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Elektronenröhre
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Eine Elektronenröhre ist ein elektronisches Bauelement, das aus einem evakuierten oder gasgefüllten Gefäß besteht, in das verschiedene Elektroden, mindestens aber eine Kathode und eine Anode eingelassen sind.
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Charakteristisch für dieses Bauteil ist, dass die Stromleitung im Inneren der Röhre zwischen Kathode und Anode nicht in einem elektrischen Leiter erfolgt, sondern entweder durch freie Elektronen oder Ionen getragen wird.
Evakuierte Elektronenröhren dienen unter anderem zur Steuerung und Verstärkung in der Elektronik. Sie beruhen darauf, dass aus glühenden Stoffen (Glühkathoden, meistens Metalldrähte oder -rohre), Elektronen in den freien Raum austreten. Die Elektronenemission kann im Vakuum zwischen der Glühkathode und einer positiv geladenen weiteren Elektrode, der Anode, einen Elektronenstrom unterhalten. Da eine solche Elektronenröhre mit zwei Elektroden den Elektronenstrom nur in einer Richtung durchlässt, kann sie als Gleichrichter verwendet werden.
Durch ein im Elektronenstrom liegendes Gitter lässt sich der Strom steuern, indem am Gitter verschiedene Spannungen angelegt werden, die den Elektronenfluss entweder hemmen oder verstärken. Darauf beruht die Verwendung der Elektronenröhre als Verstärker- oder Senderöhre. Je nach Verwendungszweck, Elektrodenanzahl und Röhrencharakteristik gibt es Hunderte von Röhrentypen.
Im engeren Sinne werden unter Röhren nur Hochvakuum-Röhren verstanden. Diese vollständig evakuierten Röhren waren bis zur Einführung des Transistors die einzigen schnellen aktiven Bauelemente der Elektronik, heute werden neben Kathodenstrahlröhren und Vakuum-Fluoreszenzanzeigen fast nur noch Sonderformen für hohe Leistungen eingesetzt (Senderöhren, Magnetrons, Klystrons).
Oft werden auch die mit verschiedenen Gasen gefüllten Bauteile, wie Nixieröhren, Stabilisatorröhren und Thyratrons als Röhren bezeichnet. Dem Gas kommt eine zusätzliche oder ausschließliche aktive Beteiligung an der Röhrenfunktion durch Ionenleitung zu. Gasgefüllte Schalt- und Gleichrichterröhren waren bis zur Einführung von Thyristoren und Silizium-Halbleiterdioden im industriellen Bereich unverzichtbar.
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Geschichte
Peter Cooper-Hewitt erfand schon im Jahre 1902 eine Art Röhrengleichrichter, der auf der Basis von Quecksilberdampf arbeitete, gleichsam ein Vorläufer der Elektronenröhre.
Die Elektronenröhre wurde 1904 vom englischen Physiker John Ambrose Fleming entwickelt. Auf der Suche nach einem verbesserten Detektor für Radiowellen entdeckte Fleming, dass der sogenannte Edison-Effekt zur Detektion genutzt werden konnte. Am 16. November 1904 meldete Fleming unter der Nummer 24 850 ein Patent auf das Oscillation Valve (eine Röhrendiode) in England an; am 19. April 1905 ließ er seine Erfindung auch in den USA patentieren.
1906 fügte der US-amerikanische Erfinder Lee de Forest eine dritte Elektrode, das Steuergitter, hinzu. Mit dieser Triode war es erstmals möglich, elektrische Signale zu verstärken.
Unabhängig von de Forrest entwickelte der österreichische Physiker Robert von Lieben [1] eine Verstärkerröhre - die sogenannte Liebenröhre - und meldete sie am 4. März 1906 beim Kaiserlichen Patentamt des Deutschen Reiches als Kathodenstrahlrelais zum Patent [2] an, was einen jahrelangen Rechtsstreit zur Folge hatte. Lieben, dessen vorrangiges Ziel ein Telefonverstärker war, formuliert in seinem Patent explizit die Verstärkung des elektrischen Signals als Erfindungszweck.
Manfred von Ardenne entwickelte gemeinsam mit Siegmund Loewe (Patentinhaber) eine der ersten Mehrsystemröhren, in welcher nicht nur drei Triodensysteme, sondern auch einige Widerstände und Kondensatoren untergebracht waren. Sie stellte somit eine Art integrierten Schaltkreis dar und war für einen Radioempfänger vorgesehen (Loewe OE333).
Ca. ab den 30er Jahren fand eine fortwährende Miniaturisierung statt, die auch zur Entwicklung kleiner bedrahteter Röhren führte („Bleistiftröhren“). Aufgrund ihrer Strahlungsresistenz währte die Entwicklung von Verstärkerröhren auf dem Gebiet der Raumfahrt und des Militärs bis in die 70er Jahre.
Heute werden aus verschiedenen Gründen auch ältere Röhrentypen weiterhin hergestellt. Starke Sendeanlagen werden auch heute noch mit Elektronenröhren betrieben. Magnetrons zählen im weiteren Sinne ebenfalls zu den Elektronenröhren und werden nach wie vor in Radaranlagen und Mikrowellengeräten eingesetzt.
Siehe auch: Fotos historischer Elektronenröhren
Funktionsweise
Elektronenstrom
Der Elektronenstrom, der bei Anlegen der Anodenspannung zwischen Kathode und Anode den luftentleerten Raum durchfließt, kann in seiner Richtung und Stärke durch die Einwirkung elektrischer (Steuerspannungen) und magnetischer Felder (Ablenkspulen) beeinflusst werden. Die Beeinflussung der Stärke nennt man auch Modulation. Ein gerichteter Elektronenstrom wird auch als Elektronenstrahl bezeichnet.
Das Vakuum in der Röhre ist notwendig, damit die Elektronen eine ausreichende freie Weglänge haben und nicht durch Gasmoleküle abgebremst werden. Auf der inneren Wandung vieler Röhren ist zumeist im oberen Teil ein spiegelnder Belag zu sehen, der durch das sogenannte Getter hervorgerufen wird, das nach dem Auspumpen und Abschmelzen der Röhre noch freiwerdende Gasreste bindet. Hat eine Röhre durch Beschädigung oder Alterung Luft gezogen, verschwindet die spiegelnde Schicht und ein milchig weißer Belag bleibt zurück. Andere Gettertypen wurden z. B. bei Hochspannungsröhren verwendet, welche direkt eventuelle Gasreste binden, ohne Glasspiegel. Oft bestehen auch die äußere Anodenbeschichten unter Anderem aus einem gasbindenden Material.
Die Elektronen werden thermisch an der beheizten Kathode emittiert (ausgesandt) und im einfachsten Fall an der einzigen anderen Elektrode, der meistens positiv aufgeladenen Anode, aufgefangen.
In Sonderfällen kommt auch Feldemission an einer hierzu spitz geformten Kathode vor. Meistens möchte man jedoch Feldemission vermeiden, wofür man insbesondere bei hohen Spannungen die Elektrodenkanten abrundet.
Heizung
Man unterscheidet direkte und indirekte Heizung.
- Bei der direkten Heizung wirkt der Heizdraht gleichzeitig als Kathode. Der Heizstrom fließt direkt durch die draht- oder bandförmige Kathode.
- Bei der indirekten Heizung fließt der Heizstrom durch einen separaten Heizdraht (meistens eine Wolfram-Glühwendel), der isoliert innerhalb des Kathodenröhrchens liegt. Die Wärmeleistung wird über Wärmeleitung und -strahlung auf das Kathodenröhrchen übertragen.
Die indirekte Heizung reagiert wesentlich träger auf Stromänderungen als die direkte Heizung, daher benötigen indirekt geheizte Röhren eine höhere Anheizzeit. Die Heizspannung führt nicht zu Potentialunterschieden entlang der Kathode, deshalb kann eine Röhre mit indirekter Heizung auch mit Wechselstrom geheizt werden, ohne dass das eigentliche Verstärkersignal mit der Heizspannung moduliert wird. Weitere Vorteile ergeben sich aus der galvanischen Trennung der Heizung zur Kathode, was Schaltungsvarianten erlaubt, die mit direkt geheizten Röhren nicht ohne wesentlich höheren Schaltungsaufwand realisierbar sind. Indirekt geheizte Kathoden können daher mit Serienheizung (die Heizwendeln mehrerer Röhren sind in Reihe hintereinander geschaltet) betrieben werden, solche Röhren werden zur Verstärkung kleiner Signale (ältere Fernseher, Messgeräte und Radioempfänger) und heute noch in Audioverstärkern eingesetzt. Auch Bildröhren sind indirekt geheizt.
Die direkte Heizung benötigt eine geringere elektrische Leistung, um die gleiche Kathodentemperatur zu erreichen. Direkt geheizte Röhren sind in Sekundenschnelle einsatzbereit, während indirekt geheizte Röhren ca. 15 Sekunden bis mehrere Minuten benötigen, bis die Kathode ihre Arbeitstemperatur erreicht hat. Ein weiterer Vorteil der direkten Heizung ergibt sich durch die Möglichkeit, höhere Kathodentemperaturen zu realisieren, wie das bei anderen Kathodentypen als der klassischen Oxidkathode der Fall ist. Der Isolierstoff der indirekten Heizung würde hier einer erheblichen Belastung ausgesetzt sein. Direkt geheizte Kathoden werden bei Senderöhren, Gleichrichterröhren und Magnetrons eingesetzt. Auch Vakuum-Fluoreszenzanzeigen in Geräten der Unterhaltungselektronik sind direkt geheizt, hier aber hauptsächlich damit die im Sichtfeld liegende Kathode optisch möglichst nicht stört.
Kathodenmaterial
Bei den üblichen Verstärkerröhren und größeren Senderöhren sind folgende Kathodentypen gebräuchlich:
- Wolframkathode - der Heizdraht dient gleichzeitig als Elektronenemitter (direkt geheizte Kathode) und besteht wie bei einer Glühlampe aus Wolframdraht. Bei älteren Senderöhren höchster Leistung gebräuchlich. Ebenso bei Sonderröhren, wie z. B. Rauschgeneratorröhren.
- thorierte Wolframkathode - wie vorstehend, der Draht ist jedoch mit einer dünnen Thoriumschicht versehen, die in die Oberfläche des Wolframs diffundiert. Das erhöht dessen Fähigkeit, Elektronen zu emittieren bzw. senkt die Austrittsarbeit und damit die erforderliche Temperatur. Thoriumkathoden sind bei Senderöhren mittlerer Leistung gebräuchlich.
- Direkt geheizte Oxidkathode - wie vorstehend, aber der Heizdraht ist mit einer dünnen Bariumoxidschicht versehen. Die Beschichtung senkt die erforderliche Temperatur auf <800°C. Anwendung bei Batterieröhren, Gleichrichterröhren, Leuchstofflampen und Vakuum-Fluoreszenzanzeigen.
- Indirekt geheizte Bariumoxidkathode - eine Wolfram-Heizwendel wird elektrisch isoliert in ein Nickelröhrchen eingeschoben. Das Nickelröhrchen besitzt eine Beschichtung aus Bariumoxid und stellt die eigentliche Kathode dar. Anwendung bei den meisten Röhren kleiner Leistung sowie bei Bildröhren und Kathodenstrahlröhren.
Anodenmaterial
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Die Anode ist aufgrund des Auftreffens der Elektronen einer starken thermischen Belastung ausgesetzt. Das Material soll möglichst wenig Sekundärelektronen aussenden. Bei Gleichrichterröhren ist eine hohe Austrittsarbeit sowie eine geringe Neigung zur Feldemission erwünscht. Das wird durch runde, hohle Formen erreicht. Materialien sind Nickel, evtl. außen schwarz beschichtet oder plattiert, um die Wärmeabstrahlung zu verbessern, oder auch - bei hohen Leistungen - Graphit.
Bei großer Belastung fängt die Anode sichtbar an zu glühen. Dieser Betriebszustand ist für die gebräuchlichen Kleinleistungsröhren im Radio- und Fernsehbereich elektrisch bereits als Überlastung spezifiziert. Die Röhre überlebt diesen Zustand zwar eine gewisse Zeit, die Lebensdauer geht allerdings stark zurück, da eventuell gebundene Gasreste aus den Elektroden ausgetrieben werden (Verschlechterung des Vakuums). Durch die große Hitze werden die glühenden Elektroden weich und können sich daher in den mitunter doch recht starken elektrischen Feldern verbiegen, was die Röhrendaten verfälscht oder sogar Kurzschlüsse im Innern des Röhrensystems nach sich ziehen kann. Ebenfalls kann bei länger andauernder Überlast die Glaswandung weich werden.
Im normalen Betriebszustand geben die Elektronen ihre kinetische Energie nicht nur als Wärmeenergie an die Anode ab, sie erzeugen auch Lichterscheinungen im sichtbaren Bereich. Diese Lichterscheinungen können bei Leistungsröhren mit etwas Aufmerksamkeit in dunklen Räumen problemlos beobachtet werden. Bei großer Aussteuerung ist bei NF-Endröhren ein Flackern dieses Lichtes im Takte der Musikdarbietung zu beobachten. Bei manchen Röhrentypen ist der Systemaufbau nicht vollständig geschlossen, so dass Elektronen auf den Glaskolben weiterfliegen und dort ebenfalls Lichterscheinungen hervorrufen können.
Diese Streuelektronen können durch die elektrischen Felder, die sie auf der Glasinnenwand hinterlassen, im Laufe der Jahre zu einer elektrolytischen Zersetzung des Glases führen. [3]
Weitere Elektroden
Eine Elektronenröhre kann zwischen Kathode und Anode noch eine Reihe zusätzlicher Elektroden enthalten, wie Steuergitter (bei Bildröhren ist dieses der Wehneltzylinder), Schirmgitter, Bremsgitter oder elektronenoptisch wirksame Fokussierelektroden enthalten.
Steuer- und Schirmgitter bestehen aus Drahtwendeln, Bremsgitter können auch, wie Fokussierelektroden, die Form von Blechblenden haben. Die Drahtwendeln sind meistens aus Molybdän gefertigt, die Blechblenden aus Nickel.
Im Bild rechts ist eine sehr hochaufgelöste Aufnahme einer HF-Pentode EF91 zu sehen, die sehr schön die einzelnen Elektroden erkennen lässt:
- Auf den kupferfarbenen Stäben ist das Steuergitter aufgewickelt,
- das weitmaschige Bremsgitter ist (leicht unscharf) gut zu erkennen.
- Die Stäbe dazwischen tragen das Schirmgitter.
- Die graublaue Fläche links ist eine Anode,
- die Kathode erkennt man anhand ihres weißen Oxidbelages.
Insbesondere das Steuergitter darf selbst keine Elektronen emittieren, obwohl es der beheizten Kathode sehr nahe ist. Es muss daher oft durch wärmeableitende Haltedrähte und an diesen befestigte wärmeabstrahlende Kühlfahnen möglichst kalt gehalten werden. Ein zu heißes Steuergitter oder auf dieses gelangendes Kathodenmaterial führen zu sogenannter Gitteremission, was eine Arbeitspunktverschiebung oder sogar einen sich thermisch verstärkenden Zerstörungseffekt zur Folge hätte, da das Gitter durch Emission positiver wird und folglich der Anodenstrom steigt, wodurch zusätzliche Wärme entsteht.
Einsatzgebiete
Die meisten dieser Röhren sind heute bis auf Randbereiche von Halbleiterbauelementen wie Transistoren und Dioden verdrängt worden. Ausnahmen bilden Hochleistungs-Hochfrequenzröhren als Senderöhren in der Radar- und Funktechnik, die bis heute die günstigste Möglichkeit darstellen, Hochfrequenz hoher Leistung zu erzeugen. Hierbei kommen sowohl Trioden und Mehrgitterröhren als auch Klystrons, Magnetrons und Wanderfeldröhren zum Einsatz. Solche leistungsfähigen Röhren werden auch in der Industrie u.a. für die Hochfrequenzerwärmung eingesetzt. Das sind Anlagen, die kapazitiv oder induktiv Wärme direkt in einem Werkstück erzeugen (z.B. auch im Mikrowellenherd). Weitere Anwendungen sind Hochfrequenzgeneratoren zur Plasmaerzeugung (Sputtern oder zur Anregung von Gaslasern).
Gerade wegen ihres besonders geschätzten charakteristischen Klirrverhaltens werden auch heute noch weitgehend Elektronenröhren in E-Gitarrenverstärkern verbaut, deren Schaltungskonzept keineswegs das Vermeiden von Verzerrungen anvisiert sondern eher deren Erzeugung. Aber auch vielen kompromisslos auf optimale Audio-Qualität konzipierten High-End-Röhrenverstärkern werden insbesondere von trainierten Musikhörern überlegene Klangeigenschaften attestiert [4][5].
Der besondere Klang des Röhren-Gitarrenverstärkers ergibt sich einerseits aus einem vergleichsweise großen Anteil geradzahliger Oberwellen zusammen mit einer nennenswerten Intermodulation, die ihre Ursache im Randbereich der Steuerkennlinie haben, andererseits spielt die Sättigungsmagnetisierung der Ausgangsübertrager eine Rolle. Dieses typische, besonders bei einsetzender Übersteuerung charakteristisch zu Tage tretende Soft-Clipping ist für viele namhafte Gitarristen ein musikalisches Stilmittel, das untrennbar mit der Geschichte der Rockmusik verbunden ist, deren Sound in den frühen Jahren des amerikanischen Rock ’n’ Roll und des britischen Beat ausschließlich von röhrenbestückten Bühnenverstärkern geprägt wurde.
Die Braunsche Röhre oder auch Kathodenstrahlröhre ist in Fernsehgeräten, Oszilloskopen und Computerbildschirmen noch nicht komplett von LCDs und Mikrospiegel-Projektionssystemen verdrängt worden. Röntgenröhren sind neben Quellen, die Teilchenbeschleuniger enthalten, die in Medizin und Forschung am weitesten verbreitete Quelle für Röntgenstrahlen. Magnetrons finden unter anderem im Mikrowellenherd und in RADAR-Geräten weite Verwendung.
Zum Kennenlernen der Funktion von Elektronenröhren und Aufbau eigener Schaltungen gibt es Bausätze, mit denen man NF-Verstärker, Mittelwellenradios, Kurzwellen-Empfänger, DRM-Empfänger, Quarz-Oszillatoren, Senderschaltungen und andere Grundschaltungen der Röhrentechnik aufbauen kann. Diese Schaltungen arbeiten im Niederspannungsbereich bei Anodenspannungen von beispielsweise 6 Volt.
Nachteile der Röhren gegenüber Halbleitern
Der Niedergang der klassischen Röhren wurde durch die Erfindung des Transistors 1947 eingeleitet. Die halbleiterbasierten Transistoren kamen in den 1950er Jahren auf den Markt und lösten in den 1960er Jahren die Röhren in großem Maße ab. Röhren haben im Vergleich zur Halbleitertechnik folgende Nachteile:
- aufwändige Stromversorgung mit Heizspannung (ca. 3…20V) und Anodenspannung im Bereich (50…>1000V), damit teilweise oberhalb der Kleinspannung, auch wenn in Spezialfällen kleinere Anodenspannungen, z.B. 6V ... 12V möglich sind.
- zusätzliche Verlustleistung im Heizkreis
- hohe Temperaturen an der Oberfläche
- hohe Gesamtwärmeentwicklung
- verzögerte Betriebsbereitschaft
- hoher Platzbedarf und sehr begrenzte Integrationsmöglichkeit
- hohe Herstellungskosten durch relativ geringe Stückzahlen
- Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen (Mikrofonie, Glasbruch und innere Beschädigungen)
- stärkere alterungsbedingte Veränderungen der elektrischen Werte im Verlauf der Lebensdauer (abhängig von Einsatzbedingungen und Typ)
- kürzere Lebensdauer (abhängig von Einsatzbedingungen und Typ)
- keine komplementären Typen analog einem p-Kanal-MOSFET bzw. PNP-Transistor möglich
- mit Spannungen > 15kV betriebene Röhren erzeugen bereits weiche Röntgenstrahlung.
Vorteile der Röhren gegenüber Halbleitern
Trotz entscheidender Nachteile gegenüber Halbleiter-Bauelementen können sich Elektronenröhren aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften auch heute noch in bestimmten Bereichen behaupten:
- Sie sind unempfindlicher gegenüber manchen Umwelteinflüssen wie kosmische Strahlung und Radioaktivität, Fehlspannungen und sind resistent gegenüber dem elektromagnetischen Impuls (EMP), der durch eine E-Bombe ausgelöst werden kann.
- In der Hochfrequenz-Leistungstechnik haben Röhren generell sehr günstige Eigenschaften, die sich natürlich auch positiv im Bereich der Niederfrequenztechnik auswirken - hoher Leistungsgewinn, hohe dynamische Bandbreite, konstante Parameter über einen weiten Frequenzbereich, gute Linearität, sehr kleine und spannungskonstante innere Kapazitäten, schnelle Schaltzeiten, tolerant gegenüber kurzen Fehlanpassungen - weshalb sie hier noch oft eingesetzt werden.
- Sie sind für sehr hohe Leistungen (bis Megawattbereich bei Frequenzen bis etwa 1GHz) verfügbar. Bei halbleiterbasierten Generatoren großer Leistung müssen oft tausende von Modulen durch Combiner zusammengeschaltet werden, was zu einem hohen Aufwand und Platzbedarf führt. Allerdings finden heute bis zu mittleren Frequenzbereichen auch zunehmend halbleiterbasierte Sender Verbreitung.
- Bei Frequenzen oberhalb von etwa 1GHz und hoher Leistung werden spezielle Röhren (Magnetron, Klystron, Wanderfeldröhre) zur Erzeugung und Verstärkung benutzt.
- Im Bereich von extremen Hochstrom- und Hochgeschwindigkeitsschaltvorgängen sind Wasserstoff-Thyratrons unerreicht leistungsfähig und schnell.
Röhrenbestückte Audioverstärker
Während röhrenbestückte Bühnenverstärker für Gitarren sich seit den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts unverändert behaupten können, verschwand die Röhre aufgrund der fortschreitenden Transistorisierung der Elektronik allmählich als Bauelement aus den Hi-Fi-Verstärkern. Erst seit etwa Mitte der 90er Jahre ist wieder ein zunehmendes Interesse an dieser Technik zu beobachten - Hi-Fi-Röhrenverstärker erfreuen sich aus verschiedensten Gründen wachsender Beliebtheit, wobei die ihnen unterstellten klanglichen Vorzüge eine zentrale Rolle spielen.
Die objektiven Ursachen in der Signalverarbeitung sind messtechnisch nicht immer zu belegen, vermutet werden häufig das unterschiedliche Verhalten des Röhrenverstärkers als Gesamtsystem hinsichtlich seiner nichtlinearen Verzerrungen, oder durch den geringeren Dämpfungsfaktor bedingte Resonanzerscheinungen der Lautsprecher zusammen mit schaltungstechnischen Besonderheiten, wobei auch der hier notwendige Ausgangsübertrager eine wichtige Rolle spielen kann.
Angeführte Argumente für Röhrenverstärker, die bei Transistorschaltungen verwendete Gegenkopplung führe zu Phasenverschiebungen und müsse daher vermieden werden, entbehren jeder Grundlage, da die Phasenverschiebungen eines Röhrenverstärkers, die durch dessen Ausgangstransformator hervorgerufen werden, wesentlich größer sind als diejenigen eines gegengekoppelten Transistorverstärkers.
Wegen ihrer höheren Anforderungen an die Ausgangsleistung arbeiten die Endstufen der Röhren-Gitarrenverstärker oft im Gegentakt AB-Betrieb und verwenden kaum die linearisierende, aber leistungsmindernde Gegenkopplung. Dadurch entstehen die charakteristischen nichtlinearen Verzerrungen, welche hier erwünscht sind und einen Bestandteil der musikalischen Interpretation bilden.[6]. Derartige Besonderheiten des Klanges lassen sich zwar heute mit leistungsstarken Digitalprozessoren simulieren, der außerordentliche Erfolg von Re-Release-Verstärkerserien einiger Hersteller deutet jedoch auf die unumstrittene Führungsrolle der Elektronenröhre in diesem Marktsegment.
Röhrenverstärker im High-End-Sektor werden auch aufgrund ihres Designs geschätzt, bei welchem die Sichtbarkeit der Funktion und des Aufbaues eine Rolle spielt.
Oft werden diese Verstärker mit dem Einsatz besonders wertvoller Materialien oder mit subjektiven Klang-Attributen beworben, was zu ihren Übertragungseigenschaften in keinem Verhältnis steht.
Röhrentypen
Die verschiedenen Röhrentypen werden durch ihre Funktion und die Anzahl und Anordnung der Elektroden unterschieden.
Diode
Hier sind nur die beiden immer vorhandenen Elektroden Anode (a) und Kathode (k) vorhanden. In oder nahe bei der Kathode befindet sich zumeist ein Glühdraht (f), der stromdurchflossen die Kathode zur Rotglut erhitzt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Kathode und Anode werden die in der Kathode durch die Wärmebewegung freigesetzten Elektronen (thermische Elektronen) durch das Vakuum zur Anode hin beschleunigt und von dieser aufgefangen.
Voraussetzung hierbei ist die (oben erwähnte) Polarität der angelegten Spannung: Die Kathode muss gegenüber der Anode negatives Potential aufweisen, damit ein Anodenstrom zustande kommt (siehe auch Röhrendiode). Bei fehlender Spannung zwischen Anode und Kathode fließt nur ein minimaler Strom – der sogenannte Anlaufstrom. Dieser kommt zustande, weil laut Wahrscheinlichkeitsverteilung auch ohne Spannung viele Elektronen mit genügend Energie vorhanden sind, um die Distanz zwischen den Elektroden zu überwinden. Dieser Strom ist im Wesentlichen vom Material und von der Temperatur der Kathode sowie der Bauform beider Elektroden abhängig.
Hauptanwendungsgebiete: Gleichrichter, auch für sehr hohe Spannungen (Glühventil), Demodulator
Beispiele für damals weitverbreitete Diodentypen:
- EAA91 (Zwei unabhängige Kleinsignal-Diodenstrecken in einem Röhrenkolben, benutzt in Diskriminatoren zur Frequenzmodulation-Demodulation und in Fernsehgeräten als Bildsignaldemodulationsstufe und Schwarzwertklemmdiode.
- EY51 (Hochspannungs-Gleichrichterdiode für Fernseh-Bildröhren und Oszilloskop-Kathodenstrahlröhren)
- EZ81 (Standard Zwei-Weg Diodengleichrichter)
- PY88 (Hochspannungs-Boosterdiode für die Zeilenendstufe von Fernsehgeräten)
Triode
Die Triode oder Eingitterröhre besteht aus einer zusätzlichen Elektrode, dem sogenannten (Steuer)Gitter (g1), welches zwischen Kathode und Anode angebracht ist und das praktisch meistens die Form einer Wendel hat.
Die Menge der zwischen Kathode und Anode fließenden Elektronen lässt sich durch die Höhe einer am Gitter anliegenden, gegenüber der Kathode negativen Spannung stromlos steuern. Diese leistungslose Steuerung gilt allerdings nur bis zu Frequenzen im unteren zweistelligen Megahertzbereich. Danach sinkt der Eingangswiderstand durch Influenzwirkung.
Da das Gitter nahe an der Kathode liegt, erzeugen schon kleine Variationen der Gitterspannung große Stromschwankungen zwischen Anode und Kathode, da die Elektronen dort noch langsam sind und daher bereits mit einer kleinen negativen Spannung am Gitter blockiert werden können.
Einige Elektronen gelangen durch das Gitter und werden dann weiter zur Anode beschleunigt. Die Menge dieser Elektronen ist dabei von der Spannung am Gitter abhängig, so dass der Stromfluss Anode-Kathode durch die Spannung am Gitter gesteuert wird und es zu einer Verstärkung kommt.
Das macht die Triode zum historisch ersten elektronischen Verstärker - eine Funktion, in der sie heute meistens durch die kleineren, rausch- und verlustärmeren Transistoren ersetzt wurde.
Das Maß der Verstärkung ist die Steilheit (mA/V). Sie ist umso höher, je näher das Gitter der Kathode ist und je dichter es ist. Besonders steile Trioden haben sogenannte Spanngitter, welche besonders fein und sehr nahe der Kathode angeordnet sind.
Heute finden sich Trioden vor allem in Vorverstärkerstufen von Hi-End-Audiogeräten - in Endstufen werden sie aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades nur bei besonderen Anforderungen an Linearität (Kennlinie ist Kurve erster Ordnung) eingesetzt.
In Leistungsverstärkern der HiFi-Technik sind besonders Endtrioden mit hohem Durchgriff (z. B. Stromregelröhren) beliebt. Der Vierpolparameter Durchgriff beschreibt die Rückwirkung eines sich ändernden Anodenpotenzials auf den Anodenstrom. Ein hoher Durchgriff, das heißt eine starke Rückwirkung des Anodenpotenzials, wirkt wie eine „eingebaute“ Gegenkopplung. Trioden mit hohem Durchgriff sind per se äußerst lineare aktive Bauelemente.
Eine besondere Bauform sind Scheibentrioden; diese haben flache (scheibenförmige) Elektroden, welche rundum konzentrisch kontaktierbar sind, um sie induktivitätsarm in koaxialen Anordnungen anschließen zu können. Sie werden als HF-Verstärker bis ca. 5 GHz eingesetzt. Weitverbreitete Trioden aus der E-Serie (6,3 Volt Heizspannung):
- EC92 (VHF-Triode, entspricht weitestgehend einer Hälfte einer ECC81)
- ECC81 (VHF-Doppeltriode)
- ECC82 (NF-Verstärker, Impulstrennstufe in TV-Empfängern)
- ECC83 (rausch-, kling- und mikrofoniearme NF-Doppeltriode für NF-Verstärker)
- PCC84 (VHF-Doppeltriode, speziell für kleine Anodenspannungen wie sie in Kaskodeschaltungen üblicherweise auftreten)
- ECC85 (VHF-Doppeltriode, verbessertes Nachfolgemodell der ECC81)
- ECC86 (Niederspannungs-Doppeltriode mit 6 bis 12 Volt Anodenspannung für Autoradios)
- 6N2P (Russische Audio-Doppeltriode mit hohem Verstärkungsfaktor, ähnlich ECC83)
- E88CC EC93 (steile Spanngitterröhren für Frequenzen bis ca. 800MHz, UHF Bereich)
- 6J5 (Vielzweck Triode)
- 6SN7 (Doppeltriode mit Oktalsockel, vowiegend für Audio-Anwendungen)
Tetrode
Die Tetrode weist ein weiteres Gitter auf, das sogenannte Schirmgitter (g2), und hat somit vier Elektroden. Das Einfügen dieses Gitters zwischen Steuergitter und Anode ändert einige fundamentale elektrische Parameter der Röhre. Das Schirmgitter wird mit einer gegenüber der Kathode möglichst konstanten positiven Spannung gespeist und schirmt die Kathode von der Anode ab: Der Elektronenstrom Richtung Anode wird nun auch von der positiven Spannung am Schirmgitter bestimmt. Der Anodenstrom ist ab einem Schwellwert nahezu unabhängig von der Anodenspannung; das Schirmgitter stellt für das Steuergitter konstante Feldbedingungen her und beschleunigt die Elektronen gleichmäßig Richtung Anode - auch wenn diese eine niedrigere Spannung als das Schirmgitter annimmt. Das erhöht den Innenwiderstand (Quellwiderstand) der Anode beträchtlich. Die unterbundene Rückwirkung der Anodenspannung auf das Feld beim Steuergitter führt zu einer wesentlich erhöhten Verstärkung.
Leider weist die Tetrode auch einen Nachteil auf: Es gibt einen Bereich in der elektrischen Kennlinie, bei dem die Elektronen gerade soweit beschleunigt werden, dass sie mit hoher Geschwindigkeit auf die Anode aufprallen, dort jedoch sogenannte Sekundärelektronen herausschlagen, die auf das positivere Schirmgitter gelangen. Diese Sekundärelektronen gehen dem Anodenstrom verloren, was sich in einer charakteristischen Delle im Kennlinienfeld zeigt. Eine Verwendung im Bereich dieser Delle erzeugt Verzerrungen, da der Anodenstrom hier nicht mehr weitgehend der Gitterspannung am Steuergitter folgt. Das Schirmgitter wird hierdurch zusätzlich thermisch belastet.
Eine Maßnahme, dieses Problem in den Griff zu bekommen, ist, den Abstand zwischen Anode und Schirmgitter möglichst groß auszulegen - so groß, dass das elektrische Feld der Anode möglichst alle Sekundärelektronen wieder einfangen kann und nur eine unbedeutende Menge zum Schirmgitter gelangt. Dieses ist z. B. bei manchen Ausführungen der Endröhre EL11 aus DDR-Produktion der Fall.
Eine weitere Maßnahme wird im Folgenden beschrieben.
Pentode
Um die Probleme mit den Sekundärelektronen zu umgehen, fügten die Konstrukteure ein weiteres Gitter zwischen Anode und Schirmgitter ein, das sogenannte Bremsgitter (g3). Es ist sehr weitmaschig und liegt elektrisch auf der selben Spannungsebene wie die Kathode. Den von der Kathode kommenden Elektronenstrom beeinflusst es durch seine Weitmaschigkeit praktisch nicht. Die von der Anode kommenden, gegenüber dem Hauptstrom wesentlich langsameren Sekundärelektronen werden davon allerdings gänzlich wieder Richtung Anode gelenkt. Die Pentode hat daher in der Summe fünf Elektroden.
Die Pentode ist die letzte Stufe einer langen Entwicklungsreihe. Dem Vorteil einer sehr hohen Verstärkung steht allerdings der Nachteil eines höheren Eigenrauschens entgegen. Da die Elektronen im Laufe ihres Weges zur Anode an verschiedenen Potentialen vorbeikommen, werden sie wechselweise beschleunigt, gebremst und sogar aus ihrer geradlinigen Bahn abgelenkt. Dieses erzeugt eine Rauschspannung an der Anode, wie sie am Steuergitter allerdings nie eingespeist wurde.
Aus diesem Grunde ging man in der Radio- und Fernsehtechnik Anfang der 50er Jahre schon dazu über, in den Eingangsteilen der UKW-Verstärker von den Pentoden abzulassen und Trioden zu verwenden. Über einen Kunstgriff, die sogenannte Kaskode-Schaltung, erreichte man mit zwei Trioden pentodenähnliche Verstärkungswerte, allerdings ohne deren Rauschen.
Beam-Power-Tetroden sind spezielle Pentoden, die anstelle des kompliziert herzustellenden Bremsgitters vergleichsweise einfach gebogene Elektronenstrahl-Leitbleche verwenden, was sich besonders vorteilhaft auf die Herstellungskosten auswirkt. Um patentrechtlichen Problemen mit der Firma Philips/Mullard aus dem Weg zu gehen, entwickelten britische Elektronik-Ingenieure das Beam-Tetroden-Design, dessen Patentlizenzen später an die amerikanische RCA verkauft wurden. Diese entwickelte in kurzer Zeit die erfolgreichste, vielseitigste und bekannteste Beam-Power-Tetrode der Röhrengeschichte, die mit der Bezeichnung 6L6 1936 auf dem Röhrenmarkt erschien und mit ihren zahlreichen Varianten bis heute im Bereich der eher kurzlebigen Elektronik-Bauteile eine nicht endende, beispiellose Dauerkarriere absolvierte. Sie wird auch heute (2007) noch gefertigt und spielt insbesondere im Marktsegment der Gitarren- und E-Bassverstärker eine dominierende Rolle.
Beispiele für Pentoden sind:
- EF80 (Breitband-Pentode)
- EF83 (regelbare Low-Noise-Kleinsignalpentode für Hi-Fi-Anwendung)
- EF85 (regelbare Breitbandpentode)
- EF86 (Low-Noise-Kleinsignalpentode für Hi-Fi-Anwendung)
- EF98 (Niederspannungs-Kleinsignalpentode, besonders für Hybrid-Autoradios)
- EL34 (häufig in Audioverstärkern größerer Leistung eingesetzte NF-Endpentode)
- EL41 (NF-Endpentode für Radiogeräte älterer Bauart)
- EL84 (NF-Endpentode für Radiogeräte und Verstärkeranwendung)
- PL83 (Videoendstufe in TV)
Beispiele für Pentoden mit Strahlblechkonstruktion sind:
- 6L6 (US-amerikanische Beam-Power Tetrode von RCA)
- KT66 (Englische Kinkless-Tetrode von Marconi-Osram Valve Co., elektrisch fast identisch mit der 6L6)
- EL503 (berühmte hochsteile Spanngitter-Beam-Power Tetrode von 1966)
- PL500 (Schaltpentode, Horizontal-Endstufe in TV)
- PL519 (Schaltpentode mit noch höherer Leistung für Farbfernsehempfänger)
- PCF82 (der Pentodenteil dieser Verbund-Kleinsignalröhre ist die einzige nicht-Endpentode der deutschen Röhrenreihe mit Strahlblech)
Hexode
Die Hexode ist eine Elektronenröhre mit sechs Elektroden: Anode, Kathode, und insgesamt vier Gittern. Vereinfacht ausgedrückt ist die Hexode eine Reihenanordnung von zwei Tetroden mit nur einer Kathode und einer Anode – sie enthält somit zwischen Kathode und Anode zwei Steuergitter (g1, g3) und zwei Schirmgitter (g2, g4).
In der häufigsten Anwendung dieses Röhrentyps werden den Steuergittern g1 und g3 zwei verschiedene Signale mit unterschiedlicher Frequenz (f1, f2) zugeführt. An der Anode treten dann die (verstärkten) Signale mit den Frequenzen f1, f2, f1+f2 und f1−f2 auf. Bei Überlagerungsempfängern ist hierbei nur die Differenz f1−f2 von Bedeutung – die sogenannte Zwischenfrequenz (ZF).
Schaltungen dieser Art werden Multiplikative Mischer genannt, da sich das Ausgangssignal aus der Multiplikation der beiden Steuersignale ergibt. Multiplikative Mischung ist besonders bei Amplitudenmodulation von Vorteil, da gegenüber additiver Mischung weniger Signalverzerrungen auftreten.
Diese Schaltungen fanden daher in AM-Radioempfängern weite Verbreitung (Details s. Überlagerungsempfänger).
Bekannte und zur ihrer Zeit verbreitete Vertreter sind die Typen ACH 1, ECH 3, ECH 11, ECH 42, welche zusätzlich noch ein Triodensystem (Verwendung als Oszillator) enthalten. Die beiden Schirmgitter des Hexodenteils sind bei diesen Röhren miteinander verbunden.
Heptode
Die Heptode ist eine Weiterentwicklung der Hexode und eine Fünfgitterröhre. Dabei ist, analog zur Pentode, ein Bremsgitter (g5) zwischen zweitem Schirmgitter (g4) und Anode (a) vorgesehen und fix mit der Kathode im Kolben verbunden. Meistens ist nur ein einzelner elektrischer Anschluss aus dem Kolben für die beiden Schirmgitter (g2 und g4) herausgeführt.
Bekannte Vertreter waren die Typen ECH 4, ECH 21, ECH 81; letztere fand sich in nahezu jedem Rundfunkempfänger der 50er und frühen 60er Jahre. Auch sie enthielten ein zur Verwendung als Oszillator vorgesehenes Triodensystem.
Oktode
Die Oktode oder Achtpolröhre ist eine Parallelentwicklung zur Mischhexode/Oszillatortriode. Dem ersten Steuergitter (g1) folgt eine meistens aus zwei Stegen bestehende Anode (g2), welche mit Kathode und erstem Gitter das Oszillatorsystem bildet. Weiter im Elektronenstrom folgen ein Schirmgitter (g3), ein weiteres Steuergitter (g4), welches mit dem Empfangssignal beaufschlagt wird, ein zweites Schirmgitter (g5, intern mit dem ersten Schirmgitter g3 verbunden) und ein Bremsgitter (g6) unmittelbar vor der Anode, das meistens im Kolben fix mit der Kathode bzw. bei direkt geheizten Röhren mit dem Heizfadenmittelpunkt verbunden ist und, wie bei der Pentode, zur Beseitigung von Sekundärelektronen und Verbesserung der Kennlinie dient. Die Oktode ist wie die Hexode und die Heptode eine Spezialröhre für Überlagerungsempfänger, sie bildet gleichzeitig Misch- und Oszillatorröhre in einem System.
Enneode
Die Enneode ist eine Röhre mit einer Kathode, einer Anode und sieben Gittern, also mit insgesamt neun Elektroden, weshalb sie bisweilen auch als Nonode bezeichnet wird. Der einzige bekannte Typ ist die EQ 80 (bzw. deren Allstromvariante UQ 80). Sie wurde etwa zeitgleich mit der Einführung des UKW-Rundfunks zum Zweck der Frequenzdemodulation entwickelt. Ihre Arbeitsweise entsprach der eines Koinzidenzdemodulators. An ihrer Anode konnte eine vergleichsweise hohe Signalspannung abgenommen werden, die zur vollen Aussteuerung der unmittelbar folgenden Endröhre ausreichte und zudem noch eine Gegenkopplung gestattete. Einige Verbreitung fand diese Röhre im Tonteil von Fernsehempfängern. Da das Bremsgitter g7 intern mit der Kathode und die drei Schirmgitter g2, g4 und g6 untereinander verbunden und gemeinsam herausgeführt waren, genügte trotz der zahlreichen Elektroden der damals neue Novalsockel mit neun Stiften.
Magisches Auge
Das Magische Auge ist eine Spezialröhre, die das elektrische Signal in ein Leuchtsignal umsetzt, dessen sichtbare Ausdehnung von der angelegten Steuerspannung abhängt. Erfunden 1930 von dem Amerikaner Dr. Allen Du Mont und weiterentwickelt von den beiden RCA-Ingenieuren Thompson / Wagner diente sie zunächst in Radioempfängern als visuelle Hilfe für eine optimale Abstimmung auf die gewünschte Sendefrequenz. Als Leuchtschirmformen wurden hauptsächlich der segmentierte Kreis (AM2, EM34), der Fächer (EM71, EM80, EM85) oder später das rechteckige Band (EM84, EM800, EMM801, EMM803) verwendet. Wie die Oszilloskopröhren leuchten magische Augen in der Regel grün, bei moderneren Exemplaren wie der EM84 tendiert die Farbe eher in den Bereich blau-grün. Die Leuchtfarbe ist abhängig von der Leuchtschirmsubstanz, die vom Elektronenstrahl angeregt wird: Zink-Silikat für die älteren grün leuchtenden Schirme, Zinkoxid für die hell leuchtenden und moderneren grün-bläulichen Varianten. Dabei hat sich Zinkoxid als wesentlich haltbarer gegenüber der Belastung durch das fortwährende Elektronenbombardement erwiesen: Röhren mit diesem Leuchtstoff haben eine höhere Lebensdauer.
Für Stereo-Geräte brachte die Röhrenindustrie spezielle Abstimmanzeigeröhren mit zwei getrennten Elektrodensystemen heraus, die unterschiedlich eingesetzt wurden: entweder als 2-Kanal-Aussteuerungsanzeige für Audio-Anwendungen (EMM801, EM83) oder als Abstimmanzeige für UKW-Stereotuner, wobei ein System die optimale Abstimmung des Tuners signalisiert, das zweite System auf das Vorhandensein eines Stereosignals hinweist (EMM803).
Mehrfachröhren (Verbundröhren)
In Mehrfachröhren sind zwei oder mehr Röhrensysteme vereint, sie sind gewissermaßen die ersten integrierten Schaltungen der Elektronik: zum Beispiel zwei Trioden in der ECC86, eine Triode und eine Leistungspentode in der ECL82 und eine Diode, eine Doppeldiode und eine Triode in der EABC80. Es sind auch Kombinationen von Abstimmanzeigeröhren und Pentoden hergestellt worden, z. B. in der EFM11.
Spezielle Elektronenröhren
Im folgenden sind spezielle Elektronenröhren angeführt, welche meist ganz spezielle Aufgaben haben:
- Bildverstärker, Restlichtverstärker, Bildwandlerröhre sind Elektronenröhren welche vor allem zur Aufnahme und Verstärkung von Licht dienen. Restlichtverstärker finden beispielsweise in Nachtsichtgeräten auch noch heute Verwendung.
- Die Fotozelle, es gibt sie in einer Vakuumausführung und teilweise auch gasgefüllt, ändert in Abhängigkeit des auf sie einfallenden Lichtes ihren elektrischen Widerstand. Sie ist in ihren Einsatzbereichen heute praktisch vollständig durch optisch aktive Halbleiter wie dem Halbleiterdetektor ersetzt.
- Die Braunsche Röhre und deren Weiterentwicklung in Form der Bildröhre (englisch CRT) zur Anzeige von Bildsignalen auf einem Bildschirm. Diese Röhre findet auch heute noch bei Fernsehempfängern und Computermonitoren Anwendung, wird aber zunehmend durch neuere Technologien wie Flüssigkristallbildschirme ersetzt.
- Crookes-Röhre sind spezielle Anzeigeröhren welche zu Beginn der Röhrentechnologie Anfang des 20. Jahrhunderts als optische Anzeigeröhre dienten. Sie haben heute keinerlei Anwendung mehr.
- Die Röntgenröhre wird zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet. Sie findet in verschiedensten Bereichen wie der Medizintechnik oder im Bereich der Werkstoffprüfung als Röngtenquelle Anwendung.
- Ein Plumbicon ist ein spezieller Bildsensor welche auch heute noch in Videokameras für spezielle Einsatzbereiche wie in Bereichen eines Kernkraftwerkes mit hoher ionisierter Strahlung (Reaktorhalle) eingesetzt wird.
- Klystron, ein Sende-Verstärker im Mikrowellenbereich, findet auch in Radaranlagen (Reflexklystron als Misch-Oszillator) oder in Teilchenbeschleunigern Verwendung.
- Die Wanderfeldröhre wird als Signalverstärker in der Radartechnik und Radioastronomie benutzt.
- Das Magnetron wird als selbstständiger Mikrowellengenerator in der Radartechnik und als Hauptteil des Mikrowellenherdes verwendet.
- Sekundärelektronenvervielfacher und Photomultiplier sind spezielle optische Restlichtverstärker, welche einfallendes Licht stark verstärken.
- Nixie-Röhren und Fluoreszenzanzeige sind spezielle Anzeigeröhren welche bestimmte fix festgelegte Symbole und Zeichen darstellen können. Während Nixie-Röhren heute außer im Liebhaberbereich keine Anwendung mehr haben und vollständig durch entsprechende Leuchtdioden ersetzt worden sind, werden Fluoreszenzanzeigen als Anzeigeeinheiten bei Heimelektronik-Geräten wie Videorekorder oder DVD-Player noch verwendet.
- Der Nuvistor sind miniaturisierte Elektronenröhren, meist von Trioden, und für UHF-Anwendungen vorgesehen. Sie sind in ihrer Funktion praktisch vollständig durch entsprechende Halbleiter abgelöst und werden nicht mehr verwendet.
Gasgefüllte Elektronenröhren
Neben den Elektronenröhren, welche in ihrem Inneren ein Vakuum für die Funktion benötigen, gibt es auch eine spezielle Gruppe von Elektronenröhren welche Gasfüllungen besitzen und erst dadurch ihre eigentliche Funktion erhalten. Dieses sind vor allem zwei Gruppen: Gleichrichter und Gasentladungslampen.
Gasgefüllte Gleichrichterröhren haben bis auf wenige Ausnahmen keine Anwendungsgebiete mehr und sind durch Halbleiter-Bauelemente in ihrer Funktion ersetzt worden. Die Gasfüllung besteht bei Gleichrichterröhren meistens aus Quecksilberdampf, welcher im Betrieb ionisiert wird. Daneben kommen je nach Röhrentyp noch verschiedene andere Gasfüllungen zum Einsatz. Meistens sind dies Edelgase wie Xenon oder Neon, aber auch Mischgase, Wasserstoff und Deuterium.
- Zu der Gruppe der Quecksilberdampfgleichrichter zählen neben dem klassischen, ungesteuerten Quecksilberdampfgleichrichter auch die gesteuerten Schaltröhren wie das Thyratron, Ignitron und Excitron.
- Die Tungar-Röhren sind mit Edelgas Argon gefüllte Gleichrichter welche für den Einsatz bei kleinen Spannungen geeignet sind.
- Das Krytron ist als ein elektronischer Schalter einsetzbar.
Eine weitere Gruppe der gasgefüllten Elektronenröhren sind die verschiedenen Gasentladungslampen. Sie finden vor allem im Bereich der Beleuchtung häufige Anwendung. Spezielle Varianten sind Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen, die im Bereich von Straßen- und Zimmerbeleuchtung alltäglich anzutreffen sind. Im Bereich von Hintergrundbeleuchungen bei Flüssigkristallbildschirmen kommen auch heute häufig Kaltkathodenröhren (CCFL) zur Anwendung.
Weiters zählen zu den Kaltkathodenröhren die in früheren Zeiten häufig verwendeten Glimmstreckenstabilisatoren, wie die bekannte OA2WA, eine gasgefüllte Kaltkathodendiode mit einem 7-poligen Miniatur-Röhrensockel, bei der die besondere Strom-Spannungs-Kennlinie zur Stabilisierung einer Spannung benützt wird, sowie die verschiedensten Ausführungen der bekannten Glimmlampe. Die Glimmlampe, erkennbar an ihrem orangefarbigen Licht, wird wegen ihrer einfachen Stromversorgung aus Kostengründen gerne in elektrischen Haushaltsgeräten zur optischen Betriebsanzeige verwendet.
Bezeichnungschema (europäisch)
Mit der allmählichen Standardisierung der Röhrensockel um 1925 (z.B. Europa-Stiftsockel oder Topfsockel mit Außenkontakten) wurden erste Versuche mit einem kombinierten Zahlen- und Buchstabensystem zur einheitlichen Kurzkennzeichnung von Bauart und Betriebsdaten der Röhren unternommen.
Aber erst ab 1933/34 etablierte sich in Europa ein zukunftsweisender Röhren-Bezeichnungsschlüssel, das von Philips und Telefunken gemeinsam beschlossene "Gemeinschafts-Bezeichnungssystem". Es entwickelte sich zu einem heute noch gültigen, höchst informativen und transparenten Code-System, das die Röhren nach Heizungsart, Sockelung und Systemtyp klassifiziert, konnte sich aber nur in Europa durchsetzen. Die US-amerikanische Röhrenindustrie entwickelte ab 1933 einen eigenen Typisierungsschlüssel mit sehr begrenzter Aussagekraft ( Radio Electronics Television Manufacturers' Association - RETMA Tube Designation).
1. Buchstabe: Heizungsart (Spannung oder Strom) 2. Buchstabe: Systemart A 4 V direkt oder indirekt A Diode B 180 mA direkt aus Batterien B Zweiwegdiode, zwei Anoden zu einer Kathode C 200 mA indirekt C Triode D 1,4 V direkt aus Batterien oder halbindirekt D Leistungstriode E 6,3 V indirekt E Tetrode F 12,6 V indirekt F Pentode G 5 V indirekt H Hexode oder Heptode H 150 mA indirekt K Oktode I (wurde schon für 20 V indirekt verwendet) L Leistungstetrode oder Leistungspentode K 2 V direkt aus Blei-Säure-Zellen M Anzeige- bzw. Indikatorröhre L 450 mA indirekt Q Enneode (9-Pol-Röhre) O ohne Heizung (für gasgefüllte Röhren, auch Halbleiter) T Zählröhre (digitale Anwendungen) P 300 mA indirekt W Einweg-Leistungsdiode mit spezieller Gasfüllung U 100 mA indirekt X Zweiweg-Leistungsdiode mit spezieller Gasfüllung V 50 mA indirekt Y Einweg-Leistungsdiode X 600 mA indirekt Z Zweiweg-Leistungsdiode Y 450 mA indirekt Z ohne Heizung (für gasgefüllte Röhren)
Sind in einem Glaskolben mehrere Elektrodensysteme untergebracht, so werden diese mit weiteren Buchstaben gekennzeichnet welche die gleiche Bedeutung wie der zweite Buchstabe haben.
Röhren sind grundsätzlich Verschleißteile und müssen nach bestimmten Zeitintervallen ausgetauscht werden. Um diesen Vorgang zu erleichtern sind fast alle Röhren mit einem Stecksystem, dem Röhrensockel ausgestattet, der im Verlauf der Röhrengeschichte die unterschiedlichsten Varianten angenommen hat, die sich ebenfalls im Zahlencode der Röhrenbezeichnung niederschlagen:
Wertebereich Sockelart 1 bis 9 Außenkontakt-Sockel (5- und 8-polig), auch Oktal- und Europa-Stiftsockel 10 bis 19 Stahlröhren-Sockel (8-polig) 20 bis 29 Loktal-Sockel 30 bis 39 Oktal-Sockel 40 bis 49 Rimlock-Sockel 70 bis 79 für Kleinströhren (Anschlussdrähte), auch Loktal-Sockel 80 bis 89 Noval-Sockel 90 bis 99 Pico 7-Sockel 150 bis 159 Stahlröhren-Sockel (10-polig) 180 bis 189 Noval-Sockel 280 bis 289 Noval-Sockel 500 bis 599 Magnoval-Sockel 800 bis 899 Noval-Sockel 900 bis 999 Pico 7-Sockel
Je nach Stellenanzahl kann die zweite oder die letzte Stelle ein Hinweis auf die Art der Gitter-Steuerkennlinie sein - diese Regelung wurde allerdings nicht generell von den Herstellern eingehalten und ist nur als Hinweis zu verstehen der nicht bei allen Röhrenfabrikaten zutrifft. Oft ist die angegebene Zahl nur eine laufende Zahl ohne weitere Bedeutung. So ergibt beispielsweise die Angabe einer Regelkennline bei Leistungsröhren keinen Sinn. Verbreitet ist nachfolgend dargestellte Zifferneinteilung zur Unterschiedung der Kennlinie bei manchen Kleinsignalpentoden (mit Kennbuchstabe F).
Anodenstrom in Abhängigkeit von der Steuergitterspannung gerade Ziffer normale Kennlinie ungerade Ziffer gekrümmte Kennlinie für Regelröhren
Gelegentlich sind auch Röhren anzutreffen, bei denen die Ziffernkombination zwischen dem Buchstaben der Heizungsart und denen der Systemart angegeben wird, z.B. E83CC. Diese Röhren sind für eine besonders lange Lebensdauer spezifiziert, weisen gegenüber der Standardversion (hier: ECC83) engere Toleranzen auf, haben eine höhere Stoß- und Vibrationsfestigkeit und sind oft Spanngitterröhren. Daher kamen sie besonders bei erhöhten Anforderungen an Funktion und Zuverlässigkeit wie z.B. in Geräten für Industrie und Militär zum Einsatz. Man sollte sich jedoch vor der Annahme hüten, dass in jedem Fall bei einer gegebenen Spezialröhren-Typbezeichnung durch einfaches Umstellen der Ziffern-Buchstaben-Kombination auf die elektrisch vergleichbare konventionelle Röhre zu schließen ist. Die nach dem Philips-Datenblatt zur Verwendung in Telefonanlagen gedachte Kleinleistungs-Spezialpentode E81L ist beispielsweise nicht mit der Fernseh-Zeilenendpentode EL 81 vergleichbar!
Typische reguläre Beispiele:
- UL 84 = Leistungsendpentode für 100 mA Heizstrom, Noval-Sockel
- EF 97 = Regel-Pentode für 6,3 V Heizspannung, Pico-Sockel
- VY 1 = Leistungsdiode für 50 mA Heizstrom, Außenkontaktsockel
- UCH 21 = Mehrsystemröhre aus einer Triode und Heptode in einem Glaskolben, 100 mA Heizstrom, Loktal-Sockel
Rauschen
Wie jedes andere elektronische Bauelement bewirkt eine Elektronenröhre ein in Spektrum und Leistung spezifisches Rauschen. Dieses ist von der generellen Funktion einer Elektronenröhre bedingt.
Funkeleffekt
Die Emission von Elektronen an der Kathodenoberfläche hängt von chemischen Vorgängen innerhalb der erhitzten Emissionsschicht ab. So ist die Emission nicht über die gesamte wirksame Fläche der Kathode identisch und ändert sich zudem zeitlich. Der Funkeleffekt trägt am stärksten zum Gesamtrauschen bei. Er ist besonders für Audioverstärker bedeutsam, da die Rauschleistung, die durch den Funkeleffekt verursacht wird, unterhalb von etwa 10 kHz stark ansteigt.
Schroteffekt
Der Elektronenstrom, der, zum Beispiel bei Aussteuerung mit einer Gleichspannung, die Anode erreicht, ist niemals völlig konstant, sondern hängt von der statistischen Anzahl der Elektronen ab, die im entsprechenden Zeitpunkt die Anode erreichen.
Verteilungsrauschen
Bei einer Pentode fließen die von der Kathode emittierten Elektronen zum Schirmgitter und zur Anode. In Abhängigkeit von der Zeit erreichen eine abweichende Anzahl von Elektronen Schirmgitter und Anode. Dieses führt zu einem für Mehrgitterröhren typischen höheren Rauschen.
Influenzrauschen
Vor allem bei Frequenzen oberhalb von 100 MHz kommt es zu Influenzvorgängen, die der Elektronenstrom zwischen Kathode und Anode infolge Laufzeiteffekten auf dem Steuergitter hervorruft.
Kühlung
Die Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode bewirkt eine Beschleunigung der von der Kathode emittierten Elektronen: Elektrische Energie wird in kinetische Energie der Elektronen umgewandelt. Durch den auf der Anode auftreffenden Elektronenstrom entsteht eine Verlustleistung, die der Elektronenanzahl (Strom) und der Elektronengeschwindigkeit (Spannung) proportional ist. Die kinetische Energie der Elektronen wird in Wärmeenergie als auch Lichtstrahlung verwandelt. Siehe Abschnitt ”Anodenmaterial“.
Um die Verlustleistung möglichst effektiv an die Umgebung abführen zu können, sind Anoden vor allem von Leistungsröhren geeignet geformt (Kühlfahnen, Kühlrippen) und/ oder aus geeignetem Material (z. B. Graphit) gefertigt.
Röhren müssen ihre Verlustleistung an die Umgebung abgeben können. Senderöhren mit sehr hoher Leistung werden mit Wasser gekühlt, während Senderöhren mittlerer Leistung mit Keramikgehäuse mittels Druckluft gekühlt werden.
Glas- und Stahlkolbenröhren müssen ihre Verlustleistung durch Strahlungswärme des Anodenblechs abgeben. Bei der Anwendung aller strahlungsgekühlter Leistungsröhren muss konstruktiv dem Umstand Rechnung getragen werden, dass keine benachbarten Bauteile durch die Strahlungswärme beschädigt werden und gleichzeitig die Strahlungswärme ungehindert abgeführt werden kann.
Lebensdauer
Trotz ihrer hohen Toleranz gegenüber kurzzeitigen Überschreitungen der elektrischen Grenzwerte besitzen Elektronenröhren eine geringere Lebensdauer als Halbleiterbauelemente. Gerade in der Leistungstechnik sind Röhren Verbrauchselemente. Die oft aufwändige und vor allem bei sehr hohen Frequenzen problematische Konstruktion Röhrensockel - Röhrenfassung ist nicht zuletzt Ausweis der Notwendigkeit häufigen Austausches. Neben einigen anderen Faktoren wird die Lebensdauer einer Elektronenröhre bei einem Betrieb innerhalb der Grenzwerte durch folgende Faktoren bestimmt:
Zwischenschichtbildung
Die elektrochemischen Vorgänge in den Kathoden sind der entscheidende, die Lebensdauer limitierende Faktor. Vor allem, wenn die Röhre geheizt wird, jedoch kein Anodenstrom fließt, bilden sich bei einer Oxydkathode schnell sogenannte Zwischenschichten zwischen Kathodenträger und der aktiven Schicht aus, die die Emissionsfähigkeit der Kathode drastisch reduzieren.
Abtragung von Kathodenmaterial
Das emissive Material der Kathode kann sich mit der Zeit langsam ablösen. Zum einen kann dieses durch starke Überlastungsmomente geschehen, die z. B. auftreten wenn die Röhre mit bereits angelegter Anodenspannung aufgeheizt wird. Zum anderen findet in der Röhre eine stetige Abdampfung statt. Dieser Vorgang verläuft unter normalen Betriebsbedingungen jedoch sehr langsam und macht sich erst nach einigen zehntausend Betriebsstunden bemerkbar.
Vakuum
Das Vakuum einer Röhre kann sich aus zwei Gründen verschlechtern: Ausgasung von Materialien innerhalb der Röhre, was von der Qualität (Reinheit) der Materialien abhängt, sowie Eindringen von Gasen.
Bedingt durch die Betriebstemperatur einer Elektronenröhre wechselt die Temperatur des Glaskolbens oder der Keramik-Metall-Verschweißungen zwischen ein- und ausgeschaltetem Zustand. Bei Leistungsröhren kann die Temperaturdifferenz 150 K erreichen. Manchmal geht mit einer Vielzahl von Ein- und Ausschaltvorgängen die Bildung von Haarrissen im Kolben einher. Die meisten Gase (Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid usw.) können zunächst vom Getter der Röhre adsorbiert werden. Bei Glasröhren ermöglicht der Getter auch eine optische Kontrolle des Vakuums: solange der silberne Belag an der Innenseite des Kolbens noch deutlich erkennbar ist, kann man das Vakuum als ausreichend ansehen. Ist er dagegen verschwunden bzw. milchig-transparent verfärbt, befindet sich Luft im Glaskolben. Die Verschlechterung des Vakuums hat zunächst Änderungen der elektrischen Eigenschaften zur Folge. Später kommt es zu einer Oxydation des Heizfadens und damit zur Zerstörung der Röhre.
Langlebensdauerröhren
Dort, wo eine sehr hohe Anzahl von Röhren in einem elektronischen System zusammenarbeiten (elektronische Rechengeräte, Fernsprechübertragungsanlagen usw.), nur sehr eng tolerierte Röhren verwendet werden können oder wo besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit gestellt werden, werden Spezialröhren eingesetzt. Je nach Einsatzzweck wurden unterschiedliche Arten von Spezialröhren entwickelt. Röhren für elektronische Rechensysteme besitzen eine Spezialkathode, die nur gering zur Ausbildung von Zwischenschichten neigt. Röhren für den militärischen Einsatz sind neben anderen Anforderungen häufig für hohe Beschleunigungen konstruiert.
Spezialröhren gehören heute zu den gesuchten und damit teuren Elektronenröhren.
Quellenangaben
- ↑ Homepage von Robert von Lieben
- ↑ Patent Nr. 179807 (pdf)
- ↑ Schlierenbildung bei Elektronenröhren
- ↑ Röhrenprojekt TU-Berlin
- ↑ Tubes vs Transistors
- ↑ Gitarrenverstärker
Siehe auch
- Transistor, Kathodenstrahlröhre, Gleichrichtung, Produktion bei RFT, Getter, Vakuum, Tropadyne
- Barkhausensche Röhrenformel
- Laufzeitröhre
- Röhrenabklopfhammer, Röhrenkoffer
Literatur
- Friedrich Benz: Einführung in die Funktechnik. Springer, Wien 1937, 1950 (4. Aufl.), 1959 (ung. Ausg.).
- Fritz Kunze, Erich Schwendt: Röhren-Taschen-Tabelle. Franzis, München 1949, 1994 (14. Aufl.), Poing 2006 (15. Aufl.). ISBN 3-7723-5454-8
- Eduard Willi: Schweizer Elektronenröhren 1917-2003. Willi, Russikon 2006. ISBN 978-3-033-00552-5
- Electronics Ausgabe Oktober 1950: Getter Materials, Werner Espe, Max Knoll, Marshall P. Wilder
Weblinks
- Röhren-Schaltbilder und Röhren-Datenblätter kostenlos herunterladen
- Röhrengrundlagen
- Funktion einer Röhre in Flash
- Exzellente Seite über Elektronenröhren von H.-T. Schmidt
- Interessante Abhandlung zur Schlierenbildung der Glaskolben
- Service für vergriffene Röhren-Datenblätter
- Röhren-Datenblätter kostenlos herunterladen
- Friedrich Hunold
- Jogis Röhrenbude
- Mißverständnisse um Röhren
- Röhrenvergleichslisten, Datenblätter, Schaltpläne
- Patente: Cooper-Hewitts Patent GB 4 168, von Liebens Patent DE 179 807, Flemings Patent GB 24 850
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