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Entladungsröhre mit gebündelter Entladung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Glühkathodenrähre mit gebündelter Entladung zur Schwingungserzeugung, Gleichrichtung,
Verstärkung, Frequenzvervielfachung, Demodulation und Modulation von Wechselströmen
und zu Relaiszwecken.
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Die neue Röhre ist besonders geeignet, ultrahochfrequente Ströme zu
erzeugen, zu steuern, zu verstärken, in ihrer Frequenz zu vervielfachen, zu demodulieren
oder zu modulieren und eine Frequenz in eine andere modulierte oder unmodulierte
zu verwandeln. Die Röhre soll aber auch praktisch allen anderen Zwecken dienen können,
für welche die bisher bekannten Glühkathodenröhren verwendbar sind. Darüber hinaus
kann die neue Röhre aber weitere Aufgaben lösen, für die die bisher bekannten Röhren
ungeeignet wären.
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Die bekannten Röhren sind im allgemeinen in ihrer Anwendbarkeit in
verschiedener Hinsicht beschränkt. Sie haben eine feste obere Frequenzgrenze, bei
der die Elektrodenkapazitäten einen Nebenschluß mit geringem Blindwiderstand für
die Eingangsimpedanz darstellen und dadurch verhindern, daß sich zwischen der Kathode
und dem Gitter oder der Anode. und dem Gitter nennenswerte Spannungsunterschiede
aufbauen können. Darüber hinaus kehrt bei Betrieb im ultrahochfrequenten Gebiet
das Gitterpotential in einer Zeitspanne um, die viel kürzer ist als die Zeit, die
die Elektronen von der Kathode bis zum Gitter benötigen. Infolgedessen ist eine
solche Röhre praktisch auf Frequenzen beschränkt, deren Halbperiode größer als die
Elektronenlaufzeit zwischen Kathode und Steuergitter ist.
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Es sind auch bereits Entladungsröhren mit gebündelter Entladung bekannt,
welche die obengenannten Schwierigkeiten beseitigen
sollen. In einer
besonderen Ausführungsform wird ein Elektronenstrahl seitlich abgelenkt und dadurch
veranlaßt, wechselweise auf eine oder mehrere Anoden aufzuprallen. Dadurch hängt
die Arbeitsfähigkeit der Röhre nicht mehr von der Elektronenlaufzeit zwischen Kathode
und Steuerelektrode ab. Bei dieser Röhre ergibt sich aber aus der Art der Kathode
und ihrer Anordnung bezüglich der anderen Elektroden eine geringe Stromergiebigkeit.
Der letztgenannte Mangel tritt im allgemeinen bei fast allen anderen bekannten Entladungsröhren
mit gebündelter Entladung auf.
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Man hat versucht, bei einer Querfeldsteuerröhre die Ausnutzung der
Kathode dadurch zu verbessern, daß man zu einem Scheiben-oder kegelstumpfmantelförinigen
Strahl überging; jedoch konnten auch dann nur verhältnismäßig kleine Kathodenoberflächen
ausgenutzt werden. Wegen der äußerlichen Ähnlichkeit der Entladungsröhre vorliegender
Art soll noch auf die Außensteuerröhre hingewiesen werden, deren Entladungsgefäß
in der Mitte eine die Kathode umschließende Einschnürung hat, während die Anode
in dem einen die Außensteuerelektrode auf der anderen Erweiterung angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß ist eine Entladungsröhre mit gebündelter Entladung,
einer Steuerelektrode und mindestens zwei weiteren Elektroden, auf die sich die
Entladung gemäß dem Potential der Steuerelektrode verteilt, so ausgebildet, daß
vor der einen Stirnseite einer in der gemeinsamen Symmetrieachse der Elektroden
verlaufenden geraden Glühkathode eine die Glühkathode zum Teil umfassende Steuerelektrode
in Form eines Hohlschirmes und vor der anderen Stirnseite der Glühkathode eine Schirmelektrode
in Form eines Ringwulstes oder einer Scheibe mit einem Ringspalt und eine hinter
der Schirmelektrode liegende ringförmige Anode angeordnet ist. Bei dieser Entladungsröhre
wird die zulässige Betriebsfrequenz nicht durch die Elektronenlaufzeit zwischen
Kathode und Steuergitter beschränkt, und außerdem wird die Kathode sehr günstig
ausgenutzt.
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Das Wesen der neuen Röhre und ihre Arbeitsweise werden aus der nachfolgenden
Beschreibung und den Zeichnungen deutlicher liervorg@lien. Die Abb. i, 2, 4 und
5 zeigen verschiedene Ausführungsformen der neuen Röhre. Abb.3 zeigt eine die Arbeitsweise
der Röhre erläuternde Kurve.
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In Abb. i stellt 2 eine Kathode für niedrige Spannungen und hohe Ströme
dar. Sie ist axial bezüglich einer Beschleunigungs- und Steuerelektrode 4 angeordnet,
die in der Abbildung einen verhältnismäßig dicht an dem einen Ende der Kathode liegenden
Rand und einen äußeren Rand besitzt, der von der Kathode 2 einen verhältnismäßig
großen Abstand hat. Die dazwischenliegenden Teile der Beschleunigungs- oder Steuerelektrode
4 sind hohl gegen die Kathode gewölbt. Der Kathode :2 wird durch die dicken koaxial
mit der Kathode verlaufenden Zuleitungen, die mit einer Heizspannungsquelle verbunden
werden, ein starker Heizstrom zugeführt. Die Anode 6 ist koaxial zu den Heizleitungen
der Kathode angeordnet und von der emittierenden Fläche der Kathode durch eine Scheibe
7 getrennt.
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In der dargestellten Anordnung werden die an verschiedenen Punkten
der Kathode austretenden Elektronen in verschiedenem Maße durch die Steuerelektrode
4 beschleunigt und erreichen auf ihrem Wege zur Anode verschiedene Geschwindigkeiten.
Diejenigen Elektronen, die das bei A liegende Kathodenende verlassen, erreichen
eine höhere Geschwindigkeit als die in der Nähe des Punktes B austretenden. Die
Austrittsgeschwindigkeit der Elektronen nimmt vom Punkt A zum Punkt
B fortschreitend ab, und zwar in verschiedenem Maße, je nach der Form der
Beschleunigungselektrode 4.
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Infolge des hohen Heizgleichstromes entsteht um die Kathode und um
ihre Zuleitungen ein starkes Magnetfeld. Dieses lenkt die aus der Kathode austretenden
Elektronen zur Anode hin ab, wenn der Kathodenstrom in der richtigen Richtung fließt.
Die Elektronen mit der hohen Geschwindigkeit weilen eine verhältnismäßig lange Zeit
in diesem Magnetfeld, während die weniger schnellen einen entsprechend kürzeren
Weg haben. Das hat zur Folge, daß in dieser Röhre alle die Kathode in einem bestimmten
Augenblick verlassenden Elektronen den Schirm 7 oder die Anode 6 praktisch gleichzeitig
treffen. Dies gilt auch für alle Elektronen, die die Kathode an verschiedenen Punkten
zwischen A und B
verlassen, so daß sie zu gleicher Zeit auf der Anode
oder auf der Kathodenzuleitung rechts vom Punkt B auftreffen. In der vorliegenden
Röhre findet also mit anderen Worten eine starke Fokussierung des Elektronenstromes
längs eines die Kathodenzuleitung einschließenden Ringes statt. Die Lage des Ringes,
auf dem die Elektronen fokussiert werden, ist eine Funktion der Stärke des Elektronenstromes,
des Potentials der Anode und der Spannung und Form der einzelnen Elektroden, insbesondere
der Beschleunigungs- und Steuerelektrode 4. Der Elektronenfluß ist in Abb. i schematisch
durch die schraffierten Flächen angedeutet. Diese Flächen zeigen im einzelnen die
äußerste Grenze der möglichen Elektronenwege zwischen Kathode und Anode oder zwischen
Kathode und Kathodenschirm
7. Die schraffierte Fläche io, deren
scharfe Kante auf der Anode liegt, soll den von den sich bewegenden Elektronen eingenommenen
Raum im Querschnitt zeigen, wenn der Anodenstrom den größten Wert hat. Diese Bedingung
wird im Prinzip dadurch erreicht, daß man zwischen 2 und q. bestimmte Spannungen
anlegt. Die anders schraffierte Fläche i2 mit der Brennkante auf dem Schirm 7 auf
der Kathodenzuleitung soll den Querschnitt des von den Elektronen beim Anodenstrom
Null eingenommenen Raumes darstellen. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn man das
Potential von q. weniger positiv gegen 2 macht.
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Durch Änderung des Potentials zwischen der Beschletinigungs- und Steuerelektrode
q. und der Kathode :2 kann man die Stelle, an der die Elektronen auf der Anode oder
auf der Kathodenzuleitung oder dem Schirm 7 auftreffen, verändern. Man kann infolgedessen
dem Stromfuß zur Anode steuern, indem man das Potential zwischen Steuerelektrode
und Kathode oder die Anodenspannung verändert oder beide ändert. Der Strom läßt
sich auch dadurch steuern, daß man in irgendeiner Weise den Kathodenstrom und dadurch
das Magnetfeld verändert; vorzugsweise wird aber das elektrische Feld verändert.
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Indem man, wie in Abb. i zu sehen ist, zu beiden Seiten der Anode
ringförmige Schirme 7 und 1q. auf die Kathodenzuleitungen aufsetzt, erreicht man,
daß die Elektronen auf den größten Teil ihrer Bahn von dem durch die Anode erzeugten
Feld abgeschirmt bleiben. Die Schwankungen des Anodenpotentials üben also auf den
Anodenstrom nur einen geringen Einfluß aus. Dadurch ergibt sich eine hohe Anodenimpedanz
ähnlich wie bei einer Schirmgitterröhre, und dadurch erhält man einen hohen Verstärkungsfaktor,
ohne daß in den Anodenstromspitzen ein Stromübergang zur Steuerelektrode stattfindet.
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Offenbar kann man den Elektronenstrom auch auf den Schirm 1q. fallen
lassen, wenn man das Potential von q. genügend positiv gegen 2 macht. Durch geeignete
Abgleichung der Maßnahmen zur Veränderung der Stromübernahme durch den Schirm 1q.
und die .Anode 6 kann man die Polarität des Wechsel-. stromausganges der Röhre umkehren
gegenüber dem Fall, wenn sich der Strom auf 7 und die Anode verteilt.
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Die neue Entladungsröhre kann verschiedene Formen annehmen, z. B.
die in Abb. 2 dargestellte. In Abb.2 endet die Kathode auf der einen Seite in einer
leitenden Scheibe g. Die leitende Scheibe g dient nicht nur zur Zuführung des Heizstromes
zur Kathode, sondern auch als Schirm- oder Trennwand zwischen zwei Kammern des Entladungsgefäßes.
Die eine Kammer enthält die Eingangselektroden, die mit den Eingangskreisen verbunden
sind, während die andere Kammer die mit den Ausgangskreisen verbundenen Elektroden
enthält. Dadurch wird naturgemäß die Stabilität beim Betrieb besonders dann erhöht,
wenn die Röhre mit hohen Frequenzen betrieben wird,. wo eine Abschirmung zwischen
Ein- und Ausgang erforderlich ist. In Abb. 2 besitzt die Anode 6 einen U-förmigen
Querschnitt. Dadurch wird der Stromübergang von der Anode 6 zur Elektrode g infolge
von Sekundäremission, die dann auftritt, wenn im Betrieb das Anodenpotential negativ
gegen die Elektrode g wird, vermindert oder ganz beseitigt.
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Es muß im Zusammenhang mit den in den Abb. i und 2 dargestellten Anordnungen
besonders darauf hingewiesen werden, daß durch Einstellung des Potentials der Steuerelektrode
über oder unter dem Wert, der einen maximalen Anodenstrom ergibt, eine Umkehr der
Polarität des Wechselstromausganges bezüglich des Wechselstrom- oder Wechselspannungseingangs
erzielt werden kann. Die üblichen Röhren besitzen diese Eigentümlichkeit nicht,
obwohl in Tast- oder Signalschaltungen oft ein Bedarf dafür auftritt. Beispielsweise
läßt sich ein einfacher Kreis in einen Gegentaktverstärker- oder Gegentäktgleichrichterkreis
oder dergleichen verwandeln, indem man den Eingang zweier Röhren parallel, die Ausgangselektroden
aber in Gegentakt schaltet, vorausgesetzt, daß die Wirkungsweise der beiden Röhren
gegensinnig ist.
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Würde in einer Röhre vorliegender Art ein Heizfaden von i mm Durchmesser
und einer wirksamen Länge von 12,7 mm zusammen mit einer Steuerelektrode mit einem
wirksamen Durchmesser von 25,¢mm verwendet werden, dann ergäbe sich im Idealfall
ein Anodenspitzenstrom von o,5 Ampere. Die Gleichstromvorspannung der Steuerelektrode
wäre dabei go Volt. Mit go Volt Anodenspannung erhielte man einen maximalen Wechselstromausgang
von etwa 2,5 Watt. Durch Steigern der Anodenspannung würde man etwa 25 Watt bei
goo Volt und 250 Watt bei gooo Volt erhalten. Die erforderliche Heizleistung
würde ioo Watt betragen. Die Leistungs- und Spannungsverstärkung mit der neuen Röhre
würde sehr hoch sein.
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Da starke Kathodenströme in Empfängerröhren unbequem sind, ist es
wünschenswert, zur Fokussierung des Elektronenstromes auf der Anode oder den Schirmen
außer dem Magnetfeld noch zusätzliche Mittel zu verwenden. Das Schema einer Vorrichtung,
die Elektronen zu fokussieren und zeitlich zu vereinigen, zeigt Abb. 3. In dieser
Abbildung
enthält die Röhre eine Steuerelektrode q. und eine mittelbar
geheizte Kathode 2, die einen radialen Endschirm 5 besitzt. Die Kathode 2 und die
Steuerelektrode 4. sind von der Anode durch eine Schirm- oder Beschleunigungselektrode
9 getrennt. Der Schirm 9 enthält einen ringförmigen Spalt, der es den Elektronen
erlaubt, bei geeigneter Fokussierung die Anode 6 zu erreichen. Die Anode 6 besitzt
wie in Abb.2 U-förmigen Querschnitt. Diese Form der Anode vermindert den Einfluß
der Sekundäremission. Sie setzt die Möglichkeit herab, daß an Stellen, wo durch
den Aufprall der Primärelektronen auf der Anode Sekundärelektronen entstehen, ein
Potentialgradient auftreten kann, und verhindert dadurch, daß die entstandenen Sekundärelektronen
andere Elektroden erreichen können. Die durchbrochene Elektrode oder Blende 9 erhält
vorzugsweise ein höheres positives Potential als die Beschleunigungs- und Steuerelektrode
d.. Vorzugsweise wird die Blende 9 in der dargestellten Weise durch die Gefäßwand
herausgeführt, um die Möglichkeit zu geben, eine metallische Verlängerung anzubringen,
die die beiden Hälften der Röhre weiterhin abschirmt. Die Verlängerung der Blende
9 kann gleichzeitig zur Befestigung der Röhre dienen, indem man die Röhre auf dem
metallischen Schirm 18 anbringt, der in wirksamer Weise die Eingangskreise gegen
eine Rückkopplung aus den Ausgangskreisen abschirmt.
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Betriebsmäßig wirkt auf die den Heizfaden verlassenden Elektronen
zuerst hauptsächlich ein von der Steuerelektrode q. erzeugtes elektrisches Feld.
Die Feldstärke ist für die die Kathode an den von der Anode am weitesten entfernten
Stellen verlassenden Elektronen am größten. Das beruht auf dem Endschirm der Kathode
und hängt von der Größe, der Form, dem Abstand und den Spannungen der anderen Elektroden
ab. Nachdem die Elektronen die Kathode verlassen haben, geraten sie mehr und mehr
unter den Einfluß des von der Blende erzeugten elektrischen Feldes und werden dadurch
in etwa der gleichen Weise abgebogen wie durch das magnetische Feld in den Röhren
der Abb. i und 2. Die Elektroden erhalten eine solche Form und solche Spannungen,
daß alle die Kathode verlassenden Elektronen auf der Blendenelektrode 9 in ungefähr
dem gleichen radialen Abstand von der Röhrenachse auftreffen. Außerdem sollen alle
die Kathode zu einem bestimmten Zeitpunkt verlassenden Elektronen auf der Blende
zu gleicher Zeit auftreffen. Infolgedessen treffen sie auch auf der Anode im gleichen
Zeitpunkt auf.
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Die in Abb. 3 durch die punktierten Linien begrenzte Fläche 16 stellt
die Elektronenwege im Falle maximalen Anodenstromes dar. Für andere als die in Abb.3
angenommenen Steuerspannungen würden die Elektronen die Öffnung im Schirm 9, der
gleichzeitig als Beschleunigungselektrode wirkt, zum Teil oder ganz verfehlen und
dadurch den Anodenstrom auf einen beliebigen, zwischen einem Maximum und einem Maximum
liegenden Wert herabsetzen.
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Durch Veränderung der Spannung einiger Elektroden kann man den Abstand
von der Röhrenachse, in dem die Elektronen auf dem Schirm ankommen, verändern. Infolgedessen
kann man erreichen, daß die Elektronen je nach den Elektrodenspannilngen entweder
die Blende 9 oder die Öffnung treffen. Treffen sie die Öffnungen, dann gelangen
sie natürlich zur Anode und erzeugen einen Anodenstrom. Folglich läßt sich der Anodenstrom
steuern durch Verändern der Spannungen an der Steuerelektrode oder der Kathode bezüglich
der Blende oder durch Verändern beider Spannungen. Vorzugsweise wird in den meisten
Fällen nur die Steuerspannung verändert.
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In Abb.3 besitzen die Öffnungen in der Blende 9 in axialer Richtung
eine beträchtliche Länge, so daß in ihrem Inneren nur ein geringer Potentialgradient
auftreten wird. Dadurch wird die auf die Sekundärelektronen wirkende Feldstärke
herabgesetzt und gleichzeitig damit die von der Blende .zur Anode übergehende Anzahl
Sekundärelektronen.
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Die Röhre läßt sich für alle Arten Nachrichtenübermittlung einschließlich
der Serr dung und des Empfanges anwenden. In den notwendigen Fällen läßt sich eine
Kühlung einer oder mehrerer Elektroden vorsehen. Beispielsweise ist in Abb. q. die
Anode 6 durch ein umlaufendes Kühlmittel gekühlt. Die Kathode 2 ähnelt der Kathode
2 in den Abb. i und 2. Hier endet die Kathode jedoch in einen radialen Schirm 5,
der in axialer Richtung durch einen weiteren Schirm 5' verlängert wird, der die
Kathode 2 und die Beschleunigungselektrode abschirmt. Dieser axiale Schirm 5' dient
gleichzeitig als Zuleitung L' für den Heizstrom der Kathode. Der axiale Teil des
Schirmes besitzt Öffnungen, durch die die Elektronen die Anode erreichen können.
Das durch den Kathodenstrom erzeugte Magnetfeld lenkt die Elektronen wie bei den
Röhren der Abb. i und 2 ab. Die punktierten Linien in der oberen Hälfte der Abb.
q. zeigen den Fall maximalen Anodenstromes, während die in der unteren Hälfte den
Fall des Anodenstromes Null erläutern. Eine andere Möglichkeit, den Anodenstrom
zu Null zu machen, besteht darin, die positive Spannung der Steuerelektrode so weit
zu steigern, daß die Elektronen
den Schirm außerhalb der Öffnungen
treffen.
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Obwohl in der Abbildung eine Anode aus einem Metallrohr mit kreisförmigem
Querschnitt dargestellt ist, können selbstverständlich auch Anoden anderer Gestalt
verwendet werden. Wenn das Anodenrohr einen scheiben- oder U-förmigen Querschnitt
erhält, so daß Elektronen die Anode an tiefer liegenden Stellen treffen wie in Abb.
a und 3, dann wird die Sekundäremission herabgesetzt, und die auf der Sekundäremission
beruhenden Einflüsse werden beseitigt.
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Zur Erzielung höchster Ergiebigkeit müssen alle in den Abbildungen
dargestellten Röhren, wenn sie als Oszillator oder C-Verstärker arbeiten sollen,
mit ihrer Anodenspannung bis fast auf Null heruntergehen können, wenn der Anodenstrom
sein Maximum hat. Für die Fälle, in denen das Anodenpotential unterhalb der Spannung
der Blende liegt, muß eine etwa von der Anode ausgehende Sekundäremission unterdrückt
werden. Die Anode wird dann zweckmäßig so gestaltet, daß an den Stellen, wo die
Primärelektronen auftreffen, ein sehr kleiner Potentialgradient besteht. Dadurch
wird der sonst von der Anode zur Blende zurückfließende Sekundärelektronenstrom
herabgesetzt. Vorzugsweise wird die Anode mit einem Kohleüberzug versehen oder aus
einem anderen Material hergestellt, welches die Sekundäremission herabsetzt.
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Für den Fall, daß in einer Schaltung entsprechend der in Abb. i Wechselspannungen
oder Gleichspannungsimpulse irgendeiner Frequenz gesteuert oder verstärkt werden
sollen, werden die Impulse an den mit Eingang bezeichneten Stellen zugeführt. Sie
durchfließen die Primärwicklung eines Transformators 30, dessen Sekundärwicklung
in der dargestellten Schaltung zwischen der Steuer- und Beschleunigungselektrode
q. und der Kathode a liegt. Die letztgenannte Verbindung kann über einen Überbrückungskondensator
C erfolgen. Die Sekundärwicklung des Transformators kann auf die Frequenz der zu
verstärkenden Schwingungen oder Impulse durch einen veränderbaren Kondensator 31
in der dargestellten Weise abgestimmt werden. Die den Eingangselektroden aufgedrückten
Schwingungen werden verstärkt und erscheinen an der Anode, von der sie mit Hilfe
eines Ausgangskreises abgenommen werden können. Ein solcher Kreis bestehe etwa aus
einer Primärwicklung zwischen der Anode 6 und der Kathode :z in Reihe mit einem
zweiten Überbrückungskondensator C'. Die Primärwicklung des Transformators 3a läßt
sich durch einen veränderbaren Kondensator 33 abstimmen. Die an diesem abgestimmten
Kreis erscheinenden Schwingungen werden der Sekundärwicklung aufgedrückt und von
dort aus mit Hilfe von Leitungen irgendeinem Nutzkreis zugeführt.
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Die Anode ist mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden,
deren negativer Pol an Erde und Kathode liegt. Die Steuerelektrode q. kann das geeignete
Potential gegenüber Kathode entweder von einer besonderen Spannungsquelle oder von
einem geeigneten Punkt der erstgenannten Quelle erhalten. Die Spannungsquellen können
aus einer Batterie oder aus einem mit Filtern versehenen Gleichrichter bestehen.