Wie Neonlampen der selbstversorgten Luft- und Raumfahrtelektronik halfen

In grauer Vorzeit, als John Kennedy Präsident der Vereinigten Staaten war, arbeitete ich als Elektroniker und baute Beschleunigungs- und Höhenmessgeräte für die Luft- und Raumfahrt. Diese Geräte waren insofern einzigartig, als sie sich selbst durch eine nukleare Batterie mit Energie versorgten. Die Batterie basierte auf dem Einfangen von Betateilchen (Elektronen), die von Krypton 85 (Kr85), dem radioaktiven Isotop von Krypton, abgegeben werden. Wie Sie sich vorstellen können, lag die verfügbare Leistung in der Größenordnung von Bruchteilen eines Milliwatts. In der Tat würden diese Batterien einen konstanten Strom von etwa 600 Picoampere (pA) erzeugen. Als aktive Komponenten wurden in diesen Geräten die weit verbreiteten Neonlampen verwendet, wie die altehrwürdige NE2-Lampe WX-EGA2-0, die heute von Interlight angeboten wird (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die aktuelle Version der altehrwürdigen Neonlampe NE-2 ist die WX-EGA2-0 von Interlight, die den Neonlampen ähnelt, die als aktive spannungsempfindliche Schalter in selbstversorgten Sicherheitsvorrichtungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. (Bildquelle: Interlight)

Modernere Komponenten sind die GT-NE4H1125T oder die GT-NG6H1825T von Lumex Optical Components Inc.

Neonlampen sind spannungsempfindliche Komponenten. Bei niedrigen Spannungen sind sie im Wesentlichen ausgeschaltet und es fließt nur sehr wenig Strom. Diese Lampen sind in diesem Modus photo- und elektrostatisch empfindlich, weshalb sie von einer Metallabschirmung umgeben sind. Wenn die angelegte Spannung zunimmt, ionisiert das Gas in der Lampe, der Strom durch die Lampe steigt rasch an und sie beginnt zu leuchten. An diesem Punkt wird eine nahezu konstante Spannung über der Lampe aufrechterhalten. Wenn der Strom nicht begrenzt wird, entsteht ein Lichtbogen zwischen den Elektroden der Lampe, der Strom steigt schnell an und die Lampe ist eingeschaltet. Aufgrund dieser Eigenschaften kann die Neonlampe als Schalter oder Spannungsregler verwendet werden.

Um zu zeigen, wie das funktioniert, nehmen wir das Beispiel eines höhenabhängigen Aktuators (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein höhenempfindlicher Aktuator mit Eigenstromversorgung (Nuklearbatterie) kann Neonlampen als aktive Bauelemente verwenden. (Bildquelle: Art Pini)

Die Nuklearbatterie besteht aus einer mit Kr85 gefüllten Glasampulle. Das Kupferfüllrohr (Fill Tube) ist die Batterieanode. Zwei halbkugelförmige Kupfermäntel sind auf die Außenseite der Ampulle galvanisiert. Diese bilden ein Doppelkathodenelement. Da der Zwischenraum zwischen den Kathoden mit Luft aus niedriger Höhe gefüllt ist, wird die Luft durch die Strahlung des Kr85 ionisiert und die beiden Hemisphären miteinander verbunden. Die Kondensatoren C1 und C2 werden von der Nuklearbatterie geladen.

Die Neonlampe, die wir Kaltkathodengasdioden nannten, diente mehreren Zwecken. D3 bildet zusammen mit seinem Vorwiderstand R2 einen Spannungsregler, der eine konstante Spannung an C1 und C2 aufrechterhält. Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck im Spalt ab, bis der Spalt nicht mehr leitend ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Spannungsregler von C1 abgekoppelt. Wenn der Spannungsregler aus dem Stromkreis entfernt ist, erhöht der Konstantstrom der Batterie die Spannung von C1 in der Spule L1. Der daraus resultierende Impuls wird an die Abschirmung der Diode D2 angelegt, so dass diese leitet. Dadurch wird die in C2 gespeicherte Ladung in die Ausgangsklemmen entladen. Der Ausgang kann je nach Bedarf ein Relais erregen oder einen Sprengstoffzünder auslösen. Die Neonröhren arbeiten also als Spannungsregler und aktive Schalter.

Der Bau und das Testen dieser extrem stromsparenden Geräte ist eine große Herausforderung. Die Montage- und Prüfräume müssen sauber und trocken sein. Alle Oberflächen müssen mit Alkohol gereinigt werden; ein Fingerabdruck ist ein Kurzschluss. Die Kondensatoren wurden aus Teflon oder Glasdielektrikum mit einem Mindestisolationswiderstand von 10¹⁵ Ohm (Ω) hergestellt. Die wichtigsten Messinstrumente waren elektrostatische Voltmeter und Elektrometer.

Habe ich schon erwähnt, dass die meisten Gerätetests vor dem Versiegeln der Geräte unter rotem Dunkelkammerlicht durchgeführt wurden?

Fazit

Wie bereits erwähnt, können die bescheidenen Neonröhren, die Sie an Ihren Steckdosenleisten sehen, viel mehr, als es scheint. Sie können außerdem als Spannungsregler oder Durchbruchschalter dienen, was besonders bei Anwendungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch nützlich ist.