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Cupra-Röhren Teil II, Richtlinien für die Entwicklung

Veröffentlicht in Glasröhren in traditioneller Quetschfuß-Technik (REN904, AF7)

 

RICHTLINIEN FÜR DIE ENTWICKLUNG DER
„Cupra Miniwatt“ RÖHREN 


 
Verminderte Heizleistung

 

Bei der Entwicklung dieser neuen Röhren ging man von dem Gesichtspunkt aus, ein neues Kathodenmaterial zu finden, bei dem die zugeführte Heizleistung kleiner ist als bei den bisherigen Röhren. Bisher betrug bei einer Wechselstromröhre, beispielsweise bei der E452T, bei 4 V Heizspannung der Heizstrom 1,0 Amp., die insgesamt zugeführte Heizleistung also etwa 4 Watt. Von dieser Leistung, die als ein Verlust bezeichnet werden muss, wurden rund 2,5 Watt durch das Kathodenröhrchen ausgestrahlt, während der Rest von 1,5 Watt an den beiden Enden der Kathode verloren ging. Dieser Wärmeverlust erscheint sehr hoch, wird aber verständlich, wenn man bedenkt, dass die Enden des Kathodenröhrchens offen sind, also eine volle Ausstrahlung der Wärme ermöglichen, und dass ferner die Wärme des Glühfadens über die Zuleitungsdrähte abgeleitet wird. Die von der Kathode ausgestrahlte Wärme ist als ein Verlust anzusehen, da die Elektronenemission, auf der die Arbeitsweise der Röhre beruht, nur von der Beschaffenheit, Oberfläche und Temperatur der Kathode abhängig ist. Will man diese Verlustwärme auf ein Minimum reduzieren (ganz vermeiden lässt sie sich natürlich nie), so muss man ein Kathodenmaterial finden, das sich durch zwei grundlegende Eigenschaften auszeichnet:

  • kleine Wärmestrahlung,
  • große Wärmeleitung.

 

Minimale Wärmeverluste

Eine kleine Wärmestrahlung zwecks Verminderung der Heizleistung und eine große Wärmeleitung zwecks gleichmäßiger Verteilung der Wärme Über die gesamte Kathodenlänge, ein sehr wichtiger Punkt, der im folgenden noch ausführlich behandelt wird.

Die Bedeutung einer stromsparenden Kathode 
für die Konstruktion von Radioröhren Reduziertes Empfängergewicht

 

So unbedeutend die Einführung einer wärmesparenden Kathode anfänglich zu sein scheint, so grundlegend sind die Änderungen, die sich dadurch für die Konstruktion der Radioröhren ergeben:

Die in Wärme umgesetzte Leistung wird vermindert und damit die Konstruktion des Empfängers vereinfacht und das Gewicht des Empfängers herabgesetzt.

Die Totallänge der Kathode kann durch ein Kathodenmaterial mit guten wärmeleitenden Eigenschaften wesentlich verringert werden, der wirksame und emittierende Teil der Kathode prozentual größer wird; dies bedeutet eine kürzere Elektrodenkonstruktion und damit auch kleinere Röhrenabmessungen.

Durch die verminderte Wärmestrahlung und günstige Temperaturverteilung können die Elektroden, vor allem das Steuergitter, näher an die Kathode herangebracht werden, ohne dass dadurch eine unzulässig hohe Gittertemperatur und damit eine Gitteremission auftritt. Es kann also auch aus diesem Grunde der Elektrodenaufbau verkürzt und die Heizleistung noch weiter vermindert werden, wenn man die Röhren mit denselben elektrischen Daten bauen will wie bisher.

Kleinere Apparate

Die kleinen Abmessungen der Röhren sowie die geringe im Empfänger entwickelte Totalwärme bedeuten eine außerordentliche Reduktion der Empfängerabmessungen, so dass durch die Konstruktion der neuen Röhren die Voraussetzungen für die Entwicklung von qualitativ hochwertigen Autoempfängern gegeben sind. Auch werden die Isolation und die elektrischen Eigenschaften der Röhren durch die ermäßigte Temperatur im Röhreninneren wesentlich verbessert. 

Bild 9: Die Konstruktion der Cupra-Miniwatt-Katode, das Herzstück dieser neuen Röhren. 

KUPFER....
DAS BESTE KATHODENMETALL

Bei der Suche nach einem neuen Kathodenmaterial, das den vorher genannten Voraussetzungen einer kleinen Wärmestrahlung und einer großen Wärmeleitung entspricht, erwies sich als das ideale Material eine Kupferkathode. Nachfolgende tabellarische Obersicht zeigt eine Zusammenstellung über die wichtigsten Eigenschaften der Metalle Nickel, Kupfer, Silber und Gold: 

Metall

Strahlungs koeffizient

Wärme- leitungs koeffizient

Schmelz punkt

Verdampfungs temperatur

Nickel

0,36

0,13

1484°

ca. 1400°

Kupfer

0,11

0,94

1083°

ca. 900°

Silber

0,07

0,99

960°

ca. 700°

Gold

0,13

0,74

1063°

ca. 1000°

Der Strahlungskoeffizient gibt die Wärmestrahlung eines Körpers im Verhältnis zur Strahlung eines schwarzen Körpers an. Den geringsten Strahlungskoeffizienten hat das Silber, dann kommt das Kupfer, dann Gold und dann Nickel. Das Silber wäre sehr gut geeignet, wenn nicht durch andere ungünstige Eigenschaften, die sich aus den folgenden Gegenüberstellungen ergeben, von einer Verwendung abgesehen werden müsste.

Wie schon weiter oben unter "Richtlinien" gesagt, ist eine große Wärmeleitfähigkeit für eine Kathode wichtig, da dadurch eine gute Ableitung der Wärme von der Kathodenmitte zu den Kathodenenden erreicht wird; in dieser Beziehung sind Silber und Kupfer am günstigsten, dann kommt Gold und ganz zum Schluss das Nickel mit nur 0,13.

Schmelzpunkt

Ein für die Fabrikation von Radioröhren äußerst wichtiger Punkt ist die Schmelztemperatur, die bei Nickel mit 1484° am günstigsten liegt. Dann kommt gleich das Kupfer, während die edlen Metalle Gold und Silber ungünstig abschneiden.

Verdampfung

Ein bemerkenswerter Faktor für die Wahl des Kathodenmaterials ist die hier angegebene Verdampfungstemperatur, obzwar dies nur ein sehr relativer Begriff ist, da ein Metall bei jeder Temperatur mehr oder weniger verdampft. Bei den hier angeführten Werten handelt es sich um Temperaturen, bei denen diese Verdampfung in der Röhrenfabrikation einen unzulässig hohen Wert zu Überschreiten beginnt. Auch hier zeigt es sich, dass das Kupfer viel günstiger ist als Silber oder Gold.

Zusammenfassung:

Kupfer

Dieses Metall hat die besten Eigenschaften, da hier der Strahlungskoeffizient bei einem für die Fabrikation zulässigen Schmelzpunkt am niedrigsten ist. Auch die Wärmeleitung und die Verdampfungstemperatur sind sehr günstig.

Nickel

Schmelzpunkt und Verdampfungstemperatur liegen sehr hoch; dies war auch der Grund, weshalb man bisher die Kathode von Radioröhren aus Nickel hergestellt hat. Dafür aber ist der Strahlungskoeffizient mehr als dreimal so groß wie bei Kupfer; auch die Wärmeleitung ist zu klein, so dass das Nickel seine bisher in der Kathodenfabrikation führende Stellung an das Kupfer abgeben musste.

Silber

Der Strahlungskoeffizient sowie die Wärmeleitung wären günstig, dafür liegen der Schmelzpunkt und die Verdampfungstemperatur so niedrig, dass an eine praktische Verwendung dieser Kathode nicht gedacht werden kann.

Gold

Strahlungskoeffizient und Verdampfungstemperatur liegen etwa in derselben Größenordnung wie beim Kupfer; aber die Wärmeleitung ist weniger günstig, auch der Schmelzpunkt liegt etwas niedriger und wurde dadurch die Fabrikation der Kathode erschweren. Dieses Metall, das nur bei ganz außerordentlich besonderen Eigenschaften als Kathodenmaterial geeignet wäre, kommt natürlich infolge seines hohen Preises und seiner praktisch gleichwertigen Eigenschaften wie beim Kupfer nicht in Betracht. 

Die ideale Katode ist aus Kupfer

Diese Übersicht zeigt, dass beim Kupfer eine geradezu ideale Verteilung aller für ein gutes Kathodenmaterial erforderlichen Eigenschaften vorliegt und dass es von den edlen Metallen keineswegs überboten wird !

Die Kupferkatode .... eine Philips - Erfindung !

Es wurden ausgedehnte Versuche über die Verwendbarkeit des Kupfers als Kathodenmaterial angestellt, und tatsächlich ist es den Philips Laboratorien gelungen, der Kupferkathode eine praktisch vollkommene Form zu geben. Die Entdeckung des Kupfers als hochwertiges Kathodenmaterial ebenso wie die Verwirklichung einer technisch vollkommenen und unübertroffenen Kupferkathode ist entschieden eine der wichtigsten jemals geleisteten Pionierarbeiten der Philips Laboratorien. Für die Entwicklung der Radioröhrentechnik eine ebenso wichtige und bahnbrechende Neuerung wie alle anderen bisherigen Philips Erfindungen!

Schwierigkeiten der Versuche

Die theoretischen Vorteile des Kupfers als Kathodenmaterial waren schon längere Zeit bekannt, und es wurden schon früher die Möglichkeiten einer fabrikmäßigen Herstellung von Kupferkathoden erwogen; es wären jedoch langwierige Vorversuche erforderlich, um diese theoretischen Erkenntnisse auch praktisch zu verwirklichen, da die Schwierigkeiten bei der Herstellung einer Kupferkathode vor allem in der geringeren Schmelztemperatur des Kupfers zu suchen sind, die wesentlich niedriger liegt als beim Nickel.

Diese Schwierigkeiten wurden durch die modernen außerordentlich verbesserten Fabrikationsmethoden, über die die Philips Fabriken heute verfügen, restlos behoben.

Größere Wärmeleitung

Ein äußerst wichtiger Faktor für eine gute Kathode ist eine günstige Wärmeverteilung über die gesamte Kathodenlänge. Bei den hohen Wärmeverlusten, die bei den früheren Kathodenkonstruktionen aus Nickel auftraten, ist es erklärlich, dass sich an den Enden der Kathode ein starkes Wärmegefälle ergab. Die untenstehende Abbildung veranschaulicht den Wärmeabfall an den Enden der Kathode.

Günstige Wärmeverteilung durch die hohe Wärmeleitung des Kupfers

Wenn man die Charakteristik einer Nickelkathode (strichliert) mit der in derselben Abbildung veranschaulichten Temperaturcharakteristik einer „Cupra Miniwatt“ (voll ausgezogen) vergleicht, so fällt es auf, dass diese Kurve äußerst günstig verläuft, d.h. dass die Temperatur über die ganze Länge der Kathode praktisch den gleichen Wert hat.

Bild 13.1  Cupra-Katode Wärmeverteilung

Die Gründe dafür sind in den guten wärmeleitenden Eigenschaften des Kupfers zu suchen. Da das Kupfer eine günstige Wärmeleitfähigkeit hat, wird die in der Mitte angesammelte Wärme an die Enden der Kathode weitergeleitet; es findet also ein ständiger Abtransport der Wärme von der Mitte gegen die Kathodenenden statt. Bei der Nickelkathode dagegen wird infolge der schlechten Wärmeleitung die in der Mitte angesammelte Wärme aufgespeichert und nur sehr langsam an die Kathodenenden weitergeleitet, wodurch die hohe Temperaturspitze in der Kathodenmitte entsteht. Auch die verminderte Wärmestrahlung am oberen Kathodenende ist bei der „Cupra Miniwatt“ Kathode mit ein Grund für die gute Wärmeverteilung Über die gesamte Kathodenlänge.

Vorteile der guten Wärmeleitung

Was für Vorteile ergeben sich aus diesen guten wärmeleitenden Eigenschaften der „Cupra Miniwatt“ Kathode? Während bei der Nickelkathode nur ein Teil der Kathode an der Emission teilnimmt, emittiert bei der „Cupra Miniwatt“ Kathode die gesamte Kathodenlänge, wodurch die wirksame Länge der Kathode wesentlich erhöht wird. Es kann daher die Heizleistung herabgesetzt werden, um dieselben elektrischen Daten für eine bestimmte Röhrentype zu erreichen wie bei den früheren Röhren mit Nickelkathode.

 

Bild 14.1

Verminderte Wärmestrahlung durch die „Cupra Miniwatt“ Kathode

Die Verminderung der Wärmestrahlung ist einer der wichtigsten Gründe, warum bei „Cupra Miniwatt“ Röhren die Heizleistung in so starkem Maße herabgesetzt werden konnte. Diese Gründe sind naheliegend, wenn man den völlig neuartigen, von allen bisherigen Konstruktionen abweichenden Aufbau der „Cupra Miniwatt“ Kathode betrachtet.

Um die Wärmeverluste so niedrig wie möglich zu halten, musste dafür gesorgt werden, dass die obere Öffnung des Kathodenröhrchens verschlossen wurde. Es wurde deshalb die aus den Abbildungen auf Bild 14.3 und Bild 15 ersichtliche Konstruktion gewählt. In die obere Öffnung, die natürlich die Wärme voll ausstrahlen würde, wird ein schwach konischer Metallpfropfen eingesetzt, der oben in einen dünnen Stift ausläuft. Der Pfropfen kann gerade noch in das Kathodenröhrchen gesetzt werden und wird dann in die Kupferkathode eingewalzt. Für den Pfropfen wird ein schlecht wärmeleitendes Material verwendet und dadurch vermieden, dass die Wärme in axialer Richtung der Kathode gegen das Ende abgeleitet wird. Der Pfropfen hat einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Kupfer und wird mit dem Ansatzstück aus einem Stück gedreht; es kann somit bis auf Bruchteile von Millimetern eine saubere und zuverlässige Konstruktion gewährleistet werden.

Bild 14.3 : Die Konstruktion der Cupra-Miniwatt-Katode, das Herzstück dieser neuen Röhren

Höchste Präzision

Die Befestigung der Katode am oberen Ende der Elektrodenkonstruktion erfolgt durch den Ansatzstift des Pfropfens, der durch das Glimmerplättchen hindurchreicht. Da sich die Kathode bei der Erwärmung ausdehnt, wurde eine Bewegung des Stäbchens in der Glimmerplatte ermöglicht; das beste Beispiel für die hohe Präzision dieser Konstruktion ist die Tatsache, dass die Stifte sämtlicher Kathoden einen Durchmesser von 0,6 mm haben, während die dafür bestimmte Öffnung in der Glimmerplatte einen Durchmesser von genau 0,58 mm hat, so dass der Stift einerseits stets geklemmt ist und dadurch eine vollkommen zuverlässige Zentrierung ermöglicht, anderseits aber eine axiale Dilatation erfahren kann, ohne dass dies zu unzulässigen inneren Spannungen führen würde.

Größerer Isolationsweg

Durch den Verschluss der Kathode mit einem Pfropfen und durch den aufgesetzten Stift wurde noch ein anderer wesentlicher Vorteil erzielt. Bekanntlich ist das rauschfreie Arbeiten einer Röhre in hohem Masse abhängig von der inneren Isolation; die Vermeidung von Kriechströmen zwischen den Elektroden war stets eines der wichtigsten Probleme für den Röhrenkonstrukteur. Wenn man die obige Abbildung 14.1 betrachtet, so sieht man, dass bei dieser früheren Kathodenkonstruktion die beiden Stäbe für die Konstruktion des Gitters (das Gitter selbst ist in der Abbildung nicht eingezeichnet) sehr dicht bei der Kathode angeordnet sind und dass ferner der gesamte Umfang der Kathode mit dem Glimmerplättchen in Berührung steht, so dass der Kriechweg von der Kathode zum Gitter und damit die Isolation nicht sehr gut ist.

Anders ist dies bei der neuen Konstruktion der „Cupra Miniwatt“ Röhren; hier berührt die Kathode (durch den aufgesetzten Stift des Pfropfens) das Glimmerplättchen

auf einem Umfang von nur 1,9 mm, was gegenüber 5,7 mm bei der früheren Konstruktion einer Verminderung des Kriechweges auf ein Drittel des ursprünglichen Wertes entspricht.

Durch diese Konstruktion des Kathodenendes wurden also drei Vorteile erreicht: Vermeidung der überflüssigen Wärmestrahlung. vorzügliche Zentrierung durch den Metallpfropfen und Verbesserung der Isolation durch Erhöhung des Kriechweges (a).

 

Bild 15

Diese spezielle Konstruktion der Katode wurde bei den Vorstufenröhren der Roten Serie wieder verlassen, ebenso die seitlich weggebognenen Gitterhaltestäbe. Es wurden wieder durchgehende, beidseitig offene Katodenröhrchen verwendet. Nur in größeren End- und Gleichrichterröhren kamen noch die oben nadelförmig zulaufenden Katodenrohre zum Einsatz.

Die Kathode

Ein nicht zu unterschätzender Faktor für die Wärmeabgabe waren die freien Enden des Porzellanröhrchens, die über das Nickelröhrchen hinausragten und einen wesentlichen Wärmeverlust durch Strahlung bedeuten. Bei den neuen Röhren wurde das Isolierröhrchen nicht länger als die Kathode selbst.

Das untere Kathodenende

Auch beim Aufbau des unteren Kathodenendes wurde eine neue Konstruktion verwendet, die sich durch eine ganz außerordentliche Verbesserung der inneren Isolation, also durch eine Verminderung des Kriechweges zwischen Kathode und Steuergitter auszeichnet. Hier ist es natürlich unmöglich, so wie beim oberen Ende die Kathode abzuschließen, da die Öffnungen für die Zuleitungen des Glühdrahtes frei gelassen werden mussten.

Die Abbildung 14.1 zeigt wieder, dass bei der früheren Konstruktion die Möglichkeit von Kriechströmen von der Kathode zum Gitter sehr groß war. Bei den neuen „Cupra Miniwatt“ Röhren (Abbildung 15.1) wurde über das Kathodenröhrchen ein zweiter niedrigerer Metallzylinder von etwa ein Millimeter Höhe angebracht; dieser Zylinder hat zwei Verlängerungen, die für die Befestigung des unteren Kathodenendes an der Glimmerplatte sorgen.

Für diesen Ring wird ein schlecht wärmeleitendes Material verwendet, wodurch man erreicht, dass sich die Kupferwärme nicht über die Länge des eigentlichen Kathodenröhrchens hinaus verbreitet. Ferner muss ein Metall verwendet werden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem Koeffizienten des Kupfers entspricht.

Keine schädlichen Kriechströme

Die beiden genannten Verlängerungen sind in die untere Glimmerplatte festgeklemmt, wodurch die Kathode am unteren Ende praktisch ohne Kriechweg für parasitäre Ströme befestigt werden kann; die Kathode kommt also selbst nicht in Verbindung mit dem Glimmer. Auch hier erzielt man den Vorteil, dass der Weg zwischen Gitterträger und Kathode wesentlich vergrößert wird, um so mehr, als bei bestimmten "Cupra" Miniwattröhren die Gitterstäbe unten umgebogen sind.

 

Fortsetzung: Cupra-Röhren Teil III

 

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