RGN1500 (RGN1500): Ersatzschaltung

Die RGN1500 ist eine Zweiweg-Gleichrichterröhre, die keine Heizung benötigt, weil sie zur Gleichrichtung eine Glimmentladung verwendet. Diese Type (oder die entsprechende Paralletype G132 ) findet sich in wenigen Radios zum Beginn der '30er Jahre. Heute ist diese Röhre selten und demzufolge nur teuer zu beschaffen.

Wie könnte man sie ersetzen? Etwa "standardmäßig" durch zwei Halbleiterdioden 1N4007 und einen geeigneten Vorwiderstand?
Zunächst wird die Funktionsweise des Glimmgleichrichters aus der zeitgenössischen Literatur betrachtet um daraus ein Ersatzschaltbild zu gewinnen, welches dann "nachgebaut" werden kann.

Zur Funktionsweise des Glimmgleichrichters

Hierzu zunächst eine grundsätzliche Beschreibung der Funktionsweise aus "Engel, A.v.; Steenbeck, M.: Elektrische Gasentladungen, ihre Physik und Technik, Bd.2, Springer, 1934"

§ 90. Der Glimmgleichrichter.

Alle Glimmentladungsstrecken, in denen die beiden Elektroden in  irgendeiner Weise unsymmetrisch sind, zeigen Gleichrichterwirkung; z. B. kann die Zündspannung in der einen Polarität niedriger sein als in der anderen (verschiedenes Elektrodenmaterial oder ‑form), oder dieEntladung wird ungleich anomal und hat deswegen verschieden hohe Brennspannungen (ungleich große Fläche). Den prinzipiellen Aufbau eines solchen Gleichrichters zeigt Abb. 166; eine großflächige Elektrode K, die hier als Zylinder angenommen ist, umschließt eine zweite kleine Elektrode A (Draht, größtenteils durch ein Isolierrohr abgeschirmt).

Das Gefäß ist gefüllt meistens mit Neon von etwa 10 mm Druck.  Diese Entladungsstrecke läßt bei Wechselspannung Strom hindurch im wesentlichen nur in den Halbwellen, in denen die großflächige Elektrode K als Kathode wirkt. Ein gleich großer "Rückstrom" könnte  über die kleinflächige Elektrode nur mit einer stark  anomalen Entladung fließen. Aus den Charakteristiken entnimmt man, daß für derartige stark anomale Stromdichten sehr viel höhere Spannungen vom Rohr aufgenommen werden müßten. Umgekehrt wird zur Verminderung des Kathodenfalles in Flußrichtung die Kathode mit Barium überzogen und zur Vergrößerung der Stromdichte als Hohlkathode ausgeführt. Auch in der Sperrichtung, in der A die negative Elektrode ist, fließt ein Rückstrom, im wesentlichen bestimmt durch die Oberfläche von A. Diese beträgt nun meist < 0,1 cm², während die Oberfläche von K > 100 cm² sein kann.
Die Ströme verhalten sich bei gleicher Elektrodenspannung wie die Elektrodenoberflächen, so daß selbst dann, wenn in Sperrichtung eine höhere Spannung am Gleichrichter liegt als in Flußrichtung, immer noch ein Verhältnis Flußstrom: Rückstrom wie 100: 5 oder mehr erreicht werden kann.

Sollen die Glimmgleichrichter nicht als Einweggleichrichter betrieben werden, sondern als Zwei‑ oder Mehrweggleichrichter, so ordnet man mehrere Anoden und eine gemeinsame Kathode an. Dabei können die Anoden noch durch leitende oder isolierende Trennwände voneinander abgeschirmt sein, um die Ausbildung einer stromstarken Entladung von Anode zu Anode zu unterdrücken. Die Schaltungen bei Mehrweggleichrichtern sind im übrigen die gleichen wie bei den Quecksilberdampfgleichrichtern.

In "Lehmann, W: Die Rundfunk- und Tonfilm-Technik, 2.A., Killinger, 1932" wird speziell auf die RGN1500 eingegangen. (Die Type wird zwar nicht ausdrücklich benannt, ist jedoch aus den Bildern eindeutig zu erkennen.)

Die Glimmlichtgleichrichter sind nur für kleine Ströme, aber für viel höhere Spannungen geeignet. Sie gehören wie die vorher beschriebenen zu den Kaltgleichrichtern, d. h. sie benötigen zum Betrieb keiner besonderen Heizung. Der Glimmlichtgleichrichter in der Ausführung der sog. Raytheon‑Röhre ist eine von Deutschland (Dr. Schröter) nach Amerika gekommene Erfindung, die später in Deutschland von der AEG weiterentwickelt wurde. In einem gasgefüllten Raum sind Elektroden angebracht, die eine verschiedene Emissionsfähigkeit für das Austreten von Elektronen besitzen und bei Anlegen einer Wechselspannung eine ausgeprägte Gleichrichterwirkung hervorrufen. Die Gasatmosphäre besteht in der Hauptsache aus Helium mit schwachen Beimengungen von unedlen Gasen und Metalldämpfen. Der Gasdruck beträgt nur wenige Millimeter. Als Kathodenmaterial haben sich ähnlich wie bei den Rundfunkoxydröhren Erdalkalioxyde besonders bewährt, mit denen die Kathode überzogen wird. Dabei bildet sich dann an der Oberfläche ein feiner Überzug von Alkalimetall, welcher die eigentlich wirksame Substanz für den Elektronenaustritt darstellt.

Besonders wichtig aber ist die Formgebung von Anode und Kathode. Die Ansicht und der Schnitt einer Raytheon‑Röhre lassen ihre eigenartige Gestaltung in Abb. 518 und 519 gut erkennen.

Um den Austritt der Elektronen zu erleichtern, ist die Kathode K als eine pilzartige, geschlossene Haube mit relativ großer Oberfläche ausgebildet, während die Anoden A₁ und A₂ als kleine Stifte durch enge Öffnungen in den von der Kathode umschlossenen Raum hineinragen. Um Entladungen außerhalb dieses Raumes zu verhindern, sind die Anoden nach außen hin durch zwei übergeschobene enge Steatitröhren S vollkommen abgedeckt. Die Anodenzuführungen sind durch zwei mit dem Glasfuß F verbundene und von den Verlängerungen der Steatitröhrchen manschettenartig umschlossene Glasröhrchen O noch besonders geschützt. Durch die eigenartige Konstruktion in Verbindung mit der Wahl der Gasatmosphäre und des Kathodenmaterials ist es gelungen, bei Anlegen einer Wechselspannung von 2mal 220 Volt (in Doppelwegschaltung) einen Strom von 100mA in der Richtung Kathode/Anode zu erzielen, während der Strom in umgekehrter Richtung nur 2 bis 4 mA beträgt. Diese geringen Rückströme sind nicht nur nicht schädlich, sondern für das gute Arbeiten der Röhre von großer Bedeutung. Sie bewirken nämlich die für die Einleitung der Hauptentladung notwendige Vorionisation der Gasstrecke.

Bei Spannungen unter 100 Volt arbeiten die Raytheon‑Gleichrichter nicht mehr einwandfrei; die Grenze nach oben ist 300 Volt. Sie sind also, auch mit Rücksicht auf die erzielbare Stromstärke, ausgesprochene Anodenspannungsgleichrichter. Für ein gutes Arbeiten und zur Erhöhung der Gleichspannung ist eine ausreichende Kapazität von etwa 10 bis 16μF auf der Sekundärseite Bedingung. Unter diesen Verhältnissen arbeiten die RaytheonRöhren recht betriebssicher und besitzen eine große Lebensdauer. Der Spannungsabfall in der Röhre ist während der kurzen Zeitabschnitte, in denen die Stromstöße erfolgen, nahezu unabhängig von der Stromstärke, und zwar gleich etwa 80 Volt.

Die Abb. 520 gibt die Abhängigkeit der sekundären Gleichspannung von der primär angelegten Wechselspannung wieder. Die Kurve a gilt für einen Gleichstrom von 20 mA bei einer Sekundärkapazität von 10 μF. Die Kurve b gilt für 100 mA Gleichstrom. Der Spannungsabfall bei Belastung ist zwar größer als bei den meisten anderen Gleichrichtern; der besondere Vorteil liegt in dem Fehlen einer Heizwicklung. Trotzdem werden Glimmlicht‑Gleichrichter fast nicht mehr verwendet, da sie wie alle gasgefüllten Gleichrichterröhren Veranlassung zu Hochfrequenzstörungen geben.

Die Ersatzschaltung

Wenn man das Ersatz-Schaltbild hat, braucht man dieses bloß nach zu bauen und hat damit die Ersatzschaltung.

Aus der physikalischen Beschreibung der Glimmgleichrichterröhre entnimmt man, daß (aufgrund der Glimmentladung) in dieser ein Spannungsfall von ca. 80V entsteht. (Genauer ca. 86V bei Füllgas Helium und Barium als Katodenmaterial; nach Engel/Steenbeck)

Die prinzipielle U-I-Kennlinie einer Glimmentladung bzw. einer "Gasdiode" zeigt das nächste Bild ("Korneff, T.: Introduction to Electronics, Academic Press, 1966")

Die "Arbeits"-Region ist von B nach C, wo die Spannung ca. E_R ist. Um dort hin zu kommen, ist zuvor eine "Zündspannung" E_I erforderlich. Dies ist charakteristisch für Gasentladungen, daß diese zuerst "zünden" müssen, damit das zunächst neutrale Füllgas zu einem leitfähigen Plasma wird.

Eine Ersatzschaltung für die RGN1500 wird nicht unbedingt eine Gasentladungsstrecke (z.B einen Glimmstabi) enthalten und muß dann nicht erst "zünden" um zu funktionieren.

Man kann also das Ersatzschaltbild gemäß demjenigen für Halbleiterdioden entwickeln.

In der ersten Näherung betrachtet man eine "ideale" Diode.

In der zweiten Näherung wird die Kniespannung der Diode berücksichtigt.

Im Falle der RGN1500 sind das die ca. 80V.  Diese 2. Näherung beschreibt die Kennlinie der RGN1500 also nur in ihrem Arbeitsbereich.

In der dritten Näherung wird nun noch der (differentielle) Widerstand r_B = ΔU/ΔI der Diode in Flußrichtung berücksichtigt.

In der Figur 4.35 entspricht dieser Widerstand der Steigung der Charakteristik im Berich B - C.

Die hier in den Ersatzschaltbildern gezeichnete Batterie kann für einen Nachbau durch geeignete (leistungstarke) Z-Dioden oder eben auch durch einen Glimmstabi mit geeigneter Brennspannung ersetzt werden.

Da mir keine RGN1500 vorliegt, können keine (genauen) Zahlenwerte für die Brennspannung und für den differentiellen Innenwiderstand angegeben werden. Vielleicht kann ein Besitzer eines Glimmgleichrichters die Meßwerte beisteuern.

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.

Da keine Meßwerte einer RGN1500 vorliegen, kann man sich aus den Informationen der Literaturstellen ungefähre Werte herleiten.

Die U/I Kennlinie der Ersatzschaltung der RGN1500 hat die prinzipielle Form der cyan Kurve.

Der gesuchte Ersatz-Innenwiderstand R_i der RGN1500 ergibt sich aus dem Quotienten ΔU/ΔI für die cyan Kurve.

Aus der Abb. 520 entnimmt man näherungsweise  ΔU = 26V für ΔI = 80 mA. Das ergibt einen Innenwiderstand der RGN1500 - und damit einen Ersatzwiderstand - von Ri = 324 Ω. Also wird man 330 Ω wählen. 

Folglich ergibt sich als Ersatzschaltung für die RGN1500 folgendes.

• Gegentakt-Gleichrichter mit zwei 1N4007
• In Serie dazu Z-Diode oder Glimmstabi mit ca. 86 V
• Weiter in Serie dazu ein Widerstand von 330 Ω

Die beim Ersatz von "normalen" Gleichrichter-Röhren gerne gewählte Schaltung mit den beiden 1N4007 und einem Serien-Widerstand geht "theoretisch" nur dann, wenn der Arbeitspunkt der zu versorgenden Schaltung stabil ist und sich nicht verschiebt, z.B. bei unterschiedlichen Lautstärken. Wie der Steigung der magenta Kurve zu entnehmen ist, muß der entsprechende Serien-Widerstand hier sehr viel größer gewählt werden. 

Wenn nun aber der Laststrom abnimmt, vermindert sich der Spannungsfall im Netzteil, wodurch die Spannung für den angeschlossenen Empfänger entsprechend steigt. Da die RGN1500 in Empfängern ohne eingebauten Lautsprecher vorkommt, tritt der Fall der sehr hohen Anodenspannung genau dann auf, wenn der Lautsprecher ausgesteckt wird - oder seine Leitung eine Unterbrechung hat.

Mit der RGN1500 oder der korrekten Ersatzschaltung ergibt sich dieses Problem nicht, weil eine "Gasdiode" zum Leiten einen gewissen Mindeststrom benötigt, wie aus der Figur 4.35 hervorgeht. Wird dieser unterschritten, steigt der Spannungsfall in der Röhre an - oder sie zündet erst gar nicht. Dadurch ist die Empfängerschaltung vor unzulässig hohen Anodenspannungen geschützt.

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.

In "Schröter, F.: Glimmlampen, Glimmstrecken und ihre Schaltungen, Hachmeister & Thal, 1939"  finden sich einige weiter gehende Erklärungen zu den Glimmgleichrichtern. Prof. Schröter hat u.a. über Glimmentladungen geforscht. Später war er mit Fernsehtechnik befaßt.

Gleichrichterwirkung von Glimmlampen

Die Elektrodenspannung oder Klemmenspannung einer normalen Glimmlampe ist praktisch durch den Kathodenfall gegeben. Dasselbe gilt, für Glimmlicht-Gleichrichter bei geringem Anoden-Kathodenabstand, d. h. für die hergebrachte technische Form derselben. Die Ventilwirkung dieser Röhren beruht auf der Richtungsabhängigkeit des Kathodenfalles, der an der großflächigen, präparierten Elektrode bis zu hohen Stromstärken hinauf nahezu normal bleibt, an der möglichst punktförmigen Gegenelektrode aber schon bei schwachem Strome anomal wird.

In Abb. 99 sind nach Messungen von F. Schröter für drei verschiedene Kathodengrößen (65 mm², 200 mm² und 800 mm²) die Kathodenfallwerte als Funktion der Stromstärke aufgetragen. Aus ihrem Verlauf geht deutlich hervor, daß jede Glimmstrecke, deren Elektrodenflächen erheblich ungleich sind, z. B. ein Draht gegenüber einer Platte dank der Differenz ihrer Durchlaßwiderstände (U/J) in beiden Stromrichtungen regelrechte Ventilwirkung äußern muß. Dieses Verhalten wird bei den Glimmlicht-Gleichrichterröhren mit bariumaktivierter Kathode, besonders wenn die Anode aus einem Stoff mit ausgesprochen hohem Kathodenfall, z. B. Kohle, besteht,durch die Materialverschiedenheit der Elektroden noch beträchtlich unterstützt.

Um den Wirkungsgrad einer Ventilröhre zu ermitteln, ist es erforderlich, die Strom-Spannungskennlinie in beiden Durchlaßrichtungen aufzunehmen. Unter Berücksichtigung von Metallen mit ungleichem Kathodenfall ergibt sich dann ein Bild, wie es in Abb. 100 schematisiert dargestellt ist.

Kurve I ist die Brennkennlinie der Durchlaß- oder Nutzphase, II die Brennkennlinie der Rückstrom- oder Sperrphase. Den eigentlichen Gleichrichtvorgang läßt uns Abb. 101 verstehen, in der ebenfalls von allen Komplikationen abgesehen wurde. Hier sind in beiden Phasen die Durchlaßkennlinie I und die Rückstromkennlinie II entsprechend Abb. 100 eingezeichnet. Nach Erreichen der Zündspannung brennt die Röhre solange mit konstantem Spannungsabfall, wie U> U_B ist. Während dieser Zeit entspricht der dem Verbraucher zufließende Nutzstrom der gestrichelten Kurve J. Mit dem Verlöschen  der Entladung geht J naturgemäß auf Null zurück, um dann beim Überschreiten der Rückzündspannung in der negativen Halbwelle mit umgekehrtem Vorzeichen wieder einzusetzen. Da jedoch in diesem Intervall die kleinflächige Elektrode als Kathode wirkt und daher keine gleichbleibende, sondern eine steil ansteigende, etwa stromproportionale Brennspannung (anomaler Kathodenfall!) herrscht, läuft U_B nahezu auf den vollen Wert der Speisespannung U hinauf, während der Rückstrom verhältnismäßig schwach bleibt.

Naturgemäß ist der Nutzeffekt eines solchen Gleichrichters ziemlich gering. Ein großer Teil der Speisespannung geht ja als Brennspannung der Röhre verloren, ferner wird der Nutzstrom durch den Rückstrom immerhin nicht unerheblich kompensiert. Daher erreicht der Wirkungsgrad selbst bei kraß verschiedenen Elektrodenflächen und -materialien keineswegs die Werte der Hochvakuumventile oder der gasgefüllten Ventile mit Glühkathode. Diesen Ausführungsformen gegenüber sind jedoch beim Glimmlicht-Gleichrichter das Wegfallen der Kathodenheizung und die ständige Arbeitsbereitschaft betriebstechnische Vorzüge, die in gewissen Fällen den Ausschlag geben.

Gleichrichter

Für die Entnahme von Gleichstrom bis zu etwa 100 mA aus Wechselstromnetzen sind Glimmlampen mit der Charakteristik ausgeprägter Richtungswiderstände als Gleichrichterröhren überall dort geeignet, wo ihr ziemlich geringer Wirkungsgrad nicht hinderlich, ihre technische Einfachheit dagegen entscheidend ist. Sie dienen vorzugsweise zum Laden kleiner Sammlerbatterien, zur Versorgung von Fernmeldeanlagen mit Gleichstrom¹) sowie zur Lieferung der Anodengleichspannung für kleinere Röhrensender (bis zu 1000V). Vorübergehend haben sie auch als Netzanschluß-Gleichrichterröhren in Rundfunkempfängern Verwendung gefunden. Der Ventileffekt einer Glimmstrecke beruht auf der Verschiedenheit der nutzbaren kathodischen Austrittsfläche für beide Stromrichtungen. Diejenige Elektrode, die in der Fließrichtung des Gleichstromes als Anode wirkt, ist rundherum durch Isolatoren von sehr geringem Abstand begrenzt, so daß sie in der Sperrichtung (als Kathode) nur eine minimale Glimmstromentwicklung zuläßt. Die Gegenelektrode besitzt eine möglichst große Fläche, an der durch die Edelgasfüllung (Helium)²) und durch kathodenfallerniedrigende Mittel, z. B. dünne Zäsium- oder Bariumoxydüberzüge, ferner zum Teil durch Formgebung als Hohlkathode für die Herabsetzung des Spannungsbedarfs und die Erhöhung der Nutzstromstärke gesorgt wird.

Abb. 42 veranschaulicht die grundsätzliche Schaltung einer Ladeglimmröhre für Einweggleichrichtung (A Anode, K Kathode, R Vorschaltwiderstand), Abb. 43 diejenige für Zweiweggleichrichtung ³⁾. Die für die ersterwähnte Schaltung zunächst geschaffenen 110V- und 220V-Typen der J.Pintsch AG. und der Osram G.m.b.H. wurden alsbald verdrängt durch den Zweiweggleichrichter, den Abb. 44 in der Ansicht und im Längsschnitt zeigt.

Er ist in Amerika als "Raytheon", in Deutschland als Telefunken-Gleichrichter RGN1500 bekannt geworden. Die maximalen Daten des letzteren sind folgende:

Anodenwechselspannung 2 * 300 V eff.   Höhe einschließlich Sockel,

Gleichstrom  100 mA                                  ohne Stecker 95mm
Spannungsverlust  ca. 100 V                     Kolbendurchmesser 46 mm
                                                                     Sockeldurchmesser 30 mm

Ein Vorteil des Glimmlicht-Gleichrichters im Vergleich mit Glühkathoden-Gleichrichtern ist das Wegfallen der Heizung und der dafür benötigten Transformatorwicklung, ferner die völlige Kurzschlußsicherheit. Die Röhre RGN 1500 hat sich für die Speisung von kleineren Kraftverstärkern und zur Felderregung dynamischer Lautsprecher als geeignet erwiesen. Ursprünglich war sie besonders als Gleichrichterröhre für netzgespeiste Rundfunkempfänger gedacht. Bei dieser Verwendung sind jedoch öfters hochfrequente Störungen aufgetreten, die durch die steile Stromkurve des Glimmeinsatzes (d. h. durch den starken Gehalt an Oberschwingungen der Netzfrequenz) bedingt waren und von der dadurch bewirkten Stoßerregung der Schwingkreise und der Röhrengitter herrührten. Will man für den genannten Zweck trotzdem bei der RGN 1500 bleiben, so müssen die Primärseite des Transformators sowie die Ausgangsseite des Gleichrichters mit Hochfrequenzdrosseln versehen und alle Teile, einschließlich der Glimmröhre, gut gegen den eigentlichen drahtlosen Empfänger abgeschirmt sein.

¹⁾ Vgl. z. B. K. Lorenz, Die Verwendbarkeit von Edelgasgleichrichtern in der Schwachstromtechnik; Elektrotechnik und Maschinenbau, 1924, Heft 11, worin hauptsächlich die Ausnutzungsmöglichkeiten für Telegraphenanlagen behandelt sind. Es werden dort auch die transformatorlosen Zwei- und Vierröhren-Schaltungen (nach Greinacher und Graetz) beschrieben.

²⁾ Über den Grund, weshalb hier anstelle des billigeren handelsüblichen Neon-Heliumgemisches sorgfältig gereinigtes Helium als Füllgas angewendet werden muß, s. Katodenzerstäubung.

³⁾ Man kann diese Röhren auch für Drehstrom mit N Anoden und einer gemeinsamen Kathode bauen und in den üblichen Mehrphasen-Gleichrichterschaltungen betreiben (N Phasenzahl). Technische Bedeutung haben solche Ausführungsformen nicht erlangt.

Katodenzerstäubung

In völlig reinem Helium ist bis zu sehr hohen Spannungen hinauf keine Kathodenzerstäubung nachweisbar. Diese Erfahrung ist bei den Glimmlicht-Gleichrichtern  ausgenutzt worden. Bei derartigen Röhren, die anfänglich mit handelsüblichem Neon-Helium-Gemisch hergestellt waren, werden ja die sehr kleinflächigen Anoden während der Sperrzeit zu Kathoden. Sie neigen deshalb bei den hohen Werten der dann an ihnen herrschenden Stromdichte und Spannung (Kathodenfall!) grundsätzlich zu raschem Zerstäuben, mit der Folgeerscheinung beschleunigter Gasaufzehrung (unter sonst gleichen Bedingungen ist die Zerstäubungsmenge der Stromdichte und dem Kathodenfall proportional). Unter allen versuchten Gegenmitteln hat allein die Füllung mit reinem Helium ausreichenden Schutz geboten. Blieb Neon, wenn auch nur in geringen Mengen, zugegen, so trat die Schutzwirkung nicht ein, die Röhren gingen durch intensive kathodische Zerstäubung ihrer Anoden rasch zugrunde.

Die Katodenzerstäubung, die bei Verunreinigung des Heliums entsteht, könnte der Grund dafür sein, wenn eine RGN1500 "taub" geworden ist.

MfG DR

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Herr Eckhardt Kull hat einen Scan aus der ETZ (Elektrotechnische Zeitschrift) 1928 zur RGN1500 gefunden und zur Verfügung gestellt. Vielen Dank!

MfG DR

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