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Elektronenröhre und Antonio de Ulloa: Unterschied zwischen den Seiten

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'''Antonio de Ulloa y Torre-Guiral''' (* [[12. Januar]] [[1716]] in [[Sevilla]], [[Spanien]]; † [[5. Juli]] [[1795]] in der Nähe von [[Cádiz]]) war ein [[Spanier|spanischer]] [[Gelehrter]] und [[Admiral]].
Eine '''Elektronenröhre''' ist ein [[Elektronik|elektronisches]] Bauelement, das aus einem [[Vakuum|evakuierten]] Gefäß besteht, in das verschiedene [[Elektroden]], mindestens aber eine [[Kathode]] und eine [[Anode]] eingelassen sind.

Die Elektronenröhre ist ein Steuerungs- und Verstärkungsorgan der Elektrotechnik, das auf der Erscheinung beruht, dass aus glühenden Stoffen, meist [[Metall]]drähten, [[Elektron]]en in den freien Raum austreten. Die [[Elektronenemission]] kann im [[Vakuum]] zwischen der negativen Elektrode ([[Glühkathode]]) und einer positiv geladenen weiteren Elektrode, der Anode, einen [[elektrischer Strom|Elektronenstrom]] unterhalten. Da eine Elektronenröhre mit zwei Elektroden den Anodenstrom nur in einer Richtung durchlässt, dient sie als [[Gleichrichter]]. Durch ein in den Elektronenstrom eingebautes Gitter lässt sich der Emissionsstrom steuern, wenn am Gitter verschiedene Spannungen angelegt werden, die entweder den Elektronenstrom hemmen oder verstärken. Darauf beruht die Verwendung der Elektronenröhre als [[Verstärker (Technik)|Verstärker]]- oder [[Sendeanlage|Sende]]röhre. Je nach Verwendungszweck, Elektrodenanzahl und Röhrencharakteristik gibt es Hunderte von Röhrentypen.

In der Regel meint man Hochvakuum-Verstärkerröhren, wenn man von Röhren spricht. Prinzipiell zählen v.a. für Spezial- und Schaltanwendungen auch mit verschiedenen Gasen gefüllte Röhren
zu den Röhren als elektronisches Bauelement, wobei teilweise dem Gas nur passive Schutzfunktion oder (überwiegend) zusätzlich oder ausschließlich aktive Beteiligung an der Röhrenfunktion durch Ionenleitung zukommt. Gasgefüllte Röhren waren bis zur Einführung des [[Transistor|Transistors]] im industriellen Bereich unverzichtbar.

[[Bild:6L6tubespair.jpg|thumb|right|180px|6L6GC Röhren: links [[General Electric]] ca. 1960, rechts [[Svetlana Electron Devices]], [[Russland]] ca. 2000]]
[[Image:Lampy-elektronowe-prozniowe.jpg|thumb|180px|Radioröhren]]

== Geschichte ==
[[Cooper-Hewitt|Peter Cooper-Hewitt]] erfand schon im Jahre [[1902]] eine Art Röhrengleichrichter, der auf der Basis von [[Quecksilber]]dampf arbeitete, gleichsam ein Vorläufer der Elektronenröhre.

Die Elektronenröhre wurde [[1904]] vom [[England|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]]<!--laut c`t 6/2006 S. 67 "Röhrenradau" geschah die Anmeldung am 19. November! Wer hat recht?--> 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 [[Triodenröhre]] war es erstmals möglich, elektrische Signale zu verstärken.

Unabhängig von de Forrest entwickelte der österreichische Physiker [[Robert von Lieben]] <ref>[http://www.hts-homepage.de/Lieben/Lieben.html Homepage von Rober von Lieben]</ref> eine Verstärkerröhre - die sogenannte Liebenröhre - und meldete sie am 4. März 1906 beim Kaiserlichen Patentamt des Deutschen Reiches als Kathodenstrahlrelais zum Patent <ref>[http://www.hts-homepage.de/Lieben/DRP179807.pdf Patent Nr. 179807] (pdf)</ref> 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 mit seinen Mitarbeitern eine der ersten Mehrsystemröhren, in welcher nicht nur drei Triodensysteme, sondern auch einige Widerstände und Kondensatoren untergebracht waren. Sie stellte somit eine Art integrierter Schaltkreis dar und war für einen Radioempfänger vorgesehen.

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. [[Magnetron]]s zählen im weiteren Sinne ebenfalls zu den Elektronenröhren und werden nach wie vor in [[Radaranlage]]n und [[Mikrowellenherd|Mikrowelle]]ngeräten eingesetzt.


''Siehe auch:'' [http://www.hts-homepage.de/TechnischesMuseum/TM01.html Fotos historischer Elektronenröhren]

== Funktionsweise ==
[[Bild:getterringmtext.jpg|thumb|Getter-Ring und Getter in einer Elektronenröhre]]
Der [[Elektron]]enstrom, der bei Anlegen der [[Anodenspannung]] zwischen diesen beiden Elektroden den luftentleerten Raum durchfließt, kann in seiner Richtung und Stärke durch die Einwirkung von [[elektrisches Feld|elektrischen]] (Steuerspannungen) und [[magnetisches Feld|magnetischen Feldern]] (Ablenkspulen) beeinflusst werden. Die Beeinflussung der Stärke nennt man auch [[Modulation (Technik)|Modulation]]. Ein gerichteter Elektronenstrom wird auch als '''[[Elektronenstrahl]]''' bezeichnet.

Die Elektronen werden mittels [[Feldemission]] an einer spitz geformten oder [[thermisch]] an der beheizten [[Kathode]] ausgesendet (emittiert) und im einfachsten Fall an der einzigen anderen Elektrode, der meist positiv aufgeladenen Anode, aufgefangen.

=== Kathodentypen bei beheizten Kathoden ===
Bei den üblichen Verstärkerröhren und größeren Senderöhren sind folgende Kathodentypen gebräuchlich:
* Wolframkathode - der Heizdraht dient gleichzeitig als Elektronenemitter und besteht wie bei einer handelsüblichen Glühlampe aus Wolframdraht. Bei älteren Senderöhren höchster Leistung gebräuchlich.
* Thoriumkathode - wie vorstehend, aber der Draht wurde mit einer dünnen Thoriumschicht versehen, was dessen Fähigkeit, Elektronen zu emittieren erhöht. Bei Senderöhren mittlerer Leistung gebräuchlich.
* Bariumkathode - wie vorstehend, aber der Heizdraht ist mit einer hauchdünnen Bariumhaut versehen. Bei Kleinleistungsröhren im Empfängerbereich gebräuchlich, meist sog. Batterieröhren.
* Indirekt geheizte Bariumoxidkathode - Der Wolframheizfaden wird elektrisch isoliert in ein Nickelröhrchen eingeschoben. Dieses Nickelröhrchen besitzt eine Beschichtung aus [[Bariumoxid]], was die eigentliche Kathode darstellt. Dies ist die heutzutage am meisten verbreitete Kathodenart.

=== Weitere Elektroden ===
Darüber hinaus kann eine Röhre noch eine Reihe weiterer Elektroden enthalten, wie zum Beispiel [[Steuergitter|Steuer-]] und [[Schirmgitter]] oder als [[Elektronenoptik]] wirksame Elektroden, wie zum Beispiel der [[Wehneltzylinder]] oder magnetische Spulen.

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 der Röhre 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 binden soll. Hat eine Röhre durch Beschädigung oder Alterung Luft gezogen, verschwindet die spiegelnde Schicht, und ein milchig weißer Belag bleibt zurück.

Daneben gibt es auch gasgefüllte Elektronenröhren wie beispielsweise das [[Thyratron]] zur Realisierung der [[Phasenanschnittsteuerung]]. Sie sind heute fast vollständig von [[Thyristor]]en verdrängt worden.

== Einsatzgebiete ==
[[image:Tubes.jpg|thumb|right|250px|In Betrieb befindliche Röhren vom Typ 12AX7 in einem Gitarrenverstärker]]
Die meisten dieser Röhren sind heute bis auf Randbereiche von [[Halbleiterbauelement]]en wie [[Transistor]]en und [[Diode]]n 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 [[Klystron]]s, [[Magnetron]]s und [[Wanderfeldröhre]]n zum Einsatz. Solche leistungsfähigen Röhren werden auch in der Industrie u.a. für die Hochfrequenzerwärmung eingesetzt. Das sind Anlagen, die [[kapazitive Erwärmung | kapazitiv]] oder [[induktives Erwärmen |induktiv]] Wärme direkt in einem Werkstück erzeugen (z.B. auch im [[Mikrowellenherd]]). Weitere Anwendungen sind Hochfrequenzgeneratoren zur [[Plasma]]erzeugung ([[Sputtern]] oder zur Anregung von [[Gaslaser]]n).

E-[[Gitarrenverstärker]] verwenden auch heute noch häufig in den Vor- und Endstufenbaugruppen Elektronenröhren. Ein Röhren-Gitarrenverstärker hat einen besonderen Röhren-Klang, dessen Ursachen aus verschiedenen Richtungen kommen: einerseits ist es ein vergleichsweise großer Anteil von geradzahligen Oberwellenanteilen zusammen mit einer nennenswerten [[Intermodulation]], die bei dem Gegentakt-Schaltungsprinzip der Röhrenendstufen durch deren Kennlinie entsteht, andererseits spielen auch die [[Sättigungsmagnetisierung|Sättigungseffekte]] der [[Transformator|Ausgangstransformatoren]] eine mitentscheidende Rolle. Dieser typische, besonders bei einsetzender Übersteuerung charakteristisch zutage tretende [[Clipping|Soft-Clipping-Effekt]], ist für viele namhafte Gitarristen ein unverzichtbares musikalisches Stilelement, das zwar im Halbleitersektor mittels digitaler Signalprozessoren (DSP) [[Emulator|emuliert]] werden kann, im klanglichen Resultat aber als unzureichend wahrgenommen wird.

Die Braunsche Röhre oder auch [[Kathodenstrahlröhre]] ist in [[Fernsehgerät]]en, [[Oszillograph]]en und Computerbildschirmen noch nicht komplett von [[Flüssigkristallbildschirm|LCD]]s und [[Digital Micromirror Device|Mikrospiegel-Projektionssystemen]] verdrängt worden. Röntgenröhren sind neben Quellen, die [[Teilchenbeschleuniger]] enthalten, die in Medizin und Forschung am weitesten verbreitete Quelle für [[Röntgenstrahlen]].
[[Magnetron]]s finden unter anderem im [[Mikrowellenherd]] und in [[RADAR]]-Geräten weite Verwendung.

== Nachteile der Röhren gegenüber Transistoren ==

Der Niedergang der klassischen Röhren wurde durch die Erfindung der Transistoren 1947 eingeleitet. Die 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 zu den Transistoren folgende Nachteile:
*aufwändige Stromversorgung mit Hochstrom-Niederspannung und Niedrigstrom-Hochspannung
*hohe Verlustleistungen im Heizkreis
*verzögerte Betriebsbereitschaft
*hoher Ausgangswiderstand
*hoher Platzbedarf und sehr begrenzte Integrationsmöglichkeit
*hohe Herstellungskosten
*empfindlicher gegenüber mechanischen Beanspruchungen
*mangelnde Stabilität der elektrischen Werte im Betrieb
*kürzere Lebensdauer
*Keine Komplementärröhren (p-Kanal) machbar

== Vorteile der Röhren gegenüber Transistoren ==

Trotz entscheidender Nachteile gegenüber Halbleiter-Bauelementen können sich Elektronenröhren in verschiedenen technischen Nischen auch heute noch behaupten:

*sie sind wesentlich unempfindlicher gegenüber Fremdspannungen und dem [[NEMP]] (Nuklearer Elektro-Magnetischer Puls) sowie radioaktiver und kosmischer Strahlung
*sie haben eine erhebliche Toleranz gegenüber [[Fehlanpassung]]en sowie Überschreitung der elektrischen Grenzwerte
*bei sehr hohen Leistungen (z.&nbsp;B. Lang- und [[Mittelwelle]]n-Sender im Megawattbereich) werden spezielle Senderöhren eingesetzt, da halbleiterbasierte Verstärker nicht die dafür notwendigen elektrischen Parameter erreichen. Allerdings können heute zumindest im Lang- und Mittelwellenbereich auch volltransistorisierte Verstärker Megawattleistungen erzeugen, wie das Beispiel des [[Rundfunksender Solec Kujawski]] zeigt.
*sie haben einen breiteren Betriebstemperaturbereich als Halbleiter
*Röhren haben eine außerordentlich weite dynamische Bandbreite durch ihre hohen Betriebsspannungen
*sie sind auch ohne [[Gegenkopplung]] zu einer hohen Übertragungslinearität fähig.
*Geringe [[Latenzzeit]] durch hohe Ladungsträgerbeweglichkeit im Vakuum (z.B. Leistungs-Impulstechnik)

== Audioanwendungen ==
Ein weiterer Vorteil der Elektronenröhren sind ihre guten klanglichen Eigenschaften im aktiven Signalzweig von sorgfältig konzipierten Audiogeräten. Zwar können mit Halbleiterverstärkern und mit Methoden der [[digitale Signalverarbeitung|digitalen Signalverarbeitung]] mittels [[Signalprozessor]]en ähnliche [[Übertragungsfunktion]]en simuliert werden - doch bei der Durchführung von [[Subjektivität|subjektiven]] [[Audiometrie|Hörtests]] sieht es anders aus: Insbesondere die analytisch trainierten Ohren von Berufsmusikern stellen guten Röhrenverstärkern, trotz einer klanglich problematischen magnetischen [[Hysterese]] der hier notwendigen Ausgangs-[[Transformator|Transformatoren]], ein exzellentes Zeugnis aus, wobei die psychoakustischen Vorgänge bei der Bewertung noch weitgehend ungeklärt sind.

Anzumerken bleibt dabei, dass jene vergleichende Erhebungen nicht immer mit der angemessenen [[Validität]] ausgestattet sind - den jeweiligen Probanden ist häufig bekannt, ob bzw. zu welchem Zeitpunkt des Tests Röhrenverstärker eingesetzt werden oder ob die zu vergleichenden Verstärker schon grundlegend und auch messtechnisch erfassbare Unterschiede aufweisen. Damit können sachfremde Urteilskriterien in die Bewertung von Röhrenverstärkern einfließen.

Dieser subjektiv bessere Höreindruck von röhrenbestückten Verstärkern spielt sowohl im sogenannten High-End-Hifi-Bereich wie auch bei den Verstärkern für E-Gitarren einen besonderen Einfluss, was die seit einigen Jahren stetig steigenden Produktionszahlen für Röhrenverstärker in den erwähnten Marktsegmenten erklärt. Aber auch in den analogen Ausgangsstufen und Filtern hochwertiger CD-Spieler greift man gerne auf Röhren zurück, wobei sicher auch dem damit verbundenen optischen Eindruck der Röhrenheizung zusammen mit der häufig hervorgehobenen Platzierung der Elektronenröhren im Design des Gehäuses eine besondere Rolle zukommt.

Manche HiFi-Puristen lehnen sogenannte [[Negative Rückkopplung|Gegenkopplungsmaßnahmen]] ab, weil sie wegen der [[Laufzeit|Laufzeitunterschiede]] der Signale zu problematischen [[Phase (Schwingung)|Phasenfehlern]] im [[Nutzsignal]] führen können. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der Elektronenröhren kann bei Röhrenverstärkern in einer entsprechend konfigurierten Schaltungsumgebung ohne Stabilitäts- und Linearitätseinbußen auf dieses Konzept verzichtet werden.

== Röhrentypen ==

im Hinblick auf die Anzahl und Anordnung der Elektroden.

=== Diode ===
[[Bild:Diode-Symbol.svg|75px|right]]
Hier sind nur die beiden immer vorhandenen Elektroden Anode (1) und Kathode (2) vorhanden.
In oder nahe bei der Kathode befindet sich zumeist ein [[Glühdraht]] (H), der stromdurchflossen die Kathode zur Rotglut erhitzt.
Durch Anlegen einer [[Elektrische Spannung|elektrischen Spannung]] zwischen Kathode und Anode werden die in der Kathode durch die Wärmebewegung freigesetzten [[Elektron]]en 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 (s. auch [[Röhrendiode]]) - bei fehlender Spannungsdifferenz fließt nur ein kleiner Strom, der aus der Bewegungsenergie der thermisch emittierten Elektronen stammt.

Hauptanwendungsgebiete: [[Gleichrichter]], auch für sehr hohe Spannungen (Glühventil), [[Demodulator]]

=== Triode ===
[[Bild:Triode-Symbol.svg|75px|right]]
Die [[Triodenröhre|Triode]] oder Eingitterröhre besteht aus einer zusätzlichen Elektrode, dem sogenannten (Steuer)Gitter (3), welches zwischen Kathode und Anode angebracht ist und das praktisch meist die Form einer Spirale hat.

Die Menge der zwischen Kathode und Anode fließenden Elektronen lässt sich durch die Höhe einer am Gitter anliegenden negativen Spannung stromlos steuern. 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.<br>
Das macht die Triode zum historisch ersten elektronischen Verstärker - eine Funktion, in der sie heute meist durch die kleineren, rausch- und verlustärmeren [[Transistor]]en ersetzt wurde.<br>
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.

Einer der Vorreiter der Triodentechnik war Max Jester.

Heute finden sich Trioden vor allem in Vorverstärkerstufen von Hi-End-Audiogeräten - in Endstufen werden sie aufgrund des schlechteren [[Wirkungsgrad]]es 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 [[Scheibentriode]]n; 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&nbsp;GHz eingesetzt.
Weitverbreitete Trioden aus der E-Serie (6,3&nbsp;Volt Heizspannung):
*EC92 (HF-Triode)
*ECC81 (UKW-Doppeltriode)
*ECC82 (NF-Verstärker, Impulstrennstufe in TV-Empfängern)
*[[ECC83]] (rausch-, kling- und mikrofoniearme NF-Doppeltriode für NF-Verstärker)
*ECC85 (VHF-Doppeltriode)
*[[ECC86]] (Niederspannungs-Doppeltriode mit 6 bis 12 Volt Anodenspannung für Autoradios)
*[[E88CC]], EC93 (steile [[Spanngitterröhren]] für Frequenzen bis ca. 800MHz)<p>

=== Tetrode ===
[[Bild:Tetrode-Symbol.svg|75px|right]]
Die Tetrode weist ein weiteres Gitter auf, das sogenannte Schirmgitter (4), 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 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. Die Spannung an der Anode ist ab einem Schwellwert nahezu unabhängig vom Anodenstrom; 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 (Steilheit).

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 zu machen - so groß, dass das elektrische Feld der Anode möglichst alle Sekundärelektronen wieder einfangen kann und nur eine unbedeutende Menge zum Schirmgitter gelangt. Dies ist z. B. bei manchen Ausführungen der Endröhre EL11 aus DDR-Produktion der Fall.

Eine weitere Maßnahme wird im Folgenden beschrieben.

=== Pentode ===
[[Bild:Pentode-Symbol.svg|75px|right]]
Um die Probleme mit den Sekundärelektronen zu umgehen, fügten die Konstrukteure ein weiteres Gitter zwischen Anode und Schirmgitter ein, das sogenannte Bremsgitter (5). 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.

[[Bild:tube-ef91-detail.jpg|75px|right]]
Im Bild rechts ist eine sehr hochaufgelöste Aufnahme einer HF-Pentode EF91 zu sehen, hier kann man sehr schön die einzelnen Elektroden erkennen:
* 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.

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. Dies 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-[[Tetrode|Tetroden]] nennt man spezielle Pentoden, die anstelle des Bremsgitters zwei Elektronenstrahl-Leitbleche besitzen.
Leistungspentoden werden zumeist mit dem Buchstaben L bezeichnet (in der europäischen Nomenklatur).<p>
Beispiele für Pentoden sind:
*EF80 (Breitband-Pentode)
*EF85 (regelbare Breitbandpentode)
*EF98 (Niederspannungs-Kleinsignalpentode, besonders für Hybrid-Autoradios)
*EF83 (regelbare Low-Noise-Kleinsignalpentode für Hi-Fi-Anwendung)
*[[EF86]] (Low-Noise-Kleinsignalpentode für Hi-Fi-Anwendung)
*[[EL84]] (NF-Endpentode für Radiogeräte und Verstärkeranwendung)
*[[EL34]] (häufig in Audioverstärkern größerer Leistung eingesetzte NF-Endpentode)
*PL83 (Videoendstufe in TV)
*PL500 (Schaltpentode, Horizontal-Endstufe in TV)
*PL519 (Schaltpentode mit noch höherer Leistung für Farbfernsehempfänger)

=== Hexode ===
[[Bild:Hexode-Symbol.svg|75px|right]]
Die Hexode ist eine Elektronenröhre mit sechs Elektroden: Anode, Kathode, und insgesamt vier Gittern. Vereinfacht ausgedrückt ist die Hexode eine Reihenanordnung von zwei [[Tetrode]]n 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).<br>
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]]).

Der häufigste Vertreter ist die ECH81, welche zusätzlich noch ein Triodensystem (Verwendung als Oszillator) enthält. Die beiden Schirmgitter des Hexodenteils sind bei dieser Röhre miteinander verbunden.

=== Heptode ===
[[Bild:Heptode-Symbol.svg|75px|right]]
Die Heptode ist eine Weiterentwicklung der Hexode und eine Fünfgitterröhre. Dabei wird ein weiteres Bremsgitter (7) vorgesehen und fix mit dem Bremsgitter (5) im Kolben verbunden. Meist ist dann nur ein einzelner elektrischer Anschluss aus dem Kolben für beide Gitter herausgeführt (ganz im Sinne des Bremsgitters einer [[Pentode]], hier zwischen zweitem Schirmgitter und Anode).
<br clear="all" />

=== Oktode ===
Die Oktode oder Achtpolröhre ist eine Weiterentwicklung der Heptode und besitzt ein zusätzliches sechstes Gitter unmittelbar vor der Anode, welches meist fix im Kolben mit der Kathode bzw. bei direkt geheizten Röhren mit dem Heizfadenmittelpunkt verbunden ist. Das heißt, es ist kein zusätzlicher elektrischer Anschluss für dieses Gitter am Kolben vorhanden. Dieses zusätzliche Gitter dient zur Beseitigung von [[Sekundärelektron]]en und Verbesserung der Kennlinie der Heptode. Die Oktode ist wie die Heptode eine Spezialröhre für [[Überlagerungsempfänger]] und ist gleichzeitig in Misch- und Oszillatorschaltungen einsetzbar.

=== Magisches Auge ===
Das [[Magisches Auge (Radio)|Magische Auge]] ist eine Spezialröhre, die das elektrische Signal in ein Leuchtsignal umsetzt, dessen sichtbare Ausdehnung von der angelegten Steuerspannung abhängt. Sie diente 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 [[Oszillographenröhren]] 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) 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 [[Integrierter Schaltkreis|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.

=== Weitere Beispiele für Elektronenröhren ===
*[[Bildverstärker]], [[Restlichtverstärker]], [[Bildwandlerröhre]]
*[[Fotozelle]] (teilweise auch gasgefüllt)
*[[Röhrendiode]], auch [[Glühventil]] genannt
*[[Kathodenstrahlröhre|Braunsche Röhre]], Bildröhre (CRT)
*[[Crookes-Röhre]]
*[[Röntgenröhre]]
*[[Plumbicon]]
*[[Klystron]], ein Sende-Verstärker im Mikrowellenbereich, es findet auch in Radaranlagen ([[Klystron|Reflexklystron]] als Misch-Oszillator) oder in Teilchenbeschleunigern Verwendung.
* die [[Wanderfeldröhre]], als Signalverstärker in der Radartechnik und Radioastronomie benutzt.
* das [[Magnetron]], als selbstständiger Mikrowellengenerator in der Radartechnik und als Hauptteil des [[Mikrowellenherd]]es verwendet.
*[[Lieben-Röhre|Liebenröhre]]
*[[Sekundärelektronenvervielfacher]] und [[Photomultiplier]]
*[[Nixie-Röhre|Anzeigeröhren]] ([[Nixie-Röhre]]n, [[Fluoreszenzanzeige]]n); bei Fluoreszenzanzeigen befindet sich die Kathode als dünner Draht vor sichtbaren, mit [[Leuchtstoff]] belegten Segmenten, Ziffern oder Symbolen. Fluoreszenzanzeigen werden gerne als Display in Heimelektronik-Geräten verwendet.

=== Beispiele für gasgefüllte Elektronenröhren ===
*[[Thyratron]]
*[[Krytron]]
*[[Ignitron]]
*[[Excitron]]
*[[Tungar|Tungar-Röhren]]

=== Bezeichnungschema (europäisch) ===
1. Buchstabe: Heizungsart (Spannung oder Strom)
A = 4 V (i.d.R. indirekt)
B = 180 mA direkt aus Batterien
C = 200 mA indirekt
D = 1,4 V Heizung direkt oder halbindirekt mittels Batterien
E = 6,3 V indirekt
F = 12,6 V indirekt
G = 5 V indirekt
H = 150 mA indirekt
I = (wurde schon für 20 V indirekt verwendet)
K = 2 V (direkt, Heizung durch Blei-Säure-Zellen)
L = 450 mA indirekt
O = ohne Heizung (für gasgefüllte Röhren, auch Halbleiter)
P = 300 mA indirekt
U = 100 mA indirekt
V = 50 mA indirekt
X = 600 mA indirekt
Y = 450 mA indirekt
Z = ohne Heizung (für gasgefüllte Röhren)

2. Buchstabe: Systemart
A = Diode
B = Zweiwegdiode, zwei Anoden zu einer Kathode
C = Triode
D = Leistungstriode
E = Tetrode
F = Pentode
H = Hexode oder Heptode
K = Oktode
L = Leistungstetrode oder Leistungspentode
M = Anzeige- bzw. Indikatorröhre
N = Enneode (9-Pol-Röhre)
T = Zählröhre (digitale Anwendungen)
W = Einweg Leistungsdiode mit spezieller Gasfüllung
X = Zweiweg Leistungsdiode mit spezieller Gasfüllung
Y = Einweg-Leistungsdiode
Z = Zweiweg-Leistungsdiode

3. Weitere Buchstaben: weitere Systeme im selben Glaskolben,

dann

1. Ziffer oder anfängliche Ziffern: Hinweis auf Sockelart
1 bis 9 = Außenkontakt-Sockel (groß und klein)
10 bis 19 = Stahlröhren-Sockel (8- und 10-polig)
20 bis 29 = Loktal-Sockel
30 bis 39 = Oktal-Sockel
40 bis 49 = Rimlock-Sockel
70 bis 79 = für Kleinströhren (Anschlussdrähte)
80 bis 89 = Noval-Sockel
90 bis 99 = Pico-Sockel
150 bis 159 = Noval-Sockel
500 bis 599 = Magnoval-Sockel

2. oder letzte Ziffer: Hinweis auf Art der Gitter-Steuerkennlinie - diese Regelung wurde nicht generell von den Herstellern eingehalten und ist wirklich nur als Hinweis zu verstehen. So machen Leistungsröhren mit Regelkennlinie wenig Sinn. Am Ehesten kann man diesen Hinweis bei den Kleinisgnalpentoden (Kennbuchstabe F) beinahe konsequent nachvollziehen. Ansonsten ist die letzte Ziffer eine laufende Nummer.
(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.


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

== 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. Dies 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 verwandelt.

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 mit Druckluft gekühlt werden.

Glaskolbenröhren müssen ihre Verlustleistung durch Strahlungswärme des Anodenblechs abgeben. Glüht dieses [[kirschrot]], ist bereits ein Überlastungszustand erreicht, den die Röhre für nicht allzulange Zeit allerdings unbeschadet übersteht. 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 in einer Oxydkathode schnell sogenannte Zwischenschichten 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 dies 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 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==
<references/>

== Siehe auch ==
*[[Transistor]], [[Kathodenstrahlröhre]], [[Gleichrichtung]], [[RFT|Produktion bei RFT]], [[Getter]], [[Vakuum]], [[Tropadyne]]

== Literatur ==
*Friedrich Benz: ''Einführung in die Funktechnik.'' Springer, Wien 1937, 1950 (4. Aufl.), (ung. Ausg. 1959).
*Fritz Kunze, Erich Schwendt: ''Röhren-Taschen-Tabelle.'' Franzis, München 1949, 1994 (14. Aufl.), Poing 2006 (15. Aufl.). ISBN 3-7723-5454-8


== Weblinks ==
== Weblinks ==
*[http://www.irox.de/reiseliteratur/] Eine Biographie sowie zwei Texte von Ulloa in deutscher bzw. französischer Übersetzung
*[http://www.jacmusic.com/techcorner/ Röhren-Schaltbilder und Röhren-Datenblätter kostenlos herunterladen]
*[http://www.elektronikinfo.de/strom/roehren.htm Röhrengrundlagen]
*[http://www.roehrenfieber.de/triode.html Funktion einer Röhre in Flash]
*[http://www.hts-homepage.de/HTS-Roehreninhalt.html Exzellente Seite über Elektronenröhren von H.-T. Schmidt]
*[http://www.tubedata.de/ Service für vergriffene Röhren-Datenblätter]
*[http://www.tubedata.org/ Röhren-Datenblätter kostenlos herunterladen]
*[http://www.frihu.com Friedrich Hunold]
*[http://www.jogis-roehrenbude.de Jogis Röhrenbude]
*[http://v3.espacenet.com/textdoc?DB=EPODOC&IDX=GB190304168 Cooper-Hewitts Patent GB 4 168]
*[http://v3.espacenet.com/textdoc?DB=EPODOC&IDX=DE179807 von Liebens Patent DE 179 807]
*[http://v3.espacenet.com/textdoc?DB=EPODOC&IDX=GB190424850 Flemings Patent GB 24 850]


{{Lesenswert|Elektronenrohre}}


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Version vom 27. Oktober 2006, 16:55 Uhr

Antonio de Ulloa y Torre-Guiral (* 12. Januar 1716 in Sevilla, Spanien; † 5. Juli 1795 in der Nähe von Cádiz) war ein spanischer Gelehrter und Admiral.

  • [1] Eine Biographie sowie zwei Texte von Ulloa in deutscher bzw. französischer Übersetzung
Personendaten
NAME Ulloa, Antonio de
ALTERNATIVNAMEN Antonio de Ulloa y Torre-Guiral
KURZBESCHREIBUNG spanischer Gelehrter und Admiral
GEBURTSDATUM 12. Januar 1716
GEBURTSORT Sevilla, Spanien
STERBEDATUM 5. Juli 1795
STERBEORT in der Nähe von Cádiz
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