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Röhren, Valves, Tubes
Aufbau und Wirkungsweise von Elektronenröhren
copyright 2006: Claude Jacobs
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Elektronen sind winzige elektrische Ladungseinheiten ("geladene Teilchen"). Bewegen sie sich in eine Richtung, dann spricht man von einem elektrischen Strom. Es sei erwähnt, daß ebenfalls einige andere Teilchen (Ionen, Protonen, Positronen ...) einen elektrischen Strom bilden können. Obwohl die Wirkung und das Zusammenspiel elektrischer Ladungen untereinander oder mit anderen Kräften recht genau bekannt sind und präzise Berechnungen ermöglichen, so ist es heute immer noch eine offene Frage, was genau Elektrizität oder gar ein Elektron ist. Entsprechend willkürlich wählte man die Begriffe "positiv" und "negativ", um wenigstens rechnerisch die Ladungsdifferenzen und ihre Auswirkungen zu erfassen. Auch wenn die tatsächlichen Vorgänge unsere menschliche Vorstellungskraft wahrscheinlich weit überschreiten, so ermöglichen die nutzbar gemachten Eigenschaften der Elektrizität doch eine beachtliche Anwendungsvielfalt.

Daß man heute den Elektronen eine negative Ladung zuordnet, beruht auf der irrtümlichen Annahme einiger Wissenschaftler wie Benjamin FRANKLIN (1706-1790) oder Michael FARADAY (1791-1867), ein Elektrizitätsfluß in einem Leiter bestehe zwar aus bewegten Teilchen, erfolge aber von der Anode(+) zur Kathode(-) hin. Später stellte sich allerdings heraus, daß die einzigen beweglichen Teilchen, nämlich Elektronen, in die entgegengesetzte Richtung strömen.

Einerseits sind Elektronen Bestandteil eines jeden Atoms indem sie dessen Kern (Protonen, Neutronen) derart schnell umkreisen, daß sie eine nahezu undurchdringliche "Hülle" bilden. Mehrere Atome können auch aneinander gebunden sein, wenn einzelne ihrer Elektronen zwischen den Hüllen benachbarter Atome wechseln. Dieses Aneinanderhaften von Atomen bezeichnet man als chemische Verbindung oder Molekül. Ein Wassermolekül besteht z.B. aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen (H2O) .

Andererseits vermögen die Elektronen frei im Raum zu existieren. So lösen sich bei rotglühendem Metall beispielsweise einzelne davon aus der Stoffstruktur und bilden eine Art Wolke um das Metall. Je näher sich nun aber ein freies Elektron zu seinesgleichen befindet, desto stärker wird es in Bereiche mit geringerer Konzentration abgedrängt. Im erhitzten Metall fehlen die emittierten (ausgestoßenen) Elektronen, und so stellt es gegenüber der restlichen -mehr oder weniger neutralen- Umgebung den Bereich mit der niedrigsten Elektronenkonzentration dar. Die "Wolke" bleibt daher in unmittelbarer Nähe des Metalls.

Befindet sich nun ein elektronenärmeres Metall der Elektronenwolke gegenüber, dann streben die einzelnen Teilchen in dessen Richtung. Je mehr sie sich aber aus ihrer ursprünglichen Lage entfernen, desto geringer wird dort ihre Anzahl, und so stellt sich nach kürzester Zeit ein Gleichgewicht ein: die Bewegungen enden. Führt man jedoch dem emittierenden Metall (Kathode) von Außen ständig neue Elektronen zu (z.B. vom Minus-Pol einer Batterie) und entzieht gleichermaßen dem gegenüberliegenden (Anode) dieselbe Menge (Plus-Pol der Batterie), dann entsteht ein fortwährender elektrischer Strom. Bei umgepolter Batterie findet natürlich keine Teilchenbewegung statt, und daher wirkt die Anordnung wie ein Ventil, das den elektrischen Strom nur in eine Richtung durchläßt.

Das Bestreben der Teilchen, in eine ladungsärmere Zone zu gelangen, bezeichnet man als elektrische Spannung (wird in Volt gemessen), ihre tatsächliche Bewegung dorthin als elektrischen Strom (wird in Ampere gemessen).


Die physikalische Gegebenheit, freischwebende Elektronen zu erzeugen, zu bewegen und zu beeinflussen, stellt das grundlegende Prinzip der Elektronenröhren dar. Die Geschwindigkeit der auf die Anode aufprallenden Elektronen hängt einzig von dem Spannungsunterschied zwischen den beiden Metallen ab. Sie beträgt bei 300 Volt rund 10000 Kilometer pro Sekunde (siehe unten). Damit beim Durchqueren des freien Zwischenraums die Elektronen nicht mit Luftmolekülen zusammenstoßen oder der Sauerstoffgehalt der Atmosphere nicht zur Oxidation ("Verkohlung") der glühenden Teile führt, ist die Vorrichtung meist in einen leergepumpten (evakuierten) Glas- oder Metallzylinder eingearbeitet. Während der Herstellung bringt man zusätzlich eine sogenannte Gettersubstanz (Barium oder Magnesium) in die Röhre ein, die vorhandene oder entstehende Gasreste nachträglich bindet und auf diese Weise zu einem noch größeren Vakuum beiträgt. Meist ist sie in einer Art Pfanne oder einem Ring eingebettet und läßt sich nach der Fertigung von außen induktiv erhitzen, wobei die Substanz verdampft und an den gekühlten Glasflächen kondensiert. Bei manchen Röhren sieht man den spiegelnden Belag an einigen Bereichen der Innenwand. Durch Beschädigung oder Alterung der Röhre können diese Ablagerungen mit Luftmolekülen zu einer weißlichen Schicht reagieren. Andere Röhren enthalten stattdessen eine Art Getter-Pille (meist gepreßtes Zirkoniumpulver).

Demgegenüber gibt es Röhrenarten, die eine bestimmte Gasfüllung (Neon, Argon, Xenon, Quecksilberdampf, Wasserstoff ...) enthalten (z.B. Thyratron, Ignitron ...). Dadurch, daß hier die Elektronen mit den Gasteilchen zusammenprallen kommt es zur Ionisierung (elektrischen Polarisierung) dieser Partikel, die nun auch ihrerseits einen elektrischen Strom bilden, der sich zu jenem der Elektronen addiert. Nach diesem Prinzip lassen sich Röhren mit besonders effizienten Gleichrichter- und Schaltfunktionen herstellen.

Die einzelnen Elemente sind im Innern der Röhre elektrisch getrennt und an isolierenden Stabilisatoren (Glimmer, Mica, Glas, ...) befestigt. Häufig sind auch mehrere Röhrensysteme in einem gemeinsamen Kolben untergebracht. Als "Heizung" dient meist ein dünner gedrillter Wolframdraht. Das Heizsystem und der dazugehörige Heizstrom sind jedoch nicht an der eigentlichen Röhrenfunktion beteiligt, sondern eher eine lästige Notwendigkeit, damit die Röhre überhaupt arbeiten kann.

Nebenstehende Abbildungen zeigen drei unterschiedliche elementare Röhrensysteme. Zum besseren Verständnis ist hier die vordere Hälfte des Anodenblechs (A) entfernt. Links sieht man eine direkt geheizte Kathode, wobei der Heizfaden (f,f) gleichzeitig auch den Kathodenanschluß (K) darstellt. Eine zusätzlich aufgetragene Emissionsschicht (z.B. Bariumoxid) erhöht die Anzahl der ausgestoßenen Elektronen.

Weit häufiger findet man die indirekte Heizung vor, bei der ein feines Nickelröhrchen als Schichtträger und Kathode dem eigentlichen Heizdraht übergestülpt ist (mittlere Darstellung). Der Vorteil besteht darin, daß die gleichmäßige Wärmeverteilung und die größere Masse des Röhrchens weitaus träger auf Temperatur- und Stromschwankungen reagieren, so daß der Heizdraht auch mit Wechselstrom betrieben werden kann, ohne daß sich diese Schwankungen merklich auf die Elektronenemission auswirken. Nachteil dieser Technik ist allerdings die etwas längere Aufheizphase.

Im rechten Bild ist eine sogenannte Triode dargestellt, bei der ein zusätzliches Steuergitter zwischen Kathode und Anodenblech eingefügt ist. Erst mit dieser Ergänzung eröffneten sich der Röhrentechnik vollkommen neue Perspektiven. Während zuvor die einfachen Zweipolröhren (Dioden) nur Wechselspannungen in eine Richtung leiten konnten, so ist es mit Trioden nun möglich, den großen Elektronenfluß im Innern der Röhre mit kleinen Steuerspannungen an diesem Drahtgeflecht beliebig von außen zu verändern. Damit begann das Zeitalter der elektronischen Verstärker.

Die linke Symbolzeichnung zeigt die Gleichrichterwirkung einer Diode. Die Röhre läßt nur die positiven Halbwellen des vom Transformator kommenden Wechselstromes durch. Die rechte Darstellung vermittelt eine typische Verstärkerschaltung mit einer Triode. Je negativer (elektronenreicher) das Steuergitter (G) gegenüber der Kathode ist, desto weniger Elektronen überwinden diese Schranke und gelangen zur Anode. Kleine Spannungsänderungen am Gitter bewirken also große Stromänderungen zwischen Kathode und Anode und entsprechend große Spannungsänderungen an dem hier eingefügten Anodenwiderstand. Die Form des Ausgangssignals entspricht somit der des Steuersignals, ist jedoch größer (verstärkt) und mit umgekehrter Phasenlage (invertiert).

Je näher das Steuergitter an der Kathode angebracht ist, wo die zur Anode hin beschleunigten Elektronen noch recht langsam sind, desto leichter lassen diese sich beeinflussen und desto größere Verstärkungen erzielt man. Da aber die Anodenspannung gegensinnig (invertiert) zum Gitterpotential ändert, sie also der Steuerspannung immer entgegenwirkt (Gegenkopplung), weist die Triodenschaltung nur eine mäßige Verstärkung auf. Verbesserte Eigenschaften ergeben sich, wenn zusätzlich ein konstant positiv geladenes Hilfsgitter (Schirmgitter) vor der Anode die Elektronen gleichmäßig beschleunigt und dadurch die Schwankungen der Anode vom Gitter "abschirmt" (Tetrode). Bei den hohen Geschwindigkeiten mit denen die Elektronen auf das Anodenblech auftreffen, schlagen sie dort aber eine Anzahl langsamere Sekundärelektronen heraus. Damit diese nicht zum -ebenfalls positiven- Schirmgitter gelangen, sondern zurück zur Anode gedrängt werden, ist bei der Pentode ein weiteres negative Hilfsgitter (Bremsgitter) eingefügt. Mit dieser Anordnung zeichnet sich die Pentode gegenüber der Tetrode durch eine hohe Verstärkung und eine größere Linearität aus.

Die vereinfachte Symbolzeichnung in Schaltplänen zeigt die einzelnen Elemente übereinandergeordnet. Im unteren Teil befindet sich die negative Kathode, im oberen Teil die positive Anode, dazwischen liegen die einzelnen Gitter. Das entpricht auch der üblichen Darstellungsart, bei der die höheren Spannungen meist im oberen Bereich eines Schaltplans zu finden sind und so die technische Stromrichtung von oben nach unten zeigt (während der tatsächliche physikalische Strom der Elektronen aber von unten nach oben führt). Die Bezeichnung der Standardröhren richtet sich im allgemeinen nach der Anzahl der an der Röhrenfunktion beteiligten Elemente. Dabei bleibt die Heizvorrichtung unberücksichtigt.

Einige der meistverwendeten Röhrenarten sind:
Diode (Kathode und Anode) dienen hpts. als Gleichrichter in Netzteilen oder Demodulatorschaltungen.
Triode (Kath., Steuergitter und Anode) die einfachste Form der Verstärkerröhre, meist in Vorstufen oder Oszillatoren verwendet.
Tetrode (Kath., Steuergitter, Schirmgitter und Anode) Das Schirmgitter (meist konstant positiv) sorgt für eine gleichbleibende Beschleunigung der Elektronen und so für eine hohe Verstärkung. Wird selten verwendet.
Pentode (Kath., Steuergitter, Schirmgitter, Bremsgitter und Anode). Das Bremsgitter (meist grobmaschig und negativ geladen, und bei manchen Röhren bereits im Innern mit der Kathode verbunden) drängt die Sekundärelektronen zur Anode zurück. Häufig in Leistungsendstufen.
Hexode (Kath., Steuergitter-1, Schirmgitter-1, Steuergitter-2, Schirmgitter-2 und Anode). An den beiden Steuergitter können zwei unterschiedliche Signale den Strom beeinflussen (zur multiplikativen Mischung, Amplitudenmodulation ...).

Heptode (7-teilig), Oktode (8-teilig), Nonode (9-teilig) ... Desweitern gibt es eine nahezu unüberschaubare Vielfalt an Spezialröhren wie Magisches Auge, Braunsche Röhre, TV-Bildröhren, diverse Kameraröhren, Magnetron (in Mikrowellengeräten), Röntgenröhren, Geiger-Müller-Zählrohre usw. Prinzipiell ließen sich auch nahezu alle modernen Transistorschaltungen bis hin zu Operationsverstärker (deren Ursprung übrigens auch in der Röhrentechnik liegt) und Digitalbausteinen mit Röhren bewerkstelligen, doch die klobige Größe und vor allem die erforderlichen hohen Heizströme mit der daraus resultierenden enormen Wärmeentwicklung setzen einer allzu freien Planung schnell Grenzen. Auch wenn mit der rasanten Weiterentwicklung der Halbleiter (Selen, Germanium, Silizium usw.) und der revolutionären Entdeckung der Transistoren (1947) den Röhren ein jähes Ende vorausgesagt wurde, so sind sie dennoch bis heute auf vielen Gebieten nicht wegzudenken.


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Weiterführende Links:
www.du.edu/~etuttle/electron/elect27.htm About valves, large description and some basic circuits (J. B. Calvert)
www.qsl.net/dl7avf/roehren/ Röhrendaten, alphabetisch
www.roehren-museum.de Alphabetisch geordnete Röhrentypen (deutschsprachig)
www.radiomuseum.org/ Sehr umfangreiche Sammlung antiker und moderner Radio-/TV-Schaltpläne
www.tubecollector.org Virtual Valve Museum (very large tube collection)
also Magnetrons, Klystrons, TWTs, TR Cells,
Thyratrons, X-ray, photocells, photomultipliers, CRTs,
camera tubes, counting and display tubes, tuning indicators,
light sources, Strobotrons etc.
www.mif.pg.gda.pl/homepages/frank/vs.html PDF Datasheets (very large data collection)
www.akh.se/tubes/ Åke's Tubedata (very large data collection)
www.cs.helsinki.fi Umfangreiche Röhren Linkliste

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