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Gasentladungsvorrichtung mit einer Kathode, einer Steueranode und
einer Hauptanode Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Entladungsvorrichtungen
und insbesondere auf Vorrichtungen solcher Art vom Kaltkathodentyp.
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Die Erfindung hat als besonderes Ziel, die Strombelastbarkeit solcher
Vorrichtungen zu vergrößern, hohe Ströme bei relativ niedrigen Betriebsspannungen
zu erzielen, große Unterschiede zwischen Zünd- und Brennspannungen zu verwirklichen,
die betriebsmäßige Lebensdauer zu verlängern sowie Form und Aufbau zu vereinfachen.
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Nach einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung enthält eine
Gasentladungsvorrichtung eine kalte Kathode, eine Haupt- oder Arbeitsanode und eine
Hilfs- oder Steueranode, die mit der Kathode zusammenarbeitet. Die Kathode ist mit
einem Paar oder mehreren Paaren von Teilen aus feuerfestem Metall, wie Molybdän
oder Tantal, ausgestattet oder ausgebildet, die so angeordnet sind, daß sie einen
Kanal oder eine Gruppe von Kanälen begrenzen und solchen Abstand voneinander haben,
daß bei Betrieb der Vorrichtung die negativen Glimmbereiche des Paares bzw. jedes
Paares solcher Teile sich überlappen. Die beiden Kathodenteile werden durch Platten
dargestellt, die so zueinander angeordnet sind, daß sie einen V-förmigen Kanal bilden,
dessen Breite im Vergleich zu seiner Tiefe klein ist. Die Hilfs- oder Steueranode
kann aus einem Draht oder Stab bestehen, der gegenüber oder in der Nähe der offenen
Seite des
Kanals liegt; die-Haupt- oder Arbeitsanode kann ebenfalls
aus einem Draht oder Stab bestehen, der verhältnismäßig weit von der Kathode angebracht
ist.
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Die Erfindung und die obengenannten sowie noch weitere Merkmale derselben
werden klarer und vollständiger aus der folgenden Beschreibung verständlich, und
zwar in Verbindung mit der Zeichnung. Iii, der Zeichnung zeigt Fig. i teils eine
perspektivische Ansicht einer elektrischen Entladungsvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung und teils eine Schaltskizze, welche eine Verwendungsart der Vorrichtung
veranschaulicht, Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht ,der Kathode und Hilfsanode
einer Vorrichtung gemäß Fig. i, mit Darstellung der Form und der gegenseitigen Lage
dieser Elektroden, Fig. 3 ein Schaubild, welches die typischen Arbeitskennlinien
einer Vorrichtung nach der Ausführung gemäß Fig. i veranschaulicht, Fig. 4 und 5
Ansicht bzw. Draufsicht einer elektrischen Entladungsvorrichtung nach einer anderen
Ausführungsform der Erfindung mit Elektroden, die einen Anlaßspalt begrenzen, Fig.
6 teils eine Ansicht der in Fig. 4 und 5 gezeigten Vorrichtung und teils ein Schaltbild,
welches eine Verwendungsart dieser Vorrichtung veranschaulicht, Fig. 7 und 8 Ansicht
bzw. Draufsicht einer elektrischen Entladungsvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, wobei das umschließende Gehäuse aufgebrochen ist, Fig. 9 und io Ansicht
bzw. Draufsicht einer elektrischen Entladungsvorrichtung bei aufgebrochenem Gehäuse,
die eine andere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und insbesondere für
solche Verwendungen geeignet ist, wo sehr starke Ströme gewünscht werden.
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Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die in Fig. i und 2 dargestellte
Vorrichtung eine aus Glas bestehende Umhüllung 2o mit einem Sockel oder Quetschfuß
21 aufweist und eine Gasfüllung enthält. Die Gasfüllung kann beispielsweise aus
Argon bei einem Druck in der Größenordnung von 15 mm Hg oder einem Gasgemisch aus
z. B. 99°/o Neon und i°/0 Argon bei einem Druck in der Größenordnung von 65 mm Hg
bestehen. In dem Gehäuse sind eine Kathode 22, eine Haupt-oder Arbeitsanode 23 und
eine Hilfs- oder Steueranode 24 angebracht. Die Kathode 22 besteht aus zwei Blechen
oder Platten 25 aus feuerfestem Metall, z. B. Molybdän oder Tantal, welche z. B.
durch Schweißung an einem Ende fest miteinander verbunden sind und von einem kräftigen
Draht oder Stab 26, der in dem Sockel 21 eingeschmolzen. ist, gehalten wird. Die
Kathodenbleche oder -platten 25 besitzen divergierende Teile, die einen V-fötmigen
Kanal 27 begrenzen. Die Haupt- oder Arbeitsanode 23 besteht aus einem kurzen Metallstab,
z. B. aus Nickel, der in dem Sockel 21 eingeschmolzen ist.
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Die Hilfs- oder Steueranode 24 besteht aus einem linearen Draht oder
Stab, z. B. aus Molybdän, der der offenen Seite des Kanals 27 gegenüberliegt und
parallel zu sowie in gleichmäßigem Abstand von den Enden der Kathodenplatten 25
angrenzend an die letzteren angeordnet ist. Die Hilfsanode wird von einem kräftigen
Draht oder Stab 28 gehalten, der in dem Sockel 21 eingeschmolzen ist.
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Die Kathode ist so bemessen, daß beim Betrieb der Vorrichtung die
negativen Glimmbereiche der ;-den Kanal 27 begrenzenden Kathodenflächen sich
überlappen. Bei einer speziellen Ausführung, die für den Betrieb mit Potentialen
in der später angegebenen Größenordnung bestimmt ist, können die Bleche oder Platten
25 12,7 mm breit sein, während der Kanal 27 eine Tiefe von 9,5 mm und an seiner
offenen Seite eine Weite von 1,6 mm aufweisen kann. Die Hauptanode kann 6,35 mm
lang sein und einen Durchmesser von 1,3 mm haben; die Hilfs- oder Steueranode
kann einen Durchmesser von 1,5 mm aufweisen und von der offenen Seite 1,6 mm Abstand
haben. Die Gasfüllung und' der Gasdruck können entsprechend den bereits gemachten
Angaben gewählt werden. Der Abstand zwischen der Hauptanode und der offenen Seite
des Kanals 27 kann etwa i9,i mm betragen.
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In Fig. i ist ein typischer Gleichrichterkreis dargestellt, der die
erläuterte Vorrichtung enthält. Die Wechselstromspeisequelle 29, die in Reihe mit
der als Widerstand dargestellten Gleichstrombelastung 30 liegt, ist zwischen die
Kathode 22 und die Hauptanode 23 geschaltet. Die Hilfsanode 24 ist über einen großen
Widerstand 31, beispielsweise in der Größenordnung von 5oooo Ohm, mit der
Hauptanode 23 verbunden und wird als Anlaßelektrode verwendet.
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Beim Betrieb läßt die Hilfsanode 24 die Stromleitung in der Vorrichtung
während der Halbwelle einsetzen, während welcher die Hauptanode 23 mit Bezug auf
die Kathode positiv ist; der zur Anode 24 fließende Strom ist dabei durch den Widerstand
31 auf einen kleinen Wert begrenzt. Sobald eine Entladung zwischen der Kathode 22
und der Anode 24 zustande gekommen ist, bricht der Spalt zwischen der Kathode und
der Hauptanode 23 zusammen, und die Entladung wird auf die Hauptanode übertragen.
Der Belastungswiderstand 30 wird zweckmäßig klein gehalten, so daß ein starker
Strom in dem Hauptkreis fließen kann. Die Hauptspaltentladung setzt an den inneren,den
Kanal 27 begrenzenden Kathodenflächen an.
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Während der umgekehrten Halbwelle, das heißt wenn die Kathode mit
Bezug auf die Anoden positiv ist, kann eine Entladung zwischen der Anode 24 und
der Kathode auftreten, wobei erstere als Kathode wirkt. Wenn die durch die Quelle
29 gelieferte Spannung klein ist, kann es vorkommen, daß die Übertragung der Entladung
auf den Hauptanodenkathodenkreis nicht eintritt, so daß der Rückstrom klein ist,
und zwar besonders wegen der begrenzenden Wirkung des Widerstandes 31- Wenn diese
Spannung während der Rückwärtsschwingung genügend groß ist, kann die Hauptanode
als Kathode arbeiten und einen Gegenstrom in der Belastung auftreten lassen. Wegen
der Eigenarten . der Vorrichtung aber wird selbst für diesen Fall der Gegenstrom
klein sein, wie noch erläutert werden soll. Infolgedessen wird ein großes Gleichrichtungsverhältnis
erzielt.
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Die Betriebstrennlinien für eine Vorrichtung nach
der
in Fig. i und 2 gezeigten und oben beschriebenen Ausführung sind in Fig. 3 veranschaulicht,
worin die Abszissen den Hauptanodenströmen entsprechen und die Ordinaten den Hauptanodenspannungen.
Zu beachten sind insbesondere die hohe Stärke des Vorwärtsstroms und die geringe
Stärke des Rückstroms, selbst bei Spannungen, die das Mehrfache von der Spannung
betragen, bei welcher der hohe Vorwärtsstrom erzielt wird. Zu bemerken ist außerdem
insbesondere die verhältnismäßig niedrige Spannung, bei welcher der starke Vorwärtsstrom
zustande kommt. Bezüglich des Stroms ist besonders zu bemerken, daß für einen Vorwärtsstrom
von 1,5 Ampere und bei Bemessung der Kathode in der obengenannten Weise die Stromstärke
je Quadratzentimeter der Kathodenfläche rund 0,7 Ampere beträgt. Es sind
sogar noch höhere Werte erzielt worden. Bezüglich der Spannung ist zu bemerken,
daß der starke Strom bei einer Spannung in der Größenordnung von 130 Volt erzielt
worden ist. Um dies mit einer ähnlichen Vorrichtung mit einer ebenen Kathode aus
dem gleichen Material und mit gleicher Fläche zu vergleichen, so ist festzustellen,
daß eine Spannung über 130 Volt erforderlich war, um einen Strom von o,1 Ampere
zu erreichen. Außer dem starken Strom, und zwar dem starken bei niedriger Spannung
erzielbaren Strom, zeichnet sich die V-förmige, aus feuerfestem Metall bestehende
Kathode noch durch andere sehr wünschenswerte Vorzüge aus. Einer derselben ist die
lange Lebensdauer. Dies beruht teilweise auf der Tatsache, daß die Wirksamkeit der
Kathodenoberfläche -nicht rasch durch Funken oder durch Abtragen des Oberflächenmaterials
beeinträchtigt wird, zum Teil auf der Tatsache, daß wegen der nahen Aneinanderanordnung
der aktiven Kathodenflächen das von der einen zerstäubte Material auf der anderen
abgelagert wird. Ein anderer Vorzug besteht darin, daß die hohen Ströme mit mannigfachen
Gasfüllungen und -drücken erzielbar sind, so daß die Endeonisierungszeiten und Impedanzen
gesteuert werden können. Außerdem ist es möglich, relativ hohe Gasdrücke anzuwenden,
wodurch ein großer Unterschied zwischen Zünd- und Brennspannung für den Haupt- oder
Arbeitsspalt verwirklicht werden kann.
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Wegen der großen Stromdichten, die benutzt werden können, kann man
die Größe und die Kosten der Vorrichtungen für die Befriedigung eines gegebenen
Stromleistungsverhältnisses verringern. Umgekehrt lassen sich hohe Ströme mittels
kleiner Vorrichtungen verwirklichen.
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Eine Vorrichtung von verhältnismäßig kleiner Größe und hohem Stromverhältnis,
die insbesondere für Steuer- oder Schaltzwecke geeignet ist, ist in den Fig. 4,
5 und 6 veranschaulicht. Die Kathode 22 entspricht der bereits erläuterten Ausführung.
Die Vorrichtung enthält zwei Hauptanoden 230, die getrennt voneinander oder
zusammen benutzt werden können und deren jede aus einem Draht oder Stab besteht,
der in dem Sockel 21 eingeschmolzen und über den größten Teil seiner Länge mittels
einer isolierenden, z. B. keramischen Hülse oder Abschirmung 32 umgeben ist. Gegenüber
der offenen Seite des Kathodenkanals 27 sind im wesentlichen gleiche Hilfsanoden
240 angeordnet, deren jede die Form eines kurzen Drahtes oder Stabes hat, der von
einem kräftigen Stab oder Draht 28o getragen wird. Der Stab oder Draht
280
ist in dem Sockel ei eingeschmolzen und auf dem größten Teil seiner Länge
von einer Isolierhülle 33 umgeben. In Richtung jeder der Hilfsanoden 240 ist eine
Hilfs- oder Anlaßkatfiode 34 angeordnet, die vorzugsweise aus feuerfestem Metall,
z. B. Mölybdän, besteht und einen kleineren Durchmesser hat als die Anoden 240.
Bei einer typischen Ausführung können die Hilfsanoden aus Nickeldrähten von 1,3
mm Durchmesser bestehen, während die Anlaßkathoden einen Durchmesser von
0,3 mm haben und von der zugehörigen Anode 240 in einem Abstand von
0,25 mm zwischen den Enden angeordnet sein können. Die Hilfs- oder Anlaßkathoden
34 werden mittels kräftiger Stäbe oder Drähte 35 gehalten, die in den Sockel 21
eingeschmolzen und von Isolierhülsen 36 umgeben sind.
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Die Gasfüllung des Gefäßes 2o kann aus Argon bestehen bei einem Druck
in der Größenordnung von 15 mm Quecksilbersäule, obwohl höhere Drücke, z. B. in
der Größenordnung von 30 mm Hg, anwendbar sind, wenn höhere Zündspannungen
und höhere, zu den Anlaßelementen für die Durchführung der Entladungsübertragung
führende Ströme auf die Hauptanoden zugelassen werden köVnen. Es können auch andere
Gase, wie z. B. Neon oder Neon-Argon-Gemische, verwendet werden.
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Eine Art der Anwendungsmöglichkeit der Vorrichtung ist in Fig. 6 veranschaul'cht.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Anschlüsse nur zu einem Satz der Doppelelektroden,
d. h. der Hauptanoden, der Hilfsanoden und der Anlaßkathoden, dargestellt; es ist
verständlich, daß die entsprechenden Elektroden parallel zueinander geschaltet oder
die entsprechenden Hilfsanoden und Kathoden unabhängig voneinander betrieben werden
können. Zwischen der Anode 230
und der Kathode 22 ist von der Quelle 36 eine
Gleichstromspannung angelegt, die kleiner ist als die Zündspannung der Hauptentladungsstrecke,
d. h. des Spalts zwischen Hauptanode und Hauptkathode; in dem Kreis ist eine Belastung,
z. B. ein Relais 37, vorgesehen. Die Anlaßkathode 34 ist über einen Widerstand 38,
der in der Größenordnung von ioooo Ohm liegen kann, an die negative Seite der Quelle
angeschlossen. Die für die Einleitung der Entladung in der Vorrichtung erforderlichen
Impulse werden der Hilfsanode 240 zugeführt, und zwar von einer geeigneten Quelle
39 über einen hohen Widerstand 40, der in der Größenordnung von 50000 Ohm
liegen mag.
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Wenn an die Hilfsanode 24o ein Impuls von geeigneter Amplitude angelegt
wird, so bricht der Spalt zwischen dieser Anode und der Anlaßkathode 34 zusammen,
wobei der Strom durch den Widerstand 40 begrenzt wird. Sobald diese Zündung einsetzt,
geht die Entladung auf den Spalt zwischen der Hauptanode und der Hilfskathode über.
Der Strom dieser Entladung wird nicht durch den Widerstand 4o begrenzt, so daß ein
wesentlicher Spannungsabfall am Widerstand 38 auftritt. Infolgedessen geht die Entladung
auf den Spalt zwischen Hauptanode und Hauptkathode über, und der Belastungskreis
wird erregt, d. h. das Relais 37 wird betätigt.
Die Ausführungsform
der Erfindung nach Fig. 7 und 8 ist ähnlich derjenigen nach Fig. 4, 5 und 6 gemäß
obiger Beschreibung und ist besonders vorteilhaft vom Standpunkt kleiner Größen
mit Bezug auf die Stromdurchgangskapazität. Die Kathode 220 ist mit einem Flansch
41 versehen, der z. B. mittels Schweißung an dem Tragstab oder -draht 26o befestigt
und mit dem Kathodenkanal 270 im wesentlichen parallel zur Längsachse des
Umhüllungsgefäßes 2o angebracht ist. Di@, Hauptanode 230A und die Hilfsanode 24o'9
haben die Gestalt L-förmiger Drähte oder Stäbe, die in dem Sockel 2 1 eingeschmolzen
und größtenteils mit Isolierrohren 320 und 330, z. B. aus Quarz, umgeben
sind, in welchen sie mittels Isolierzement 42 abgedichtet sind. Die Anlaßkathode
34o besteht aus einem Draht oder Stab, welcher vom Sockel durch die Quarzhülse 43
hindurchgeht und nahe am inneren Ende der Hilfsanode 240A endigt. Die Vorrichtung
nach Fig. 7 und 8 kann in der in Fig. 6 veranschaulichten Weise benutzt werden und
entsprechend der vorher gegebenen Beschreibung.
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Die in Fig. g und io gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist besonders
vorteilhaft in Fällen, wo sehr große Ströme erwünscht sind. Die Kathode, die aus
einem Block feuerfesten Metalls, z. B. Molybdän oder Tantal,herausgearbeitet oder
aus Platten solchen Materials zusammengesetzt werden kann, ist an einem Ende mit
einer Mehrzahl paralleler, plattenartiger Teile 2g0 versehen, die eine Mehrzahl
von Kanälen 27o begrenzen; diese Kanäle haben geringe Weite, so daß während des
Betriebs der Vorrichtung die negativen Glimmbereiche der Seitenwände jedes Kanals
sich überlappen. Die Kathode wird von dem Sockel 2i0 des gasgefüllten Gefäßes 20
mittels starrer Drahtstützen 26o gehalten. Die Haupt- oder Arbeitsanode 23A besteht
aus einer Metall-, z. B. einer Molybdänplatte, die gegenüber dem mit Kanälen oder
Schlitzen versehenen Ende der Kathode, und zwar parallel dazu angeordnet und von
dem Sockel 210 mittels eines starren Drahtes oder Stabes 45 getragen wird. Die Hilfs-
oder Steueranode 24A, die auch vom Sockel 2i0 getragen wird, besteht aus einem L-förmigen
Draht, z. B. aus Molybdän, und endigt nahe an dem mit Kanälen oder Schlitzen versehenen
Ende der Kathode. Die Gasfüllung kann von der Art sein und unter einem Druck stehen,
wie es weiter oben bereits angegeben worden ist.
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Die Kathodenausführung schafft in der Tat eine Mehrzahl kanalartiger,
elektrisch zueinander paralleler Kathodenflächen, wodurch sehr große Ströme erreicht
werden. Bei einer erprobten Vorrichtung mit einer Kathode, deren mit Kanälen versehenes
Ende 19, 1 mmX8,2 mm groß war und bei welcher die Kanäle 27o eine Tiefe von
6,3 mm und eine Breite von 0,7 mm hatten, sind Ströme von ioo Ampere erzielt worden
bei einer Brennspannung unter 135 Volt und mit einer Gasfüllung aus 5g0% Neon und
i0/, Argon mit einem Druck von 70 mm Hg.
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Die Entladungsvorrichtung nach Fig. g und zo kann als Gleichrichter
in einem Kreis ähnlich dem gemäß Fig. i verwendet werden oder zur Erzeugung starker
Stromimpulse in einem Kreis, analog dem in Fig. 6 dargestellten Kreis. Obgleich
verschiedene spezielle Ausführungen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden
sind, so ist doch verständlich daß sie nur der Erläuterung dienen, und daß verschiedene
Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen und dem Geist der
Erfindung abzuweichen.