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Thyratron

Eine Thyratronröhre (Stromtor), ist eine gasgefüllte Entladungsröhre die eine geheizte Katode, ein oder mehrere Gitter sowie eine Anode enthält. Die Funktion des Steuergitters unterscheidet das Stromtor wesentlich von den Verstärkerröhren und machen es zu einem der wichtigsten Bauelemente in Geräten der Industrie und des Militärs.

Die grundlegende Funktion


Zur Erklärung der Funktion dieser Röhrenart betrachten wir ein Thyratron mit einem Gitter, wobei dieses an eine negative Spannung gegenüber der Katode angeschlossen ist. Die Anode erhält eine gegenüber der Katode positive Sannung. Von der Katode zur Anode kann kein Strom fließen, die Röhre ist damit gesperrt, auch wenn die Anodenspannung mehrere hundert Volt beträgt. Reduziert man nun die negative Spannung des Gitters, so erreicht man eine Punkt an dem eine plötzliche Zündung der Röhre eintritt und ein starker Strom zur Anode fließ, dessem Grösse vom Anodenvorwiderstand und der Anodenspannung abhängt. Das Thyrattron verhält sich nun wie eine gasgefüllte Gleichrichterröhre ohne Gitter.

Zu jedem Wert der positiven Anodenspannung gehört ein bestimmter Wert der negativen Gitterspannung bei dem man eine Zündung der Röhre erreicht.
Der Zusammenhang zwischen Anoden- und Gitterspannung wird im allgemeinen graphisch in einem Diagramm als kritische Steuerkennlinie dargestellt.
Es gibt Thyratrons mit negativer und positiver Steuerkennlinie, je nachdem ob die zur Zündung erforderlicht Gitterspannung im positiven oder negativen bezogen zur Katode liegt. Bei Gitterspannungen unterhalb der Kennlinie bleibt die Röhre gesperrt, oberhalb der Kennlinie zündet sie durch. Ein Löschen der Röhre über die Gitterspannung ist jedoch im Gegensatz zu Verstärkerröhren, wo der Anodenstrom jederzei über Gitter gesteuert werden kann, nicht mehr möglich. Nach der Zündung wird das Gitter durch eine Ionenwolke umhüllende, die dazu führt, daß das Gitter seine Steuerfähigkeit verliert. Eine Steuerung der Röhre über das Gitter ist nun nicht mehr möglich. Der Anodenstrom fließt so lange bis die Spannung zwischen Anode und Katode einen bestimmten Wert, die sogenannte Bogenspannung, unterscheidet.

Die Entionisierungszeit


Nach dem Löschen des Thyratrons darf die Anodenspannung erst nach einer bestimmten Zeit, der sogenannten Entionisierungszeit, wieder ihren vollen Wert erreichen wenn die Röhre gesperrt bleiben soll.
Die Entionisierungszeit ist die Zeit, die das Gitter benötigt um seine Steuerfähigkeit wiederzuerlangen. Sie wird üblicherweise in Mikrosekunden angegeben und ab der Zeit gemessen an der der Anodenstrom aufhört zu fließen. Da die Entionisierungszeit von der Intensität der Ionisation abhängig ist und diese wiederum von der Anodenstromstärke bedingt ist, wird die Zeitspanne für den höchstzulässigen mittleren Anodenstrom sowie die Temperatur der Gasfüllung angegeben. Bei quecksilbergefüllten Thyratrons normalerweise für eine Temperatur von +40°.
Die Entionisierungszeit verkürzt sich mit einer Reduktion des mittleren Anodenstroms oder der Abkühlung der Gasfüllung.

Der Anodenstrom


Der höchstzulässige mittlere Anodenstrom ist die einem Gleichstrom äquivalente Stromstärke, die die Röhre ständig liefern kann. Da die Strombelastung von Thyratron im allgemeinen nicht kontinuierlich sonderen in Impulsen auftritt, wird in den Betriebsdaten und Kennlinien sowohl der höchstzulässige Spitzenwert als auch der höchstzulässige Mittelwert des Anodenstroms amgegeben. Der Spitzenwert des Anodenstroms ist der Wert der kurzzeitig auftreten darf, ohne daß dabei dei Anode überhitzt oder die Katode durch zu starkes Ionenbombardment zerstört wird. Üblicherweise wird der Spitzenwert deshalb für verschiedene Frequenzen, meist bis 25 Hz und über 25 Hz, angegeben. Da bei niedrigen Frequenzen die Zeitspanne des Strominpulses zunimmt und dem entsprechend die Belastung für Katode und Anode steigen ist der höchstzulässige Strom in diesem Falle niedriger.
Der höchstzulässige Mittelwert des Anodenstroms ist maßgeblich für die Belastung des Thyrtrons. Tritt eine mittlere Belastung zusammen mit einer Impulsbelastung auf, so muss die Mittlere Strombelastung über die im Datenblatt angegebene Integrationszeitdauer berechnet werden.Wird beispielsweise im Datenblatt ein höchstzulässiger Mittelwert von 3 A, ein Scheitelwert von 20 A sowieceine Integrationsdauer von 10 s angegeben, so bedeutet dies, daß die Röhre einen Strom von 10 A für 3 s, einen maximalen Strom von 20 A für 1,5 s oder einen Strom von 3 A dauerhaft liefern kann. Das heist, daß das Produkt aus höchstzulässigem Mittelwert und Integrationszeit über die Integrationszeit nicht überschritten werden darf, wobei der Strom selbst durch den höchstzulässigen Spitzenwert begrenzt wird.

Die Gasfüllung


Wie auch bei anderen Röhre hat die Art der Gasfüllung entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaft des Thyratrons.
So ist die Steuerungskennlinie von Quecksilberdampf gefüllten Thyratrons sehr temperaturabhängig, da der Gasdruck mit steigender Temperatur ansteigt und verschiebt sich mit steigender Temperatur in Richtung zunehmender negativer Gitterspannung. Die Entionisierungszeit ist mit etwa 1 ms relativ lange, so daß diese Röhren nur bei niedrigen Frequenzen bis rund 500 Hz eingesetzt werden kann. Die Röhre muss immer senkrecht mit untenliegendem Sockel betrieben werden, damit sich das Quecksilber am Bden der Röhre sammelt. Nach der Inbetriebnahme muss mit dem Anlegen der Anodenspannung ein gewisse Zeit gewartet werden, bis die Katode genügent Quecksilber verdampft hat bzw. eventuell an Gitter und Anode haftendes Quecksilber verdampft ist. Diese Vorheizzeit genannte Wartezeit kann bis zu 30 Minuten betragen. Der grosse Vorteil der Quecksilberdampf gefüllten Thyratrons ist die hohe Brenndauer und grössere Sicherheit gegen Rückzündung.

Wir das Thyratron mit Edelgasen, wie beispielsweise Argon, Helium, Krypton, Neon oder Xenon, gefüllt ist die Steuerkennlinie praktisch temperaturunabhängig. Der Grund ist, das sich der Gasdruck innerhalb der Einsatzgrenzen kaum ändert. Die Lebensdauer eines Edelgas gefüllten Thyratrons verkürzt sich stark, wenn die Menge des Edelgases wärend der Betriebszeit allmählich absorbiert wird und der Gasdruck dadurch unter einen bestimmten Grenzwert abfällt. Daher versuchen die Hersteller eine möglichst grosse Menge des Edelgases in den Röhrenkörper zu bringen. Dies wird durch eine Erhöhung des Gasdrucks oder eine Vergrößerung des Röhrenkolbens erreicht. Aus technischen Gründen wir häufig die erste Möglichkeit gewählt um kompakte Abmessungen zu erreichen. Allerdings muss dabei beachtet werden, daß mit steigendem Gasdruch die maximal Anodensperrspannung reduziert wird.
In den 50er Jahren konnte mit Edelgas gefüllten Thyratrons eine maximale Sperrspannung von rund 1,3 - 1,5 kV erreicht werden, während Quecksilbergefüllte Ausführungen mit Sperrspannungen bis 20 kV einstetzbar waren. Der Vorteil der Edelgas gefüllten Thyratrons ist die sehr kurze Entionisierungszeit von wenigen Mikrosekunden, die einen Einsatz bei Frequenzen bis etwa 150 kHz ermölichte und der lageunabhängige Betrieb.

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Tetroden - Thyratrons

Außer den bisher betrachteten Thyratrons mit einem Gitter, den sogenannten Trioden-Thyratrons, werden auch Ausführungen mit zwei Gittern, sogenannte Tetroden-Thyratrons hergestellt.
Die Vorteile der Bauart mit zwei Gittern ist ähnlich denen der Verstärkerröhren:
Niedrigere Steuergitterströme, gerindere Steuergitter-Anoden-Kapazität und Verschiebbarkeit der Steuerkennlinie durch Veränderung der Schirmgitterspannung.

Durch den Einsatz eines Schirmgitters beiderseits des Steuergitters wird der Steuergitterstrom stark reduziert, während sich die Röhre im gesperrten Zutand befindet und beträgt nur noch einige Mikroampere. Dies ist vor allem in Schaltungen mit hohen Widerstand im Gitterkreis wichtig.
Wird der Gitterstrom in einer solchen Schaltung zu gross, so kann der am hohen Widerstand entstehende Spannungsabfall den Zündzeitpunkt verschieben und damit die ordnungsgemäße Funktion der Gesamtanlage gefährden. In diesen Fällen sollte man einem Tetroden-Thyratron den Vorzug geben.

In Folge der geringen Steuergitter-Anoden-Kapazität ist bei Tetroden-Thyratrons die Abhängigkeit des Eingangs- vom Ausgangskreis sehr gering und die Gefahr einer ungewünschten Zündung niedrig.
In manchen Schaltungen wird das Thyratron durch einen Impuls, welcher über einen Transformator an das Gitter geführt wird gezündet. Wird hierbei ein Trioden-Thyratron mit seiner hohen Gitter-Anoden-Kapazität verwendet, könne ein im Anodenkreis auftretender Impuls über die Gitter-Anoden-Kapazität an das Gitter übertragen werden und zu einer ungewollten Zündung des Thyratrons führen. In derartigen Schaltungen sollte ebenfalls ein Tetroden-Thyratron bevorzugt werden.

Der dritte Vorteil des Tetroden-Thyratrons besteht in der Möglichkeit, die Steuerkennlinie innerhalb eines gewissen Bereichs zu verschieben. Diese Verschiebung wird durch die Spannung am Schirmgitter erreicht. Diese Verschiebung kann genutzt werden um in kritischen Schaltung zwei Röhren mit leicht unterschiedlicher Charakteristik einander anzugleichen. Weiterhin können leichte, nach längerer Betriebdauer auftretende Veränderungen der Steuerkennlinie eines Thyratrons durch Verändern der Schirmgitterspannung korrigiert weren. Natürlich kann das Schirmgitter auch als zusätzliche Steuerelektrode genutzt werden um die Zündung einzuleiten.
 

Datenblattwerte für Thyratrons:


Bei Thyratrons (Stromtoren) wird im Datenblatt stets die höchstzulässige positive Anodenspannung angegeben. Dieser Grenzwert darf nicht überschritten werden, da oberhalb trotz ausreichender negativer Gitterspannung eine spontane Zündung der Röhre einritt. Diese Zündung kann bei längerer Dauer die Katode durch das starke Ionenbombardement zerstören. Ebenso ist die maximale negative Sperrspannung (negativ gegenüber der Katode) zu beachten, da bei Überschreitung ein Strom in umgekehrter Richtung durch die Röhre fließt. Der Einsatz dieser sogenannten Rückzündung hängt unter anderem von der Stärke der Ionisation und diese wiederum von der Frequenz des Anodenstroms. Deshalb muss die höchstzulässige Sperrspannung mit steigender Frequenz reduziert werden. Bei Quecksilberdampf gefüllten Ausführungen ist die Sperrspannung zusätzlich von der Temperatur abhängig. Mit steigender Temperatur steigt auch der Gasdruck im Röhrenkolben, was zu einer einer rasch sinkenden Sperrspannungsfestigkeit führt.

Im Vergleich zu Verstärkerröhren besitzen Thyratrons konstruktive Abweichungen.
Diese werden im nachfolgen Abschnitt erläutert:


Der Röhrenkolben besteht aus starkwandigem Glas, wie bei Röhren für den industriellen Einsatz üblich, um den häfig rauhen Betriebsbedingungen gewachsen zu sein. Die Anode besteht aus Metall oder Graphit, wobei die Formgebung so gewählt werden muss, daß eine gute Wärmeabfürung zwecks der Vermeidung von Sekundäremissionen sichergestellt ist. Die Katode, die direkt oder indirekt beheizt sein kann, weicht von der einer Verstärkerröhre ab. Da die Elektronen in gasgefüllten Röhren sich nicht immer in geradlinigen Bahnen bewegen, ist die Katode häufig gewendet ausgeführt. Diese Ausführung wird auch bei Quecksilberdampf gefüllten Gleichrichterröhren wie der GLE 10000/1/025 verwendet. Durch die gewendete Katode werden z. B. die Wärmeableitungsverluste beträchtlich verringert.
Die zum Anheizen benötigte Zeit hängt erheblich von der Konstruktion und Grösse der Katode ab und kann zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten liegen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß Röhren mit Quecksilberdampffüllung erst in Betrieb genommen werden können, wenn durch die Heizung genügend Quecksilber verdampft und damit der notwendige Gasdruck erreicht wird. Während der Anheizzeit darf keine Belastung im Anodenkreis der Röhre auftreten.

Das Steuergitter besitzt eine, abhängig von der gewünschten Steuerkennlinie, ring- oder siebähnlich Form, und besteht wie die Anode aus Metall oder Graphit.
In Thyratrons mit negativer Steuerkennlinie wird ein ringförmiges Gitter mit weiter Öffnung eingebaut (linke Abbildung), während Thyratrons mit positver Steuerungskennlinie meist mit eine siebförmige Metallscheibe als Gitter (rechte Abbildung).
Durch ein siebförmiges Gitter wird eine größere Abschrimwirkung zwischen der Katode und Anode erreicht, so daß die Zündung erst bei positiven Gitterspannungen erreicht wird.
In Tetroden-Thyratron ist zu beiden Seiten des Steuergitters ein zusätzliches Schirmgitter eingebaut, das wie das Steuergitter ring- oder siebförmig ausgeführt ist. Die Aufgabe des Schimgitters ist die Reduzierung den Steuergitterstrom und der Steuergitter-Anoden-Kapazität, wie bereits erwähnt.