Kaltkathode

Eine Kaltkathode ^{[ 1 ]} ist eine Kathode , die nicht elektrisch durch einen Glühfaden erhitzt wird . ^{[ Anmerkung 1 ]} Eine Kathode gilt als „kalt“, wenn sie mehr Elektronen emittiert, als durch thermische Emission allein erzeugt werden können. Sie wird in Gasentladungslampen wie Neonlampen , Entladungsröhren und einigen Arten von Vakuumröhren verwendet . Die andere Kathodenart ist die Heißkathode , die durch elektrischen Strom, der durch einen Glühfaden fließt, erhitzt wird . Eine Kaltkathode arbeitet nicht zwangsläufig bei niedriger Temperatur: Sie wird oft durch andere Methoden auf ihre Betriebstemperatur erhitzt , beispielsweise durch den Strom, der von der Kathode in das Gas fließt.

Eine Kaltkathoden-Vakuumröhre benötigt keine externe Erhitzung einer Elektrode zur Erzeugung von Elektronen durch Thermionen . Zu den frühen Kaltkathodenröhren zählten die Geissler-Röhre , die Plucker-Röhre und frühe Kathodenstrahlröhren . Die Untersuchung der Phänomene in diesen Röhren führte zur Entdeckung des Elektrons.

Neonlampen werden sowohl zur Lichterzeugung als Indikatoren und für spezielle Beleuchtungszwecke als auch als Schaltungselemente mit negativem Widerstand eingesetzt . Durch Hinzufügen einer Zündelektrode zu einer Vorrichtung konnte die Glimmentladung durch eine externe Steuerschaltung ausgelöst werden; die Bell Laboratories entwickelten 1936 eine Kaltkathodenlampe mit Zündröhre. ^{[ 2 ]}

Es wurden zahlreiche Arten von Kaltkathoden-Schaltröhren entwickelt, darunter verschiedene Thyratron -Typen , das Krytron , Kaltkathoden-Displays ( Nixie-Röhren ) und andere. Spannungsreglerröhren nutzen die relativ konstante Spannung einer Glimmentladung über einen bestimmten Strombereich und wurden zur Stabilisierung der Versorgungsspannungen in röhrenbasierten Geräten eingesetzt. Ein Dekatron ist eine Kaltkathodenröhre mit mehreren Elektroden, die zum Zählen verwendet wird. Bei jedem Impuls an einer Steuerelektrode wandert eine Glimmentladung zu einer Stufenelektrode. Durch die Verwendung von zehn Elektroden in jeder Röhre und die Kaskadierung der Röhren lässt sich ein Zählersystem realisieren, dessen Zählerstand anhand der Position der Glimmentladungen abgelesen wird. Zählröhren waren vor der Entwicklung integrierter Zähler weit verbreitet .

Die Blitzröhre ist ein mit Xenongas gefülltes Kaltkathodengerät , das dazu dient, einen intensiven kurzen Lichtimpuls für die Fotografie zu erzeugen oder als Stroboskop zur Untersuchung der Bewegung beweglicher Teile zu fungieren.

Zu den Kaltkathodenlampen zählen Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (CCFLs) und Neonlampen . Neonlampen nutzen primär die Anregung von Gasmolekülen zur Lichtemission; CCFLs hingegen verwenden eine Entladung in Quecksilberdampf, um ultraviolettes Licht zu erzeugen, welches wiederum eine fluoreszierende Beschichtung im Inneren der Lampe zur Emission von sichtbarem Licht anregt.

Zur Hintergrundbeleuchtung von LCDs , beispielsweise Computermonitoren und Fernsehbildschirmen, wurden Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen verwendet .

In der Beleuchtungsindustrie bezeichnet der Begriff „Kaltkathode“ traditionell Leuchtstoffröhren mit einem Durchmesser von mehr als 20 mm und einer Stromstärke von 120 bis 240 Milliampere. Diese Röhren mit größerem Durchmesser werden häufig für die Innenbeleuchtung von Nischen und zur Allgemeinbeleuchtung eingesetzt. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Der Begriff „Neonlampe“ bezeichnet Röhren mit einem Durchmesser von weniger als 15 mm, die typischerweise mit etwa 40 Milliampere betrieben werden. Diese Lampen werden häufig für Leuchtreklamen verwendet.

Die Kathode ist die negative Elektrode. Jede Gasentladungslampe besitzt eine positive (Anode) und eine negative Elektrode. Beide Elektroden wechseln zwischen der Funktion als Anode und Kathode, wenn diese Geräte mit Wechselstrom betrieben werden .

Eine Kaltkathode unterscheidet sich von einer Heißkathode , die erhitzt wird, um die thermionische Emission von Elektronen zu induzieren . Entladungsröhren mit Heißkathoden besitzen einen mit Niederdruckgas gefüllten Kolben, der zwei Elektroden enthält. Zu den Heißkathodengeräten zählen Vakuumröhren , Leuchtstofflampen , Hochdruckentladungslampen und Vakuumfluoreszenzdisplays .

Die Oberfläche von Kaltkathoden kann Sekundärelektronen in einem Verhältnis von mehr als eins emittieren (Durchschlag). Ein Elektron, das die Kathode verlässt, kollidiert mit neutralen Gasmolekülen. Die Kollision kann das Molekül lediglich anregen, manchmal aber auch ein Elektron freisetzen und ein positives Ion erzeugen. Das ursprüngliche Elektron und das freigesetzte Elektron wandern zur Anode und können weitere positive Ionen erzeugen (siehe Townsend-Lawine ). Dadurch entstehen für jedes Elektron, das die Kathode verlässt, mehrere positive Ionen, die schließlich auf die Kathode treffen. Einige dieser kollidierenden positiven Ionen können ein Sekundärelektron erzeugen. Die Entladung ist selbsterhaltend, wenn für jedes Elektron, das die Kathode verlässt, genügend positive Ionen auf die Kathode treffen, um im Durchschnitt ein weiteres Elektron freizusetzen. Externe Schaltungen begrenzen den Entladungsstrom. Kaltkathodenlampen arbeiten mit höheren Spannungen als Heißkathodenlampen. Das daraus resultierende starke elektrische Feld in der Nähe der Kathode beschleunigt die Ionen auf eine ausreichende Geschwindigkeit, um freie Elektronen aus dem Kathodenmaterial zu erzeugen.

Ein weiterer Mechanismus zur Erzeugung freier Elektronen von einer kalten Metalloberfläche ist die Feldemission . Sie wird in einigen Röntgenröhren , im Feldelektronenmikroskop (FEM) und in Feldemissionsdisplays (FEDs) eingesetzt.

Kaltkathoden besitzen mitunter eine Seltenerdbeschichtung zur Verstärkung der Elektronenemission. Einige Typen enthalten eine Beta-Strahlungsquelle , um die Ionisierung des die Röhre füllenden Gases einzuleiten . ^{[ 5 ]} Bei manchen Röhren wird die Glimmentladung um die Kathode minimiert; stattdessen bildet sich eine sogenannte positive Säule, die die Röhre ausfüllt. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ Anmerkung 2 ]} Beispiele hierfür sind die Neonlampe und die Nixie-Röhre . Auch Nixie-Röhren sind Kaltkathoden-Neonanzeigen, die als Inline-, aber nicht als In-Plane-Anzeigegeräte fungieren.

Kaltkathodenlampen verwenden typischerweise ein komplexes Hochspannungsnetzteil mit Strombegrenzung. Obwohl die Erzeugung der anfänglichen Raumladung und des ersten Lichtbogens in der Röhre eine sehr hohe Spannung erfordern kann, sinkt der elektrische Widerstand mit zunehmender Erwärmung der Röhre, wodurch der Strom durch die Lampe ansteigt. Um diesen Effekt auszugleichen und den normalen Betrieb aufrechtzuerhalten, wird die Versorgungsspannung schrittweise reduziert. Bei Röhren mit ionisierendem Gas kann sich dieses zu einem sehr heißen Plasma entwickeln , wodurch der elektrische Widerstand stark abnimmt. Würde die Lampe mit einem einfachen Netzteil ohne Strombegrenzung betrieben, würde diese Widerstandsreduzierung zu Schäden am Netzteil und zur Überhitzung der Röhrenelektroden führen.

Ein Foto einer beleuchteten Kompaktleuchtstofflampe (CFL) vom Typ Kaltkathodenlampe

Eine beleuchtete Kaltkathoden- Kompaktleuchtstofflampe

Kaltkathoden werden in Kaltkathodengleichrichtern wie Crossatron- und Quecksilberdampfröhren sowie in Kaltkathodenverstärkern , beispielsweise in der automatischen Nachrichtenerfassung und anderen Pseudofunken-Schaltanwendungen, eingesetzt . Weitere Beispiele sind Thyratron- , Krytron- , Sprytron- und Ignitron- Röhren.

Kaltkathodenlampen werden häufig in Leuchtreklamen und anderen Bereichen eingesetzt, in denen die Umgebungstemperatur deutlich unter den Gefrierpunkt sinken kann. Im Elizabeth Tower des Palace of Westminster werden die Zifferblätter der Uhren mit Kaltkathodenlampen beleuchtet, da ein ständiges Schlagen und ein Ausfall bei Kälte unerwünscht wären. Große Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (CCFLs) wurden bereits in der Vergangenheit hergestellt und werden auch heute noch verwendet, wenn formstabile, langlebige lineare Lichtquellen benötigt werden. Seit 2011 werden Miniatur-CCFLs häufig als Hintergrundbeleuchtung für Computer- und Fernsehbildschirme (LCDs) eingesetzt . Die Lebensdauer von CCFLs in LCD-Fernsehern variiert je nach kurzzeitigen Spannungsspitzen und Umgebungstemperaturen.

Aufgrund ihrer Effizienz hat sich die CCFL-Technologie auch in der Raumbeleuchtung etabliert. Die Kosten sind vergleichbar mit denen herkömmlicher Leuchtstoffröhren , jedoch bietet sie einige Vorteile: Sie hat eine lange Lebensdauer, das emittierte Licht ist augenschonender , die Lampen erreichen sofort ihre volle Helligkeit und sind zudem dimmbar. ^{[ 8 ]}

In Systemen mit Wechselstrom , aber ohne separate Anodenstruktur , wechseln sich die Elektroden als Anoden und Kathoden ab, und die auftreffenden Elektronen können eine erhebliche lokale Erhitzung, oft bis zur Rotglut, verursachen . Die Elektrode kann diese Erhitzung nutzen, um die thermionische Emission von Elektronen zu erleichtern, wenn sie als Kathode fungiert. ( Sofortstart- Leuchtstofflampen nutzen diesen Effekt; sie beginnen als Kaltkathodenlampen, aber die lokale Erhitzung der feinen Wolframdrahtkathoden führt bald dazu, dass sie im gleichen Modus wie Heißkathodenlampen arbeiten .)

Dieser Aspekt stellt ein Problem bei der Hintergrundbeleuchtung von LCD -Fernsehern dar. Neue Energieeffizienzrichtlinien, die in vielen Ländern vorgeschlagen werden, fordern eine variable Hintergrundbeleuchtung. Diese verbessert zudem den wahrgenommenen Kontrastumfang, was bei LCD-Fernsehern wünschenswert ist. CCFLs sind jedoch in ihrer Dimmbarkeit stark eingeschränkt, da ein niedrigerer Plasmastrom die Kathodentemperatur senkt und dadurch einen unregelmäßigen Betrieb verursacht. Außerdem verkürzt eine zu niedrige Kathodentemperatur die Lebensdauer der Lampen drastisch. Intensive Forschung widmet sich diesem Problem, doch Hersteller hochwertiger Geräte setzen zunehmend auf hocheffiziente weiße LEDs als bessere Lösung.