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Gleichrchterröhren

Obwohl sich gegen Ende des 19. Jahrhunderts der Wechsel- bzw. Drehstrom immer mehr als Standard in der Energieversorgung durchsetzte, bestand nach wie vor der Bedarf großer an Gleichstrom, z. B. zur Elektrolyse, Akkumulatorladung und zur Versorgung von regelbaren Antrieben.
Die zu diesem Zeitpunkt verfügbaren rotierenden Gleichstrom-Umformer, wie der Leonhardsatz, waren groß, kostspielig und erfroderten eine aufwendige Wartung. Die Entwicklung von mechanischen Gleichrichtern wie dem Pendelumformer und Polwechsler konnten sich bis auf einige Ausnahmen ebenfalls nicht durchsetzen.

Es Bestand der Bedarf nach einen ruhenden Gleichrichtersystem ohne bewegte Teile, welches zuverlässig und wartungsarm arbeitete und in der Lage war hohe Ströme gleichzurichten.
Im Jahr 1902 meldete Peter Cooper Hewitt schließlich das Patent über den ersten Quecksilberdampf-Gleichrichter an. Der dem Patent zugrunde liegende Prototyp war zwar noch nicht ausgereift, verfügte aber bereits mit einem evakuierten Glaskolben, einer darin befindlichen Anode und einer Qucksilberkatode sowie einer Zündvorrichtung über die Bestandteile späterer Gleichrichterröhren.

In den folgenden Jahren wurde das Patent des Quecksilberdampf-Gleichrichters durch viele Unternehmen bis zur Serienreife weiterentwickelt.
Obwohl die in das Glas eingeschmolzenen Elektrodendurchführungen anfangs noch Schwierigkeiten bereiteten, konnten um das Jahr 1920 schon Gleichströme von bis zu 500 A erzeugt werden. Erreicht wurde dies wurde durch die Entwicklung neuer Einschmelzverfahren, die Verwendung mehrerer Anoden in einer Röhre sowie der externe Kühlung der Gleichrichterröhre durch Luft und Wasser. Auch der in der Patentschrift verwendete Glaskolben wurde zur Erhöhung der Robustheit aber auch zur Verbesserung der Kühlung durch einen Stahlkolben ersetzt.

Zur Blütezeit der Quecksilberdampf-Gleichrichter wurde riesige Ausführungen mit bis zu 24 Anoden, eigenen Vakuumpumpen und Wasserkühlung hergestellt. Diese Großgleichrichter konnten Gleichstöme von mehreren tausend Ampere liefern.

Später wurde die Quecksilberdampf-Gleichrichterröhre durch das Einbringen eines Steuergitters zum Stromrichter (Thyratron) weiterentwickelt.
Gleichrichterröhren sind Dioden mit einer direkt oder indirekt geheizten Katode sowie einer oder mehrerer Anoden. Man unterscheidet Gleichrichteröhren mit Gasfüllung und Vakuumgleichrichterröhren (ohne Gasfüllung).
Die gasgefüllten Gleichrichterröhren werden hauptsächlich in der industriellen Anlagen und der Sendertechnik, vornehmlichlich zur Umformung des durch das Netz gelieferten Wechsel- oder Drehstroms in Gleichstrom verwendet. Sie sind mit einer direkt oder indirekt geheizte Oxidkatode und einer oder mehrerer Anoden ausgestattet. Die Gasfüllung besteht meist aus Edelgas (Argon, Xenon oder Helium) unter niedrigem Druck, aus Quecksilber(-dampf) oder aus einer Mischung aus beiden Stoffen.
Die Vakuumgleichrichterröhren werden zur Gleichrichtung verhältnismäßig kleiner Leistungen genutzt. Man verwendet sie daher in der Regel nur ein- und zweiphasigen Gleichrichterschaltungen geringer Leistung und in der Signaltechnik. Eine Ausnahme bilden die Vakuum-Höchstspannungsgleichrichter für Anoden von 100 kV und darüber.
Da wir uns hier mit der Gleichrichteröhren zur Erzeugung von Gleichstrom in der Der Energietechnik befassen, werden nachfolgen nur die gasgefüllten Gleichrichterröhren betrachtet.

Legt man an die Anode eine gegenüber der Katode positive Spannung von wenigen Volt, so fleißt nur ein geringer Strom, da die aus der Katode austretenden Elektronen auf ihrem Weg zur Anode durch die Füllung eher behindert werden. Wird die Anodenspannung nun erhöht, so wird ein Wert erreicht, bei dem plötzlich die Zündung der Röhre einsetzt und ein starker Strom fließt. Dieser Effekt beruht darauf, dass bei Ereichen der Zündspannung die Elektronen eine so hohe Geschwindigkeit erreichen, dass sie die in ihrem Weg befindlichen Gasatome der Füllung beim Zusammenprall ionisieren, d.h. ein Elektron in ein positiv und ein negativ geladenes Ion aufzuspalten. Während die negativen Ionen ihren Weg zur Anode nehmen und damit den Anodenstrom vergrößern, wandern die positiven zur Katode. Sie bewirken eine Neutralisierung der durch die negativen Elektronen verursachten Raumladung, so daß der sich ergebende Anodenstrom erheblich größer ist als bei einer gleichdimensionierte Vakuumgleichrichterröhre ist.

Die Größe des fließenden Anodenstroms praktisch nur von der angelegten Anodenspannung und vom Widerstand der im Anodenstromkreis liegenden Bauelemente abhängig. Der zwischen Katode und Anode entstehte Spannungsabfall, die sogenannte Bogenspannung, ist in ihrer Größe von der Höhe des Anodenstroms nahezu unabhängig. Die Bogenspannung hängt im wesentlichen von der verwendeten Gasfüllung und dem Druck im Röhrenkolben ab. Speziell Röhren mit Quecksilberfüllung erwärmen sich im Betrieb stark, wodurch ich das Gas mit steigender Temperatur ausdehnt und damit auch der Druck ansteigt. Aus diesem Grund ist die Bogenspannung auch temperaturabhängig. Je nach Gasfüllung liegt die Bogenspannung bei etwa 8....32 V, bei Röhren mit reiner Quecksilberdampffüllung beträgt sie etwa 16 V. Damit sind die in der Gleichrichterröhre auftretenden Verluste, das Produkt aus der Bogenspannung und dem Anodenstron, verhältnismmäßig gering und und fallen umso weniger ins Gewicht, je höher die Anodenspannung gewählt wird.
Die Löschung der Röhre, d. h. die Unterbrechung den Stromflusses erfolgt, wenn die an der Anode wirksame Spannung unter den Wert der Bogenspannung sinkt.

Der grundsätzlich Aufbau einer Gleichrichterschaltung mit gasgefüllten Röhren unterscheidet sich nicht von den Schaltungen für Vakuumröhren. Der einzige Unterschied betrifft den bei Vakuumgleichrichterschaltungen üblichen Glättungs- oder Ladekondensator, der bei gasgefüllten Röhren entfällt. Wegen des sehr geringen Innenwiderstands der gasgefüllten Gleichrichterröhre ist der Kondensator nicht erforderlich, andererseits würden die Aufladung des Kondensators derart hohe Ströme fließen lassen würde, daß unter Umständen die Katode beschädigt werden könnte. Statt des Kondensators wird nur ein Drossel zur Siebung eingesetzt.