es leuchtet ein, daß bei der Röhre nach Fig. 3 die Gesamtkapazität zwischen Kathode und Gitter viel geringer ist. Auch die FixierungKathode-Gitter über die Kolbenwand ist einfacher als mit der Folie nach Fig. 2. Die Röhrensteilheit in Fig. 3 beträgt ein Viertel derjenigen nach Fig. 2, trotzdem ist die Leistungsverstärkung bei der gleichen Wellenlänge gleich groß, ebenso wie die abgegebene Leistung bei dieser Frequenz. Diese gleich günstige Wirkung, trotz des größeren Kathode-Gitterabstandes und der geringen Steilheit ist zu einem wesentlichen Teil dem günstigen Verhältnis zwischen Nutz- und Ballastkapazität zuzuschreiben.

Röhre nach Fig. 2	Röhre nach Fig. 3
Mit Abstandsfolie	über Kolbenwand
9,4 pF	2,2 pF
8,4 pF	i,5 PF
1,0 pF	0,7 pF
0,87 pF	o,57 PF
0,62 pF	0,24 pF
0,25 pF	o,33 pF
8,4	2,1
2,5	o,7
21	i,5
10 χ	IO X
7,5 cm	7,5 cm
0,5 W	0,5 W
25 mA	30 mA
50 mA/V	13 mA/V

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Elektrische Entladungsröhre für kurze und sehr kurze Wellen, die wenigstens eine Kathode,

   ein Steuergitter und eine Ausgangselektrode enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt der Verhältnisse der Nutz- und der Ballastkapazität zwischen Eingangselektrode und Basiselektrode und zwischen Basiselektrode und Ausgangselektrode zwischen ¹Z₄ und 4 liegt, wobei diese Verhältnisse je zwischen ^x/₂ und 2 liegen.
2. 2. Elektrische Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt der Verhältnisse von Nutz- und Ballastkapazität zwischen Gitter und Kathode einerseits und zwischen Gitter und Anode andererseits annähernd gleich 1 ist.
3. 3. Elektrische Entladungsröhre nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Verhältnisse annähernd gleich 1 ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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