Elektronenröhre. Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass es nicht nötig ist, zur Verbesserung der Wirkungsweise einer Verstärkerröhre zu sätzliche Zwischengitter zu verwenden, son dern dass es vielmehr auch mit andern und einfacheren Mitteln gelingt, hohe Verstärkung ohne störende Nebenerscheinung zu erreichen.
Schutz- und Schirmgitter -.sind eingeführt worden, um die die Verstärkung vermindernde Anodenrückwirkung bezw. die kapazitive Be einflussung des Steuergitters zu verhindern; derartige Gitter sind mit positiven Gleich spannungen zu betreiben und verbrauchen im Verhältnis zum Anodennutzstrom einen erheblichen Verluststrom. Es zeigte sich ferner bei der Weiterentwicklung derartiger Röhren die Notwendigkeit zur Einführung eines weiteren Gitters (Fanggitters) zwecks Ver. meidung des Überganges von Sekundärelek tronen zwischen der Anode und dem Schirm gitter.
Zur Vermeidung der Nachteile der hilfs- gitterfreien Röhre, in erster Linie also der Dreielektrodenröhre, sind auch noch andere Mittel vorgeschlagen und angewendet wor den. Die kapazitive Rückwirkung der Anode wurde durch Neutralisations- bezw. Neutro- dyneschaltungen ausgeglichen, die im wesent lichen darin bestanden, dass das Steuergitter über eine zweite, der Anodensteuergitterka- pazität gleiche Kapazität auch gegenphasig aufgeladen wurde und somit insgesamt un geladen blieb.
Die Anodenrückwirkung infolge des Einflusses des Aussenwiderstandes hat man vielfach durch Rückkopplung auf das Steuergitter selbst aufgehoben.
Es hat aber bisher an Vorschriften ge fehlt, diese Schaltungsmassnahmen durch ge schickte bauliche Anordnungen in der Röhre zu ersetzen und von vornherein bei der Kon struktion der Röhre Bedacht auf eine be triebt- und schaltungstechnisch einfache Ver wendung der hochverstärkenden Elektronen röhre zu nehmen.
Die Erfindung besteht in einer Elektronen röhre. mit- mindestens folgenden Elektroden einer Kathode, einem Steuergitter und einer Zusatzelektrode und trägt das besondere Kennzeichen, dass die Zusatzelektrode mit einer nicht geheizten Elektrode eine Dipol elektrode bildet, die eine nach aussen ein heitlich wirkende Potentialfläche darstellt.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfin dung enthält eine Elektronenröhre ausser einer Kathode K (Fig. 1), einem Steuergitter G und einer Anode A1 noch eine Zusatzelek trode Az in solcher Anordnung, dass der Durchgriff ai der Anode -1i durch das Steuer gitter G zum Durchgriff a2 der Zusatzelek trode A2 durch das Steuergitter G auf jeden aktiven Punkt der Kathode K sich annähernd verhält, wie die Steuergitteranodenkapazität CA,
G zur Steuergitterzusatzelektrodenkapazität CAIG (wobei als Kapazitätsbelegungen die Elektroden samt ihrer) Zuleitungen in Rech nung gestellt werden). Dadurch wird ein gleichzeitiger Ausgleich der Anodenrückwir kung und der kapazitiven Beeinflussung des Steuergitters durch die Anodenwechselspan nung ermöglicht, während im Falle, dass diese Verhältniszahlen ungleich sind, sich mir eine dieser beiden Störwirkungen ausgleichen lässt. Im einfachsten, aber auch wohl üblichsten Sonderfall werden diese Verhältnisse den Wert 1 haben, d. h. die Durchgriffe, Kapa zitäten und Wechselspannungen von Anode und Zusatzelektrode werden untereinander gleich sein.
In der folgenden Erklärung ist dieser Sonderfall in den Vordergrund gestellt; der allgemeinere Fall ergibt sich dann ohne weiteres.
Es sollen also folgende Bedingungen er füllt sein: ai <I>=</I> a2 und CA,G = CA,G für jeden aktiven Punkt der Kathode.
Es sind Röhren bekannt, die wegen einer äusserlichen Ähnlichkeit mit dem Erfindungs gegenstand nicht verwechselt werden dürfen. Beispielsweise hat man die Anoden von einer als Mehrphasengleiehrichter für technischen Wechselstrom arbeitenden Röhre in aus ein zelnen Drähten bestehende Gruppen zerlegt und diese so angeordnet, dass die Teile der einen Gruppe zwischen denen der andern stehen; bei diesen wäre es sogar unerwünscht, wenn die beiden Anodengruppen zusammen eine nach aussen einheitlich wirkende Poten tialfläche erzeugen würden, da in diesem Falle eine Gleichrichtung überhaupt nicht zustande käme.
Ferner sind aus dem Schrifttum Röhren bekannt mit zwei Anoden, die spiralförmig ge wunden und ineinander gelegt sind. DerZweck dieser Anordnung ist eine bestimmte Strom verteilung auf die beiden Anoden, die ledig lich von den geometrischen Verhältnissen des elektrischen Feldes im Entladungsraum und der Elektronenbahnen bestimmt wird.
Schliesslich sei noch erwähnt, dass Röhren mit zwei ineinander gewundenen Gittern be kannt sind; an diese wurde jedoch nicht die Forderung gestellt, ein einheitliches Feld an den steuerfähigen Teilen der Röhre entstehen zu lassen.
Der Vollständigkeit halber sei auch noch erwähnt, dass auch Neutrodyneschaltungen mit Doppelgitterröhren bekannt sind, bei denen die Kapazität zwischen dem Steuer gitter und der Anode durch die natürliche Kapazität zwischen dem Steuergitter und denn zweiten Gitter ausgeglichen wird. Dabei wird jedoch nicht von den Möglichkeiten Ge brauch gemacht, die sich gemäss der Erfin dung aus der innigen Vermischung der Fel der zweier zusammenarbeitender Elektroden ergeben.
Eine Anordnung, die den vorhin aufge stellten Bedingungen genügt, ist in Fig. 1 schematisch wiedergegeben. Über der Kathode K und dem Steuergitter G sind die Anode A, und die Zusatzelektrode A2 angeordnet, die aus untereinander gleichen Elementen bestehen. Die mit einem Kreisring angedeu teten Elemente der Anode A, und die als schwarz angelegte Kreisflächen dargestellten Elemente der Zusatzelektrode A2 sind je untereinander leitend verbunden.
Es ist ferner gestrichelt angedeutet, zwischen welchen Punkten die Kapazitäten CA,G <B>und</B> CAIG <B>zu</B> messen sind; durch die von benachbarten Elementen der Anode bezw. Zusatzelektrode zu je einem Punkt der Kathode führenden und mit ai, a2 bezeichneten Feldlinien ist der Sinn der Durchgriffsangabe verdeutlicht worden.
Eine Anordnung, wie sie zum Beispiel Fig. 2 a oder Fig. 2 b zeigen, würde zwar auch die Bedingung CA,o = CA,(; und die Bedingung ai = a2 für die Gesamtkathode, nicht aber die Bedingung ai <I>=</I> a2 für jeden einzelnen aktiven Punkt der Kathode erfüllen und damit, wie gleich gezeigt wird, die Lö sung der gestellten Aufgabe nicht geben. Anordnungen, wie sie die Fig. 2a und 2b zeigen, sind in einer Röhre vereinigte, aber schliesslich auch in zwei getrennten Röhren ausführbare und darum dem Wesen der Er findung nicht gerecht werdende Konstruk tionen.
Legt man nämlich an Ai eine positive Gleichspannung EA" der eine kleinere Wech selspannung<B>JE</B> sin wt, wie sie etwa der Wechselspannung am äussern Widerstand entspricht, überlagert wird, und an A2 eine negative Gleichspannung vom Absolutbetrag Ein, der etwas grösser ist als der Absolut betrag von<I>d E</I> und überlagert dieser<B>-JE</B> sin mt, so wird im Falle der Fig. 1 sich über die ganze Kathode, d. h. für jeden ihrer Punkte, annähernd gleichmässig ein Feld ver teilen, das sich zusammensetzt aus:
<I>a</I> (EA, -f -- d E si n co <I>t) - a</I> (EA2 + d <I>E</I> si n co <I>t)</I> <I>= a</I> (EA, <I>-</I> Ena) Es bleibt also hier lediglich die Gleichapan- nungskomponente des Anodeneinflusses be stehen;
die Röhre hat einen unendlich hoher) Wechselstrominnenwideratand und ist wegen CA,o = C@o auch kapazitiv rückwirkungs- frei. Im Falle der Fig. 2 aber ist das Feld an der linken Kathodenhälfte proportional <I>a'</I> (EA, -f- d <I>E</I> sin mt),
an der rechten pro portional -a' (EA2 -i- d E sin m <I>t).</I> Rechts flösse wegen des rein negativen Feldes über haupt kein Strom, links bliebe eine normal arbeitende Triode mit endlich grossem Innen widerstand. Es ist also ein Auslöschen der von _A, und ..2 ausgehenden Feldwirkung in der Nachbarschaft der Kathode, nämlich an der der Kathode vorgelagerten Umkehrstelle der Elektronen für jeden ihrer Punkte not wendig, um eine Abhängigkeit des Stromes von den Wechselspannungen an tli und .A.2 zu vermeiden.
An diesem Zusammenhang wird nichts geändert durch das Anlegen von Span nungen an das Steuergitter. Dieses ist viel mehr dann die allein wirksame Steuerelek trode des Systems.
Ist somit bewiesen, dass nur eine solche Anordnung von .Al und A2 die ausreichenden Bedingungen erfüllen kann, bei der die von I1i und A2 ausgehenden Felder sich sehr innig vermischen, insbesondere also die Durch- griffabestimmung für jeden Kathodenpunkt gilt, so hat eine solche Anordnung auch gleichzeitig den Vorteil, dass die Bedingungen ai <I>=</I> a2 und CA,o = Cg2q auch dann noch hinreichend erfüllt sind, wenn durch die zwangläufig in Fabrikation,
durch Versand und Betrieb auftretenden Fehler oder me- chanisch-thermische Beanspruchungen eine Verschiebung der Elektroden zueinander auf tritt. Denn die Bedingung ai <I>=</I> a2 für jeden Punkt der Kathode setzt eine innige Ver flechtung der Elektroden A.i und Az unter einander voraus, die zweckmässig auch kon struktiv in der Ausbildung dieses Elektroden paares zu einem konstruktiven Bauelement ihren Ausdruck findet. Fig. 3a und 3b geben schematische Beispiele für eine derartige Vereinigung.
In Fig. 3 a ist angenommen, dass die Anode Al und die Zusatzelektrode A2 aus je einer Drahtwendel bestehen und derart ineinandergelegt sind, dass sie zusammen eine zweigängige Schraube bilden. Die beiden Elektroden werden von je einer Haltestrebe getragen, wobei die Windungen von Al an die obere Strebe Ui und die Windungen von 9.2 an die untere Strebe.H2 punktförmig an geschweisst sind.
Gemäss Fig. 3 b bestehen die Elektroden Al und A.2 aus zueinander parallelen Drähten, von denen jeder mit dem übernächsten ver bunden ist. Die Drähte werden durch beider seits angeordnete Isolierringe Es gehalten.
Die Erfüllung der Bedingung ai = a2 für jeden Punkt der Kathode ist besonders wich tig bei Röhren, in denen der Durchgriff, zum Beispiel längs der Kathodenachse, ungleich ist. Hierbei ist es zweckmässig, dass die Rich tung, in der sich der Durchgriff ändert (zurr Beispiel also der Kathodenachse) sich kreuzt mit der Richtung, in der die Elemente der Anode bezw. der Zusatzelektrode geschichtet sind.
Der allgemeinere Fall ai <I>=</I> as usw. be darf nach Vorstehendem keiner weiteren Er örterung. Er kann eine Rolle spielen, zum Beispiel im Falle der Zwischenfrequenz- oder Niederfrequenzverstärkung, bei dem es mehr auf die Verstärkung einer Stufe als auf die Vermeidung der Anodenrückwirkung mit saubersten Mitteln ankommt.
Es lassen sich ferner noch zusätzliche Bemessungs-, Ausführungs- und Schaltungs vorschriften angeben, die sich aus dem prak tischen Gebrauch ergeben. Den Durchgriff a wird man möglichst gross wählen, um bei kleiner Anodenspannung FAl und kleinem Anodenverlust dennoch den nötigen Träger strom zu erhalten. Je grösser ai und damit auch a2 ist, umso mehr wird aber auch die in der Röhre ebenso wie in der Schaltung praktisch auftretende Unsymmetrie von Be deutung sein und einen völligen Ausgleich verhindern.
Für die Fälle, in denen es Schwierigkeiten macht, von vornherein den Unterschied der Kapazitäten unterhalb eines bestimmten Wertes zu halten, wird man durch eine Zusatzkapazität den endgültigen Ausgleich schaffen können. Um die Rück wirkungsfreiheit in ausreichendem Masse zu gewährleisten, empfiehlt es sich, den Durch griffsunterschied
EMI0004.0012
zu nra- eben, wobei S die Kennliniensteilheit im Arbeitspunkt bedeutet und in mA/V zu messen ist.
Auf Grund ähnlicher Überlegun gen soll der Kapazitätsunterschied (CAw - CAZG) < 1<B>'</B> 10 ,@,uF sein.
Um die geforderten Kapazitäts- und Durchgriffsverhältnisse leicht einhalten znn können, empfiehlt es sich, die Anode Ai und die Zusatzelektrode As auf der einen Seite der Kathode und das Steuergitter auf der andern Seite der Kathode anzuordnen, wobei das Steuergitter die Kathode teilweise um fassen kann. Es ist ferner zweckmässig, die Anode Ai und die Zusatzelektrode @i2 ge trennt von den übrigen Elektrodenanschlüssen aus dem Vakuumgefäss herauszuführen, je doch symmetrisch zu letzteren anzuordnen.
Schliesslich sei noch erwähnt, dass unter dem Begriff der Kathode in erster Linie an eine Elektronen emittierende Glühkathode gedacht ist, was aber die sinngemässe An wendung auf Glühkathoden ersetzende Ele mente, wie virtuelle Kathoden, Austrittsstellen an Blenden oder Gittern, an denen die Elek tronen annähernd Nullgeschwindigkeit haben, und kathodenähnliche Plasmen in gasgefüllten Röhren nicht ausschliesst.
Bei den vorhin beschriebenen Anordnun gen ist der Anode eine Zusatzelektrode zu geordnet und mit ihr derart innig vereinigt bezw. isoliert ineinandergeschachtelt, dass diese beiden Elektroden eine nach aussen einheitlich wirkende Potentialfläche bilden. Ein Paar so beschaffener Elektroden soll im Anklang an die Eigenschaften eines Dipols als Dipolelektrode bezeichnet werden.
Das elektrische Feld Ls-gyz in der Umgebung einer solchen Dipolelektrode kann in Entfernungen, die grösser sind als die Abstände der Einzel elektroden oder ihrer Teile, aber kleiner als die Abstände vorn irgend welchen Nachbar elektroden oder steuerfähigen Teilen der Elektronenbahn (zum Beispiel virtuelle Ka thode), überall, insbesondere auch zu beiden Seiten der Dipolelektrode, annähernd darge stellt werden durch den Ausdruck:
ezyz = Cxya (r1 E1 -I- r2 E2) Hierin bedeuten Ei und E2 die an die beiden Elemente der Dipolelektrode angelegten Span nungen, Cgy, eine Ortsfunktion und ri, r2 Konstanten, die den Anteil der betreffenden Elektrode an dem elektrischen Gesamtfeld kennzeichnen (Elektrodeneinflusskonstante).
Eine Dipolelektrode ist nicht nur als Anode, sondern auch an Stelle eines Gitters verwendbar. Das Aussehen einer solchen Dipolelektrode D zeigt die Fig. 4a. Es sind ewei hammartig ineinandergreifende Teilelek- troden Di, Dz vorhanden, die sich zumindest über die Kathodenlänge q überlappen. Die Fig.4b lässt die Lage der Dipolelektrode innerhalb eines Blektrodensystems erkennen.
Es bezeichnen : K die Kathode, 9, die Anode und pi, p2 gewöhnliche Gitter.
Zwei kammartig ineinandergreifende Git ter sind bisher nur für einen ganz andern Zweck vorgeschlagen worden, nämlich zur Querablenkung des Entladungsstromes (von oder zu der Anode). Im vorliegenden Fall ist dies jedoch nicht nur nicht beabsichtigt, sondern soll sogar durch eine hinreichend grosse Ausdehnung der nachfolgenden Elek troden oder durch geschlossene Bauweise gerade vermieden werden.
Es empfiehlt sich insbesondere, die zur Entladungsrichtung senkrecht stehenden Flächen der Elektroden bezw. Dipolelektroden mit ihrer von der Ka thode aus gerechneten Ordnungszahl grösser werden zu lassen, so dass jede Elektrode mit Bestimmtheit den von der vorhergehenden Elektrode durchgelassenen Elektronenstrom erfasst. Ferner ist es zweckmässig, einige oder alle Elektroden bezw. Dipolelektroden so, zum Beispiel zylindrich, auszubilden, dass sie die Kathode umschliessen.
Verhalten sich insbesondere 1-Ei 1 :<B>1</B> E21 = r2: ri und ist Ei positiv, E2 negativ, so wird C9g9Z in hinreichend grossen Entfernungen von der Dipolelektrode überall, insbesondere auch zu beiden Seiten, Null; die Dipolelektrode wirkt also, abgesehen von den ihr unmittelbar be nachbarten Stellen,:
in weiterer Umgebung elektrisch neutral, sie wirkt weder steuernd auf den Strom, abgesehen von der Strom- entriahme selbst, noch kapazitiv auf die Nachbarelektroden, und zwar nach ihren beiden Seiten gleichmässig.
Werden solche Dipolelektroden zwischen arideren Elektroden der Röhre angeordnet, so kann man sie sowohl zur Trennung der einzelnen Entladungsabschnitte als auch als Träger anderer Funktionen, zum Beispiel als leistungsabführende Anoden,- heranziehen, Benn obgleich die einzelner? Teilelektroden der Dipolelektrode Wechselspannung führen, wirkt sie doch ihrer Nachbarschaft gegenüber als statischer Schirm.
Macht man im Sonder fall die Teilelektroden der Dipolelektrode gleichartig und in der räumlichen Anordnung gleichberechtigt, also ri = r2, und legt die Spannungen<I>Ei =</I> Eio +,ä <I>E</I> sin um t bezw. E2 _ -.E2o <I>- d E</I> sin m t an, wobei Eio eine relativ hohe Anodengleichspannung (zum Beispiel 200- Volt),
dE eine kleinere Span nung (zum Beispiel 5 Volt) und lE2oi etwas grösser als IAEI ist, so wirkt die Dipolelek- trode mit einem Feld proportional (Eio -E2o), das also gar keine Wechelspannungskompo- nente mehr enthält. Dennoch ist die Dipol elektrode befähigt, Wechselleistung abzu führen, da ja Elektronen auf der Teilelektrode mit der positiven Spannung Eio + d E sin m <I>t</I> landen.
Im Falle der unsymmetrischen Di- polelektrode ri t r2 müssten sich d .Ei und d Ea umgekehrt wie ri <I>:</I> r2 verhalten, um die Wechselspannung nach aussen- zu neutra lisieren.
Die beiden Anwendungsfälle von Dipol elektroden, Dipolschirme und Dipolanoden, sollen sich nur durch die mehr oder weniger grosseElektronendurchlässigkeitunterscheiden. Die Verwendungsmöglichkeit der Dipolelek- trode ist nach dem oben gesagten sehr mannigfach. Fig. 5 und 7 zeigen beispiels mässige Röhrenschemata:
In Fig.. 5 ist eine Röhre schematisch dar gestellt, die eine Kathode K, eine Anode -A und eine aus zwei ineinandergreifenden Elek troden bestehende Dipolelektrode Ds, die an der Stelle eines Schirmgitters liegt, enthält. Zu beiden Seiten der Dipalelektrode Ds sind gewöhnliche Gitter (Steuergitter) Gi, G2 <I>an-</I> geordnet.
In der Röhre nach Fig. 6 ist statt der einfachen Anode eine Dipolelektrode DA vor gesehen; die übrigen- Elektroden sind die selben wie in Fig. 5: