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, 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 vergrößern. Darauf beruht die Verwendung der Elektronenröhre als Verstärker- oder Senderöhre. Je nach Verwendungszweck, Elektrodenanzahl und Röhrencharakteristik gibt es viele Hunderte von 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 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, Magnetrons und Wanderfeldröhren zum Einsatz. Auch HiFi- und Instrumentenverstärker (z.B. E-Gitarrenverstärker) verwenden häufig noch Röhren in Vor- und Endverstärkerzweigen wegen des "natürlicheren" Klangs. Dieser beruht aber hauptsächlich auf Verzerrungen in den nichtlinearen Bauteilen eines Röhrenverstärkers (z.B. Übertrager) und damit bedingten Obertönen, die von vielen subjektiv als natürlicher bzw. angenehmer empfunden werden.
Die Braunsche Röhre oder auch Kathodenstrahlröhre ist in Fernsehgeräten und Computerbildschirmen noch nicht komplett 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.
Nachteile der Röhren
Der Niedergang der klassischen Röhren wurde durch die Erfindung der Transistoren 1947 eingeleitet. Die Transistoren kamen in den sechziger Jahren auf den Markt und haben im Vergleich zu den Röhren die Vorteile, dass sie nicht stromintensiv geheizt werden müssen, sofort einsatzbereit sind, wesentlich kleinere Bauformen zulassen, sehr viel preisgünstiger in Massenproduktion herzustellen sind und auch sehr robust gegenüber mechanischen Beanspruchungen sind. Die Röhren hingegen sind wesentlich unempfindlicher gegenüber Fremdspannungen und dem NEMP (Nuklearer Elektro-Magnetischer Puls).
Röhrentypen
Diode
Hier sind nur die beiden immer vorhandenen Elektroden Anode und Kathode vorhanden. 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 hin beschleunigt und von dieser aufgefangen.
Voraussetzung hierbei ist die (oben erwähnte) Polarität der angelegten Spannung: die Kathode muss gegenüber der Anode negatives Potenzial aufweisen, damit ein Anodenstrom zustandekommt (s. auch Röhrendiode).
Hauptanwendungsgebiete: Gleichrichter, Demodulator
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 negativen Spannung an das Gitter regulieren.
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. 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.
Tetrode
Die Tetrode weist ein weiteres Gitter auf, das sogenannte Schirmgitter und hat somit 4 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. 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 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 Kaskodeschaltung erreichte man mit 2 Trioden pentodenähnliche Verstärkungswerte, allerdings ohne deren Rauschen.
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).
Verwendung: s. Hexode
Weitere Beispiele für Elektronenröhren
- Bildröhre, Bildverstärker
- Röhrendiode
- Triodenröhre, die einfachste Verstärkerröhre
- Dioden mit mehreren Gittern, wie die Tetrode und Pentode
- Braunsche Röhre
- Röntgenröhre
- Plumbicon
- Klystron, ein Sende-Verstärker, der z.B. in Radaranlagen oder Teilchenbeschleunigern verwendung findet.
- die Wanderfeldröhre, ebenfalls in der Radartechnik benutzt.
- das Magnetron, als selbstständiger Mikrowellengenerator in der Radartechnik und als Hauptteil des Mikrowellenherdes verwendet.
- Liebenröhre
- Sekundärelektronenvervielfacher und Photomultiplier
- Anzeigeröhren (Nixieröhren, Digitrons), hier befindet sich die Kathode als dünner Draht vor sichtbaren, mit Leuchtstoff belegten Segmenten, Ziffern oder Symbolen, wird gern als Display in Heimelektronik-Geräten verwendet