DE668731C - Gasgefuellte Entladungsroehre, insbesondere Gluehkathodengleichrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf gasgefüllte Entladungsröhren, insbesondere Glühkathodengleichrichter.

'In vielen Fällen ist es wünschenswert, daß Entladungsvorrichtungen, die zur Gleichrichtung von Hochfrequenzströmen benutzt werden, 'eine im wesentlichen geradlinige Charakteristik haben, d. h. daß der gleichgerichtete Strom der Signalspannung direkt proportional ist. Ferner soll der Scheinwiderstand der Einrichtung in der Halbperiode des Stromdurchganges niedrig und in der entgegengesetzten Halbperiode hoch sein; in bezug auf den Wirkungsgrad wird verhältnismäßig kleine. Heizleistung für die Glühkathode verlangt.

Bei mit einem trägen Gas gefüllten Entladungsvorrichtungen hat es sich gezeigt, daß die Charakteristik weitgehend von der in den Vorrichtungen vorherrschenden Ionisationsform abhängt und daß die Ionisationsform sich mit der Stärke des Belastungsstromes ändert. In den bisher bekannten gasgefüllten Entladungsvorrichtungen ist der Übergang von einer Ionisationsform in eine andere gewöhnlich von Unstetigkeitserscheinungen und ausgesprochenen Krümmungen der Charakteristik begleitet, so daß der gleichgerichtete Strom nicht mehr eine lineare Funktion der aufgedrückten Spannungen ist.

Diese Schwierigkeit wird erfmdungsgemäß durch eine gasgefüllte Entladungsröhre mit einer gegenüber der Kathode positiv vorgespannten Ionisationselektrode beseitigt, bei welcher die Anode bzw. Anoden in einem Teil des Entladungsweges zwischen Kathode und Ionisationselektrode angeordnet sind, in welchem der Potentialgradient im wesentlichen gleich Null ist. Die lonisationselektrode hat gegenüber der Kathode eine positive Vorspannung. Daher fließt zwischen Kathode und Ionisationselektrode ständig ein Ionisationsstrom. Die Signalspannung wird der Anode zugeführt. In dem Kreis Kathode-Anode oder Anode-Ionisationselektrode liegen Signalan-Zeigevorrichtungen. Bei dieser erfindungsgemäßen Röhre ist die Ionisationsform, wenn der Ionisationsstrom genügend stark gehalten wird, im wesentlichen konstant und von Schwankungen des Belastungsstromes praktisch unabhängig.

Es sind schon Entladungsröhren bekanntgeworden, bei denen außer der Kathode und der Anode eine Ionisationselektrode vorhanden ist. Hier liegt aber die Anode nicht in einem Teil des Entladungsweges, in welchem der Potentialgradient im wesentlichen gleich Null ist. Infolgedessen wird auch nicht der Vorteil der Erfindung erreicht, daß die Charakteristik über einen weiten Bereich von Anodenströmen und Anodenspannungen im wesentlichen linear ist.

Die elektrische Entladungsvorrichtung nach Abb. ι besteht aus einem Gefäß 20, das mit einem Isoliersockel 21 vergipst oder auf irgendeine andere Weise verbunden ist. Der Sockel 21 hat Stifte 22 zur Verbindung der Vorrichtung mit einem äußeren Stromkreis.

668781

Das Gefäß 20 ist mit einem nach innen ragenden Fuß ausgebildet, der in einem im wesentlichen rechteckigen Öuetschteil 23 endet; an diesem sind alle Elektroden befestigt. In de: Quetschfuß 23 sind zwei starke Metalldrä eingebaut, die je einen Teil 24 haben, de: der Nähe des Fußes nach außen und oben gebogen ist, sowie einen geradlinigen Teil 25? der sich im wesentlichen nach dem entgegengesetzten Ende des Gefäßes 20 hin erstreckt; die beiden Teile 25 verlaufen zueinander parallel; Zwei Metallscheiben 26 und 27 mit abgebogenen und einander zugeordneten Rändern 28 und 29 sind in einem bestimmten Abstand zwischen den parallelen Teilen 25 der Metalldrähte angebracht und tragen eine zylindrische Netzelektrode 30, deren Enden innerhalb der Ränder 28 und 29 der Scheiben 26 bzw. 27 liegen. Die Netzelektrode 30 erhält gegenüber der Kathode eine positive Vorspannung und dient dazu, einen von dem entnommenen Anodenstrom im wesentlichen unabhängigen Ionisationszustand aufrechtzuerhalten. Die Scheibe 26 ist in der Mitte mit einer kreisförmigen Öffnung 31 versehen (vgl. Abb. 2) und trägt einen runden Block 32 aus Isolationsmaterial; die Scheibe 27 ist mit einem ringförmigen, nach außen ragendem Rand 33 versehen; dieser Rand bildet eine zentrische öffnung für einen runden Block 34. aus Isolationsmaterial. Eine stabförmige Äquipotentialkathode geht durch eine Mittelöffnung in dem Isolationsblock 34. Die Kathode besteht aus einem in Abb. 7 im Querschnitt dargestellten durchbohrten Quarzstab 35, durch den ein Heizfaden 36, vorzugsweise aus Wolfram, hindurchgeführt ist, und aus einer Metallröhre 37, vorzugsweise aus Nickel, die über den Quarzstab 35 gestülpt und mit 4" einem aktiven Material, z. B. Erdalkalioxyden, belegt ist, das bei Erhitzung Elektronen auszusenden imstande ist. Wie in Abb. 4 gezeigt ist, sind die Enden des Heizdrahtes 36 mit den E i nf uhr ungs drähten 38 verschweißt, Ί5 die in den Quetschfuß 23 eingebettet und mit einem Stiftepaar 22 (Abb. 1) verbunden sind; ein anderer Einführungsdraht 39, der in ähnlicher Weise in den Quetschfuß 23 eingebettet und mit einem der Stifte 22 verbunden ist, ist mit einem Ansatzstreifen 40 verschweißt, der mit dem Mantel 37 ein Stück bildet. Ein anderer Ansatzstreifen 41, der mit dem Mantel 37 ein Stück bildet, ist mit dem Draht 43 (Abb. 2) verschweißt, der durch die Öffnung 31 in der Scheibe 26 und durch eine zentrische Öffnung in dem Isolationsblock 32 hindurchragt und mit einem dünnen, biegsamen Draht 44 verschweißt ist, der wiederum an einen in den Block 32 eingebetteten gebogenen Draht 45 angeschweißt ist.

Die Anode besteht aus einem einzelnen festen Draht, der in den Quetschfuß eingebettet ist, einem nach außen und oben gebogenen Teil 46 in der Nähe des Quetschfußes und e,inem geradlinigen Teil 47, der sich durch tide Öffnung in der Scheibe 27 erstreckt und "*"""' HeI zur Kathode zwischen Kathode und lsationselektrode angeordnet ist. Die An-'de ist dabei in einem Teil des Entladungsweges zwischen Kathode und Ionisationsdek- trode angeordnet, in welchem der Potentialgradient im wesentlichen gleich Null ist.

Ein Paar paralleler fester Drähte 48 (Abb. 1 und 3) sind zwischen den Isolierbrücken 32 und 34 angebracht und tragen einen gitterartig durchbrochenen Schirm 49, der als schraubenlinienförmiges Gitter nach Abb. 1 und 2 oder als zylindrisches Drahtnetz ausgebildet sein kann. Der Kathodenschirm 49, der am Kathodenpotential oder an einem nur wenig davon abweichenden Potential liegt, dient bei dem Betrieb der Vorrichtung zwei Zwecken, und zwar bremst er die Geschwindigkeit der von der Kathode emittierten Elektronen und schützt ferner die empfindliche emittierende Oberfläche gegen Bombardement durch positive Ionen. Außerdem vermindert der Kathodenschirm die Stärke des erforderlichen Ionisationsstromes.

Ein rinnenartiger Gitterträger 50, auf dem zur Bindung unerwünschter, in dem Gefäß 20 enthaltener Gase und Dämpfe verdampfungsfähiges Material, z. B. Magnesium, angebracht ist, wird von der Scheibe 27 durch einen Arm 51 gehalten.

Bei der Herstellung der Vorrichtung wird das Gefäß 20 nach einem passenden Verfahren hochgradig evakuiert und eine gewisse Menge Quecksilberdampf oder träges Gas, ζ. Β» Argon, bei niedrigem Druck in das Gefäß 20 eingeführt. Natürlich können auch andere Gase oder Dämpfe, z. B. Cäsium-' oder Natriumdämpfe, verwendet werden.

Abb. S zeigt eine abgeänderte Form der Vorrichtung, die sich für Vollweggleichrichtung eignet; in dieser Abbildung werden zwei Anoden zwischen Kathode und IonisationseLektrode verwendet, und jede hat einen geradlinigen Teil 47, der parallel zu der Kathode verläuft und von ihr den vorher im Zusammenhang mit der Anode 47 in Abb. 1 angegebenen Abstand hat.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in Abb. 6 dargestellt ist, besteht die Ionisationselektrode aus zwei in gleichem Abstand von der Kathode befindlichen senkrechten Drähten 65, die von dem Quetschfuß 23 durch gebogene Drähte 66 gehalten werden. Von den Drähten 66 ist einer mit einem der Anschlußstifte 22 elektrisch verbunden. Ein Verbindungsdraht 67 ist mit den Drähten 65 verschweißt. Ferner ist an den

Drähten 65 ein Isolationsglied 68 befestigt, in das ein gebogener Draht 69 eingebettet ist; dieser steht mit einem Ende mit der Äquipotentialkathode 70 in Verbindung. Eine Anode Ji, die von dem Fuß 23 getragen wird, hat einen parallel zur Kathode und Ionisationselektrode verlaufenden Teil und liegt im Entladungsweg zwischen Kathode und lonisationselektrode nahe der Ionisationselektrode in gleichem Abstand von den Drähten 65. Die Lage der Anode ist, wie schon in Verbindung mit Abb. 1 beschrieben, derart gewählt, daß sie sich an einer Stelle des Entladungsweges befindet, wo der Potentialgradient im wesentliehen gleich Null ist. Eine Scheibe 72 aus Isolationsmaterial, z. B. Glimmer, wird von den Drähten 66 und einem Stützdraht 73 getragen, der in den Ouetschfuß eingelassen ist. Die Scheibe verhindert, daß sich die Entladung auf den Ouetschfuß und den Raum zwischen den Elektrodenzuführungsdrähten ausdehnt.

Natürlich kann auch die in Abb. 6 dargestellte Vorrichtung so abgeändert werden, daß sie zwei Anoden und zwei Ionisationselektroden für Vollweggleichrichtung enthält. In solchen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Kathodenschirm entsprechend Abb. 1 vorgesehen sein.

Die Arbeitsweise einer Röhre nach der Erfindung wird an Hand der schematischen Abb. 8 und an Hand der folgenden Abbildungen klar werden. In der Abb. 8 ist die Entladungsvorrichtung selbst als Ganzes mit 74 bezeichnet; sie enthält die Äquipotentialkathode 75, einen Kathodenschirm 76, eine Anode Jj und eine Ionisationselektrode 78. Die Eingangsspannung wird den Klemmen 79 aufgedrückt, von denen eine mit der Kathode 75 und die andere mit der Anode Jj verbunden ist. Eine Spannungsquelle, z. B. eine Batterie 80, liegt zwischen der Ionisationselektrode 78 und der Kathode 75 in Reihe mit einem Widerstand 81 zur Erzeugung eines Ionisationsstromes gewünschter Stärke zwischen Kathode und Ionisationselektrode. Zwischen Kathode 75 und Anode JJ liegen, parallel zu den Klemmen 79, in Reihe eine Spannungsquelle, z. B. eine Batterie 82, eine. Belastung 83 und ein Abstimmkreis mit Induktivität 84 und Parallelkapazität 85. Die Belastung kann natürlich eine reine Wirkbelastung oder eine kombinierte Wirk- und Blindbelastung sein. Beispielsweise kann der Eingang von der Antenne eines Rundfunksenders kommen und die Belastung ein Meßgerät für Verzerrungsmessungen sein.

Die Charakteristiken für eine Entladungsvorrichtung gemäß der Erfindung sind in Abb. 10 dargestellt, worin die Kurve A die Abhängigkeit des Anodenstromes IC von der Kathoden-Anoden-Spannung FC und Kurve 5 den Widerstand R der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Kathoden-Anoden-Spannung darstellt. Wie man sieht, enthält die Charakteristik A für den Anodenstrom zwei geradlinige Teile, die zueinander in einem Winkel von über 90⁰ stehen. Zwischen den Anodenspannungen, die den Punkten C und D der Kurve entsprechen, kann eine im wesentlichen geradlinige Gleichrichtung mit großer Verstärkung entnommen werden. Die Anodenvorspannung wird man so wählen, daß die Entladungsvorrichtung in dem einen Wechsel der Eingangsspannung im wesentlichen nicht durchlässig und in dem anderen Wechsel stark durchlässig ist. Dieses erkennt man deutlich an Abb. 9, die den Anodenstrom IC in Abhängigkeit von der Zeit T bei sinusförmiger Anodenspannung von 1 Volt zeigt, wobei auf die in Abb. 10 dargestellte Charakteristik Bezug genommen ist. Die Gleichstromkomponente, die auf der Anodenspannung von etwa 16¹J₂ Volt beruht, beträgt ungefähr 1,2 mA. Bei einer Anodenvorspannung von 17,5 Volt beträgt der Ruhegleichstrom etwa 9 mA und bei einer Anodenvorspannung von 15,5 Volt nur 0,5 mA.

Die durch die Anodenvorspannung hervorgerufene konstante Gleichstromkomponente ist go von Wichtigkeit. Je nach dem Verwendungszweck der Entladungsvorrichtung und ihrer besonderen Bauart ist der günstigste Wert für diese Komponente verschieden.

Die Faktoren, die die Stärke der Gleich-Stromkomponente des Anodenstromes bestimmen, werden aus den Abb. 11 und 12 klar. Die Kurven F und G in Abb. 11 zeigen die Stromspannungscharakteristik (Strom MC, Spannung V) für ähnliche Röhren, bei denen aber dieAbständeAnode-Kathode verschieden sind, und zwar ist der Abstand in der durch die Kurve F dargestellten Vorrichtung kleiner als in der durch die Kurve G dargestellten Vorrichtung. Man sieht aus diesen Charakteristiken, daß die Lage der Anode so gut wie keine Wirkung auf die Form der Charakteristik hat. Allerdings bestimmt die Stellung der Anode den Sättigungspunkt und erhöht oder vermindert den Anodenstrom um einen im wesentlichen konstanten Betrag, und zwar vermindert eine,Erhöhung des Anoden-Kathoden-Abstandes den Strom und senkt daher den Sättigungspunkt. Infolgedessen hat man es durch Abrücken der Anode von der Kathode in der Hand, die konstante Gleichstromkomponente fast vernachlässigbar klein zu machen.

Abb. 12 zeigt Charakteristiken für verschiedene Entladungsvorrichtungen gemäß der Erfindung mit Anoden verschiedener Fläche. In dieser Abbildung zeigt dieKurvefi die Stromspannungscharakteristik (Strom Ma, Span-

nung V) einer Vorrichtung, bei der die Anodenfläche am größten ist, und die Kurven / und K Charakteristiken, bei denen die Anodenfläche kleiner ist; am geringsten ist sie bei der durch Kurve K dargestellten Vorrichtung. Man sieht aus diesen Kurven, daß die Anodenfläche 'den Sättigungstrom und auch etwas die konstante Gleichstromkomponente des Anodenstromes beeinflußt.

ίο Die im einzelnen Falle vorteilhafteste Anodenfläche hängt in gewisser Weise von der Neigung der Anode ab, in der der starkstromdurchlässigen entgegengesetzten Halbperiode der ihr aufgedrückten Signalspannung positive Ionen aufzunehmen. Es hat sich gezeigt, daß, wenn der Durchmesser der stabförmigen Anode im Verhältnis zu der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle groß ist, das Aufsaugen von Ionen in der entgegengesetzten Halbperiode störend wirkt.

Bei jeder Vorrichtung gemäß der Erfindung kann man es daher so einrichten, daß für die wirksame Anodenfläche und den Abstand Kathode-Anode in jedem Fall sich Optimalwerte ergeben. Abstand und wirksame Anodenfläche werden weitgehend durch den stärksten Anodenstrom, der in dem betr. Fall erforderlich ist, bestimmt, ferner durch die Größe der konstanten Gleichstromkomponente des Anodenstromes und den Sättigungspunkt der Vorrichtung. Ein physikalisches Bild von. den in den erfindungsgemäßen Entladungsvorrichtungen herrschenden Bedingungen kann man sich an Hand der Abb. 13 machen, die die ungefähre Potentialverteilung bei der in Abb. ι dargestellten Aüsführungsform der Erfindung zeigt. Die Abszisse gibt den Abstand D von der Kathode und die Ordinate das Potential V an. Im Betrieb der Anordnung ist der leuchtende Teil der Entladung im wesentlichen auf den Raum zwischen der Ionisationselektrode und dem Kathodenschirm beschränkt, und der größere Teil des Spannungsabfalls liegt zwischen dem Kathoden- *5 schirm und einem ihm unmittelbar benachbarten Punkt. Die Anode liegt in dem leuchtenden Teil der Entladung, und zwar so in der positiven Säule der Entladung, daß sie an einem Punkt liegt, wo der Potentialgradient im wesentlichen gleich Null ist.

Im Hinblick auf den Wirkungsgrad soll der Ionisationsstrom klein sein. Ferner hat sich gezeigt, daß, je niedriger der Ionisationsstrom ist, um so geringer auch die Krümmung an dem Knick zwischen den beiden geradlinigen Teilen der Stromspannungscharakteristik (siehe Kurve A der Abb. 10) ist. Die ganze Ionisationsform und daher Ionisations- ; Stromstärke hängt von dem Gas- bzw. Dampfdruck, der in der Entladungsvorrichtung herrscht, ab und kann für jeden gegebenen Gasdruck experimentell festgestellt werden, indem man eine Signalanzeigevorrichtung, z.B. einen Fernsprechhörer, in den Ionisationskreis einschaltet. Der richtige Ionisations- strom liegt vor, wenn der Stromkreis im Hörer vollständig ruhig erscheint.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Gasgefüllte Entladungsröhre, insbesondere Glühkathodengleichrichter, mit einer gegenüber der Kathode positiv vorgespannten Ionisationselektrode, durch die ein von dem entnommenen Anodenstrom im wesentlichen unabhängiger Ionisationszustand in der Röhre aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode bzw. Anoden in einem Teil des Entladungsweges zwischen Kathode und Ionisationselektrode angeordnet sind, in welchem der Potentialgradient im wesentlichen gleich Null ist.

2. Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Anodenfläche, Elektrodenabstand, Gasdruck und Anodenvorspannung derart gewählt sind, daß die Röhre in einem Bereich arbeitet, in dem sich der Anodenstrom über einen Potentialbereich, der zwischen einem niedrigen Potential und einem Potential nahe dem Sättigungspunkte liegt, mit der der Anode aufgedrückten Spannung im wesentlichen linear ändert.

3. Entladungsröhre nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schirm, der am Kathodenpotential oder an einem nur wenig davon abweichenden Potential liegt, um die Kathode herum angeordnet ist.

4. Entladungsröhre nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einem einzigen Draht besteht.

5. Entladungsröhre nach den Ansprüchen ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Äquipotentialkathode ist.

6. Entladungsröhre nach den Ansprüchen ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationselektrode aus einer n» Mehrzahl einzelner elektrisch miteinander verbundener Drähte besteht.

7. Entladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte von der Kathode gleichen Abstand haben und zu ihr parallel verlaufen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen