1     Einleitung

In meinem Röhrenfundus habe ich einige Röhren entdeckt, die passionierten Röhrensammlern sicherlich bekannt sind, mit denen ich mich aber zuvor nie beschäftigt habe. 

Die Rede ist von Zähl-  und Anzeigeröhren, die in den fünfziger Jahren erschienen und ähnlich den 1954 von der Fa. Burroughs Corporation eingeführten Nixie - Röhren eine Glimmentladung zur Anzeige einer registrierten Pulszahl verwendeten. Während Nixie - Röhren die Anzahl der registrierten Pulse aber in "Klarschrift" mit Hilfe von Glimmkathoden in Form der Ziffern 0 ... 9 anzeigen, begnügten sich die hier angesprochenen Röhren mit einem einfachen von einer Glimmentladung erzeugten  Leuchtpunkt der, von den eintreffenden Pulsen gesteuert, in einer kreisförmigen Kathodenmatrix von einer Kathodenspitze zur nächsten sprang. Die Kathoden waren nummeriert und so konnte man anhand der gerade gezündeten Glimmentladung ablesen, wieviele Pulse registriert wurden.

Gemeinsamen war diesen Röhren die Fähigkeit weder einen zusätzlichen Pulszähler noch eine zusätzliche Anzeige zu benötigten. Sie erledigten beide Aufgaben in einer Röhre. Man könnte sich die Frage stellen, warum man angesichts der genannten Vorteile nicht einfach bei diesen Zählröhren geblieben ist. Die Gründe für die Abkehr von diesen Röhren lagen seinerzeit sicher z.T. bei den hohen Herstellungskosten, im Besonderen aber bei der relativ niedrigen maximalen Zählgeschwindigkeit. Diese lag nämlich typabhängig im Bereich von einigen KHz bis zu einigen 10 KHz und konnte mit der in den fünfziger Jahren anlaufenden rasanten Entwicklung der digitalen Datenverabeitung bei weitem nicht schritthalten.

Aus der Vielzahl der mit Glimmentladungen arbeitenden Zähl- und Anzeigeröhren habe ich hier drei Typen herausgegriffen, die sich zufällig in meinem Besitz befinden

2     Die DEKATRON Zähl - und Anzeigeröhre GS10D

Die Röhre, die mich durch ihre raffinierte Funktionsweise besonders fasziniert, ist die Dekatronröhre GS10D. Diese im Jahr 1959 von ETL (Ericsson Telephones Limited) eingeführte, mit Neon-Gas gefüllte  bi-direktionale Zähl-/ Anzeigeröhre mit einer maximalen Zählfrequenz von 20 KHz werde ich hier näher beschreiben.

Hier zunächst die Daten der Röhre aus dem Ericsson Datenbuch:

Alle Bilder können durch Anklicken vergrößert werden!

Aufbau der GS10D

Das Elektrodensystem dieser Röhre besteht aus einer zentralen, tellerförmigen Anode, umgeben von einem Kreis von 30 äquidistant angeordneten identischen Nadelektroden, deren Spitzen bis zur Ebene der Anode reichen und in Richtung des Röhrendoms zeigen.

Zehn dieser Elektroden repräsentieren die Hauptkathoden K₀ ...K₉ und dienen zur Anzeige der gezählten Pulse durch eine die Spitze umgebende Glimmentladung, während die restlichen 20 Elektroden dazu dienen, die Glimmentladung bei jedem eintreffenden Puls um eine Hauptkathode weiterzuleiten.

Die Röhre wird so in Apparaturen eingebaut, dass der Röhrendom von außen durch einen Frontplattendurchbruch sichtbar ist. Man blickt also auf die Spitzen der Elektroden. Der Durchbruch erhält eine kreisringförmige Blende mit aufgedruckten Ziffern 0 ... 9 die so ausgerichtet ist, dass sie neben den 10 entsprechenden Hauptkathoden K₀ ... K₉ liegen.

Um alle 13 System-Verbindungen am Röhrensockel herausführen zu können, versah man den  Duodekal-Sockel mit einem zusätzlichem Bodenkontakt am Führungspin.

Das linke Bild zeigt den schematischen Aufbau des Elektrodensystems. Jede Hauptkathode ist von 2 Transferelektroden eingerahmt, in der englischsprachigen Literatur i.a. als "First Guides" und "Second Guides" bezeichnet. Entsprechend ihrem Wirkungseinsatz verwende ich hier die Bezeichnung primäre und sekundäre Transferelektroden. Die 10 primären Transferelektroden und die 10 sekundären  Transferelektroden sind jeweils untereinander verbunden.

Die primären Transferelektroden liegen im Uhrzeigersinn neben den Hauptkathoden, die sekundären entgegen dem Uhrzeigersinn.

Funktionsablauf

Anstelle der in den ETL Datenblättern oben gezeigten detaillierten Schaltbilder verwende ich ein für das grundsätzliche Verständnis der Funktionsweise ausreichendes vereinfachtes Schaltbild.

Die zu zählenden Pulse durchlaufen zunächst einen Vorverstärker und eine Formungsstufe die bewirkt, dass der Pulseingang im Ruhezustand auf positivem Potential liegt und eintreffende Pulse einen negativen Potentialabfall unterhalb des Nullniveaus der Schaltung bewirken. 

Nehmen wir an, das Gerät wurde gerade eingeschaltet und eine aus den Datenblättern ersichtliche Resetschaltung (s.o.) sorgte dafür, dass an der Kathode K₀ eine Glimmentladung brennt.

Trifft nun der erste zu zählende Puls ein, so springen, über einen Vorwiderstand angesteuert, zuächst alle primären Transferelektroden synchron auf negatives Potential. Obwohl wie bereits oben erwähnt alle 10 miteinander verbunden sind, bildet sich NUR an der im Uhrzeigersinn neben der Hauptkathode K₀ liegenden primären Transferelektrode eine Glimmentladung aus. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass NUR K₀ durch die dort gezündete Glimmentladung "konditioniert" ist, d.h. NUR die nähere Umgebung von K₀ ist von einer Wolke positiv geladener Ne - Ionen umgeben, die  das Anspringen der Glimmentladung an der ihr nächsten Transferelektrode fördert. Da das Potential der Transferelektrode negativer ist, als das der Hauptkathode K₀, die ja auf Nullpotential liegt, springt die Glimmentladung auf die Transferelektrode über und die an der Hauptkathode K₀ erlischt.

In dem Moment wo die Glimmentladung an der primären Tansferelektrode zündet, fällt ihr Potential infolge Stromfluss durch den Vorwiderstand auf die Brennspannung ab. Die Entladungsbrenndauer an der primären Transferelektrode dauert nur ca. 75 µs.

Kurz danach haben nämlich die über das RC - Integrationglied  mit dem Pulseingang verbunden sekundären Transferelektroden die Zündspannung erreicht, aber wiederum zündet nur diejenige, die zwischen der zuvor gezündeten primären Transferelektrode und der folgenden Hauptkathode K₁ liegt. Das Potential der sekundären Transferelektrode ist nun negativer als das der primären Transferelektrode (das ja inzwischen auf die Brennspannung abgefallen war) und die Entladung an der letzteren erlischt.

Nach dem Rücksprung des Pulseingangs auf das positive Ruhepotential brennt die Glimmentladung an der sekundären Transferelektrode noch für einen kurzen Zeitraum weiter bis die Kondensatorentladung ihre Spannung unter die Brennspannung sinken lässt, um dann auf die Kathode K₁ überzuspringen.

Auf diese Weise wird die Glimmentladung durch die beiden Transferelektroden bei jedem eintreffenden Puls um eine Hauptkathode weitergereicht. Wir haben eine kombinierte dekadische Zähl- und Anzeigeröhre

Interessanterweise kann man diesen Prozess der "gleitenden" Glimmentladung auch umgekehren, also den Zähler rückwärts laufen lassen, indem man den Integrationskondensator "C" hinter dem Serienwiderstand aus der Stromzuführung der sekundären Transferelektroden entfernt und in die Zuführung der primären Transferelekroden einfügt. Die Rollen der Transferelektroden werden also vertauscht.

Am Widerstand in der Zuleitung der Hauptkathode K₀ kann man einen Übertragspuls abgreifen, mit dem man nach entsprechender Verstärkung und Formung eine weitere Zählstufe ansteuern kann.

Übrigens kann man auch in die Zuleitungen der anderen Hauptkathoden Widerstände einfügen und den darüber bei gezündeter Glimmentladung entstehenden Spannungsabfall z.B. in Industrieanlagen zur Prozesssteuerung verwenden. 

Beim Betrieb der GS10D sieht man übrigens nur die pulsweise weiterspringende Glimmentladung an den Hauptkathoden. Die Brenndauer der über die Transferelektroden "gleitenden" Gilimmentladungen ist zu kurz, um vom menschlichen Auge wahrgenommen zu werden.

Der Leser wird sich fragen, warum es nicht ausreichen würde, die Weiterleitung der Glimmentladung von einer Hauptkathode zur nächsten durch nur eine Transferelektrode zu bewerkstelligen.

Die Antwort darauf leitet sich aus der Konditionierung der Elektroden durch die Neon - Ionen ab. Ohne die gleitende Weiterleitung durch einen zeitlich leicht versetzten sekundären Transferpuls könnte die Glimmentladung von der primären Transferelektrode auf die davor liegende Hauptkathode zurückspringen. Da die Neon - Ionenwolke aber nur ein relativ kleines Volumen um die Nadelelektroden erfasst, und der Elektrodendistand in rückwärtiger Richtung doppelt so groß wie in Vorwärtsrichtung , ist ein Rücksprung der Glimmentladung von der sekundären Transferelektrode auf die vorige Hauptkathode ausgeschlossen.

3     Register Anzeigeröhre GR10A

Die ebenfalls von ETL in den 1950 - 1960er Jahren gefertigte Registerröhre GR10A entspricht in ihrem Aufbau grundsätzlich der zuvor beschriebenen DEKATRON - Röhre GS10D,  jedoch fehlen ihr die Transferelektroden, mit deren Hilfe die Glimmentladung von einer auf die nächste Hauptkathode weitergeschaltet werden kann.

Es handelt sich also um reine Anzeigeröhren.

Hier die Daten der mit der GR10A identischen MULLARD Röhre Z503M:

4     CERBERUS DZ10

Eine vom Funktionprinzp her mit dem oben beschriebenen Dekatron GS10D eng verwandte Röhre ist die vom Hersteller Cerberus um 1953 auf den Markt gebrachte DZ10 mit einer maximalen Zählfrequenz von 3 KHz.

Im Gegensatz zur GS10D liegen die den Zählerstand anzeigenden nadelförmigen Hauptkathoden hier unter kleinen Öffnungen in einer topfförmigen Anode.

Im Gegensatz zur GS10D war hier durch spezielle geometrische Ausgestaltung des Entladungsraums und der Elektroden zur Weiterschaltung der Glimmentladung von einer Hauptkathode zur nächsten nur noch ein Satz von Transferektroden nötig.

Wie man das erreicht hat, ohne beim Weiterschalten der Glimmladung ein Rückspringen auf die vorherige Hauptkathode zu riskieren, lässt sich aus dem Bild auf der 2. Seite des Datenblatts erahnen.

Das Bild zeigt nach links, also in Richtung der "höherwertigen" Hauptkathoden aus den Elektroden herausragende Spitzen. Dies ist zwar nur eine schematische Darstellung, lässt aber folgenden Schluss zu: 

Nach dem von einen Eingangspuls ausgelösten negativen Potentialsprung an den Transferelektroden springt die Glimmentladung von einer Hauptkathode, z.B. K₀, vorzugsweise auf die Transferelektrode in Uhrzeigerrichtung, also in Richtung K₁ über. Der Grund hierfür liegt darin, dass die elektrische Maximalfeldstärke der Hauptkathode K₀ an der abgewinkelten Spitze liegt. Dort folgt die lokale Feldstärke E nämlich nicht der allgemeinen Abstandregel E = U/d, wobei U die Elektrodenspannung und  d  den Elektrodenabstand bezeichnet, sondern der Gesetzmäßigkeit E = U/r, wobei r der Abrundungsradius der Spitze ist. Durch die sich somit  vorzugsweise um die Spitze ausbildende positive Ionnenwolke wird der Bereich der in Richtung K₁ liegenden Transferelektrode für die Übernahme der Glimmentladung konditioniert. Auch diese Transferelektrode ist mit einer Spitze in Uhrzeigerrichtug ausgestattet, sodaß die Glimmentladung von dort in Richtung der Hauptkathode K₁ weitergeleitet wird.

Durch das Konstruktionsdetail der abgewinkelten Elektrodenspitzen wurde ein Rückspringen der Glimmentladung auf die vorige Hauptkathode ausgeschlossen.

Wir erinnern uns: Bei der anfangs beschriebenen Röhre GS10D hatten alle Hauptkathoden und Transferelektroden die gleiche Form und den gleichen Abstand. Es war daher ein zeitlich verzögerter sekundärer Transferimpuls notwendig, um ein Rückspringen der Glimmentladung auszuschließen.  

Schlussbemerkung

Natürlich gab es noch zahlreiche andere kombinierte Zähl - Anzeigeröhren auf der Basis "gleitender" Glimmentladungen. Eine entsprechede Recherche im Internet gibt darauf viele Hinweise. Das grundsätzliche Funktionsprinzip ist aber stets ähnlich.

Mir ging es hier eher um die grundsätzliche Klärung des Funktionsprinzips dieser Röhren, als um eine umfassende Aufzählung.

Harald Giese