Gasentladungseinrichtung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasentladungseinrichtung, insbesondere auf eine Gas entladungsröhre, zur Verwendung in Umschaltnetz werken.
In Gasentladungsumschaltnetzwerken der im USA-Patent Nr. 2684405 beschriebenen Bauart sind besonders erwünschte Eigenschaften der Röhren einerseits eine hohe Zündspannung, damit ein grosser Unterschied zwischen der Zünd- und der Brennspan- nung existiert, und anderseits hohe Konstanz der Zündspannung.
Um eine gleich grosse Zündspannung bei den einzelnen Röhren des Netzwerkes, unabhän gig von Unterschieden im Elektrodenabstand oder Schwankungen der Gasdichte beim Betrieb zu er reichen, ist bereits vorgeschlagen worden, die Röhren am untern Knick der Paschenschen Kennlinie (Zünd- spannung in Funktion vom Produkt pd aus Druck und Abstand) zu betreiben, welcher Arbeitspunkt gelegentlich als Paschenminimum oder pd- Minimum bezeichnet wird. Hier besitzt die zur Ein leitung einer Glimmentladung in der Röhre erforder liche Zündspannung ein Minimum.
An dieser Stelle verläuft die pd-Kennlinie ein Stück weit flach, so dass geringe Gasdichteschwankungen im Anoden-Katho- den-Spalt den Wert der Zündspannung nicht beein flussen. Die Konstanz der Zündspannung kann dort ohne Schwierigkeit innerhalb befriedigender Grenzen gewährleistet werden.
Jedoch besitzt, wie bereits erwähnt, an dieser Stelle die Zündspannung der Röhre den kleinsten Wert, so dass die Stabilisierung der Zündspannung hier auf Kosten der andern, beim Betrieb von Um schaltnetzwerken mit Gasentladungsröhren erwünsch ten Eigenschaft erzielt wird, nämlich einer möglichst hohen Zündspannung. Demgemäss ist auch bereits vorgeschlagen worden, derartige Röhren bei einen höheren pd-Wert zu betreiben, zum Beispiel mit einem grösseren Anoden-Kathoden-Abstand zu ver sehen, zwecks Erhöhung der Zündspannung.
Jedoch treten bei diesem andern Arbeitspunkt auf<I>der</I> pd- Kennlinie infolge deren grösserer Steilheit starke Unterschiede der Zündspannung auf, wenn die ein- zelnen Röhren bezüglich ihrer Elektrodenabstände verschieden sind oder wenn geringe Gasdichteände- rungen in den Röhren infolge einer vorausgehenden Entladung entstehen.
Es ist möglich, für eine gegebene Zündspannung den erforderlichen Abstand zwischen Anode und Kathode sehr genau herzustellen. Hierzu wird eine drahtförmige Anode verwendet, die mit ihrem freien Ende der Hohlkathode zugekehrt ist, und das Ende des Anodendrahtes mit einem Ionenstrom bom bardiert, der eine Abstäubung bewirkt, während gleichzeitig zwischen der Kathode und einer zum Einbrennen dienenden Hilfsanode eine starke Glimm- entladung aufrechterhalten wird.
Der Abstäubungs- prozess wird periodisch unterbrochen und die Zünd- spannung der Hauptentladungsstrecke gemessen, um festzustellen, ob der Anoden-Kathoden-Abstand be reits den erwünschten Wert erreicht hat.
Der Anoden-Kathoden-Abstand kann bei der Fa brikation der Röhren auch auf andere Weise her gestellt werden, etwa mittels mechanischer Lehren oder durch optische Ausmessung. Vorzugsweise wer den der Anoden-Kathoden-Abstand, die Gestalt der Kathode und der Gasdruck derart gewählt, dass die Röhre eine stabile negative Widerstandskennlinie beim Strom- und Frequenzbereich aufweist, für den dieselbe im Umschaltnetzwerk vorgesehen ist.
Auch wenn von Anfang an die Abstände zwi schen Anode und Kathode der einzelnen Röhren des Umschaltnetzwerkes sehr genau eingehalten werden, um bei allen Röhren die gleiche Zündspannung zu erhalten, können einige Röhren im Netzwerk zu bestimmten Zeiten doch eine niedrigere Zündspan- nung als die andern Röhren aufweisen. Diese Er scheinung rührt von lokalen Erwärmungen der Ka thoden durch die Entladung her. Die erhitzte Ka thode ihrerseits erwärmt das Gas in ihrer unmittel baren Umgebung, also innerhalb der Anoden-Katho- den-Strecke, was eine Änderung der Gasdichte zur Folge hat.
Eine lokale Änderung der Gasdichte hat eine Änderung der Zündspannung zur Folge, in glei chem Masse, wie eine Abstandsänderung der Elek troden.
Somit bewirkt eine Erwärmung des Gases in der Entladungsstrecke durch die Glimmentladung eine Verminderung der für die Röhre erforderlichen Zündspannung. Da die Erwärmung während des Vorhandenseins einer Entladung in der betreffenden Röhre auftritt, wurde deren Einfluss im allgemeinen nicht als nachteilig betrachtet. Bei Umschaltnetz werken mit Gasentladungsröhren kann jedoch der Fall eintreten, dass unmittelbar nach dem Erlöschen einer vorausgehenden Entladung die Röhre über einen andern Zweig des Netzwerkes beaufschlagt werden kann, noch bevor das Gas sich abkühlen und die Zündspannung der Röhre ihren ursprünglichen höheren Wert annehmen konnte.
Wird eine neue Verbindung im unmittelbaren Anschluss an eine unterbrochene Verbindung durch das Umschaltnetzwerk aufgebaut, und zwar noch bevor eine Abkühlung der soeben wirksamen Röhren erfolgt ist, dann werden diese Röhren mit niedrigerer Zündspannung bei der neu aufzubauenden Verbin dung bevorzugt. Dies führt zur Entstehung eines beim Aufbau von Verbindungen stets bevorzugten < Weges durch das Netzwerk, verursacht durch das niedrigere Zündpotential, so dass die Röhren nicht mehr mit gleicher statistischer Wahrscheinlichkeit ansprechen. Also werden nicht sämtliche Röhren des Netzwerkes gleich oft benutzt, was zum raschen Verschleiss einiger weniger Röhren führt, während andere praktisch unbenutzt bleiben.
Noch eine andere ernsthafte Schwierigkeit kann unmittelbar nach einer vorhergehenden Verwendung von Röhren, die nunmehr verringerte Zündspannung besitzen, in andern Maschen des Netzwerkes auftre ten, da möglicherweise die verringerte Differenz zwi schen Brenn- und Zündspannung, nachstehend auch Ansprechdifferenz genannt, zum Aufbau falscher Verbindungen führt.
Um die Vermeidung solcher Fehlverbindung gewährleisten zu können, werden alle Bauteile und Betriebsspannungen des Umschaltwer kes innerhalb enger Toleranzen konstant gehalten, damit auch die maximal mögliche Summation von Abweichungen nicht zu einer der Zündspannung sich nähernden Fehlspannungssumme an einer Röhre führt, die mit einem Anschluss am aufzubauenden V erbindungsweg durch das Netzwerk liegt, aber selbst nicht gezündet werden soll. Wird jedoch die Zündspannung einer Röhre in der oben beschriebe nen Weise verringert und tritt eine Summation aller eventuell möglichen Toleranzabweichungen auf, so kann eine Fehlverbindung entstehen.
Eine Abhilfe hiergegen bildet die Vergrösserung der Ansprech- differenz, eine Einengung der zulässigen Toleranz grenzen und eine Verringerung der Stufenzahl im Netzwerk, jedoch bedingt ersichtlich jede dieser Massnahmen einen Verlust in bezug auf Betriebs wirkungsgrad und Aufwand des Umschaltnetzwerkes.
Durch die vorliegende Erfindung soll eine ver besserte Gasentladungseinrichtung geschaffen werden, die nicht beim Tiefstwert der pd-Kennlinie betrie ben werden muss und deren Zündspannung unabhän gig von vorausgehenden Entladungen konstant ist. Hierdurch soll bei Umschaltnetzwerken mit solchen Gasentladungsröhren vermieden werden, dass beim Verbindungsaufbau eine oder einige Röhren be vorzugt werden, sondern vielmehr alle für den Auf bau der Verbindung jeweils zur Verfügung stehen den Röhren gleich oft verwendet werden. Dies würde bedingen, dass die Zündspannung der Röhren von vorausgehenden leitenden oder nichtleitenden Zu ständen unabhängig ist.
Die erfindungsgemässe Gasentladungseinrichtung zum Betrieb in einem Arbeitsbereich seiner Kenn linie, bei welchem sich die Zündspannung zwischen Anode und Kathode bei Gasdichteschwankungen wesentlich ändert, ist gekennzeichnet durch ein die Kathode tragendes, bei Temperaturänderungen sich deformierendes Halteorgan, welches derart ausgebil det und angeordnet ist, dass sich eine Änderung des Abstandes zwischen Anode und Kathode bei der Erwärmung der Kathode infolge der Glimmentladung ergibt, welche auf die Zündspannungsbeeinflussung durch die bei der Erwärmung entstehende Gasdichte- änderung in der Anoden-Kathoden-Strecke kompen sierend wirkt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungs gemässen Gasentladungsröhre kann dieselbe mit einer Hohlkathode und einer derselben gegenüberstehen den Anode versehen sein, die zusammen die Haupt entladungsstrecke bilden, welche mit einer geeignet gewählten Kathode und einer entsprechenden Gas dichte vorzugsweise eine brauchbare und stabile negative Widerstandskennlinie ergibt. Dabei soll die Kathode von einem Bimetallhalter getragen werden, damit bei einer Erwärmung der Kathode durch die Glimmentladung die resultierende Änderung der Gas dichte im Kathoden-Anoden-Spalt durch eine Ver grösserung des Spaltes infolge eines Zurückziehens der Kathode kompensiert werden kann.
Auf diese Weise soll das Produkt pd und damit auch die Zünd- spannung konstant gehalten werden.
Die Erwärmung der Kathode und die dadurch verursachte Gasdichteverminderung in deren Um gebung kann für einen gegebenen Entladungsstrom ermittelt und daraus die zur Kompensation erforder liche Spaltvergrösserung errechnet werden. Also kann das die Kathode tragende temperaturabhängige Organ entsprechend ausgeführt und mit einem solchen linearen Ausdehnungskoeffizienten versehen werden, dass die Kathode genau um jenen Betrag von der Anode zurückgezogen wird, welcher den Dichte abfall kompensiert und gegebenenfalls sogar über kompensiert.
Die Erfindung ist nachstehend in einem Aus führungsbeispiel an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert, von denen die Fig. 1 eine sogenannte Paschen- kennlinie zeigt, nämlich die Abhängigkeit der Zünd- spannung UBD in Volt vom Produkt aus dem Druck p in mm Hg und dem Anoden-Kathoden-Abstand d in mm, und Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemässen Gasentladungsröhre darstellt.
Bei der typischen Paschenkennlinie der Zünd- spannung UPD in Abhängigkeit von pd gemäss Fig. 1 kann der ausgezogene Teil 10 experimentell gut be stimmt werden, indem der Gasdruck p 'konstant gehalten und der Anoden-Kathoden-Abstand d ge ändert wird. Bei einem dem Punkt 15 entsprechen den Wert von pd erfolgt die Zündung, wenn die Span nung so hoch ist, dass jedes die Entladungsstrecke durchlaufende Elektron zur ausreichenden lonisation und zur Auslösung eines weiteren Elektrons aus der Kathode beschleunigt wird.
Wird der Abstand d weiter verkleinert, so ergibt eine bestimmte angelegte Spannung eine höhere Feldstärke und die lonisierungsfähigkeit vergrössert sich, so dass die zur Zündung erforderliche Spannung abnimmt. Bei weiterer Abstandsverminderung wird am Punkt 11 ein Minimum der Zündspannung er reicht, welche Stelle häufig als Paschen- oder pd- Minimum bezeichnet wird. An dieser Stelle der Kennlinie ist der Abstand zwischen den Elektroden noch gross genug, um innerhalb der Entladungs strecke eine ausreichende Zahl von Stossionisierungen zu erhalten, da die Feldstärke an der Kathode hoch ist.
Bei noch weiterer Verringerung des Abstandes d sinkt die Anzahl der Stossionisationen pro Elektron beim Durchlaufen der Strecke von der Kathode zur Anode auf einen Wert, der gegenüber der höher werdenden Feldstärke überwiegt, so dass die erfor derliche Zündspannung wieder ansteigt, wie durch die strichpunktierte Linie 12 angedeutet. Experimen tell bereitet die Aufnahme dieses Teils der Kennlinie aber Schwierigkeiten, da nunmehr die Elektronen die Tendenz aufweisen, über eine längere Strecke von der Kathode zur Rückseite oder zum Haltedraht der Anode zu laufen, womit der wirkliche Wert des Abstandes d unbestimmt wird.
Jedoch kann unter Verwendung einer geometrischen Elektrodenanord- nung, welche diese Umgehungswege verhindert, der Verlauf der Kennlinie 12 nachgewiesen werden. Bei der üblichen Elektrodengeometrie ist der Verlauf der tatsächlich erforderlichen Zündspannung bei den niedrigen pd-Werten durch die gestrichelte Linie 13 wiedergegeben, die wesentlich weniger stark ansteigt, als theoretisch zu erwarten ist, was eben von den längeren Elektronenwegen zu Teilen der Anode her rührt.
Die Zündspannung ist auch von der Art des je weils verwendeten Gases und vom Kathodenmaterial abhängig und nicht nur vom pd-Wert. Die in Fig. 1 wiedergegebene Kennlinie wurde an der unten noch näher erläuterten Röhre ermittelt, die eine Molybdän- kathode und eine Neongasfüllung aufweist.
Aus der Kennlinie der Fig. 1 ist ersichtlich, dass eine Möglichkeit zur Erzielung einer guten Konstanz der Zündspannung im Betrieb der Glimmentladungs- röhre am Arbeitspunkt 11, also beim pd-Minimum, besteht, da hier eine Druckverminderung infolge Erhitzung der Kathode eine Verlagerung der Zünd- spannung längs des gestrichelten Kennlinienteils 13 ergibt.
Jedoch bedingt diese Lösung des Problems der Konstanthaltung der Zündspannung den Betrieb bei deren kleinstmöglichem Wert, was häufig höchst unerwünscht ist. Es wäre deshalb vorzuziehen, die Röhre an einem Arbeitspunkt rechts vom pd-Mini- mum, etwa beim Punkt 15, mit einer gegenüber dem Mindestwert wesentlich höheren Zündspannung betreiben zu können.
Beim vorliegenden, der Kenn linie in Fig. 1 entsprechenden Ausführungsbeispiel weist die Röhre beim pd-Minimum eine Zündspan- nung von 190 Volt, dagegen beim Punkt 15 etwa 220 Volt auf, entsprechend einer Zunahme um 30 Volt. Jedoch bewirkt dann eine Gasdruckvermin- derung an der Kathode eine merkliche Verkleine rung des pd-Wertes, und der Arbeitspunkt wandert längs der Kennlinie 10 etwa zu der mit 16 bezeich neten Stelle, an welcher die Zündspannung nur noch 200 Volt beträgt, also 20 Volt weniger als bei kalter Röhre.
Die Gasentladungsröhre der vorliegenden Bauart ermöglicht aber die Konstanthaltung des Produk tes pd, so dass der Arbeitspunkt 15 auf der Zünd- spannungskennlinie konstant gehalten wird, unabhän gig vom vorausgehenden leitenden oder nichtleiten den Zustand der Röhre.
Ein Ausführungsbeispiel der Röhre ist in Fig. 2 dargestellt. Innerhalb eines Gaskolbens 21 ist auf einem Haltedraht 22 eine drahtförmige Anode 20 angeordnet, die mit ihrem freien Ende der Hohlkathode 24 zugekehrt ist, wel che aus einem schraubenlinienförmig aufgewickelten Draht besteht - es können aber natürlich auch anders aufgebaute Hohlkathoden verwendet werden. Die Dimensionen der Hohlkathode 24, der Abstand zwischen der Kathode und der Anode sowie Gasart und Gasdruck werden vorzugsweise derart gewählt, dass die Röhre eine stabile negative Widerstandscha rakteristik innerhalb eines vorgeschriebenen Strom- und Frequenzbereiches besitzt.
Die Rückseite der Kathode 24 ist, beispielsweise durch Anschweissen, am freien Ende eines aus den Streifen 26 und 27 bestehenden Bimetallgliedes be festigt. Falls erwünscht, kann auch ein Ende des die Kathodenspule bildenden Drahtes abgebogen und am Bimetallglied befestigt werden. Jedoch sollte eine gute Wärmeleitung von der Kathode zum Bi n netallkörper durch eine grossflächige Befestigung ge schaffen werden.
Das andere Ende des Bimetall körpers ist am Kathodenhaltedraht 28 angebracht, etwa durch Anschweissen. Die Kathode 24 und der Haltedraht 28 können dabei am gleichen oder jeweils am andern der Bimetallstreifen 26, 27 befestigt sein.
Diese beiden, den Bimetallkörper bildenden Strei fen 26 und 27 sind derart angeordnet, dass bei Er wärmung infolge eines Temperaturanstiegs der Ka thode 24 eine Krümmung derselben erfolgt, welche die Kathode 24 von der Anode 20 weiter entfernt. Bei einem erprobten Ausführungsbeispiel bestand der Streifen 26 aus Molybdän mit den Abmessungen von etwa 0,25 X<B>1,25</B> X 4,6 mm und der Streifen 27 aus Nickel mit gleichen Abmessungen.
Die Wirkungsweise der Bimetallhalterung bei der Kompensation der Gasdruckänderung lässt sich an einem Beispiel leicht nachweisen. Hierbei ist als Anode 20 ein Draht aus Molybdän von 0,125 mm QS vorgesehen, der ursprünglich, d. h. im kalten Zu stand, einen Abstand von 0,3 mm von der Hohl kathode 24 besitzt, die ebenfalls aus Molybdän besteht. Der Glaskolben 20 ist mit Neongas gefüllt, mit einem Druck von 100 mm Hg. Im kalten Zu stand ist die Temperatur der Kathode 24 und des Glaskolbens 21 etwa 25 C.
Bei einer Gasentladungsröhre dieser Bauart wür den sich, ohne die kompensierend wirkende Halte rung der Kathode, unmittelbar nach einem Betrieb mit einem Entladungsstrom von 0,01 Amp. die fol genden Verhältnisse ergeben: Die Kathode würde eine Temperatur von 250 C und der Kolben eine mittlere Temperatur von 75 C besitzen, was eine Verminderung der Gasdichte ergäbe. Unter diesen Bedingungen entspricht das Produkt pd dem Punkt 16 auf der Kurve 10 und einer Zündspannung von 200 Volt.
Bei den Gasentladungsröhren der vorliegenden Bauart mit einer kompensierend wirkenden Katho- denhalterung wird dagegen die Kathode von der Anode wegbewegt, so dass der Abstand d zunimmt und der pd-Wert konstant bleibt.
In einer Ausführung der Gasentladungseinrich- tung, in welcher das Produkt pd konstant geblieben ist, bewirkte das Bimetallglied eine Bewegung von 0,15 mm bei dem Betrieb der Röhre mit 0,010 Amp.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein Bimetallgliedverwendet, das eine exakte Kompensation der Dichteänderung bewirkt, so dass die Zündspan- nung konstant gehalten wird. Bei gewissen Anwen dungen kann es jedoch erwünscht sein, eine geringe Überkompensation zu bewirken, damit sich im Um schaltnetzwerk die Röhren derart verhalten, dass beim Verbindungsaufbau automatisch nur solche Röhren ansprechen, die nicht unmittelbar vorher bereits an gesprochen hatten.
Eine derartige geringe über kompensation der Röhren ermöglicht ferner, weniger scharfe Toleranzforderungen beim Entwurf solcher Netzwerke zugrunde zu legen. Umgekehrt kann es bei manchen Verwendungszwecken von Vorteil sein, wenn die temperaturbeeinflussbare Halterung der Ka thode keine vollständige Kompensation ergibt. Bei manchen Anwendungen müssen sehr unvor teilhafte Bedingungen für die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden.
Wenn die Aussentemperatur merklich ansteigt, erfolgt eine Verstellung der Ka thode auf Grund der Beeinflussung der temperatur abhängigen Halterung durch diesen Temperatur anstieg der Umgebung, also nicht durch lokale Er hitzung der Kathode seitens der Glimmentladung. Jedoch wird durch eine Änderung der Aussentempe ratur die Gasdichte und damit die Zündspannung nicht beeinflusst.
Sind solche sehr ungünstige Verhält nisse bezüglich Änderungen der Aussentemperatur zu berücksichtigen, so kann die Anode ebenfalls mit einer temperaturbeeinflussbaren Halterung identischer Bauart versehen werden, so dass bei Bewegungen der Kathode auf Grund der Aussentemperatur die Anode die gleiche Bewegung vollführt und damit eine Be einflussung der Zündspannung vermieden wird.