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Ignitron  

Das Ignitron ist eine Röhre die industriellen Geräten zur Steuerung oder Gleichrichtung von sehr hohen Wechselströmen verwendet wird.
Es handelt sich hierbei um eine Entladungsröhre, die im wesentlichen eine Katode aus flüssigem Quecksilber, eine Anode und eine Zündelektrode besitzen, die in das Katodenquecksilber eintaucht.
Der Kolben besteht aus doppelwandigem Stahl im dem zur Ableitung der erzeugten Verlustwärme eine Wasserkühlung eingebaut ist. Die Querschnitte der Katoden- und Anodenzuleitungen sind sehr grosszügig bemessen, da die durch die Röhre fließenden Ströme außerordentlich hohe Werte annehmen können.




Die grundlegende Funktion


Die Quecksilberkatode hat das gleiche Potential wie der Metallmantel, während der Anodenanschluss durch eine Glas-Metall-Verschmelzung herausgeführt ist. Die Zündelektrode besteht aus einem sehr widerstandsfähigen Halbleitermaterial und taucht in das Queksilber ein, ohne jedoch direkt davon benetzt zu werden.
Wird an die Zündelektrode eine positiver Spanung von etwa 150 V angelegt, und läßt man einen kurzen Stromimpuls von etwa 40 A fleißen, so bildet sich ein kleiner Lichtbogen zwischen dem Quecksilber und der Zündelektrode, der sofort in die Haupptentladung auf die positive Anode übergeht. Dieser Vorgang ist so zu erklären, daß an der Grenzfläche zwischen Zündelektrode und Quecksilber eine sehr hohe Feldstärke auftritt, die zur Herauslösung von Elektronen aus dem Quecksilber führt. Auf der Quecksilberoberfläche entsteht ein Brennfleck, der durch die anschließende Hauptentladung zur Anode aufrechterhalten wird und erst erlischt, wenn die Anodenspannung unter den Wert der Bogenspannung sinkt, oder wenn der Anodenstrom einen röhrenabhängigen Mindestwert unterschreidet.

Die Bogenspannung beträgt ebenso wie bei quecksilberdampfgefüllten Stromtoren (Thyratron) etwa 16 V, so daß die Röhenverluste sehr gering im Verhältnis zu der abgegebenen Leistung sind. Je nach Verwendungszweck werden Ignitronröhren für sehr hohe Spitzenströme bei niedrigen Spannungen (250...500 V) oder hohe Dauerströme und hohe Spannungen gebaut.

Röhren des ersten Typs werden zur Steuerung von Schweißgeräten benutzt, während Ignitrons, der zweiten Art vor allem in Gleichrichterschaltungen Verwendung finden.

Im Aufbau unterscheiden sich Gleichrichterignitrons (rechte Abbildung) von den Schweiß-Ignitronröhren (linke Abbildung) durch zusätzliche Abschimingen zwischen Anode und Katode, wodurch die maximale Sperrspannung auf mehrere Kilovolt erhöht werden kann.
Ferner ist bei den meisten Ignitons eine zweite Zündelektrode eingebaut, die als Reserve dient, sowie eine Hilfsanode, die den Katodenfleck aufrechterhält, falls die Hauptentladung den Mindeststrom von etwa 10 A kurzzeitig unterschreiten sollte.
Dies kann z. B. in Gleichrichterschaltungen der Fall sein, wenn der angeschlossene Verbraucher eine Rückspannung (Gegen-Elektromotorische-Kraft EMK) erzeugt.
Abbildungen aus dem Buch:
Industrielle Elektrotechnik, Dr. Reinhard Kretzmann
Verlag für Radio-Foto-Kinotechnik GmbH, 1952

Natürlich kann ein Gleichrichter-Ignitron auch in Gegenparallelschaltung in Schweißgeräten Verwendung finden, ebenso wie eine Schweiß-Ignitronröhre unter gewissen Voraussetzungen auch zum Gleichrichterbetrieb benutzt werden kann.
Die Grenzen der Betriebswerte von Ignitronröhren sind durch die maximal zulässigen Werte der Anodenspannung und des Anodenstroms vorgegeben, die kurzzeitig geführt werden können. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Temperatur und die Durchflussmenge des Kühlwassers. Hierdurch wird nicht allein die Größe der abgeführten Verlustleistung bestimmt, sondern auch der Quecksilberdampfdruck im Entladungsraum kontrolliert.

Die Ignitronröhre PL5555 von Valvo kann beispielsweise einen mittleren Anodenstrom von 200A liefern. Bei einer Bogenspannung von 17V muss durch die Wasserkühlung eine Verlustleistung von etwa 3,5 kW abgeführt werden. Da die Massen der Elektroden von Ignitronröhren, wie bei anderen Elektronenröhren auch, verhältnismäßig klein sind, stellt sich bereits nach sehr kurzer Betriebsdauer ein Temeraturgleichgewicht aller Bauteile ein. Weiterhin führen schon kurzzeitige hohe Stromspitzen zur spontanen Verdampfung einer beachtlichen Quecksilbermenge und damit zu einer erhebichen Erhöhung des Dampfdrucks innerhalb des Röhrenkolbens. Ein Stromimpuls von 100 Amperesekunden verursacht die Verdampfung von etwa 750mg flüssigen Quecksilber.
Es muss daher eine ausreichende Wasserkühlung vorhanden sein, um den Druckanstieg im Entladungsraum zu begrenzen und damit ein Aussetzen der Entladung oder eine Rückzündung der Röhre zu verhindern. Grob gerechnet verdoppelt sich der Dampfdruck innerhalb der Röhre pro 10°C Temperaturerhöhung, so daß bei höheren Temperaturen schnell die zulässigen Betriebsgrenzwerte erreicht werden. Die untere Temperaturgrenze der Röhre wird im Wesentlichen durch den Gefrierpunkt des Kühlwassers und den mit sinkenden Temperaturen fallenden Quecksilberdampfdruck definiert. Der Zünder arbeitet allerdings auch noch bei gefrohrenem Quecksilber.

Die Betriebsdaten der Zündelektrode umfassen die zur Zündung der Röhrenhauptentladung notwendigen Spannung und Ströme, sowie die maximal zulässige positive und negative Spannung der Zündelektrode. Während die maximale positive Spannung in der Regel den Wert der Anodenspannung erreichen kann, darf die negative Spannung einige Volt nicht übersteigen, da sonst ein unzulässiger Strom in umgekehrter Richtung über die Zündelektrode fließt. In diesem Fall bildet sich ein Brennfleck auf der Zündelektrode, der diese bereit nach kurzer Zeit zerstört. Aus diesem Grund wird in den Zündstromkreis häufig ein Trockengleichrichter oder Stromtor geschlaltet, welches den Strom nur in einer Richtung passieren läßt und damit das Fließen eines Stroms aus der Zündelektrode verhindert.

Ein wesentliches Anwendungsgebiet der Ignitronröhren war die Steuerung von Widerstandsschweißgeräten. Ein solches Gerät besteht aus einen Transformator mit dem der Primärstrom auf die zum Schweißen erforderlichen hohen Stromwerte heraufgesetzt wird. Je nach gewünschter Dauer der Schweißung wird der Primärstromkreis geschlossen bzw. zum Beenden der Schweißung wieder geöffnet. Dies wurde anfangs durch speziell konstruierte Schaltschütze realisiert.
Da auch die im Primärstromkreis auftretenden Ströme sehr hoch waren, zeigten sich bereits nach kurzer Betriebsdauer Störung durch den Abbrand der Schaltstücke. Außerdem arbeiten die Schütze mit einer gewissen Trägheit, die die Genauigkeit der Schweißzeit und damit die Qualität der Schweißung beeinflußt.
Einen großen Vorteil brachte die Verwendung von zwei antiparallel geschaltenen Ignitrons die an Stelle des Schaltschützes in den Primärstromkreiswurden gebaut wurden.