Elektronenröhre

elektronisches Bauelement
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Elektronenröhren sind Elektronische Bauelemente, die aus einem evakuierten Gefäß bestehen, in die 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 Elektronen in den freien Raum austreten. Die Elektronenemission kann im Vakuum zwischen der negativen Elektrode (Glühkathode) und einer positiv geladenen weiteren Elektrode (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 vergrößern. Darauf beruht die Verwendung der Elektronenröhre als Verstärker- oder Senderöhre. Je nach Verwendungszweck, Elektrodenanzahl und Röhrencharakteristik gibt es viele Hunderte von Röhrentypen.

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

Historie

Die Elektronenröhre wurde 1904 vom englischen Physiker John Ambrose Fleming entwickelt. Auf der Suche nach einem verbesserten Detektor für Radiowellen entdeckte Fleming, das der sogenannte Edison-Effekt zur Detektion genutzt werden konnte. Am 16. November 1904 meldete Fleming ein Patent auf das Oscillation Valve (eine Röhrendiode) in England an.

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.

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.

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. 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 und Magnetrons zum Einsatz. Auch HiFi- und Instrumentenverstärker (z.B. E-Gitarrenverstärker) verwenden häufig noch Röhren in Vor- und Endverstärkerzweigen wegen der "natürlicheren" Verstärkerkennlinien.

Die Braunsche Röhre ist in Fernsehgeräten und Computerbildschirmen noch nicht von LCD-Anzeigen 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.

Röhrentypen

Diode

Die beiden immer vorhandenen Elektroden sind die Anode und Kathode. In oder nahe bei der Kathode befindet sich zumeist ein Glühdraht, 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 beschleunigt.

Diese einfachste Röhre wird Diode genannt.

Triode

Die Triode ist eine einfache Röhre mit drei Elektroden. Die dritte Elektrode, das Steuergitter, befindet sich zwischen Kathode und Anode; wie der Name andeutet, ist es als löchriges Gitter in den Zwischenraum hineingesetzt. Die Menge der zwischen Kathode und Anode fließenden Elektronen lässt sich durch Anlegen einer positiven Spannung an das Gitter regulieren.

Im Zusammenspiel zwischen der positiven Gitterspannung und der positiven Anodenspannung wird ein Teil der Kathodenelektronen am Gitter eingefangen. 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. 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.

Hexode

Eine Hexode ist eine Elektronenröhre mit 6 Elektroden: Anode, Kathode, Gitter und 3 zusätzlichen Elektroden.

Weitere Beispiele für Elektronenröhren

Beispiele für gasgefüllte Elektronenröhren

Siehe auch