Eine Elektronenröhre ist ein elektronisches Bauelement, das aus einem 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 Metalldrähten, Elektronen in den freien Raum austreten. Die Elektronenemission kann im Vakuum zwischen der negativen Elektrode (Glühkathode) und einer positiv geladenen weiteren Elektrode, der Anode, einen 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- oder Senderöhre. Je nach Verwendungszweck, Elektrodenanzahl und Röhrencharakteristik gibt es mehrere Hundert Röhrentypen.
Geschichte
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 lies 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 eine Verstärkerröhre - die sogenannte Liebenröhre ([1]) - und meldete sie am 4. März 1906 beim Kaiserlichen Patentamt des Deutschen Reiches als Kathodenstrahlrelais zum Patent (Nr. 179807) 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.
Weiterhin erfand schon im Jahr 1902 Peter Cooper-Hewitt eine Art Röhrengleichrichter, der auf der Basis von Quecksilberdampf arbeitete, gleichsam ein Vorläufer der Elektronenröhre.
Siehe auch: Fotos historischer Elektronenröhren
Funktionsweise
Der Elektronenstrom, der bei Anlegen der Anodenspannung zwischen diesen beiden Elektroden den luftentleerten Raum durchfließt, kann in seiner Richtung und Stärke durch die Einwirkung von elektrischen (Steuerspannungen) und magnetischen Feldern beeinflusst werden. Die Beeinflussung der Stärke nennt man auch 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.
Darüber hinaus kann eine Röhre noch eine Reihe weiterer Elektroden enthalten, wie zum Beispiel 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 ein spiegelnder Belag aus Metall, die sogenannte Getterschicht aufgebracht die nach dem Auspumpen und Abschmelzen der Röhre noch freiwerdende Gasreste binden soll.
Daneben gibt es auch gasgefüllte Elektronenröhren, wie das Thyratron zur Realisierung der Phasenanschnittsteuerung. Sie sind heute fast vollständig von Thyristoren verdrängt worden.
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 noch in der Industrie für die Hochfrequenzerwärmung eingesetzt. Das können Anlagen sein, die kapazitiv oder induktiv Wärme in ein Werkstück übertragen.
HiFi- und Instrumentenverstärker (z.B. E-Gitarrenverstärker) verwenden häufig auch noch Röhren in Vor- und Endverstärkerzweigen wegen des "natürlicheren" Klangs, der insbesondere von trainierten und somit stark differenzierenden Hörern als 'überlegen' klassifiziert wird. Als Grund für das Phänomen 'Röhrenklang' vermutet man u.a. den vergleichsweise großen Anteil von geradzahligen Oberwellenanteilen im Signalgemisch - eingehende wissenschaftliche Untersuchungen dazu liegen jedoch nicht vor.
Die Braunsche Röhre oder auch Kathodenstrahlröhre ist in Fernsehgeräten 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 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. Sie haben im Vergleich zu den Röhren den Vorteil einer einfachen Stromversorgung ohne stromintensive Röhrenheizung und Anodenhochspannung, sind nach Inbetriebnahme sofort einsatzbereit, lassen wesentlich kleinere Bauformen zu, sind sehr viel preisgünstiger in Massenproduktion herzustellen und auch sehr robust gegenüber mechanischen Beanspruchungen.
Vorteile der Röhren gegenüber Transistoren
Die Röhren sind wesentlich unempfindlicher gegenüber Fremdspannungen und dem NEMP (Nuklearer Elektro-Magnetischer Puls). Fehlanpassungen bei Hochfrequenz-Sendern ertragen Röhren wesentlich besser als Transistoren. Bei sehr hohen Leistungen (z.B. Mittelwelle-Sender) sind Röhren auch heute noch sicherer und kostengünstiger.
Ein weiterer entscheidender Vorteil der Elektronenröhren sind deren klangliche Eigenschaften im aktiven Signalzweig von Niederfrequenzanwendungen jeglicher Art. Zwar haben Halbleiterverstärker bei den messtechnischen Parametern fast immer die Nase vorn – bei Hörtests sieht es ganz anders aus: insbesondere die analytisch trainierten Ohren von Musikern stellen guten Röhrenverstärkern ein exzellentes Zeugnis aus, wobei die psychoakustischen Vorgänge bei der Bewertung noch weitgehend ungeklärt sind. Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit spielt hier der besonders niedrige Differenztonfaktor eines guten Röhrenverstärkers eine entscheidende Rolle. Vor allem der sog. High-End Hifi Bereich vermeldet deswegen seit einigen Jahren wieder hohe Wachstumsraten bei guten Röhrenverstärkern, aber auch in den Ausgangstufen und den Filtern hochwertiger CD Spieler greift man nicht selten auf Röhren in den Signalzweigen zurück. Verbreitete Anwendung finden Röhren noch heute in der Rock- und Popmusik bei zahlreichen Verstärkern für Elektrogitarren. Aufgrund ihrer zum Transistor unterschiedlichen Verstärkungskennlinie sowie einer zum Teil vorhandenen akustischen Rückkopplung haben Röhren eine andere Klangcharakteristik, die Verstärker und Gitarre eng miteinander verschmilzt und so beide Komponenten quasi als musikalisches Ausdrucksmittel zusammenführt. Im digitalen Bereich kann das Verhalten einer Elektronenröhre mit entsprechenden Filtern teilweise simuliert werden.
Während der Klirrfaktor von modernen Transistorverstärkern kleiner als 0,05 % ist, haben röhrenbestückte Endstufen einen Klirrfaktor von 1 % bis 10 %. Allerdings produzieren Röhren hauptsächlich quadratische Oberwellen (k2/k4/k6/…), die vom menschlichen Ohr kaum wahrgenommen oder sogar als angenehm empfunden werden. Halbleiterverstärker erzeugen dagegen in erster Linie kubische Oberwellen (k3/k5/k7/…), die vielfach als störender empfunden werden. Der Klirrfaktor von Röhren- wie auch Halbleiterverstärkern kann drastisch durch eine sog. Gegenkopplung gesenkt werden, bei der das verstärkte Musiksignal um 180° phasenverschoben ('invertiert') auf den Verstärkereingang zurück geleitet wird. Halbleiterverstärker benötigen auf Grund ihrer Eigenschaft, in erster Linie kubische Verzerrungen zu erzeugen, wesentlich stärkere Gegenkopplungen als Röhren.
HiFi-Puristen lehnen Gegenkopplungsmaßnahmen oft ab, weil es sich um 'elektronische Eingriffe' in das vorhandene Musiksignal handelt. Verstärker, die ganz ohne Gegenkopplung auskommen und kein hörbares Klirren aufweisen, sind meist mit Leistungsendtrioden (300B, 845 etc.) oder Pentoden in Triodenschaltung aufgebaut. Sinnvolle Halbleiterverstärker ohne Gegenkopplung sind bis heute nicht zu realisieren.
Röhrentypen
Diode
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 elektrischen Spannung zwischen Kathode und Anode werden die in der Kathode durch die Wärmebewegung freigesetzten 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 zustandekommt (s. auch Röhrendiode).
Hauptanwendungsgebiete: Gleichrichter, Demodulator
Triode
Die 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 Anlegen einer negativen Spannung an das Gitter steuern. Da das Gitter in der mechanischen Anordnung deutlich dichter an der Kathode liegt als die Anode, erzeugen schon kleine Variationen der Gitterspannung große Stromschwankungen zwischen Anode und Kathode.
Im Zusammenspiel zwischen der gegenüber der Kathode negativen Gitterspannung und der positiven Anodenspannung wird ein Teil der Kathodenelektronen am Gitter blockiert. Einige 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 meist durch die kleineren, rausch- und verlustärmeren Transistoren ersetzt wurde.
Ein Vorreiter der Triodentechnik war Max Jester.
Tetrode
Die Tetrode weist ein weiteres Gitter auf, das sogenannte Schirmgitter (4) und hat somit vier Elektroden. Das Einfügen dieses Gitters nach dem oben beschriebenen Steuergitter, ändert einige fundamentale elektrische Parameter der Triode. Das Schirmgitter wird mit einer möglichst konstanten positiven Spannung gespeist und schirmt die Kathode von der Anode ab: Der Elektronenstrom Richtung Anode wird nun hauptsächlich von der Spannung am Schirmgitter bestimmt. Die Spannung an der Anode ist hier ab einem gewissen Schwellwert unabhängig vom Anodenstrom; das Schirmgitter „drückt“ die Elektronen quasi gleichmäßig Richtung Anode. Rein rechnerisch erhöht das den Innenwiderstand dieser Konstruktion beträchtlich, was sich wiederum in einer wesentlich erhöhten Verstärkungszahl niederschlägt.
Leider weist die Tetrode auch einen großen Nachteil auf: Es gibt einen Bereich in deren elektrischen Kennlinien, in welchen die Elektronen gerade soweit beschleunigt werden, daß sie mit hoher Geschwindigkeit auf die Anode aufprallen, dort aber sogenannte Sekundärelektronen herausschlagen, die so schnell sind, daß sie dem Elektronenstrom zuwiderlaufen und an das positiv geladene Schirmgitter gelangen. Diese Sekundärelektronen gehen dem Anodenstrom abhanden, 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.
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 letztendlich alle Sekundärelektronen wieder einsammeln kann und nur eine unbedeutende Restmenge zum Schirmgitter gelangt. Dies ist z. B. bei manchen Ausführungen der Endröhre EL11 aus DDR-Produktion der Fall.
Die andere Maßnahme wird jetzt beschrieben.
Pentode
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 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. 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 2 Trioden pentodenähnliche Verstärkungswerte, allerdings ohne deren Rauschen.
Beam-Power-Tetroden nennt man spezielle Pentoden, die anstelle des Bremsgitters zwei Elektronenstrahl-Leitbleche besitzen.
Beispiele für Pentoden sind:
- EF80
- EL84
- EL34
Hexode
Die Hexode ist eine Elektronenröhre mit 6 Elektroden: Anode, Kathode, und insgesamt 4 Gittern. Vereinfacht ausgedrückt ist die Hexode eine Kombination von 2 Tetroden bei nur 1 Kathode und 1 Anode, sie enthält somit 2 Steuergitter (G1+G3) und 2 Schirmgitter (G2+G4).
In der häufigsten Anwendung dieses Röhrentyps werden den Steuergittern G1 und G3 2 verschiedene Signale mit unterschiedlicher Frequenz (f1, f2) zugführt. An der Anode treten dann die (verstärkten) Signale mit den Frequenzen f1, f2, f1+f2 und f1-f2 auf. Schaltungen dieser Art werden (theoretisch nicht ganz richtig) "Multiplikative Mischer" genannt, wobei hierbei nur die Differenz f1-f2 von Bedeutung ist.
Diese Schaltungen fanden in der Radioempfängertechnik weite Verbreitung (Details s. Überlagerungsempfänger).
Heptode
Die Heptode ist eine Weiterentwicklung der Hexode. Hier wird ein weiteres Gitter als Bremsgitter vorgesehen (ganz im Sinne des Bremsgitters einer Pentode, hier zwischen 2. Schirmgitter und Anode).
Magisches Auge
Das „Magische Auge“ ist eine Spezialröhre, die das elektrische Signal in ein Lichtband umsetzt, dessen Ausdehnung von der angelegten Steuerspannung abhängt. Auch andere Formen wurden genutzt (Kreis, Fächer). Das Magische Auge wurde in Röhrengeräten zur Abstimmanzeige verwendet. Ältere magische Augen leuchteten in der Regel grün, modernere Röhren ab den 60er Jahren leuchteten meistens blau (z.B. EM84). Die Leuchtfarbe ist abhängig von der Substanz, die vom Elektronenstrahl angeregt wird.
Für Stereo-Geräte gab es sogar spezielle Abstimmanzeigeröhren mit zwei Systemen: Das eine System zeigte wie gewöhnlich die Stärke des Senders an, das zweite System zeigte bei UKW-Sendungen das Vorliegen eines Stereo-Signals (z.B. EMM803).
Mehrfachröhren (Verbundröhren)
In Mehrfachröhren sind zwei oder mehr Röhrensysteme vereint, 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
- Bildröhre, Bildverstärker
- Röhrendiode
- Braunsche Röhre
- Crookes-Röhre
- Röntgenröhre
- Plumbicon
- Klystron, ein Sende-Verstärker im Mikrowellenbereich, es findet auch in Radaranlagen (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 Mikrowellenherdes verwendet.
- Liebenröhre
- Sekundärelektronenvervielfacher und Photomultiplier
- Anzeigeröhren (Nixie-Röhren, Fluoreszenzanzeigen); 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
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: Sytemart
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 & klein) 10 bis 19 = Stahlröhren-Sockel (8- & 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
(Anodenstrom in Abhängikeit von der Steuergitterspannung) gerade Ziffer = möglichst lineare Kennlinie ungerade Ziffer = gekrümmte Kennlinie für Regelröhren
Typische reguläre Beispiele:
UL 84 = Leistungsendpentode für 100 mA Heizstrom, Noval-Sockel und gerader Steuerkennlinie
EF 97 = Regel-Pentode für 6,3 V Heizspannung, Pico-Sockel
VY 1 = Leistungsdiode für 50 mA Heizstrom, Außenkontaktsockel
Kühlung
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 die maximale Verlustleistung erreicht.
Siehe auch
Weblinks
- Röhrengrundlagen
- Funktion einer Röhre in Flash
- Exzellente Seite über Elektronenröhren von H.-T. Schmidt
- Service für vergriffene Röhren-Datenblätter
- Röhren-Datenblätter kostenlos herunterladen
- Friedrich Hunold
- Jogis Röhrenbude
- Cooper-Hewitts Patent GB 4 168
- von Liebens Patent DE 179 807
- Flemings Patent GB 24 850