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Die Erfindung betrifft eine mit Durchschlagschutz verse-
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hene, hochspannungsbetriebene Elektronenstrahlröhre.
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Zwischen den Elektroden der Elektrodenkanonen von mit 10-20 kW Beschleunigungsspannung
arbeitenden Schwarzweißbildröhren und mit 25-30 kW Beschleunigungsspannung betriebenen
Farbbildröhren treten auch bei sorgfältigster Konstruktionsausführung unregelmäßige
Durchschläge auf. Ähnliche Erscheinungen kennt man auch bei Monitorröhren und bei
Katodenstrahlröhren.
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Dieser Durchschlag tritt zwischen den zur Fokusierung des Elektrodenbündels
dienenden an der höchsten positiven Spannung liegenden Beschleunigungsanoden des
potentialen oder bipotentialen elektronoptischen Systems und dem an einer niedrigeren
oder an der beinahe an der Katodspannung liegenden fokusierenden Elektrode, ferner
an einer Spannung von + 200 ... 400 V Spannung liegender Elektrode G2 auf, da zwischen
diesen die Entfernung am kleinsten ist. Auf diese Weise ist durch die geometrische
Anordnung die höchste Feldstärke 20-100 kW/mm.
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Der innere Durchschlag der Elektrodenstrahlröhren ist keine neue Erscheinung.
Die Bedeutung dieser Erscheinung bzw. die Schädlichkeit ist bei Halbleitern - besonders
bei den integrierten Stromkreisen der Fernseheinrichtungen oder Rechenanlagen, bzw.
deren Displays -wegen ihrer katastrophalen Beschädigung sehr auffällig.
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Bei Fernseheinrihtungen mit Elektrodenröhren sind die wegen der Durchschläge
erscheinenden Bild-Funkspuren auch früher als störende Fffekte betrachtet worden,
da aber wegen dieser %£r.-cheiing des Gterflit nicht beschädigt wurde, Wrq r der
iurchschlag zeitweilig vertragbar.
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Jahrzehntelange Erfahrungen haben bewiesen, daß die Empfangsröhre
wegen der aus dem Durchschlag der Bildröhre stammenden Parasitärspannungen und -Ströme
von Fall zu Fall auch durchgeschlagen haben, nachher aber nicht funktionsunfähig
geworden sind.
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Im Falle von Bild- und Monitorröhren, die durch das sorgfältigste
Verfahren hergestellt und kontrolliert waren, sind nach einer längeren Lagerung
einzelne Durchschläge hervorgekommen. Die völlige Aussiebung dieser Erscheinung
ist heutzutage, bzw. durch den vorhandenen Stand der Technik auch trotz sämtlicher
Versuche in der Massenproduktion ökonomisch nicht möglich. Aus diesem Grund sind
einzelne Durchschläge innerhalb einer kurzen Zeit nach der Einschaltung gemäß verschiedener
nationaler Normen und internationaler Empfehlungen zulässig. Die Hersteller dieser
Elektronenstrahlröhren schreiben zwecks Beseitigung der schädlichen Wirkung des
Durchschlages für die Erdung und Uberspannungsableitung verschiedene Vorschriften
vor.
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Trotzdem ist bei mit transistorierten Videostufen konstruierten Fernsehempfängerröhren
der zeitweilige Durchschlag der Bildröhre ein sehr schweres Problem geworden. Durch
schaltungstechnische Maßnahmen hat man mit Funkenstrecken mit gas-gefüllten Überspannungsableitern,
mit schnellwirkenden Sennerdioden und RC-Gliedern von Anfang an Versuche durchgeführt,
um die eingebauten Halbleiter vor den durch den Uberschlag stammenden Beschädigungen
zu schützen. In diesen Zeiten hat man versucht, auf die Fassung der Bildröhre, oder
auf die gedruckte Schaltung der Bildröhre Funkenstrecken anzuwenden. Diese Funkenstrecken
haben den bei dem Durchschlag sich bildenden Strom außerhalb der Röhre in Richtung
des kalten Punkts des Gerätes abgeleitet.
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Bei Funkenstrecken kann man den auftretenden Durchschlag von der Fassung
mittels eines 4-6 mm dicken verdrillten Kabels wirksam an einen günstigen Punkt
des Chassis ableiten. In dem Fall, in dem das Kabel dünn ist, d.h. die Impedanz
nicht gering genug ist, verschlechtern die wegen der hohen Stromstöße auftretenden
Parasitärströme und -spannungen die Wirkung der Funkenstrecke. Im Falle einer ungünstigen
Erdung fließt der Durchschlagstrom in der Umgebung der empfindlichsten Halbleiter
und verursacht evtl. deren völlige Zerstörung.
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Praktische Erfahrungen haben bewiesen, daß all diese Maßnahmen auch
gemeinsam keine entsprechende Sicherheit geboten haben. Besonders kritisch ist die
Lage bei MOS-Kreisen und bei anderen auf Spannung empfindlichen IC-Kreisen geworden.
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Statt weiterer Schilderung der mit dem Durchschlag der Bildröhre zusammenhängenden
Probleme sei hier auf die Fachliteratur hingewiesen, so in erster Linie auf das
Buch von Artur Köhler und Johannes Ritter: Bildröhren mit verminderter Hochspannungs-0berschlag-Intensität
(Funktechnik 32, Jahrgng 1977, Nr. 24, Seiten 432 -435). J. Gerritsen: Soft-flash
picture tubes (erschienen in "IEEE Transaction on consumer electronics" Jahrgang
24, Nr. 4 1978) und auf die Publikation "Soft-flash technologie", erschienen in
"Valvo Information ueber Farbfernseh-Empfängertechnik 71..
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In diesen Publikationen sind die mit diesem Thema verbundenen technischen
Fragen ausführlich beschrieben.
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Gemäß der DE-PS 2.658.175 wird dieses Problem so gelöst, daß der innere
Graphitüberzug der Bildröhre, bzw. der dem Hals zugewandte Teil des Graphitüberzuges,
also derjenige Teil, von wo das Elektrodensystem mit seinen federnden Kontakten
die Vorspannung übernimmt, aus einem Material hohen Widerstandes gefertigt wird.
Der untere Uberzugsgrad, der einen Widerstandswert von 1000 Ohm besitzt, wirkt im
Falle eines Durchschlages als strombegrenzender Widerstand.
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Eine dieser ähnliche Lösung ist in der US-PS 2.829.292 beschrieben.
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Es hat sich aber gezeigt, daß die mit punktartigen Kontaktflächen
versehenen Abstützfederelektroden einen hohen Ubergangswiderstand haben, wo sie
an der Widerstandsschicht angeschlossen sind, so daß an dem Kontaktpunkt eine Neigung
zur Wärmebildung vorhanden ist. Im Falle eines Durchschlages tritt also eine Erwärmung
ein, wodurch unregelmäßige und schädliche Elektronemission, Ionisation und schließlich
der Bruch des Glaskolbens, bzw. ein Riss desselben die Folge sein können.
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Gemäß der DE-OS 27 49 211 wird bei Farbfernsehröhren der innere leitende
Uberzug aus 3 Schichten hergestellt, und zwar zwecks Lösung des geschilderten Problems.
Im Sinne dieser Lösung verwendet man bei der Anodeneinleitung einen Graphitüberzug
von geringem spezifischem Widerstand, danach folgt ein Hochwiderstandswert aufweisender
Uberzug aus Metalloxyden und Glas und schließlich wird
ein gut leitender
Graphitstreifen aufgetragen, auf dem sich die stromleitenden Federn abstützen. Diese
Lösung setzt den unerwünschten hohen Widerstand zwischen den Kontaktfedern und dem
Uberzug herab und verhindert im Falle von Uberschlägen eine zu hohe Aufwärmung.
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Gemäß der DE-OS 27 03 093 verwendet man in ähnlicher Weise 3 Schichten,
die abwechselnd mit niedrigem und hohem Widerstand hergestellt sind, und man will
dadurch die schädlichen Konsequenzen der Uberschläge bei Farbfernsehröhren herabsetzen.
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Ein gemeinsamer Charakter der erwähnten Lösungen liegt darin, daß
der Widerstandswert der inneren Schicht erhöht wird, wodurch dieser Widerstand als
ein Element des Entladungsstromkreises den Entladungsstrom begrenzt. Diese Lösungen
haben aber zahlreiche Nachteile. Vor allem sei erwähnt, daß der Ubergangswiderstand
und die mit diesem verbundene lokale Aufwärmung nicht völlig beseitigt werden können.
Diese Lösungen können nur den schädlichen Effekt etwas herabsetzen. Die Herstellung
des inneren Uberzuges ist mit einem hohen Material- und Arbeitsaufwand verbunden
und deshalb unwirtschaftlich. Die Vollziehung des Verfahrens ist auch technologisch
bei Farbfernsehröhren sehr umständlich, weil der konische Teil schon in überzogenem
Zustand an den Bildschirmteil gesintert wird. Bei Schwarzweißfernsehröhren, bei
Monitor- und Katodenstrahlröhren muß man den mehrschichtigen Überzug ueber den Halsteil
aufbringen, was tecaLnologisch sehr schwierig ist.
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Eine im Inneren des Konus angeordnete Widerstandsschicht besitzt den
Nachteil, daß sie die Anordnung des Getters in der Röhre erschwert. Falls nämlich
der verdampfte Getterspiegel (Ba Metallschicht) an der inneren Oberfläche des Konus
bzw. an der Widerstandsschicht eine zusammenhängende Schicht bildet, dann wird die
Widerstandsschicht geshuntet. Deswegen muß man im Falle von solchen Uberzügen die
Anordnung des Getters und die Verdampfung desselben mit besonderer Sorgfalt durchführen,
damit der Getterspiegel nicht auf die Widerstandsschicht gelangt.
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Bei der Herstellung des Widerstandsüberzuges schafft die Bedingung
der Reproduzierbarkeit weitere Probleme. Die verwendeten Materialien, d.h. ihre
Reinheit, Korngröße, Oberf ächenrauhigkeit, gleichmäßige Dicke, Homogenität usw.
haben Einfluß auf die Qualität der Röhre, so daß eine sehr sorgfältige und strenge
Kontrolle erforderlich ist. Wesentliche Probleme erwachsen aus dem Ubergangswiderstand
der Kontaktfedern und der Widerstandsschicht infolge lokaler Wärmung, Geknister
usw.. Deswegen hat man Lösungen ausgearbeitet, gemäß welcher die Kontaktfeder unmittelbar
an die Widerstandsschicht mit kleinem Widerstandswert und nicht an die Widerstandsschicht
von hohem Widerstandswert angelegt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenröhre der
eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so auszubilden, daß ein zuverlässiger
Durchschlagschutz erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst. Die weitere Ausbildung des Erfindungsgegenstandes geht aus den
Unteransprüchen hervor.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß das Vorsehen
der zur Durchschlagverhinderung dienenden Widerstände lediglich einer einfachen
Montageoperation bedarf.
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Zur Begrenzung des Uberschlagstromes wird beispielsweise in die Röhre
zwischen der Hochspanningseinführungselektrode und der Ausführungselektrode(n) in
das die Verbindung sichernde Leitungssystem ein kompakter Widerstand eingesetzt,
dessen Wert zwischen 0,1 - 100 kOhm liegt.
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Dieser Widerstand ist fähig, die bei Stromuberschlägen auftretenden
Stromspitzen zu vermindern.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 die Konstruktionsskizze einer bekannten Schwarzweißbildröhre
oder Monitorröhre mit Funkstreckenschutz, Fig. 2 einen bekannten Überzug des Konus
bei Farbfernsehröhren, z.B. als Eisenoxydwiderstandsschicht ausgebildet,
Fig.
3 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mit Anwendung einer Widerstandsscheibe,
die im Dünnschichtverfahren ausgebildet ist und die zwischen den Federn und der
Hochspannungselektrode angeordnet ist, Fig. 4 eine Ausführungsvariante des Scheibenwiderstandes,
Fig. 5 eine Ausführungsvariante der Erfindung, gemäß welcher kompakte Stangenwiderstände
mit den Leitungen der Hochspannungs- und fokusierenden Elektroden in Reihe geschaltet
sind, Fig. 6 eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, gemäß welcher an den
Hochspannungs- und fokusierenden Elektroden induktive und ohmsche Widerstände kombiniert
verwendet werden, Fig. 7 eine Ausführungsform der Erfindung für Farbfernsehbildröhren,
Fig. 8 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines kompakte ten Stangenwiderstandes,
Fig. 9 zeigt das Prinzip der Untersuchung von Bildröhrenüberschlägen, Fig. 10 zeigt
den Hochspannungsüberschlagsstromablauf der Bildröhre ohne Anwendung eines inneren
Begrenzungswiderstandes,
Fig. 11 zeigt den Hochspannungsüberschlagsstromablauf
der Bildröhre mit Anwendung eines begrenzenden Widerstandes.
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Figur 1 zeigt schematisch eine Schwarzweißröhre bzw. eine Monitorröhre
mit einem äußeren Funkenstreckendurchschlagschutz. Die Konstruktion ist aus einer
Katode 1, einem ersten Gitter 2, einem zweiten Gitter 3, aus Hochspannungsbeschleunigungselektroden
4 - die die Elemente des fokusierenden Systems sind -, einer fokusierenden Elektrode
5, Kontaktfedern 6, einer inneren leitenden Schicht 7, einer Hochspannungseinleitung
8, einer äußeren leitenden Schicht 9, einer luminiszierenden Schicht 10 und einem
Glaskolben 11 hergestellt. Die Versorung der Bildröhre mit Niederspannungen und
Steuerspannungen erfolgt durch die Speiseeinheit 12. Zum Zwecke des Durchschlagschutzes
der Speiseeinheithalbleiter sind zwischen den Aus leitungen und dem Erdpunkt die
Funkenstrecken 13 ausgebildet.
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Figur 2 zeigt eine Farbfernsehröhre mit einer ohmigen Leitschicht,
wo die Kontaktfedern 6 der Elektronenkanone an einer hochohmigen Widerstandsschicht
14 aus Fe203 anliegen.
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Diese Schicht steht mit einer gutleitenden Graphitschicht 15 in Berührung.
Die Hochspannung wird der Graphitschicht 15 über die Einleitungselektrode 8 zugeführt.
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Der Vorteil und die Neuheit der Erfindung ist im Vergleich zu den
zum Stand der Technik gehörigen Lösung (gemäß Figur 1 und Figur 2) darin zu sehen,
daß die Erfindung für jede
Elektronenstrahlröhre verwendbar ist,
weil der innere Begrenzungswiderstand nicht aus einer auf den Konus aufgebrachten
Widerstand hergestellt, sondern aus in das Vakuumgefäß einmontierbarer Metallschicht,
kompaktem oder Drahtwiderstand hergestellt ist, der zwischen den kritischen Elektroden
der Elektronenkanone und den Leitungen angeordnet ist, und dessen Widerstandswert
zwischen der Größenordnung von 0,1 - 100 kOhm liegt. Solche Widerstände sind bei
der Montage der Elektronenkanone problemlos verwendbar.
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Die einfachste Anwendung der Erfindung ist in Figur 3 gezeigt, wo
ein einziger Widerstand 16 zwischen der an die größte positive Spannung gelegte
Anode und der Montageeinheit 6, die mit der auf dem Halsteil aufgebrachten Graphitschicht
7 in Berührung steht, eingebaut wird.
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Der zu diesem Zweck verwendete scheibenförmige Widerstand ist aus
Figur 4 ersichtlich. An die löchrige isolierende Keramikscheibe 17 sind die Kontakte
6 und die zentierenden Federn der Elektronenkanone montiert. Auf dieselbe Keramikscheibe
17 ist mit einer Niete 18 den Widerstand tragende Keramikplatte gefestigt. Zwischen
den Ränden 20 der Keramikplatte 19 ist die Widerstandsschicht 21 angeordnet, die
bekanntlich z.B. durch Dickschichttechnologie aufgetragen wird.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist aus Figur 5 ersichtlich.
Bei dieser Lösung sind im Falle einer unipotentialen Fokussystem-Elektronenkanone
Stangenwiderstände
22, 23, 24 verwendet für die Ausführung der
zweiten fokusierenden Elektrode 5 und zur Verbindung der gemeinsamen oder der an
der positiven Spannung liegenden Anoden 4. Es ist klar ersichtlich, daß in diesem
Fall der Durchschlag in Richtung der zweiten fokusierenden Elektrode 5 und des zweiten
Gitters 3 nur durch je einen Widerstand möglich ist.
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Zur Begrenzung der Durchschlag-Spitzenspannung wird gemäß Figur 6
eine sehr vorteilhafte Lösung gezeigt. Durch die Selbstinduktion des aus Widerstanddraht
gewickelten spiralförmigen Widerstandes 25 kann die Ansteiggeschwindigkeit des Spitzenstromes
herabgesetzt werden. Bei dieser Lösung ist aber die Verwendung der ohmischen Widerstände
22, 23 auch möglich.
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In Figur 7 wird der Scheibenwiderstand 16 und der kompakte Widerstand
22 für die Elektronenkanone einer Farbbildröhre verwendet und die Zeichnung zeigt
die Art und Weise des Einbaus.
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Figur 8 veranschaulicht die Gestaltung und den Aufbau des kompakten
Widerstandes gemäß der Erfindung. Der Widerstandskörper 26 ist aus kompaktem Keramikwiderstand
hergestellt und zwar mit einem Durchmesser von max. 1,5 mm und einer max. Länge
von 15 mm. An beiden Enden sind aus Nickelschellen ausgebildete Ausführungsbänder
27 gefestigt, die bei der Montage an die Ausführungen der Elektronenkanone
angeschweißt
werden.
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In Abhängigkeit von der Ausbildung der Elektronenkanone der Bildröhre
sind auch weitere Ausführungsvarianten erzielbar. In Einzelfällen bietet der Einbau
nur eines Widerstandes genügenden Schutz für das Gerät bei Spannungsdurchschlägen.
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Ausführungsbeispiel Es sollte eine Schwarzweiß-Monitor-Bildröhre mit
einer Diagonale von 28 cm mit eckigem Bildschirm und mit einem Halsdurchmesser von
20 cm hergestellt werden. Ein solcher Röhrentyp hat eine kleine Elektronenkanone,
wodurch es wegen der kleinen Elektrodenabstände und der auf max. 14 kV begrenzten
Beschleunigungsspannung oft zum Durchschlag kommt, Die Erfindung wurde so realisiert,
daß in die Kurzschlußleitungen der Hochspannungselektroden 4 der Elektrodenkanone
gemäß Fig. 5, ferner in die Ausleitung der hauptfokusierenden Elektrode 5 die Stangenwiderstände
22, 23 mit einem Durchmesser von 1 mm, Länge von 12 mm und Widerstandswert von 12
k0hm (siehe Figur 8) eingeschweißt wurden. Die auf diese Weise vorbereiteten Elektronenkanonen
wurden durch die herkömmlichen Schirmtechnologie eingelötet und es wurde mittels
an sich bekannter Pumpen und der üblichen Technologie die Bildröhre fertiggestellt.
Im Vergleich zu den in Katalogen zulässigen 14 kV Anodenspannung wurde die Röhre
auf Uberschlag mit 20 kV Spannung untersucht, wobei keine
Funkenerscheinung
zu beobachten war. Dagegen zeigte eine Röhre herkömmlichen Aufbaus ohne eingebaute
Widerstände bei der Spannung von 20 kV in Einzelfällen Durchschläge.
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Mittels der Schaltungsanordnung nach Figur 9 wurden in Röhren sowohl
gemäß der Erfindung als auch bei den herkömmlichen Typen durch Entfernung der löchrigen
Plexiplatte 28 künstliche Durchschläge zustandegebracht. Dabei wurde bei den Versuchsröhren
mit dem Oszilloskop 29 ein Spitzenstrom von 50 A gemessen, und zwar nach der Strom-Zeit
verlängerten Kennlinie gemäß Figur 11. Figur 10 zeigt die Strom-Zeit-Kennlinie der
ohne Widerstand ausgeführten Röhren, gemäß welchen die Amplitude der steilen Spannungsspitzen
auch einen Wert von 700 A erreicht hat.
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Die im Versuch verwendeten Röhren mit dem erfindungsgemäßen Durchschlagschutz
wurden in Rechenanlagen-Peripherien eingebaut und im Dauerbetrieb einer Probe ausgesetzt.
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Im Laufe der Untersuchung ist eine Beschädigung infolge Durchschlags
der integrierten Stromkreise, die bei den herkömmlichen Röhren üblich ist, überhaupt
nicht vorgekommen.
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Die Verwirklichung der Erfindung bei Farbbildröhren oder anderen Elektronenstrahlröhren
ergab immer den Durchschlagstrom gemäß Figur 11, d.h. eine sehr sichere Betriebsart.