<B>Verstärkungsanordnung mit einem Glimmrelais.</B> Die Erfindung betrifft eine Verstärkungs anordnung mit einem Glimmrelais, um mit Steuerströmen von weniger als 10-7A ge wöhnliche elektromagnetische Relais zu be tätigen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen zunächst die heute bekannten Anord nungen kurz erläutert werden.
Es ist bekannt, eine Kaltkathoden-Gasent- ladungsröhre mit. mindestens drei Elektroden als Relaisorgan zu verwenden. Dabei wird in der Regel zwischen einer Kathode und einer Zündelektrode durch einen Steuerstrom eine relativ stromschwache Steuerentladung er zeugt, die eine Hauptentladung zwischen der genannten Kathode und einer Anode ein leitet. Eine derartige Anordnung ist in Fig.1 dargestellt. Die Kathode K und die Anode,1 sind mit den-entspreehenden Polen der Bat terie B verbunden, wobei in die Zuleitung zur Anode ein Relais F geschaltet ist.
Die Span nung der Batterie ist. so bemessen, dass sie höher ist als die Brennspannung der Glimm strecke A-K, aber kleiner als die Zündspan- nung A-K. Normalerweise fliesst dann kein Strom. Die Steuerelektrode Z liegt. über den Widerstand R am Abgriff des Potentiometers <B>11.</B> Ist die Spannung zwischen der Steuer elektrode Z und der Kathode K kleiner als die Zündspannung dieser Strecke, so fliesst durch diese Strecke kein Strom. Erst. wenn durch Erhöhen dieser Spannung, z.
B. durch Verschieben des Potentiometerabgriffes, die Zündspannung erreicht wird, entsteht eine Gasentladung an der Steuerstrecke. Ihre In tensität hängt von der angelegten Spannung und dem Widerstand R ab. Bei hinreichen der Stärke des Steuerstromes schlägt die Entladung auf die Hauptstrecke A-K über, wodurch im Hauptentladungskreis ein relativ starker Strom zum Fliessen gebracht wird. Es besteht ein bestimmter Zusammenhang zwi schen der Mindeststärke des Steuerstromes i.t, der die Hauptentladung auslöst, und der an gelegten Anodenspannung.
Je stärker die Steuerentladung, um so kleiner kann die Anodenspannung gewählt werden, wobei der untere Grenzwert die Glimmbrennspannung ist. Der obere Grenzwert für die Anoden spannung ist gegeben durch die direkte Zünd- spannung zwischen A und K ohne Steuerent ladung. Einem bestimmten Steuerstrom ist ist. somit eine bestimmte minimale Anodenspan nung, die Abfangsspannung, zugeordnet. Die ser Zusammenhang ist; in Fig.2 dargestellt.
Als Abszisse ist die Anodenspannung, als Ordi nate der Steuerstrom aufgetragen. U,, bedeu tet die Brennspannung, U, die direkte Zünd- spannung A-K. Aus Fig. 2 geht hervor, dass die Anordnung um so empfindlicher ist, je höher die Anodenspannung gewählt wird. Aus Stabilitätsgründen darf man aber die An odenspannung nicht. zu nahe an ZTZ wählen; daraus ergibt sich als praktische Grenze für die Steuerbarkeit je nach Röhre 1" bis 10-8 A.
Den Gegenstand der vorliegenden Erfin dung bildet nun eine Verstärkungsanordnung mit einem Glimmrelais, welche mit Steuer strömen von weniger als 10-7, iind zwar bis unter 10-12A, gewöhnliche elektromagne tische Relais zu betätigen gestattet. Dabei wird eine Kaltentladungsröhre verwendet, die mindestens drei Elektroden aufweist.
Die Er findung kennzeichnet sich dadurch, da(3 zwi schen der Zündelektrode und einer weiteren Elektrode eine durch den Steuerstroh aufzu ladende Kapazität von weniger als 100 pF gelegt ist, die sich nach Erreichen der Zünd- spannung stossartig über eine Steuerstrecke entlädt, wobei ferner die Oberfläche der Zünd- elektrode gegenüber derjenigen der Kathode klein gehalten ist, und dass schliesslich durch Wahl des Gasdrucks und der Gaszusammen setzung die Charakteristik der Gasentladung derart gewählt wird, dass bei einer Kapazität von weniger als 100 pF,
die nur um Bruch teile eines Volts über die Zündspannung der Steuerstrecke aufgeladen ist, bei Entladung ein Spannungszusammenbruch von wenig stens 20 Volt erfolgt.
Um die verschiedenen für die erfindungs gemässe Anordnung wichtigen Massnahmen richtig zu verstehen, sollen nachstehend zu nächst einige Angaben über die Eigenschaf ten von Zündstrecken gemacht werden.
Fig. 3, Kurve a, zeigt die allgemeine Form einer Stromspannungscharakteristikvom 7ünd- punkt weg. Diese ist bei sehr kleinen Strömen im Dunkeln in der Regel linear fallend. Zwar sind auch Fälle mit steigender Anfanes- charakteristik bekannt; im vorliegenden Fall kann man sich aber auf fallende Charakte ristiken beschränken.
Im allgemeinen stellt man fest, dass die Entladung bei sehr kleinen Strecken trotz der fallenden Charakteristik stabil brennt, das heisst der Strom ist kon stant und gegeben durch äussere Spannung und äussern Widerstand des Entladiingskre'i- ses. Der Grund, dass die Entladung im allge meinen trotz der fallenden Charakteristik stabil brennt, liegt im dynamischen Verhalten der Entladung. Bei raschen Änderungen der Entladungsverhältnisse folgt nämlich die Brennspannung durchaus nicht der Kurve a-; diese wird nur durchlaufen, wenn die Ände rungen relativ langsam erfolgen.
Die Abwei chungen bei raschen Änderungen sind in erster Linie durch die Aufbauzeit der Ent ladung bedingt. Die Aufbauzeit einer Ent ladung hängt von Gasart, Gasdruck, geome trischer Anordnung, äusserer Spannung und den äussern Schaltelementen ab. Es ist be kannt, dass es bei fallender Charakteristik möglich ist, die Entladung durch Parallel schalten eines Kondensators und geeignete Wahl des Vorschaltwiderstandes instabil zu machen. Eine derartige Anordnung ist ganz allgemein in Fig. 4 gezeichnet.
Der Konden sator C lädt sich langsam über den Vorschalt- widerstand R auf und entlädt sich nach Er reichen der Zündspannung stossartig über die Entladungsstrecke. Dabei bricht die Span nung am Kondensator bis auf die Glimm- brennspannung zusammen. In der Regel reisst dann die Entladung ab, worauf sich der Vor gang wiederholt. Es bilden sich sogenannte Kippschwingungen aus.
Im Moment des Kip- peps ist - die Entladestr omstärke ein Viel faches des Aufladestromes; ihre Intensität hängt unter anderem wieder von Gasart, Gas druck und der Elektrodenanordnung ab. Bei konstanten Entladungsbedingungen ist sie eine unmittelbare Funktion der Kapazität. Es ist ohne weiteres klar, dass durch Verwendung einer derartieen Kippanordnung im Steuer kreis eines Glimmrelais eine wesentlich stär kere Steuerentladung erzielt werden kann, verglichen mit dem oben beschriebenen Fall, wo äusserer Steuerstrom und Entladungsstrom gleich stark sind.
Beider erfindunesgemässen Anordnung wird daher eine solche Kippanord- nimg im Steuerkreis des Glimmrelais verwen det. Fug. 5 zeigt eine entsprechende Schal tung.
Da die Steuerentladung fast ausschliess lich aus der Kippentladung der Kapazität besteht, folet, dass innerhalb der Grenzen, in denen die Kippentladungen überhaupt ent stehen, die Anordnunz praktisch unabhäneig von der Stäxke des Aufladestromes (Steuer- strolnes) ist.
An Stelle des Zusammenhanges zwischen Steuerstrom und Abfangsspannun g tritt ein Zusammenhang zwischen Kippkapazi- tät und Abfan ;
fpannung. Je grösser die Kipp- kapazität ist, um so stärker ist die Steuerent ladung und um so kleiner die Abfangsspan- nung. Dieser Zusammenhang ist. in Fig.6 dargestellt, wobei als Abszisse wiederum die Anodenspannung, als Ordinate die Kapazität aufgetragen ist. Die Kapazität kann nicht auf Null sinken, da sieh sonst keine Kipp schwingungen ausbilden.
Erfahrungsgemäss ist es im allgemeinen nicht möglich, mit beliebig kleinen Strömen (bzw. beliebig grossen Vorschaltwiderständen) und sehr kleiner Kapazität Kippschwingun gen zu erzeugen. Damit der Zweck der Er findung, die üblichen Grenzen zil erweitern und mit Strömen und Kapazitäten Kipp- schwingungen zu erzeugen, mit denen dies bis anhin nicht gelang, erreicht wird, sind die weiteren, oben erwähnten, für die Erfindung kennzeichnenden Massnahmen vorzusehen. Es handelt sich dabei in erster Linie um Vor kehrungen, die in der Gasent.ladungsröhre selbst getroffen erden müssen.
Die Schwie rigkeiten, die zii überwinden sind, zeigen sich am besten, wenn man das Verhalten einer Zündstrecke vor und während des Zündvor- ganges in einem praktisch kapazitätsfreien Elektrometer beobachtet, Wird dabei die Zündstrecke vom äussern Lichteinfhlss nicht vollständig abgeschirmt, so stellt man fest, dass bei zunehmender Spannung ein vorerst sehr kleiner Strom fliesst. Kurz vor Errei- ehen der Zündspannung nimmt die Grösse dieses Stromes beträchtlich zu.
Der Zusam menhang zwischen Strom und angelegter Spannung ist in Fig.3 als Kurve b aufge tragen. Als Zündpunkt definiert man den Scheitelwert dieser Kurve. Er liegt zufolge des Lichteinflusses ein wenig unterhalb des Zündpunktes im Dunkeln. Vom Zündpunkt weg ist die Charakteristik wiederum fallend und nähert sich mit zunehmendem Strom asymptotisch der Kurve a. Der steigende Ast. dieser Charakteristik ist nichts anderes als der gasverstärkte Vorstrom, wobei sich dieser aus den auf der Kathode aus gelösten Elektronen und den im Zwischen raum durch Strahlung erzeugten Ionen zu sammensetzt.
Dabei wirken als ionisierende Strahlen neben kurzwelligen Lichtstrahlen radioaktive Strahlen und Höhenstrahlen. Als Zündstrom der Entladung wird der Strom i, im Scheitelwert der Kurve b definiert. Theo retische und experimentelle Untersuchungen ergaben, dass das Verhältnis zwischen Zünd- strom und Vorstrom zufolge der Gasverstär kung sehr grosse Werte annehmen kann.
Der mathematische Zusammenhang ist durch fol gende Formel gegeben: i, = K V il. Da K eine Konstante ist, wird das Verhältnis
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mit abnehmendem Strom immer grösser und kann ohne weiteres 106 und noch mehr be tragen. Man sieht daraus, dass es notwendig ist, den Vorstrom so weit als irgend nur mög lich klein zu halten. Da. er aber nie ganz ausgeschaltet werden kann, ist es sehr schwer, den Zündstrom auf beliebig kleine Werte zu bringen.
Um den. Vorstrom möglichst klein zu halten, wird die Steuerstrecke der Gasent- ladungsröhre gegen Lichtstrahlen und allen falls andere elektronenbefreiende oder gas ionisierende Strahlen abgeschirmt. Dieser Strahlungsschutz kann entweder durch das Gehäuse, in welchem der ganze Verstärker untergebracht ist., gebildet werden, oder die Röhre selbst kann einen undurchsichtigen Überzug aufweisen oder in einem strahlungs abschirmenden Behälter -untergebracht sein. Ferner werden die geometrischen Abmessun gen der Zündstrecke zweckmässig klein ge halten. Letzteres kann z.
B. .dadurch erreicht werden, dass zum mindesten die eine Elektrode klein ausgebildet und der Abstand zwischen den Elektroden ebenfalls klein gewählt wird. Dadurch gelingt es, den Zündstrom auf Werte, die unter Umständen kleiner a15 10-12 A sind, zu bringen. Schaltet male einer derartigen Zündstrecke, wie in Fig.4 dargestellt, eine kleine Kapazität (10 bis 100 pF) parallel und lädt diese durch einen kleinen Strom auf, so kann man folgende Fälle beobachten: 1..
Die Spannung bleibt nach erfolgter Zün- dimg konstant, das heisst die Zündentla- dung brennt stabil und die gewünschte Kippentladung tritt nicht ein.
@'. Nach erfolgter Zündung bricht die Span nun- zusammen, aber nur um wenige Volt, was zur Ausbildung einer stromstarken Kippentladung nicht ausreicht. Diese klei nen, meist unregelmässigen Vorentladungen sind so zu interpretieren, dass sich zwar eine Kippentladung auszubilden beginnt, dass aber der Spannungszusammenbruch am Kondensator so rasch erfolgt, dass die Ent ladung vor einem vollständigen Zusammen bruch auf die Glimmbrennspannung ab reisst.
Es ist dies ohne weiteres verständ lich, wenn man berücksichtigt, dass zum Aufbau einer eigentlichen Glimmentladung eine gewisse Zeit und somit eine gewisse elektrische Ladungsmenge erforderlich sind. Bei geeigneter Ausbildung der Gasentla- dungsstrecke kann man feststellen, dass sich die Kapazität selbst bei Werten von nur wenigen pF stossartig über die Ent- ladimgsstrecke entlädt, verbunden mit einem Spannungszusammenbruch, der je nach den Verhältnissen 20 bis 50 V und noch mehr betragen kann.
'Theoretische und experimentelle Untersu ehungen haben gezeigt, dass dieser letzte Fall durch folgende Massnahmen begünstigt wird: 1. durch eine relativ steile Anfangscharak teristik, 2. durch eine Gasentladung mit relativ ra schem Feldaufbau, durch eine relativ hohe Differenz zwischen Zündspannung und Brennspannung, durch Erzeugung einer wenn auch nur kleinen Überspannung über den statischen Zündpunkt.
Um diesen Forderungen gerecht zu wer den, wird ein relativ hoher Gasdruck gewählt (je nach Gas 15 bis 100 Tor oder noch mehr, z. B. 15 mm Argon oder 80 mm Neon mit wenig Beimischung von Argon), und ferner wird die Zündstrecke in Form einer klein- flächigen Anode gegenüber einer grossflächi gen Kathode (Spitze oder dünner Draht ge gen eine Fläche) ausgebildet.
Eine Vergrösse- rung des Abstandes hätte ebenfalls eine Zünd- spannungserhöhung zur Folge; dieser Mass nahme sind aber bestimmte Grenzen gesetzt, da. dadurch der Entladungsraum vergrössert wird, was im Widerspruch zu der weiter oben genannten Forderung steht.
Eine grosse Dif- #-erenz zwischen Zündspannung und Brenn- spannung bringt neben einer Begünstigung der Hauptentladung den weiteren Vorteil einer stärkeren Kippentladung, da sieh der Kondensator über einen grösseren Span nungsbereich entladen kann und somit bei gleicher Kapazität mehr Energie frei wird. Eine stärkere Kippentladung begünstigt ih rerseits das ilberspringen der Steuerentla dung auf die Hauptentladungsstrecke.
Die Erzeugung einer kleinen Überspan nung über den statischen Zündpunkt kann durch Überlagerung einer kleinen Kippspan- innig oder Wechselspannung erreicht werden.
Es hat sich aber gezeigt, dass die Anwendung dieser zusätzlichen Hilfsmittel in der Regel nicht notwendig ist. Jede Entladung weist einen gewissen Zündverzug auf, der um so grösser wird, je kleiner der Vorstrom ist: Bei endlicher Aufludegesehwindigkeit der Kapazi tät erhält man daher während dieses Zündver- zugs eine hinreichende Überspannung.
Im merhin sieht. man, dass man einerseits den Zündstrom nicht auf beliebig kleine Werte bringen kann, anderseits ergibt sieh wiederum die Notwendigkeit, den Vorstrom, der für den Zündverzug massgebend ist, so klein wie mög lich zii halten.
Ferner hat es sich gezeigt, dass die An wesenheit von isolierenden Teilen, z. B. von Glas oder Keramik, am Rande oder in der ,Nähe der Zündstrecke ungünstig auf das Ausbilden der Kippentladungen wirkt. Diese Erscheinung kann auf zwei Ursachen zurück geführt werden : 1.. können sich die isolierenden Teile auf laden, wodurch eine Feldbeeinflussung ent steht, '>. können sich über diese isolierenden Teile, die ja nie unendlich gute Isolation -aufweisen, störende Nebenentladungen ausbilden. In der Zeichnung sind in den Fig. 7 bis 14 einige Beispiele für die konstruktive Aus bildung geeigneter Entladungsröhren darge stellt.
Die Zündelektroden Z sind in den Bei spielen nach Fig. 7, 8, 11, 12, 13, 14 als An odenspitzen ausgebildet, die gegenüber einer relativ grossflächigen Kathode stehen, wobei die Kathode K gleichzeitig Kathode der Hauptentladungsstrecke ist. In Fig.9 sind die Verhältnisse analog, nur ist die Zünd- elektrode nicht als Spitze, sondern als dünner Draht parallel zur Kathode ausgebildet, wobei der Durchmesser des Drahtes kleiner ist als der Abstand zwischen Draht und Kathode.
In Fig. 10 ei-folgt die Zündung nicht gegen die Kathode der Hauptentladungsstrecke, son dern zwischen der spitzenförmigen Anode A. der Hauptentladungsstrecke und einer gross flächigen, gitterartigen Zündelektrode als Kathode der Zündstrecke. Wie man sieht, ist in allen Fällen die Anordnung so getroffen, dass die Zündstrecke nicht durch in der Nähe liegende isolierende Teile beeinflusst wird.
(ä ewöhnlicli wird der Abstand der isolierenden Teile von der Zündstrecke mindestens dop pelt so gross gewählt wie der Abstand Zünd- elektrode-Kathode. Es ist nicht notwendig, dass Zündelektrode und Anode auf der glei chen Seite der Kathode angeordnet sind. Die Kathode kann z. B. gitterartig ausgebildet sein, wobei Zündelektrode und Anode auf ver schiedenen Seiten dieses Gitters angeordnet sind. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist iii Fig.8 dargestellt.
Es ist wünschenswert, an die Anode der IIauptentladungsstrecke eine Betriebsspan , nung legen zu können, die wesentlich über der Glimmbrennspannung liegt. Dadurch erhält man im Falle der Zündung im Hauptkreis bei relativ kleiner Stromstärke genügend Ener- nie, uni normale elektromagnetische Relais zii betätigen. Um die gewünschte hohe Zünd spannung A--K zu erzielen, wird der Ab stand zwischen Anode und Kathode relativ gross gewählt.
Je nach den Verhältnissen wird man aber durch diese Massnahme allein nicht auf die gewünschte hohe Zündspannung kommen. Als Mittel zur weiteren Erhöhung der Zündspannung können folgende Massnah- inen dienen: 1. Es werden im Entladungsraum der Haupt strecke isolierende Teile angeordnet, welche die Zündung behindern. In Fig. 8 ist z. B. die Anode von einem konzentrischen Glas röhrchen G umgeben.
'?. Es wird im Entladungsraum der Haupt strecke eine weitere Elektrode angeordnet, deren Potential entweder von aussen vorbe stimmt wird, oder diese Elektrode befindet sich isoliert im Innern, so dass sich das Potential frei einstellen kann. Diese Zwi schenelektrode kann entweder aus einem Blech bestehen, oder sie kann gitteraxtig ausgebildet sein. In Fig. 9 ist z. B. die Anode von einer gitterartigen, konzentri schen Zwischenelektrode S umgeben. Sofern man mit sehr kleinen Strömen steuern will, sind an die Isolationsstellen des Steuerkreises sehr hohe Anforderungen zu stellen.
Es ist daher zweckmässig, die Zünd- elektrode getrennt und möglichst weit weg von den übrigen Elektroden herauszuführen. Da die Oberflächenisolation des Glases meist ungenügend ist, wird das Glas vorteilhaft mit einer Wachs- oder Silikonschicht überzogen. Diese Isolierschicht kann zugleich die Rolle einer Abschirmung gegen Licht übernehmen (Fi-. 7). Ferner kann es wünschenswert sein, zwischen der Durchführung der Zündelek- trode und den übrigen Durchführungen einen auf konstantem Potential zu haltenden lei tenden Ring anzuordnen.
Dadurch schafft man einerseits definierte Verhältnisse, ander seits ist es möglich, durch Anlegen einer ge eigneten Spannung an den Ring die Span nung und damit die unerwünschten Ableit- ströme längs der Gefässwand herabzusetzen. Die erwähnten Massnahmen sind in den Aus führungsbeispielen 7 und 14 dargestellt. W bedeutet die Wachsschicht, P den Ring. Eine weitere Massnahme .zur Erhöhung der Ober flächenisolation besteht darin, die Oberfläche bezüglich der umgebenden Atmosphäre leicht zu erwärmen.
Zweckmässig wird dies erreicht durch Anordnung eines Heizwiderstandes im Innern des Gefässes. In Fig.12 und 14 sind derartige Widerstände H eingezeichnet, die durch Anlegen einer geeigneten Hilfsspan nung aufgeheizt werden, Die hohe Isolation muss nicht nur im (llimmrelais gefordert werden, sondern auch in den Zuführungen mir Steuerelektrode; ins besondere muss die Isolation der Kippkapazi- tät den gleichen Anforderungen genügen.
Es sind verschiedene Ausführungsformen mög lich, iun dies in einfacher Weise zu errei chen. In Fig. 11 ist die Kippkapazität C vollständig im Innern angeordnet. In Fig. 12 besteht die Kippkapazität aus einem leiten den Belag Ck mit Kathodenpotential auf der Aussenseite des Glimmrelais und einem leiten den Belag C, mit Zündelektrodenpotential auf der Innenwandung des Gefässes.
In Fig.13 ist der Aussenbelag 0Z mit der Zündelektrode verbunden und der Innenbelag Cl, mit der Kathode. Fig.14 zeigt eine Anordnung mit Luftkondensator ohne zusätzliche Oberflächen isolation, indem die eine Elektrode der Ka pazität C" direkt an der Steuerelektrode Z befestigt ist, während die Gegenelektrode Ck der Kapazität diese konzentrisch umgibt und mit der Kathode verbunden ist. Dieser Kon densator übernimmt gleichzeitig die Rolle eines Strahlungsschutzes.
Die erfindungsgemässe Anordnung kommt überall dort in Frage, wo es sich darum han delt, kleine Ströme zu Steuerzwecken relais artig zu verstärken. Insbesondere ist sie ge eignet im Zusammenhang mit Photozellen oder Ionisationskammern. Es ist aber nicht notwendig, die Zündung durch effektive Ruf ladung des Kondensators zu bewirken; die Zündung kann z. B. auch dadurch eingeleitet werden, dass an einem aufgeladenen Konden sator nachträglich eine Kapazitätsverkleine rung vorgenommen wird (z. B. durch Ver grössern des Plattenabstandes), so dass die damit verbundene Spannungserhöhung die Zündung einleitet.