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Elektronenröhre

elektronisches Bauelement
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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. 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.

Radioröhren

Evakuierte Elektronenröhren dienen unter anderem zur Steuerung und Verstärkung in der Elektronik. Sie beruhen darauf, dass aus glühenden Stoffen (Glühkathoden, meist 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.

6L6GC Röhren: links General Electric ca. 1960, rechts Svetlana Electron Devices, Russland ca. 2000
Eine 2Ж27Л Pentode

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 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. 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

 
Getter-Ring und Getter in einer Elektronenröhre

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

Die Elektronen werden thermisch an der beheizten Kathode ausgesendet (emittiert) und im einfachsten Fall an der einzigen anderen Elektrode, der meist positiv aufgeladenen Anode, aufgefangen.
In Sonderfällen kommt auch Feldemission an einer hierzu spitz geformten Kathode vor, meist möchte man jedoch Feldemission vermeiden, indem 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 (meist 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.

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.
  • 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. steigert die Austrittsarbeit und senkt 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 ist die eigentliche Kathode. Anwendung bei den meisten Röhren kleiner Leistung sowie bei Bildröhren und Kathodenstrahlröhren.


Anodenmaterial

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, um die Wärmeabstrahlung zu verbessern, oder auch - bei hohen Leistungen - Graphit.

Weitere Elektroden

Darüber hinaus kann eine Elektronenröhre zwischen Kathode und Anode noch eine Reihe zusätzlicher Elektroden enthalten, wie Steuergitter (bei Bildröhren ist das der Wehneltzylinder), Schirmgitter, Bremsgitter oder elektronenoptisch wirksame Fokussierelektroden enthalten.
Steuer- und Schirmgitter bestehen aus Drahtgittern, während Bremsgitter und Fokussierelektroden die Form von Blechblenden haben.
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 kalt gehalten werden. Ein zu heißes Steuergitter oder auf dieses gelangendes Kathodenmaterial führt zu sogenannter Gitteremission, was zur Arbeitspunktverschiebung oder sogar zu einem sich thermisch verstärkenden Zerstörungseffekt führt, da das Gitter durch Emission positiver wird und folglich der Anodenstrom steigt, wodurch zusätzliche Wärme entsteht.

Einsatzgebiete

 
Röhren vom Typ 12AX7 in Betrieb in einem Gitarrenverstärker

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, aber auch vielen kompromisslos auf optimale Audio-Qualität konzipierten High-End Röhrenverstärkern werden insbesondere von trainierten Musikhörern überlegene Klangeigenschaften attestiert [3][4].

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 Sättigungseffekte der Ausgangstransformatoren eine mitentscheidende Rolle. Dieser typische, besonders bei einsetzender Übersteuerung charakteristisch zutage tretende Soft-Clipping-Effekt, ist für viele namhafte Gitarristen ein unverzichtbares musikalisches Stilelement, das untrennbar mit dem unverwechselbaren Sound in der Geschichte der Rockmusik verbunden ist, der in den frühen Jahren des amerikanischen Rock'n Roll und des britischen Beat ausschließlich von röhrenbestückten Bühnenverstärkern geprägt wurde. Zwar lässt sich heute mittels digitaler Signalprozessoren (DSP) dieser besondere Röhren-Appeal emulieren, wird aber weitgehend im klanglichen Resultat als unzureichend wahrgenommen.

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 der Transistoren 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 (50…>1000V)
  • zusätzliche Verlustleistung im Heizkreis
  • verzögerte Betriebsbereitschaft
  • hoher Platzbedarf und sehr begrenzte Integrationsmöglichkeit
  • hohe Herstellungskosten
  • empfindlicher gegenüber mechanischen Beanspruchungen (Mikrofonie, Glasbruch und innere Beschädigungen)
  • stärkere alterungsbedingte Veränderungen der elektrischen Werte im Verlauf der Lebensdauer
  • kürzere Lebensdauer (abhängig von Einsatzbedingungen und Typ)
  • keine komplementären Typen analog einem p-Kanal-MOSFET bzw. PNP-Transistor möglich
  • hohe Temperaturen an der Oberfläche
  • bei Sende-, Bild- und Schaltröhren Aussendung von Röntgenstrahlung

Vorteile der Röhren gegenüber Halbleitern

 
Schaltplan eines Radioempfängers von 1948 mit Elektronenröhren

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 Fehlanpassungen sowie Überschreitung der elektrischen Grenzwerte
  • bei sehr hohen Leistungen (z. B. Lang- und Mittelwellen-Sender im Megawattbereich, UKW- und UHF-Sender, Mikrowellen, RADAR) werden spezielle Senderöhren, Klystrons und Magnetrons eingesetzt, da Halbleiter-Verstärker nicht die dafür notwendigen elektrischen Parameter erreichen. Zumindest können heute im Lang- und Mittelwellenbereich auch volltransistorisierte Verstärker Megawattleistungen erzeugen, wie das Beispiel des Rundfunksender Solec Kujawski zeigt.
  • sie haben einen großen Betriebstemperaturbereich, sie können in thermisch extremen Bedingungen eingesetzt werden.
  • Röhren haben auch bei hohen Leistungen eine hohe Frequenzbandbreite
  • sie haben auch ohne Gegenkopplung eine oft ausreichende Übertragungslinearität.
  • geringe Latenzzeit durch hohe Ladungsträgerbeweglichkeit im Vakuum (z.B. Leistungs-Impulstechnik)
  • die Komplexität der Produktion sowie Ansprüche an die Produktionsumgebung sind vergleichsweise gering
  • im Bereich von extremen Hochstrom- und Hochgeschwindigkeitsschaltvorgängen sind Wasserstoff-Thyratrons unerreicht leistungsfähig und schnell.
  • Der Übergang vom linearen Bereich zur Begrenzung (clipping) erfolgt allmählicher, woraus ein weiches Übersteuern resultiert. Bei Gitarrenverstärkern wird diese Eigenschaft direkt zur Klangbeeinflussung genutzt.
  • Sie haben durch geringe innere Kapazitäten eine sehr hohe Eingangsimpedanz, im NF-Bereich lassen sich Röhren nahezu leistungslos ansteuern.
  • Röhren können für sehr viel höhere Spannungen verwendet werden als Transistoren.

Röhrenbestückte Audioverstärker

Elektronenröhren werden im sogenannten High-End-Sektor von NF-Verstärkern bessere Klangeigenschaften unterstellt als Transistoren. Dies ist messtechnisch meist nicht zu belegen und beruht - soweit es auf objektiv erhobenen Hörtests beruht - vermutlich ausschließlich auf deren anderem Verhalten hinsichtlich der nichtlinearen Verzerrungen und auf Resonanzerscheinungen. Es ist daher ausschließlich bei Leistungsanwendungen relevant. Vorverstärker arbeiten dagegen immer im linearen Bereich, hier sind transistorisierte Verstärker bei sorgfältigem Design den Röhrenverstärkern insbesondere hinsichtlich des Fremdspannungsabstandes überlegen.

Bei Endstufen wird der weichere Einsatz der Begrenzung (clipping) bei Übersteuerung angenehmer empfunden als bei Transistorverstärkern. Die sogenannten Übernahmeverzerrungen einer Gegentakt-B-Endstufe treten bei röhrenbestückten Gegentakt-AB-Endstufen oder A-Endstufen kaum oder nicht auf, bei guten Transistorverstärkern sind jedoch die Übernahmeverzerrungen mittlerweile derart gering, dass sie für den Hörer nicht relevant sind.

Angeführte Argumente für Röhrenverstärker, die bei Transistorschaltungen verwendete Gegenkopplung führe zu Phasenverzerrungen und müsse daher vermieden werden, entbehren jeder Grundlage, da die Phasenverzerrungen eines Röhrenverstärkers, die durch dessen Ausgangsübertrager hervorgerufen werden, wesentlich größer sind als diejenigen eines gegengekoppelten Transistorverstärkers.

Wegen ihrer höheren Anforderungen an die Ausgangsleistung arbeiten die Endstufen der Röhren-Gitarrenverstärker fast ausnahmslos im Gegentakt AB-Betrieb und verursachen charakteristische nichtlineare Verzerrungen, welche hier erwünscht sind und daher einen Bestandteil der musikalischen Interpretation bilden.[5]. Diese Verzerrungen können mittlerweile elektronisch auch bei Transistorverstärkern nachgebildet werden, jedoch werden Röhrenverstärker nach wie vor insbesondere auf diesem Gebiet geschätzt und bevorzugt.

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

Datei:Diode-Symbol.svg

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 (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.
  • PY88 (Hochspannungs-Boosterdiode für die Zeilenendstufe von Fernsehgeräten)
  • EZ81 (Standard Zwei-Weg Diodengleichrichter)
  • EY51 (Hochspannungs-Gleichrichterdiode für Fernseh-Bildröhren und Oszilloskop-Kathodenstrahlröhren)

Triode

Datei:Triode-Symbol.svg

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 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. 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 meist 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 (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)
  • 6N2P (Russische Audio-Doppeltriode mit hohem Verstärkungsfaktor, ähnlich ECC83)
  • E88CC, EC93 (steile Spanngitterröhren für Frequenzen bis ca. 800MHz)

Tetrode

Datei:Tetrode-Symbol.svg

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 auszulegen - 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

 

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.

 
Makroaufnahme einer EF91 Pentode

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-Tetroden sind spezielle Pentoden, die anstelle des Bremsgitters zwei Elektronenstrahl-Leitbleche besitzen. 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:

  • 6L6 (US-amerikanische Beam-Power Tetrode von RCA)
  • KT66 (Englische Beam-Power Tetrode von 1937, elektrisch nahezu identisch mit der 6L6)
  • 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

Datei:Hexode-Symbol.svg

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).

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

Datei:Heptode-Symbol.svg

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).

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 Sekundärelektronen 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 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 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

 
Nixie Anzeigeröhre Typ Telefunken ZM1210

Im folgenden sind spezielle Elektronenröhren angeführt, welche meist ganz spezielle Aufgaben haben:

  • 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 Röhrendiode, auch Glühventil genannt, ist eine besonders einfache Elektronenröhre welche vor allem als Gleichrichter verwendet wurde. Sie ist heute praktisch vollständig durch Halbleiterdioden 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.
  • 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

 
Glimmlampe als Beispiel für eine gasgefüllte Elektronenröhre

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. Dies 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 dabei meist aus Quecksilberdampf, welcher im Betrieb ionisiert wird. Daneben kommen je nach Röhrentyp noch verschiedene andere Gasfüllungen zum Einsatz. Meist sind dies Edelgase wie Xenon oder Neon, aber auch Mischgase, Wasserstoff und Deuterium.

  • 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, 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)

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

  1. ↑ Homepage von Robert von Lieben
  2. ↑ Patent Nr. 179807 (pdf)
  3. ↑ Röhrenprojekt TU-Berlin
  4. ↑ Tubes vs Transistors
  5. ↑ Gitarrenverstärker

Siehe auch

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

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