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Gleichrichter mit Glühkathode aus Wolfram. Die Erfindung betrifft
einen Gleichrichter, welcher die Gleichrichtung von Wechselstrom in einem ähnlichen
Strom- und Spannungsbereich wie der Quecksilbergleichrichter ermöglicht und in einem
Entladungsgefäß mit einer Elektronen aussendenden Glühkathode 'und einer oder mehreren
Anoden besteht.
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Ein wesentliches Merkmal des Erfindungsgegenstandes besteht darin,
daß im Gegensatz zu früheren Gleichrichtern ähnlicher Art im Entladungsgefäß Stickstoff,
Argon oder Quecksilberdampf bei einem Druck vorhanden ist, der so hoch gewählt ist,
daß die Zerstäubung der Kathode verhütet oder wesentlich verringert wird. Der Druck
beträgt mehrere Millimeter oder Zentimeter Hg und kann im Gegensatz zu dem höchstverdünnten
Gasrest als beträchtlich bezeichnet werden, welcher in einem Gefäß vorhanden ist,
das bis zu dem sogenannten Lampenvakuum entlüftet ist, gegebenenfalls nach vorangegangener
Verdrängung der Luft durch ein inertes Gas. Über den zulässigen Druck folgen weiter
unten noch nähere Angaben, ebenso über die elektrischen Eigenschaften des neuen
Gleichrichters, die demjenigen eines elektrischen Lichtbogens gleichen.
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Ein weiteres wesentliches, an sich aber bekanntes Merkmal des Erfindungsgegenstandes
besteht darin, daß als Kathode Wolfram oder ein anderes Metall benutzt wird, das
Temperaturen von 2ooo° C und darüber verträgt. Wolfram und ähnliche Metalle sind
bei sauberer Oberfläche im Glühzustand eine primäre Quelle von Elektronen im Gegensatz
zu den bei Gleichrichtern als Glühkathode bereits benutzten schwer schmelzbaren
Oxyden, die infolge einer nicht aufgeklärten Ionisierung eine sekundäre Elektronenquelle
bilden. Die Anode oder Anoden sind bei dem Gegenstand der Erfindung aus einem solchen
Metall und von solchen Abmessungen gewählt, daß ihre Temperatur infolge der Wärmeableitung
unterhalb iooo° absolute Temperatur bleibt. Bei dieser Temperatur kann die Elektronenaussendung
verhältnismäßig vernachlässigt werden. Das Entladungsgefäß, welches diese Elektroden
enthält, ist, wie bereits erwähnt wurde, mit Stickstoff, Argon oder Quecksilberdampf
von verhältnismäßig beträchtlichem Druck gefüllt. Stark elektronegative Gase, wie
Wasserdampf, Chlor, Sauerstoff u. dgl. sollten sorgfältig ausgeschlossen werden.
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Die Abbildungen zeigen in Abb. 1, 3 und 4 schaubildlich drei Ausführungsbeispiele,
während Abb. 2, 5 und 6 zugehörige Schaltungen schematisch darstellen. Der Gleichrichter
nach Abb. 1 dient zur Gleichrichtung beider Halbwellen, die Vorrichtungen nach Abb.3
und 5 zur Gleichrichtung der abwechselnden Halbwellen.
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Der Gleichrichter für sämtliche Halbwellen gemäß Abb. i besteht aus
einem Gefäß i, zweckmäßig aus Glas, mit drei Seitenarmen 2, 3 und 4, die zur Aufnahme
und luftdichten Einschmelzung der Stromzuführungsdrähte dienen. Die Zuführungsdrähte
5 und 6 für die Kathode 8 bestehen aus Wolfram, das unmittelbar in einen Fuß 7 aus
einem Glas von geringem Ausdehnungskoeffizienten, z. B. i\Tatrium-Magnesium-Borosilikat,
eingeschmolzen ist. Die Kathode 8 besteht aus einem Faden aus Wolfram oder einem
anderen schwer schmelzbaren Material und wird während des Betriebes durch eine passende
Stromquelle, z. B. eine Batterie 16 (Abb. 2), zum Glühen gebracht. In manchen Fällen
kann der Heizstrom nach Einsetzen der Entladung abgeschaltet werden, namentlich
wenn der Gasdruck groß ist und durch den Lichtbogen genügend Hitze entwickelt wird,
um einen Teil der Kathode genügend stark glühend zu erhalten..
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Die Anoden g und io sind verhältnismäßig viel größer als die Kathode
und besitzen zweckmäßig Scheibenform, wie die Abb. i zeigt, während bei der Einrichtung
nach Abb. 3 zur Gleichrichtung der abwechselnden Halbwellen die Anode mit Vorteil
die Form eines die Kathode umgebenden Bechers oder Zylinders i i aufweist. Die Zuführungsdrähte
12 zu den Anoden können gleichfalls vorzugsweise aus Wolfram bestehen und unmittelbar
in die Glasfüße 13 und 14 aus Glas von geringem Ausdehnungskoeffizienten eingeschmolzen
sein.
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Das Glasgefäß wird in bekannter Weise gut entlüftet, indem es hierbei
erhitzt und an allmählich steigende Spannung gelegt-- wird, so daß die Elektroden
durch Elektronenstoß
weißglühend werden und alle schädlichen Gase
aus ihnen ausgetrieben werden. Sodann wird Stickstoff, Argon oder ein Quecksilbertröpfchen,
wie Abb. i bei 15 zeigt, in das Gefäß eingeführt. Der Gasdruck ist ziemlich hoch,
d. h. einige Millimeter bis einige Zentimeter Hg, zu wählen. Der Druck soll jedenfalls
hoch genug sein, um die elektrische Zerstäubung der Kathode durch das Ionenbombardement
weitgehend zu unterdrücken. Wenn die Kathode in Quecksilberdampf arbeitet, sind
niedrigere Drucke zulässig als in einem Gas wie Argon oder Stickstoff. Wenn der
Gasdruck niedrig ist, z. B. bei Quecksilberdampf unter ungefähr i cm Hg, dann ist
es in einem von der Spannung abhängigen Maße erforderlich, dafür zu sorgen, daß
an der Kathode mehr Elektronen ausgesendet werden, als für die Stromleitung notwendig
wären, indem z. B. die Kathodentemperatur gesteigert wird. Hierdurch wird um die
Kathode ein negatives Feld erzeugt und das Bombardement der Kathode durch positive
Ionen und ihre Zerstäubung durch die Gegenwart dieser Elektronen, die augenscheinlich
zu ihr zurückkehren, verringert.
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Bei höheren Drucken ist die elektrische Zerstäubung der Kathode entsprechend
geringer und die nützliche Lebensdauer der Vorrichtung entsprechend größer, so daß
eine starke Elektronenemission für eine lange Lebensdauer nicht erforderlich ist.
Doch kann eine hohe Elektronenemission selbst bei höheren Gasdrucken benutzt werden.
Die thermische Zerstäubung ist ebenfalls bei höheren Gasdrucken geringer. Wenn der
Gasdruck über eine bestimmte Grenze anwächst, die von der Natur des Gases abhängt,
und im Falle des Quecksilberdampfes ungefähr i cm Hg beträgt, dann wächst der Spannungsabfall
in der Entladungsröhre. In den meisten Fällen ist es jedoch wünschenswert, bei einem
Gasdruck zu arbeiten, der oberhalb des Bereiches des geringsten Spannungsabfalles
liegt, um eine angemessene Lebensdauer zu erreichen. Wenn aber Ströme von niedriger
Spannung gleichgerichtet und der beste Wirkungsgrad erzielt werden soll, dann mag
es um des Wirkungsgrades willen angezeigt sein, etwas an Lebensdauer zu opfern und
bei dem Druck zu arbeiten, welcher dem kleinsten Spannungsabfall entspricht; gewöhnlich
ist dies aber nicht wünschenswert.
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Wenn Ouecksilberdampf als ionisierbares Gas dient, dann soll die Größe
des Gefäßes so gewählt seih, daß es bei einer Temp.°ratur arbeitet, bei welcher
genügende Quecksilbermengen verdampfen, uin den gewünschten Druck zu geben.
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Wie Abb.2 zeigt, können die Anoden und ro mit den Polen einer Wechselstromquelle,
z. B. der Sekundärwicklung eine Transformators 17, verbunden sein, während
die Kathode 8 unter Zwischenschaltung der Gleichstromverbraucher 18 und eines Widerstandes
i9 mit einer Mittelklemme desTransformators verbunden ist. Die Vorrichtung wird
nach Herstellung der erforderlichen Verbindungen durch Schließen des Schalters 20
im Heizstromkreis 21, der beispielsweise von einer Batterie 16 gespeist wird, angelassen,
indem hierdurch die Kathode zum Glühen gebracht wird.
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Die Anoden sollen eine solche Größe erhalten, daß die Hitze von ihnen
in solchem Maße abgeführt wird, daß sie unterhalb der Temperatur bleiben, bei welcher
eine nennenswerte Elektronenaussendung stattfindet, um den Stromdurchgang in- umgekehrter
Richtung während der Halbwellen zu verhüten, während welcher die betreffende Anode
negativ ist.
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Mit Gleichrichtern der beschriebenen Art können Ströme von vielen
Amperen, deren Zahl von der Größe der Vorrichtung abhängt, gleichgerichtet werden,
ohne irgendeine Stromentladung in umgekehrter Richtung und mit einem geringen Spannungsabfall,
welcher bei Quecksilberdampf ungefähr 8 bis 15 Volt beträgt und etwas schwankt,
je nach der Natur der Gasfüllung, dem Gasdruck, der Kathodentemperatur und anderen
Umständen. Wenn der gleichzurichtende Strom eine Spannung bis zu einigen hundert
Volt besitzt, dann werden die Kathoden und die Anoden in der aus den Abbildungen
ersichtlichen Weise einander genähert; bei wesentlich höherer Spannung soll dagegen
der Abstand der Kathoden und der Anoden entsprechend --vergrößert werden. Die. Entladung
ist gewöhnlich auf einen verhältnismäßig kleinen Raum zwischen Kathode und Anode
beschränkt und bietet im allgemeinen dieselbe Erscheinung wie ein gewöhnlich offener
Lichtbogen. Auch ist die elektrische Charakteristik dieselbe wie diejenige eines
Bogens, d. h. eine Zunahme des Stromes erzeugt eine wenig merkbare, augenblickliche
Spannungsänderung. Da jedoch eine Zunahme des Stromes den Gasdruck erhöht, -so ist
die Stromzunahme, wenn sie genügend lange andauert, um eine Druckänderung hervorzurufen,
von einer Zunahme des Spannungsabfalles begleitet. Der augenblickliche Wert der
Spannung zwischen den Elektroden muß durch eine Stromzunahme erniedrigt werden,
da zwei Gleichrichter nicht parallel betrieben werden können, ohne besondere Vorrichtungen
zur Verteilung der Last.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 4 sind die Stromzuführungsdrähte
5 und 6 der
Kathode 8 mit einem Gewindesockel verbunden. Die Kathode
besteht vorzugsweise aus einem eng schraubenlinienförmig gewundenen Wolframdraht
von 1/4 bis 1/2 mm Durchmesser. Die Anode 23 besteht aus Quecksilber oder einem
Amalgam oder einem anderen leicht verdampfbaren Metall, welchem der Strom durch
den Draht 24 zugeführt wird. Außer dem Dampf dieses Metalls wird in das Gefäß zweckmäßig
noch Argon oder Stickstoff bei einem Druck bis zu i o mm Hg gebracht, wodurch das
Einsetzen der Entladung erleichtert wird. Die Abmessungen der Vorrichtung im Verhältnis
zur Energieaufnahme sollen so gewählt werden, daß die Vorrichtung bei der Temperatur
arbeitet, bei welcher der Druck des Quecksilberdampfes in der Nähe von 5 bis z2
cm Hg liegt.
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Bei der Schaltung nach Abb. 5 besitzt der Transformator i7 außer der
Sekundärwicklung 27, welche durch die Leitungen 25 und 26 die Anode bzw. Kathode
speist, noch eine zweite Sekundärwicklung 28 von passend zu wählender Windungszahl,
die den Heizstrom für die Kathode liefert. In der Leitung 26 liegt der Gleichstromverbraucher,
z. B. eine zu ladende Batterie 2,9, ein Widerstand 30 und ein Schalter
31. Bei Schließung dieses Schalters und des im Heizstromkreis liegenden Schalters
2o setzt sofort die Gleichrichtung des Stromes ein, und zwar werden diejenigen abwechselnden
Halbwellen, welche für die Kathode negativ sind, durch die Vorrichtung durchgelassen,
während die entgegengesetzt gerichteten Halbwellen vollständig untergedrückt werden,
entgegen der Annahme, zu der man sich leicht versucht fühlen könnte, daß die Quecksilbermasse
23 leicht Kathode wird. Der durch die entwickelte Hitze gebildete Quecksilberdampf
verhütet die Zerstäubung der Kathode in solchem Maße, daß die nützliche Lebensdauer
einer solchen Vorrichtung etwa iooo Stunden beträgt. Der Quecksilberdampf kondensiert
sich an den Gefäßwänden und kehrt zur Anode zurück. Durch diesen Kreislauf wird
von der Anode Wärme abgeführt und ihre Überhitzung und der Durchgang von Strom während
der Halbwellen, während welcher die Anode negativ ist, verhütet.
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Um beide Halbwellen des Wechselstromes gleichzurichten, können auch
zwei einseitig wirkende Vorrichtungen vereinigt werden, etwa wie Abb. 6 zeigt. Von
den beiden Entladungsgefäßen i und i' besitzt jedes eine Glühkathode 8 und eine
Quecksilberanode 2j. Die Kathoden sind an die Außenklemmen zweier Drosselspulen
32 und 33 angeschlossen, die, untereinander in Reihe geschaltet, parallel zu den
Gleichrichtern an das Netz gelegt sind. Die Anoden 23 sind über den Stromverbraucher
29 und eine Drosselspule 34 mit der - Mittelklemme der Drosselspulen 32 und 33 verbunden.
Der im Mittelleiter während jeder Halbwelle fließende gleichgerichtete Strom wird
durch die Drosselspule 34 noch gleichmäßiger gemacht. Der Heizstrom wird für jeden
Gleichrichter von einigen zusätzlichen Windungen der zugehörigen Drosselspule 32
und 33 geliefert.
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Nach de°m Einsetzen der normalen Entladung kann der Heizstrom der
Kathode ausgeschaltet werden, da diese durch die Entladung selbst genügend heiß
gehalten wird. Zweckmäßiger ist es jedoch, den Heizstrom dauernd geschlossen zu
halten und die Kathode auf eine etwas höhere Temperatur zu erhitzen, als für Aussendung
einer Elektronenzahl erforderlich ist, die ausreicht, um die Entladung zu leiten,
da hierdurch die Lebensdauer, wie erwähnt wurde, erhöht wird. Da sich die Anode
bei den zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispielen selbst wiederherstellt, so ist
die Lebensdauer eines solchen Gleichrichters nur durch die Zerstäubung der Kathode
begrenzt und aus diesem Grunde die Benutzung eines ziemlich starken Fadens als Kathode
angezeigt. Wenn aber der Draht unnötig stark gewählt wird, so erfordert er einen
größeren Heizstrom und es wird der Wirkungsgrad verschlechtert. Daher empfiehlt
sich die Benutzung eines Wolframdrahtes von etwa 1/4 bis 1/2 mm Durchmesser, wie
erwähnt wurde.