Elektronikgeschichte: Kaltkathoden-Röhre I
- Elektronik-Minikurse: Inhaltsverzeichnis WICHTIG: Diverse technische Infos
- Elektronik-Minikurse: Philosophie (Sinn, Vorwissen, Praxisbezug)
- Hilfe bei Leserfragen. (WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
- Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Opamp-Buch Timer555-Buch
Eine kurze Einführung
Auf vielseitigem Wunsch der Leserschaft verfasste ich hier einen
speziellen Elektronik-Minikurs der etwas die Geschichte der Elektronik
beleuchtet. Viele der älteren Leser und Leserinnen werden noch wissen,
was die so genannten Elektronenröhren, auch als Radioröhren bezeichnet,
sind. Diese Röhren, welche romantisch im rot-orangen Licht schön vor
sich hin glimmten. Es erfreute damals jedes Elektronikerherz in das
Innenleben eines Radios zu blicken. Diese Röhren lassen von der Kathode
zur Anode einen Elektronenstrom fliessen, sofern die Kathode mit ihrer
Bariumoxyd-Schicht so stark erhitzt wird, dass eine unsichtbare
Elektronenwolke entsteht. Gesteuert wird dieser Elektronenfluss, der den
Anodenstrom bewirkt, durch eine negative Spannung zwischen Steuergitter
und Kathode, das zwischen der Anode und der Kathode liegt. Dazu eine
Skizze aus dem Wikipedia die
Triode.
Triode weil sie aus drei Elektroden besteht.
Elektronen können nur im Vakuum von Minus (Kathode) nach Plus (Anode)
fliessen. Mehr dazu erfährt man in Bezug auf die Elektronenröhre, von
der Diode, Triode, Tetrode, Pentode etc. bis hin zum Magischen Auge in
der Wiki-Seite
Elektronenröhre.
Doch damit wollen wir uns nicht weiter beschäftigen. Wir befassen
uns hier mit einer ganz andern Sorte von Röhren mit andern
Eigenschaften. Es sind die Kaltkathodenröhren. Nicht die Elektronen,
die Ionen sind im Fluss. Durch das Anlegen einer hohe Spannung zwischen
zwei Elektroden kommt es zur Ionisation eines Gases, dessen Fluss den
Strom bestimmt. Es begann gemäss Cerberus-Chronik im Jahre 1948 mit der
ersten Kaltkathoden-Relaisröhre des Typs
G8
für die direkte Speisung mit 220VAC-Wechselspannung. Die
Weiterentwicklung
GR16
und
GR17
war sehr beliebt und weit verbreitet. Die Bilderquelle dazu ist das
Radiomuseum.
Die zwei Vertreter der Kaltkathoden-Röhren
Beiden Vertretern ist gemeinsam, dass sie ein leicht ionisierbares Gas
enthalten. Die positiv geladenen Gasionen bewegen sich zur kalten
Kathode und schlagen dort Elektronen raus. Es gibt die so genannte
Kaltkathoden-Relaisröhre (Bild 1.1) mit Anode (A), Kathode (K) und
Zündelektrode (ZE). Diese wird in der Literatur oft auch als
Starterelektrode bezeichnet. Zwischen Anode A und Kathode K liegt z.B.
eine Spannung 325 VDC (Peakwert von 230VAC). Es fliesst gerade noch
keinen Strom von der Anode zurKathoden.
Die kleine Zündelektrode ZE liegt nahe bei der Kathode. Die Zündspannung
zwischen ZE und K hat eine gute Reproduzierbarkeit während der gesamten
Lebensdauer v
on etwa 1% und sie liegt mit einer Spannung von 150 V
deutlich unter der Anoden-Kathoden-Spannung. Die
Anoden-Kathode-Zündspannung liegt bei minimal 400 V. Diese hohe
Zündspannung erlaubt diese Kaltkathoden-Relaisröhre direkt an der
Netzspannung von damals 220 VAC (heute 230 VAC) zu betreiben. Es
passiert keine Selbstzündung. Wenn die Spannung zwischen Zündelektrode
und Kathode die ZE-K-Zündspannung überschreitet, zündet ebenso die
Anoden-Kathoden-Strecke. Der Anoden-Kathoden-Strom fliesst und ein
Relais schaltet ein, wenn im Anodenkreis eines angeschlossen ist. Wir
kommen noch einmal weiter unten mit Bild 6 zurück zu diesem Thema mit
einem praktischen Beispiel von anno dazumal in den 1950/1960er Jahren.
Ganz anders arbeitet die Kaltkathoden-Röhre nach Bild 1.2. Dies ist ein
so genanntes Thyratron. Das Thyratron hat ein Steuergitter, ähnlich wie
bei der Vakuumröhre die
Triode.
Während bei der Triode eine negative Gitterspannung den Anodenstrom
gesteuert, steuert die Gitterspannung beim Thyratron die Zündspannung
zwischen Anode und Kathode. Ist die Gitterspannung ausreichend negativ,
gibt es kein Zünden zwischen A und K. Dieses Kaltkathoden-Thyratron, das
man auch Glimm-Thyratron nennt und der vermutlich bekannteste Vertreter
dieser Art der Typ
GT21
von Cerberus ist, wird hier nicht weiter thematisiert.
Kaltkathoden-Relaisröhren, Thyratrons und bei den Halbleitern die
Thyristoren haben eine Gemeinsamkeit: Einmal gezündet, können sie nur
noch durch Stromunterbruch ausgeschaltet werden, was beim
Wechselstrombetrieb, wegen dem Phasen-Nulldurchgang, kein Problem ist.
Die Glimmlampe
Bevor wir uns der Kaltkathoden-Relaisröhre in der praktischen Anwendung
widmen, wollen wir uns kurz dem zuwenden das jeder Berufsmann und jede
Berufsfrau, tätig der Elektrotechnikbranche, noch heute kennt. Es ist
die Glimmlampe. In grossen Schaltanlagen werden sie manchmal noch heute
zur optischen Anzeige eingesetzt und man kennt sie in den so genannten
Phasenprüfern.
Das sind kleine Schraubenzieher mit einer zylindrischen kleinen
Glimmplampe
und einem Seriewiderstand zur lebensnotwendigen Strombegrenzung. Die
Glimmlampe selbst enthält Neon als ionisierbares Gas.
Wenn der Strom nur schon im 10-Mikroamperebereich fliesst, leuchtet das
Gas an den Grenzschichten zu den Elektroden sichtbar auf. Es leuchtet
immer nur die negative Elektrode. Die Ionen sind positiv geladen. Durch
das elektrische Feld werden sie in Richtung der negativen Elektrode
beschleunigt. Kathode und Anode wechseln sich ab mit der Frequenz der
Wechselspannung. Wird eine Glimmlampe mit Gleichsstrom betrieben,
leuchtet stets nur die eine negative Elektrode. In den folgend Bildern 2
und 3 illustriert das lustige lemurische Halbäffchen aus Madagaskar die
Anwendung.
Bild 2 zeigt schematisch wie Maki mit dem Phasenprüfer-Schraubenzieher testet, ob an einem Netzspannungsanschluss die Phase R, S oder T Spannung führt. Wenn die Glimmlampe leuchtet, ist dies der Fall. Der sehr geringe Wechselstromfluss, der hier durch die elektrische Kapazität von Maki mit der Umgebung und dem isolierenden Boden (hier Kunststoff) zustande kommt, reicht, dass die Glimmlampe schwach leuchtet. Symbolisch wird dies mit den vielen Kondensatoren und kleinen Strompfeilen um Maki herum angedeutet. Bei der Prüfung hoher Gleichspannungen funktioniert diese Methode (kapazitive Kopplung) natürlich nicht! Dazu wäre Erdkontakt nötig, wie dies nachfolgend Bild 3 illustriert.
Hier kontaktiert Maki mit einem Fuss eine leitende Bodenfläche. Dies
könnte z.B. ein Stahlbetonboden sein. Ohne den
Strombegrenzungswiderstand R, der meist einen Wert um die 500 k-Ohm hat,
wäre ein Erdkontakt, wegen dem viel zu hohen Stromfluss durch die
Herzgegend, lebensgefährlich!
Die Zündspannung einer solchen Glimmlampe liegt bei etwa 150 V und die
Brennspannung bei etwa 90 V. Diese Spannung bleibt einigermassen
konstant. Gäbe es nicht diesen Begrenzungswiderstand im Phasenprüfer,
würde alleine der Körper einer Person als Begrenzungswiderstand wirken
und dieser Wert kann leicht nur 10 k-Ohm oder sogar weniger sein. Bei
einem restlichen Spannungsabfall von etwa 140 V über diesem menschlichen
Innenwiderstand resultiert ein Strom von 14 mA oder mehr. Durch den
Begrenzungswiderstand von 500 k-Ohm, wird der Strom auf weniger als 0.3
mA begrenzt. Bei sanfter Berührung der Kontaktstelle mit dem Finger,
spürt man aber bereits ein feines ungefährliches Elektrisieren.
Wir wissen nun, dass eine Glimmlampe eine höhere Zünd- und eine
niedrigere Brennspannung hat, wobei diese eine gewisse Stabilität
aufweist, bzw. unabhängig von der Stromstärke ist. Wir befassen uns im
übernächsten Kapitel "Die Stabilisatorröhre" mit dem Prinzip der
Glimmlampe, wie sie früher in der elektronischen Schaltungstechnik als
Spannungsstabilisator angewendet wurde.
Die Kipp-, bzw. Blinkschaltung
Alle Gasentladungslampen, auch bei Quecksilberdampf- (blau leuchtend)
und bei Natriumdampflampen (orange leuchtend), wie sie zum Teil noch
heute in Strassenbeleuchtungen eingesetzt werden, haben eine hohe Zünd-
und eine niedrige Brennspannung. Wegen dieser niedrigeren Brennspannung
können diese Lampen stets nur mit in Serie geschalteten Widerständen zur
Strombegrenzung betrieben werden. In der Wechselstromtechnik verwendet
man induktive Begrenzungswiderstände (Drosseln), da diese wegen der
Spannungs-/Strom-Phasenverschiebung relativ wenig Verlustleistung und
Wärme erzeugen. Jedoch bei kleinen Glimmlampen, wie sie früher zur
Signalisation in grossen Schaltschränken verwendet wurden, genügen
kleine Begrenzungswiderstände, wie bereits die Bilder 2 und 3 zeigen.
Solche Glimmlampen kann man allerdings auch blinken lassen mit nur wenig
Bauteilen. Wie dies funktioniert zeigt Bild 4:
Die Glimmlampe GL ist in dieser Schaltung Teil eines Sägezahnoszillators
mit einer sehr niedrigen Frequenz, hier geeignet z.B. als Blinker. Dies
funktioniert allerdings nur, weil die Brennspannung von GL niedriger ist
als die Zündspannung. Diode D1 gleichrichtet die 220VAC-Wechselspannung.
D1 lässt nur die positiven Halbwellen passieren. Mit jeder positiven
Halbwelle wird C über R1 um einen bestimmten Betrag weiter geladen.
Während den negativen Halbwellen bleibt die erreichte Spannung an C
weitgehend erhalten bis zur Fortsetzung der Ladung von C1 durch die
nächste positive Halbwelle.
Diese nächsten positiven Halbwellen setzen die Ladung von C fort. Ist an
C die Zündspannung von GL erreicht, ionisiert sich die Gasfüllung in GL
erneut. Der GL-Stromfluss beginnt und ebenso beginnt GL mit dem
Leuchten. Das geht sehr schnell. Mit dem nachfolgenden höheren
Stromfluss erfolgt eine Teilentladung von C und es stellt sich rasch die
niedrigere Brennspannung von GL ein. Dies erhöht kurzzeitig den
Stromfluss einhergehend mit dem ebenso kurzzeitig helleren blitzartigen
Leuchten. Dies hat zur Folge, dass sich C via R2 und GL rasch entlädt.
Dadurch sinkt die Spannung über C und ebenso der Strom via GL. Die
Spannung zwischen Anode und Kathode unterschreitet die Brennspannung.
Eine weitere Entladung finden nicht mehr statt.
Danach beginnt mit der Ladung von C durch R1 erneut. Beim vorliegenden
Dimensionierungsbereich von R1, R2 und C ist die Blinkschaltung mit
einer Blinkfrequenz einsetzbar zwischen etwa 0.1 Hz und 10 Hz. An den
Anschlüssen der Glimmlampe kann man eine Sägezahnspannung entnehmen.
Wichtig ist noch zu wissen, dass diese Blinkschaltung nur funktioniert,
wenn eine Glimmlampe ohne integrierten Vorwiderstand verwendet wird.
Die Stabilisatorröhre
Stabilisatorröhren, auch als Stabiloröhren bezeichnet, sind auf gute Spannungsstabilität gebaute Glimmlampen. Entscheidend dafür sind im Verhältnis zum Strom relativ grosse Elektrodenflächen. In der Elektronik benötigte man stabile hohe Spannungen, z.B. zur Speisung von präzis arbeitenden Schaltungen, u.a. für die Steuerung der Startereingänge von Kaltkathoden-Relaisröhren. Für präzise Zeitsteuerungen oder Taktgeneratoren enthalten diese Schaltungen RC-Netzwerke, zur genauen Lichtüberwachung LDR-R-Netzwerke und zur genauen Temperaturüberwachung NTC-R-Netzwerke. Wir wollen nun betrachten wie eine solche Stabilisatorschaltung damals realisiert wurde.
Siehe Bild 5.1 und man denke sich anstelle der Stabiloröhre eine
Zener-Diode (Z-Diode). Beide Bauteile stabilisieren eine veränderliche
höhere Eingangsspannung Ue in eine niedrigere Ausgangsspannung an Uref
(ref = Referenz). Es gibt allerdings signifikante Unterschiede:
Wenn man parallel zu einer Z-Diode eine variable Spannungsquelle
schaltet und die Spannung hochfährt, erreicht man den Wert der
Z-Spannung der Z-Diode. Erhöht man am die Spannung weiter, steigt der
Z-Strom überproportional steil an, wobei die Z-Diode vergeblich versucht
die Z-Spannung konstant zu halten. Auf Grund des sehr niedrigen
Innenwiderstandes der Z-Diode, steigt die Z-Spannung nur geringfügig. In
der Folge erhitzt sich die Z-Diode und sie zerstört sich mit einem
Kurzschluss.
Widerstand R1 verhindert dies und sorgt dafür, dass
sich der Z-Strom etwa linear ändert, wenn Ue sich oberhalb der
Z-Spannung ändert, weil sich dann bloss noch die Spannung über R1
ändert. Die Z-Spannung bleibt relativ konstant. Relativ,
weil die Z-Diode nicht die hohe Stabilität hat wie z.B. eine moderne
Bandgap-Referenz.
Wenn man die Spannung Ue bei einer Stabiloröhre hochfährt, hier SR44,
gibt es eine kritische Spannung bei der sie zündet (Zündspannung) und
damit fällt die Spannung Uref sprungartig runter auf einen niedrigeren
Spannungswert (Brennspannung). Innerhalb eines erlaubten Strombereiches,
- beim Typ
SR44
von Cerberus sind es 3 bis 5 mA ergibt dies eine einigermassen konstante
Spannung Uref. R1 begrenzt den Strombereich. Dies also bei 4 mA ±25%,
oder bei einem Eigangsspannungsbereich von 233 VDC bis 388 VDC. Wenn
dieser DC-Spannungsbereich eine gleichgerichtete und geglättete
Wechselspannung ist, hat diese einen Bereich von 165 VAC bis 275 VAC.
Dies entspricht im Mittel der 220VAC-Netzspannung, die heute 230 VAC
hat. Als die Spannungsregeltechnik in der Elektronik Einzug hielt und
preiswert wurde, wurde auch der Einsatz von niedrigeren
Referenzspannungen möglich. Dies war bald das Aus für die Stabiloröhren.
Es gibt noch einen weiteren wichtigen Unterschied zwischen Z-Diode und
Stabiloröhre. Wenn der Z-Strom sehr niedrig ist, ist der dynamische
Innenwiderstand relativ hoch. Dies bedeutet, dass bei einer
Stromänderung, oder Spannungsänderung vor dem Vorwiderstand, auch die
Z-Spannunungsänderung grösser ist. Bei einem Z-Strom im mittleren
Strombereich, bei der die Verlustleistung die Z-Diode noch nicht
signifikant aufheizt, verhält sich die Z-Diode am stabilsten.
Bei einer
Bandgap-Referenz
ist dies ebenso, allerdings mit einem viel niedrigeren dynamischen
Innenwiderstand. Ganz anders bei der Stabiloröhre. Die hier erwähnte
SR44 von Cerberus hat ihre stabilste Spannung zwischen nahezu 0 mA und
etwa 2.2 mA. Dies ist aber ein verbotener Arbeitsbereich. Zu niedrige
Betriebsspannung schadet einer Kaltkathodenröhre. Warum, weiss ich nicht
(mehr). Der erlaubte Arbeitsbereich bei einer SR44 liegt zwischen 3 mA
und 5 mA. Allerdings ändert sich ihre Brenn- bzw. Referenzspannung
innerhalb dieses Strombereiches zwischen typisch 85.5 VDC und 87.7 VDC.
Dies entspricht einem Innenwiderstand von 600 Ohm. War man damals mit
dieser Stabilität nicht zufrieden, musste man erst eine Kaskade mit zwei
Stabiloröhren (Bild 5.2) mit doppelter Brenn-, bzw. Referenzspannung
realisieren. Mit dieser Spannung steuerte man die Schaltung wie Bild 5.1
zeigt. Damit erreichte man eine topstabile Referenzspannung.
Wie die Referenzspannungskaskade mit zwei (Bild 5.2) oder aber auch mit
mehreren Stabiloröhren funktioniert, ist schnell erklärt. Ue muss höher
sein als die Summe der beiden oder mehreren in Serie geschalteten
Stabiloröhren mit ihren Brennspannungen. Der kritische Betrachter dieser
Kaskadenschaltung stellt sich aber sofort die Frage: Können denn diese
beiden Stabiloröhren in Bild 5.2 überhaupt sicher zünden bei Ue = 310
VDC, wenn die Summe der beiden Zündspannungen bei etwa 300 V oder gar
darüber liegen? Nein, natürlich nicht. Aber da hilft R2 der V1
überbrückt. Beim Einschalten sind beide Stabiloröhren spannungsfrei und
daher extrem hochohmig. Also dominiert bei V1 der parallelgeschaltete
hochohmige Widerstand R2 und die ganze Eingangsspannung liegt zunächst
über V2. Dadurch kann V2 zünden. SV2 schaltet sofort auf ihre
Brennspannung. Damit liegt jetzt die Eingangsspannung minus der
Brennspannung von V2 über V1 und diese Spannung ist hoch genug um in
diesem zweiten Schritt V1 zu zünden. So arbeiten V1 und V2 mit ihren
fast gleich grossen Brennspannungen.
Eine Schaltung aus Stabilo- und Kaltkathoden-Relaisröhre
Diese Schaltung baute ich damals anfangs der 1960er-Jahre, als ich einen
guten Timer haben wollte für mein Fotovergrösserungs-Gerät (Belichtung
von lichtempfindlichem Papier) mit dem ich Schwarz/Weiss-Fotos bis
A4-Papiergrösse erzeugte. Das war in meiner Lehrzeit als ich die Technik
der Stabilo- und Kaltkathoden-Relaisröhre kennen und anwenden lernte.
Für mich war dies ein willkommenes Lehrstück, realisiert in meiner
Freizeit.
Die Originalschaltung und das Gerät habe ich leider längst nicht mehr.
Ich musste die Schaltung aus meiner Erinnerung und mit den
Cerberus-Unterlagen
rekonstruhieren. Da jedoch kaum jemand in der heutigen Zeit diese
Schaltung nachbauen will, spielt es auch keine Rolle wenn die Werte der
Bauteile nicht exakt stimmen. Die Grössenordnungen stimmen auf
jedenfall. Doch nun zu den Details. Es geht nur darum Einblick in eine
etwas spezielle Elektronikgeschichte zu bekommen, für diejenigen Leser
die sich für Geschichte interessieren.
Wird die Schaltung mit Schalter S1 in Betrieb gesetzt, leuchtet sogleich
die Projektionslampe, weil sie durch den Relaisruhekontakt k1
eingeschaltet wird, wobei das Relais ausgeschaltet ist. So stellt man
fest, dass die Projektionslampe okay ist. Durch Drücken auf die
RESET-Taste DT1 - k1 öffnet - wird C4 (und C5) via R6 schnell bis zur
Zündspannung von V3 geladen. V3 und Relais K schalten ein, der
Ruhekontakt k1 öffnet und die Projektionslampe schaltet aus und ist
bereit für die erste Belichtung eines Fotopapiers in der Dunkelkammer.
Mit dem Einschalten des Relais K zieht auch der Arbeitskontakt k2 an und
entladet C4 (und C5) sofort via R5. Solange Relais K eingeschaltet ist,
bleibt die Projektionslampe dunkel und C4 (und C5) bleibt entladen. Mit
Schalter S2 hat man die Wahl von einem Bereich mit kurzen oder langen
Belichtungszeiten. Dies macht die Einstellung mit dem Poti P1 leichter.
Drückt man die TIMER-START-Taste DT2 schliesst der Ruhekontakt k1, weil
der Stromfluss durch Relais K und V3 unterbricht. Dieser Unterbruch
bleibt beim Loslassen von DT2 bestehen, weil V3 erst wieder gezündet
werden muss. Der Arbeitskontakt k2 ist offen. C4 (und C5) ladet sich auf
von der stabilen Spannung aus V1 und V2 über R4 und P1, bis die
Zündspannung von V3 erreicht ist. Während dieser Zeit leuchtet die
Projektionslampe und belichtet das lichtempfindliche Fotopapier. Mit der
Zündung von V3 zieht das Relais K an, k1 öffnet, die Projektionslampe
erlischt und k2 schliesst um die Wiederaufladung von C4 (und C5) solange
zu verhindern bis erneut die TIMER-START-Taste DT1 gedrückt wird und das
Ganze von vorne beginnt.
D1 war damals eine beliebte hochvoltsperrende Gleichrichterdiode. Sie
sperrt 800 V, erlaubt aber nur einen maximalen Dauerstrom von 25 mA.
Wenn man vergleicht: Schon seit einigen Jahrzehnten gibt es die kleine
Gleichrichterdiode 1N4007, die eine Spannung von 1000 V aushält und
einen Dauerstrom von 1 A zulässt. R1 erfüllt zwei Aufgaben. Einerseits
dämpft R1 den Einschaltstromstoss beim Laden des Elko C2 und anderseits
filtert das passive Tiefpassfilter aus R1 und C1 höherfrequente
Überspannungsspitzen, welche der Gleichrichterdiode D1 gefährlich werden
könnten. Die Glimmlampe GL mit inegriertem Vorwiderstand zeigt an ob das
Gerät eingeschaltet ist, falls dies wegen einer kaputten
Projektionslampe nicht durch diese nach dem Einschalten des Gerätes
möglich ist.
Elektronischer Dämmerungsschalter von damals...
Dies ist eine Wechselspannungsanwendung. Diese Möglichkeit macht die
Kaltkathoden-Relaisröhre besonders anwenderfreundlich, weil nur dann
wenn die Starterspannung bei jeder positiven Halbwelle grösser ist die
Starter-Zündspannung, schaltet die Kaltkathoden-Relaisröhre ein und
sonst nicht. Die Kaltkathoden-Relaisröhre hat eine Gleichrichterwirkung.
Vor jedem darauf folgenden Spannungsnulldurchgang wird die Brennspannung
unterschritten und ohne Starter-Zündspannung in der nächsten positiven
Halbwelle schaltet die Kaltkathoden-Relaisröhre nicht ein. Dies machte
sie damals besonders interessant regeltechnische Aufgaben.
Wenn der Photowiderstand unbeleuchtet und hochohmig ist, wird die
Starterspannung so hoch, dass die Starter-Kathodenstrecke und somit V
(GR16 von Cerberus) zündet und das Relais und damit die Lampe L
einschaltet. Ist die Umgebung noch hell genug, ist die Spannung zwischen
Starter und Kathode zu gering um V und K einzuschalten. Die Beleuchtung
bleibt dunkel. Mit P kann man den Dämmerungswert einstellen. Mit R4 wird
eine Verschiebung des Einschaltpunktes vom Ausschaltpunkt erreicht.
Diese Hysterese macht Sinn damit in der Dämmerungsphase das Relais und
die Beleuchtung nicht flattern. Diese Hysterese kommt dadurch zustande,
weil im gezündeten Zustand einer Kaltkathoden-Relaisröhre zwischen einem
offenen Starter und der Kathode eine Spannung von etwa 100 V entsteht.
Diese Spannung wird über R4 dem Spannungsteilerpunkt von P und LDR
gedämpft überlagert. C2 und C3 sind nötig, damit beim Erreichen der
Zündspannung ein dynamisch niedriger Innenwiderstand des Steuerschaltung
vorliegt. Dieser sorgt für einen kurzen ionisationsfähigen
Starterstromimpuls ohne den die Kaltkathoden-Relaisröhre nicht sicher
zünden kann.
Nun haben wir ganz bestimmt auch wieder aufmerksame Leser, welche
stirnrunzelnd das Relais mit dem rechteckigen schwarzen Fleck
betrachten, und sie fragen sich natürlich ob dies ein Zeichnungsfehler
sei oder ob dies etwas bedeutet. Es bedeutet tatsächlich etwas. Man
bedenke, dass das Relais nur gerade die positiven Stromhalbwellen
bekommt. Das Relais würde erbärmlich flattern ohne Massnahme für ein
verzögerndes Abschalten. Dies kann man auf zwei verschiedene Arten
realisieren. Man schaltet parallel zur Relaisspule in Sperrrichtung eine
Diode. Durch sie fliesst in der negativen Wechselspannungsphase, also im
ausgeschalteten Zustand von V und K ein Selbstinduktionsstrom. Es gab
damals allerdings auch spezielle Relais mit einer Kurzschlusswicklung.
Diese bestand meist aus einer Windung, nämlich aus einem dicken
Kupferring der auf den Weicheisenkern der Spule aufgepresst wurde. Das
kleine schwarze Rechteck im Symbol der Relaisspule deutet auf diese
Kurzschlusswindung hin.
An dieser Stelle wollen wir mal wissen, wer eigentlich das Relais
erfunden hat. Es war der US-amerikanische Physiker Joseph Henry, der im
Jahre 1835 das Relais erfand. Mehr Details im
Wiki und
hier.
Weil wir es hier mit Relais im Hochvolt-Betrieb zu tun haben, empfiehlt
sich zusätzlich noch dieser Elektronik-Minikurs:
Besonderheiten
Es gibt noch zwei Besonderheiten. Es ist der Wandableiter in der Kaltkathoden-Relaisröhre V welcher mit dem Spannungsteiler R2/R3 verbunden ist, wie dies Bild 7 zeigt. Dieser Wandableiter sorgt dafür, dass bei Wechselstrombetrieb äussere elektrische Felder die Zündspannung nicht beeinflussen. Bei Gleichspannungsanwendungen wird der Wandableiter nicht benutzt. Die GR16 besitzt einen solchen Wandableiter. Die GR15 hat anstelle des Wandableiters eine Hilfsanode. Ihr Zweck ist die Vorionisierung für Gleichspannungsbetrieb. Dadurch erfolgt der Ionisationsaufbau schneller und die Strecke Anode-Kathode hat einen geringeren Zündverzug. Durch diesen kleinen Unterschied eignete sich die GR16 besonders für Wechselspannungs- und die GR15 eher für Gleichspannungsbetrieb, wenn hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Zündpannungen, bei kurzen Ionisationszeiten, wichtig sind.
Beitrag eines Lesers
- Ich habe mich früher selbst ebenfalls mit Kaltkathoden-Röhren
befasst.
Mein eigener Kommentar:
Ich befasse mich noch heute damit. Leider erweckt Ihr Bericht den Eindruck, es handele sich um eine veraltete Technik. Das mag für den Bereich der Signalverarbeitung gelten, nicht jedoch in den anderen Anwendungsbereichen wie Leistungselektronik und Beleuchtungstechnik. Besonders erwähnenswert wären da z.B. die Kaltkathoden-Schaltröhren, die trotz ihrer winzigen Abmessungen von ca. 9x10 mm einige 100 A Impulsstrom schalten können. Diese werden, ähnlich einer Blitzröhre, die schliesslich auch eine immer noch moderne Kaltkathodenröhre ist, über eine Aussenelektrode per Hochspannungsimpuls gezündet. Ich benutze sie hauptsächlich zum sehr schnellen Entladen von grossen Kondensatoren. Ich denke jedenfalls, diese Aspekte sollten in einem Bericht über diese Röhren nicht unerwähnt bleiben.
Antwort von mir: Da kann ich mich Ihrem Beitrag nur anschliessen und ich bedanke mich herzlich dafür. Die Erwähnung, dass die (Foto-)Blitzröhre auch eine Kaltkathodenröhre ist, finde ich sehr gut. Eigentlich weiss man dies, aber ich vermute, kaum jemand denkt daran. Die folgende Skizze illustriert, wie mittels einer kleinen Schaltröhre des Typs BD21 von Cerberus und einem Hochspannungs-Trafo ein Hochspannungsimpuls, im Zeitalter der Kaltkathoden-Elektronik, erzeugt worden ist. Diese Schaltröhre konnte einen Spitzenstrom von maximal 10 A schalten. Sie hatte eine Zündspannung von 200 V und eine Bogenspannung (Brennspannung) von 20 V. Mit diesen Werten eignete sie sich u.a. vorzüglich für den Einsatz in Weidezaungeräten, falls diese in der Nähe von Bauernhäusern angebracht worden sind, weil die Schaltung eine mittelhohe Betriebsspannung benötigte, wie dies in Bild 8 in einem Anwendungsbeispiel zum Ausdruck kommt:
Der Trenntrafo TR1 war notwendig, damit nicht unabsichtlich die Phase
anstelle des Null-Leiters in den Erdboden gesteckt werden konnte. Damals
betrug die Netzspannung noch für lange Zeit 220 VAC und nicht 230 VAC.
Diode D war damals natürlich noch keine Silizium-, sondern eine
Selen-Gleichrichterdiode. In der Zwischenzeit ist Selen als
hervorragende Nahrungsmittelergänzung wieder in Mode gekommen, wenn es
darum geht, das Krebsrisiko zu reduzieren. Wieder zurück zu Bild 8. Das
RC-Glied dient der Erzeugung der Impulsfolgefrequenz, die beim Weidezaun
bei etwa 0.3 Hz typisch ist. Hat die DC-Spannung über dem Kondensator
die Zündspannung der Schaltröhre erreicht, zündet diese und ein hoher
Stromimpuls durchfliesst die Primärspule. Die Selbstinduktionsspannung
an der Primärspule multipliziert sich mit dem Übersetzungsverhältnis. So
werden sekundär Spannungsimpulse mit sehr hohen Spannungen erzeugt,
ähnlich wie bei einer Autozündspule, die ebenso ein Trafo ist.
Aus einer alten Hauszeitschrift der Firma Cerberus vom März 1960
entnehme ich, dass es neben vielen Produkten die stärkste
Kaltkathoden-Schaltröhre
HSR21
mit einem Spitzenstrom von 10 kA gab. Dieser starke "Haudegen" von
Schaltröhre war aber ebenso sensibel, wie man dies von kräftigsten
Elefanten kennt, denn mit den damals neu entwickelten Kathoden war es
möglich, dass sie schon bei nur 20 mA eine Bogenentladung ermöglichte.
Beitrag eines andern Lesers
Hallo Thomas,
Vielleicht solltest Du in dem entsprechendem Artikel im
Elektronik-Kompendium noch ergänzen, das man diese
Kaltkathoden-Schaltröhren noch recht lange in Blitzgeräten zum
vorzeitigen Abschalten des Blitzes zwecks Helligkeitsregelung einsetzte.
(Heute nimmt man, glaube ich, spezielle schnelle Thyristoren.) Eine
weitere mögliche Ergänzung wäre vielleicht noch ein Bericht über
Quecksilberdampfgleichrichter. Diese Gleichrichter wurden schon vor dem
zweiten Weltkrieg zur Stromversorgung von Strassenbahnen (stationär) mit
einigen hundert oder tausend Ampere benutzt. Sie bestanden aus einem
Quecksilberspiegel als Kathode und teilweise sechs Anoden mit
Steuergittern für 6-Puls-Gleichrichter und waren in einem etwa
Kühlschrank grossem Glaskolben eingebaut. Diese Kenntnisse habe ich von
meinem Vater, der inzwischen verstorben ist. Eigene Kenntnisse auf
diesem Gebiet habe ich leider nicht. Den Unterschied zwischen
Kaltkathoden-Relaisröhren und Kaltkathoden-Thyratrons kannte ich bisher
noch nicht.
Antwort 1 von mir: Es gibt zwei Methoden der
Leuchtenergie-Regelung bei Fotoblitzgeräten. Die eine entladet den
Blitzkondensator und schliesst so frühzeitig den Entladekondensator
kurz. Dadurch wird die Blitzdauer reduziert. Diese Brachialmethode ist
sehr unökologisch, weil die Batterie oder der Akku, unabhängig ob volle
oder nur reduzierte Blitzleistung, gleich schnell verbraucht oder
entladen ist. Die andere, ökologischere und intelligentere Methode
schaltet den Blitzstrom frühzeitig aus. Die verbleibende Restladung im
Kondensator dient der schnelleren Wiederaufladung, wodurch das
Blitzgerät schneller wieder einsatzbereit ist. Ob diese Abschaltung mit
einem Transistor oder mit einem speziell abschaltbarem Thyristor
erfolgt, entzieht sich meiner Kenntnis.
Antwort 2 von mir: An diese Quecksilberdampfgleichrichter kann
ich mich noch sehr gut erinnern. Während meiner Schulzeit, Ende der
1950er-Jahre, hatte die Mutter eines Schulkollegen von mir ein kleines
Geschäft mit Milchprodukten. Um ihre Produkte - zur Hauptsache frische
Kuhmilch - zu verkaufen, hatte sie ein akkubetriebenes Elektromobil.
Nach der Verkaufstour musste der grosse Bleiakku stets wieder aufgeladen
werden. Zwecks guter Konvektionskühlung bestand das sehr grosse Gehäuse
des Ladegerätes zu einem grossen Teil aus gelochtem Eisenblech, durch
das man leicht hineinblicken konnte. Mich faszinierte stets das rötliche
Leuchten der Glühkathoden und das neblig hellblaue Leuchten des
Quecksilberdampfes zwischen Anode und Kathode. Damals hatte die
Elektronik noch eine Art romantisches Feeling... :)
Als alter Radiofreak kannte ich natürlich auch die kleinen
Gleichrichter-Vakuumröhren. Sie gehörten zu meinem Bastelalltag in den
1950er/1960er-Jahren. Diese Röhren enthielten kleine Quecksilbermengen,
welche die Leitfähigkeit zwischen Anode und Kathode unterstützten und so
den Wirkungsgrad etwas verbesserten. Auch hier verriet sich der
Quecksilberdampf durch bläuliches Leuchten, allerdings nur schwach.
Diese Röhre arbeitet aber als echte Elektronen-Röhre mit Vakuum.
Weitere Geschichte-Elektronik-Minikurse
Funkeninduktor und Fritter (Kohärer): Hier wird mit praktischen Beispielen erzählt, wie die Funktechnik im vorletzten Jahrhundert ihren Anfang nahm und wie man selbst Versuche durchführen kann.
Der Stromkrieg zwischen Edison und Tesla: Teslas Wirken und die Zukunft der Energie. Edison war zur Verteidigung seines Gleichstromes gegen den Wechselstrom von Tesla jedes Mittel recht. Welch mörderische Grausamkeiten Edison anwandte, kommt hier zum Ausdruck. Da bis heute sehr vernachlässigt, wird Tesla speziell gewürdigt! Tesla ist der Erfinder des Wechsel- und des Drehstromes! Ohne diese Erfindungen wäre die ganze moderne Elektrotechnik unmöglich!
Schlusswort
Zum Schluss noch einige "Anektoden" aus der Blütezeit der Kaltkathodenröhren, - eine Epoche von etwa 20 Jahren. Diese Zitate stammen aus alten Hauszeitschriften der Firma Cerberus AG mit dem Titel "Cerberus Elektronik", aus den 1950er- und 1960er-Jahren:
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In der Mainummer der englischen Zeitschrift "Electronic Engineering" beschreibt L. Molyneux, Kings College, Durham University, eine elektronische Rechenmaschine, die mit Kaltkathoden-Relaisröhren, Kaltkathoden-Zählröhren (Nixi) und Transistoren arbeitet. Der Autor vertritt die Ansicht, dass eine solche Lösung gegenüber mechanischen Tisch-Rechenmaschinen preislich vertretbar ist. (1963)
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An der IEA-Ausstellung in London (Anfang Juni 1962) wurde eine elektronische Tisch-Rechenmaschine vorgestellt. Sie heisst Anita (A New Inspiration To Arithmetic) und ist mit 150 Kaltkathoden-Relaisröhren sowie 12 Glimm-Ziffernanzeigeröhren (Nixi) bestückt. Die Entwickler sind der Ansicht, die Verwendung von Kaltkathodenröhren ergäbe die vorteilhafteste Lösung.
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Nach "Electronics" Nr. 38 von 1960 werden in der Sowjetunion jährlich über zehn Millionen Kaltkathodenröhren in elektronischen Geräten eingesetzt.
Anmerkung von mir: Solche Schaltungen sind NEMP-sicher. Sie können sicher nicht zerstört werden und eine Zündung ist bei den sehr kurzzeitigen Impulsen im ns-Bereich kaum möglich. Die Ionisation ist zu träge. (NEMP = nuklearer elektro-magnetischer Impuls)
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In der Mainummer der französischen Zeitschrift "Electronique Industrielle" (1960) lesen wir einen Hinweis auf einen elektronischen Telefonwähler für 240 Linien, in dem 4700 Kaltkathodenröhren als elektronische Schalter eingesetzt sind. Die Kaltkathodenröhren treten anstelle von Siliziumdioden, die in einem früheren Modell verwendet wurden. Wir wissen nichts über die Gründe des Ersatzes der Siliziumdioden durch Kaltkathodenröhren, aber seine Tatsache zeigt, dass Kaltkathodenröhren neben Halbleitern zu den modernsten elektronischen Schaltelementen gehören.
Ganz zum Schluss Bilder von Kaltkathoden-Röhren
aus der CERBERUS-Epoche!
Thomas Schaerer, 04.11.2001 ; 29.04.2002 ; 14.03.2003(dasELKO) ; 18.12.2003 ; 04.12.2004 ; 12.02.2008 ; 25.06.2014 ; 25.02.2017 ; 25.04.2021