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![]() | AllgemeinesElektronenröhren,![]() ![]() Eine kurze Renaissance erlebten die Röhren in der Militärtechnik dadurch, daß Röhren von Natur aus unempfindlich gegenüber EMP (= elektromagnetischer Puls, der bei Atombombendetonationen entsteht) sind. Seit man weiß, wie man Transistorschaltungen EMP-fest macht, ist aber auch das Geschichte. Lediglich in der Audiotechnik finden Verstärkerröhren trotz oder gerade wegen ihrer aus heutiger Sicht vorsintflutlichen Technik noch Anhänger. Einerseits handelt es sich um HiFi-Liebhaber und andererseits um Musiker, vorzugsweise E-Gitarristen. Beide Gruppen haben ganz unterschiedliche Zielsetzungen: Die eine sucht den möglichst unverfälschten Klang, während die andere genau das Gegenteil tut, nämlich durch Übersteuern des Verstärkers stark verzerrte Klänge zu erzeugen. In beiden Lagern werden zahlreiche Mythen erzählt, die leider oft nicht den Tatsachen entsprechen. Speziell aus diesem Grund finden Sie nachfolgend Informationen zu Aufbau und Funktionsweise von Röhren. Mehr zu den Mythen und Märchen incl. einer technischen Erklärung finden Sie auf der Seite ![]() Funktionsweise einer RöhrendiodeSchon vor weit mehr als 100 Jahren erkannte man bei Versuchen mit den ersten Glühlampen, daß Elektronen die heiße Glühwendel verlassen. Dies führte zur Entwicklung der Röhrendiode im Jahre 1906. Diese besteht aus einem luftleeren Glaskolben, in dem sich eine Glühwendel und in einigem Abstand ein Blech befindet. Dies ist in![]() Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer Röhrendiode Bei ungeheizter Glühwendel kann man eine äußere Spannungsquelle in beliebiger Polung anschließen, ohne daß ein Stromfluß zustande kommt. Dies liegt darin begründet, daß Vakuum (also sprichwörtlich "Nichts") naturgemäß ein extrem guter Isolator ist. Erst bei sehr hoher Spannung kommt es zum Funkenüberschlag. Der Effekt der Röhrendiode liegt darin begründet, daß bei hoher Temperatur Elektronen die Glühwendel verlassen können, d.h. sozusagen aus dem Material geschleudert werden. Legt man von außen eine Spannung zwischen Auffangblech und Glühwendel an, hängt es von der Polung ab, was passiert. Hängt das Auffangblech am Pluspol, so werden die aus der Glühwendel emittierten Elektronen angezogen und es fließt ein Strom durch die Röhre. Bei umgekehrter Polung müßten die Elektronen aus dem Auffangblech austreten. Das können sie aber nicht, weil das Blech nicht beheizt ist, wodurch auch kein Strom fließt. Deshalb leitet die Röhrendiode Strom nur in eine Richtung. Röhrendioden wurden vor allem zum Gleichrichten von Wechselstrom benutzt, bevor sie wegen der viel besseren elektrischen Eigenschaften (vor allem viel kleinerer Spannungsverlust und viel kleinerer Innenwiderstand) durch Halbleiterdioden verdrängt wurden. Die Glühwendel wird übrigens in der Röhrenterminologie als Katode (oder Kathode) bezeichnet und das Auffangblech als Anode. Für ein solches Röhrensystem mit zwei Elektroden bildete man aus dem altgriechischen Präfix "di" (für 2) und dem Wort "Elektrode" das Kunstwort Diode. Funktionsweise einer RöhrentriodeWenn man bei einer Röhrendiode zwischen Glühwendel und Auffangblech ein Drahtgeflecht, in der Röhrenterminologie Gitter genannt, einfügt, erhält man eine Röhrentriode, wie sie in![]() Bild 2: Prinzipieller Aufbau einer Röhrentriode Sie funktioniert bei mit der Glühwendel leitend verbundenem und damit elektrisch gesehen neutralem Gitter genauso wie eine Röhrendiode. Bei offenem Anschluß lädt sich das Gitter übrigens aufgrund der von der Katode ausgesandten Elektronen negativ auf und behindert dann den Stromfluß zur Anode. Man nutzt die Triode aber nicht zum Gleichrichten von Wechselspannungen, sondern betreibt sie ausschließlich in Durchlaßrichtung, d.h. Pluspol an Anode, mit einer äußeren Betriebsspannung von üblicherweise einigen hundert Volt zwischen Katode (Glühwendel) und Anode (Auffangblech). Legt man nun an das Gitter eine im Vergleich zur Glühwendel negative Spannung an, wird mit zunehmend negativer werdender Spannung der Strom durch die Röhre immer kleiner, bis der Stromfluß aufhört. Denn genauso, wie Elektronen von einem positiven Potential (ungleiche Ladungen ziehen sich an) angezogen werden, werden sie von einem negativen Potential abgestoßen (gleiche Ladungen stoßen sich ab). Hierfür genügen schon wenige Volt. Bei einer Röhrentriode kann man mit einer geringen Spannungsänderung am Gitter eine relativ große Stromänderung durch die Röhre bewirken. Die Röhrentriode wirkt daher als Verstärker. Sie war zusammen mit den nachfolgenden Röhrentypen vor der Erfindung der ![]()
Funktionsweise einer RöhrentetrodeSchon sehr früh erkannte man, daß eine Triode aus elektrischer Sicht alles andere als ideal war. Bei der seinerzeit häufigsten Anwendung der Röhren im Radio störte auf Hochfrequenzseite am meisten die Kapazität zwischen Gitter und Anode. Ein Kondensator ist ja nichts anderes als zwei Metallplatten, die sich in einem bestimmten Abstand zueinander befinden, was auch auf Gitter und Anodenblech zutrifft. Resultat ist, daß die Ausgangsspannung, die an der Anode zur Verfügung steht, bei hohen Frequenzen sehr stark auf das Gitter zurückgekoppelt wird. Denn hohe Frequenzen können Kondensatoren leicht passieren. Für Sendeanlagen entwickelte man daher spezielle Trioden, bei denen der Abstand zwischen Gitter und Anode sehr groß und damit die Kapazität sehr klein war. Durch den großen Abstand steigt aber leider auch der Betriebsspannungsbedarf sehr stark. Sendetrioden müssen daher meistens mit mehreren tausend Volt betrieben werden.Eine andere Möglichkeit ist, die unerwünschte Kapazität durch ein zusätzliches Gitter G2, auch Schirmgitter genannt, zwischen dem Steuergitter und der Anode anzubringen. Röhren mit einem solchen Schirmgitter nennt man Tetroden, weil eine solche Röhre Funktionsweise einer RöhrenpentodeWenn Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf das Anodenblech auftreffen, ist die Wucht so groß, daß sie einige Elektronen aus dem Anodenmaterial herausschlagen können. Diese herausgeschlagenen Elektronen nennt man Sekundärelektronen. In Sekunddärvervielfacherröhren nutzt man dieses Effekt nutzbringend aus; bei allen anderen Röhren ist das Herausschlagen unerwünscht. Andere Elektronen schlagen derart hart auf die Anode auf, daß sie nicht in das Anodenmaterial eintreten können, sondern wie ein Fußball beim Lattenschuß daran abprallen. Sie schlagen hierbei ebenfalls Elektronen aus der Anode heraus, wobei sie den größten Teil ihrer Bewegungsenergie verlieren. Sie bilden zusammen mit den Sekundärelektronen eine Elektronenwolke um die Anode. Bei Trioden werden diese Elektronen dank ihrer negativen Ladung recht schnell wieder von der positiv geladenen Anode angezogen und stören daher nicht sonderlich stark. Sie behindern lediglich die von der Katode herkommenden Elektronen ein wenig, weil sich ja gleiche Ladungen abstoßen.Bei Tetroden besitzt jedoch auch das Schirmgitter eine positive Spannung, so daß auch dieses die freien Elektronen anzieht. Bei hoher Aussteuerung der Röhre sinkt die Anodenspannung zeitweise unter die Spannung des Schirmgitters ab, weshalb in diesem Fall das Schirmgitter die Elektronen am stärksten anzieht und damit der Anodenstrom stark nachläßt. Dies bedeutet, daß ab einem bestimmten Punkt das Ausgangssignal verzerrt, weil nun ein Teil des Stroms über das Schirmgitter abfließt und damit nicht mehr als Anodenstrom zur Verfügung steht. Dies beschränkt die nutzbare Ausgangsspannung und damit die nutzbare Ausgangsleistung. Ziel ist es daher, die Sekundärelektronen vom Schirmgitter fernzuhalten. Genau dies ist der Zweck eines weiteren Gitters G3, dem Bremsgitter. Eine Tetrode mit einem zusätzlichen Bremsgitter nennt man Pentode, weil sie abgesehen von der Heizung 5 Anschlüsse besitzt ("penta" = 5). Sie ist wie folgt aufgebaut: ![]() Bild 3: Prinzipieller Aufbau einer Röhrenpentode Das Bremsgitter G3 wird mit der Katode verbunden. Es ist ziemlich grobmaschig, so daß die mit relativ hoher Geschwindigkeit von der Katode kommenden Elektronen kaum behindert werden. Für die Elektronenwolke um die Anode bildet es allerdings eine fast unüberwindliche Hürde, weil es im Vergleich zur Anode stark negatives Potential besitzt und damit die langsamen Elektronen ausreichend stark in Richtung Anode abstößt. Dadurch wird der Stromfluß über das Schirmgitter deutlich reduziert, so daß man Pentoden weiter aussteuern kann als Tetroden. Die 1926 entwickelte Pentode war daher insbesondere für Röhren in Endstufen weit verbreitet. Hexoden, Heptoden, Oktoden usw.Es gab noch eine ganze Reihe von Röhren mit noch mehr Gittern. Diese waren jedoch weitgehend speziellen Zwecken vorbehalten. Meistens handelte es sich um Mischröhren, bei denen z.B. 2 mehr oder weniger gleichberechtigte Steuergitter vorhanden waren. Hiermit kann man 2 Signale miteinander multiplizieren sprich modulieren. Jedes weitere Gitter fängt jedoch in gewissem Umfang nützliche Elektronen ein, weshalb man solche Röhren nur dann verwendete, wenn man die speziellen Eigenschaften nutzte. Für normale Verstärker war hingegen die Pentode aus elektrotechnischer Sicht das Optimum des Röhrenbaus. Die übliche Bezeichnungsweise unter Verwendung des altgriechischen Präfixes für die Anzahl der Elektroden kam auch hier zur Anwendung:Hexode - 6 Elektroden ("hexa") Heptode - 7 Elektroden ("hepta") Oktode - 8 Elektroden ("okta") Enneode - 9 Elektroden ("ennea") Niedervoltröhren / Batterieröhren![]() Viele Niedervoltröhren waren je nach Typ für 90, 60 oder Spezialröhren![]() Elektrometerröhren unterscheiden sich von normalen Verstärkerröhren durch zwei Dinge: Erstens ist das Gitter meistens aus dem Röhrenkopf herausgeführt und zweitens sind die Röhren oft mit einer speziellen Beschichtung versehen. Sie sind auf möglichst geringe Gitterströme hin entwickelt, damit sich auch bei extrem hochohmigen Signalquellen keine Verfälschung des Meßsignals einstellt. Um diese geringen Gitterströme nicht durch parasitäre Widerstände (Kriechströme) hochzutreiben, führt man den Gitteranschluß möglichst weit von allen anderen Anschlüssen aus der Röhre heraus, d.h. an der gegenüberliegenden Seite sprich dem Kopf der Röhre. Bei hoher Luftfeuchte würde schon eine extrem gering benetzte Glasoberfläche zu einem stark verringerten Isolationswiderstand führen. Aus diesem Grund sind solche Röhren oft zusätzlich mit einer hydrophoben (=wasserabweisenden) Oberfläche versehen, die zusätzlich verhindert, daß Licht in die Röhre eindringen kann. Photonen können nämlich durch das Herausschlagen von Elektronen für einen zusätzlichen und in diesem Fall absolut unerwünschten Stromfluß sorgen (Wirkung wie Fotozelle). Trotz aller Maßnahmen wird der Eingangswiderstand von Elektrometerröhren von MOS-FETs oder CMOS-Operationsverstärkern leicht um den Faktor 100 oder mehr übertroffen. Sogenannte Senderöhren unterscheiden sich oft sowohl in Form als auch Bauweise deutlich von den wohlbekannten Verstärkerröhren. Sendetrioden besitzen größere Abstände zwischen Katode und Anode, weshalb Betriebsspannungen im Kilovoltbereich notwendig sind. Um die hohe Verlustleistung abzuführen, besitzen sie oft ein Keramik- anstatt eines Glasgehäuses, das zudem mit einem fest installierten Kühlkörper versehen ist. Sendetetroden wiederum wurden nicht selten als Doppelsysteme, d.h. mit zwei Systemen in einem Gehäuse, hergestellt. Bei diesen sind oft die beiden Anodenanschlüsse aus dem Röhrenkopf herausgeführt. Diese recht großen und breiten Röhren sind optisch recht ansprechend, weshalb man Sendedoppeltetroden auch gern in teuren HiFi-Röhrenverstärkern der fünfstelligen Euro-Klasse einsetzt. Allerdings sind Tetroden hierfür aus elektrischer Sicht aufgrund des eingeschränkten Aussteuerbereichs deutlich weniger gut geeignet als Pentoden. Zudem wurde bei Senderöhren oft nicht auf mikrofoniearmen Aufbau geachtet, weil dies im HF-Bereich schlicht nicht erforderlich war. Bei Verstärkern mit Senderöhren steht daher die Show ganz eindeutig vor den elektrischen Eigenschaften. HeizungsartenDie einfachste und gleichzeitig effektivste Form der Heizung ist ein nackter Glühdraht, wobei einer der beiden Heizanschlüsse gleichzeitig die Katode ist. Zur Erhöhung der Emission ist der Glühdraht mit einem Material beschichtet, das besonders leicht Elektronen emittiert. Üblicherweise verwendet man hierfür Oxide von Erdalkalimetallen (in der Frühzeit der Röhrentechnik wurden auch Thoriumdrähte bzw. Thorium-beschichtete Drähte benutzt). Dem Vorteil des hohen Wirkungsgrades dieser Heizungsart steht der große Nachteil entgegen, daß bei der üblichen Wechselstromheizung die Temperatur der Heizwendel im Takte des Wechselstroms leicht schwankt und mit ihr die Emission. Gleichzeitig schwankt die Spannung zwischen Katode und Glühwendel um den Betrag der Heizspannung. Denn zwischen dem Heizungsanschluß 1 (gleichzeitig Katodenanschluß) und dem Heizungsanschluß 2 gibt es eine Spannungsdifferenz, die der Höhe der Heizspannung entspricht. Als Folge schwankt auch die Spannung zwischen der Anode und der Heizwendel und damit der Anodenstrom, was sich als profanes Brummen bemerkbar macht. Bei Pentoden ist dieser Effekt aufgrund der fast "waagerechten" Kennlinien relativ gering, bei Trioden aufgrund der starken Abhängigkeit des Anodenstroms von der Anodenspannung jedoch stark ausgeprägt.![]() Bild 4: Direkte und indirekte Heizung Dieses Brummen kann man verringern, wenn die Katode als metallisches Röhrchen ausgeführt wird, der von innen ohne direkte Berührung von einer Glühwendel beheizt wird, weshalb man diese Art der Heizung indirekte Heizung nennt. Dadurch, daß die Katode sprich das Röhrchen vom Heizstrom entkoppelt ist, entfällt die geringe Spannungsschwankung zwischen Katode und Anode, die durch die sich zeitlich verändernde Heizspannung verursacht wird und insbesondere bei Trioden aufgrund deren besonderen Kennlinien stark stört. Gleichzeitig ist die Wärmekapazität des gesamten Gebildes so hoch, daß sich die Temperaturschwankungen, die sich zwischen Scheitelwert und Nulldurchgang der Heizspannung ergeben, nicht nennenswert bemerkbar machen. Nur leider sinkt der Wirkungsgrad der Heizung ein wenig, weil durch die größere Oberfläche auch mehr Wärme abgestrahlt wird. Bei direkter Heizung braucht man hingegen für jede Röhre eine eigene Wicklung auf dem Heiztrafo, wenn die Katoden nicht direkt sondern zwecks Gegenkopplung über je einen Katodenwiderstand mit Masse verbunden werden sollen. Aufgrund der großen Vorteile hatte sich daher die indirekte Heizung bei "normalen" Röhren weitgehend durchgesetzt. Die direkte Heizung war vorzugsweise bei Spezialröhren, bei denen es vor allem auf geringen Bauraum (Miniaturröhren) oder eine geringe Heizleistung (Batterieröhren) ankommt, oder bei Röhren für Gleichstromheizung zu finden. Realer Aufbau und HerstellungDas Schaltzeichen könnte den Eindruck erwecken, daß bei einer Röhre sich unten in der Nähe der Kontaktstifte die beheizte Katode befindet, oben am Röhrenkopf die Anode und irgendwo dazwischen ggf. die Gitter. Die ersten Röhren waren zwar so aufgebaut, aber bei den allermeisten Röhren ist das nicht der Fall. Vielmehr besteht die Katode aus einem langen, geraden Glühdraht, der fast immer vertikal angeordnet ist. Axial darum sind die Gitter und ganz außen die Anode angeordnet, wie in![]() Bild 6: Realer Aufbau einer Röhrentriode Um den Glühdraht ist in einem kleinen Abstand spiralförmig ein dünner Draht herumgewickelt, der das Gitter bildet. Der Abstand der einzelnen Windungen zueinander, also sozusagen die Maschenweite, bestimmt mit vielen weiteren Einflußfaktoren die Kennlinie. Es ist nur eine Seite der Gitterspirale nach außen geführt, weil das Gitter lediglich durch Vorhandensein einer Steuerspannung den Elektronenfluß elektrostatisch beeinflußt. Ein Stromfluß durch die Gitterspirale hindurch ist dazu nicht erforderlich und erst recht nicht erwünscht. Das Gitter wiederum ist in kleinem Abstand vom Anodenblech umgeben. Da die Anode laufend von Elektronen bombardiert wird, die ihre Bewegungsenergie an diese abgeben, wird diese ![]() Bild 7: Reale Röhre am Beispiel der PL802 (Pentode, aber nur 1 Gitter gut sichtbar) In der Mikroskopaufnahme der Miniaturpentode DF67 (siehe ![]() Bild 8: Gitteranordnung am Beispiel der DF67 (Miniaturpentode) ![]() Bild 9: Miniaturröhre DF67 im Größenvergleich zu Noval-Röhre Das Innere des Glaskolbens wird bei der Herstellung einer Elektronenröhre in einem der letzten Arbeitsschritte luftleer gepumpt und der Glaskolben dabei nach außen hin hermetisch dicht zugeschmolzen. Das Evakuieren hat den Zweck, daß später im Betrieb die Elektronen auf dem Weg zur Anode nicht mit Stickstoff-, Sauerstoffmolekülen der Luft oder anderen Atomen bzw. Molekülen kollidieren sollen, was die Funktion sehr stark beeinträchtigen würde. Denn dadurch würde das noch vorhandene Restgas ionisiert und in einer Glimmentladung Licht aussenden. Die Röhre würde als ![]() Verwendung in der ElektronikIn der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren Röhren, da es nichts Anderes gab, weit verbreitet. Heute findet man sie nur noch in bestimmten Hochfrequenzbereichen, in denen sie Kostenvorteile gegenüber Halbleitern bieten (RADAR, Sendeanlagen mit extrem hoher Ausgangsleistung etc.), oder bei Gitarrenverstärkern und in extrem geringem Maße als HiFi-Verstärker. Im Niederfrequenzbereich ist das Ende der Röhren bereits abzusehen, weil die allermeisten Röhrentypen schon lange nicht mehr hergestellt werden und die Preise für häufig nachgefragte Röhren bekannter Markenhersteller wie z.B. Telefunken, Valvo und Siemens langsam ins Astronomische wachsen. Beispiel: Die bekannte NF-Pentode EF86 wurde noch Anfang der 90er Jahre wie saures Bier für weit unterMittlerweile werden aufgrund der guten Verdienstspannen häufig nachgefragte Röhrentypen wie ECC83, EL84 und EL34 von Herstellern im ehemaligen Ostblock wieder gefertigt. Diese Röhren sind keineswegs minderwertiger Schrott, wie in bestimmten Foren immer wieder zu lesen ist (gern benutzte Standardphrase: "klingt nicht"), sondern sind fast immer baugleich zu alten Ausführungen (von der ECC83/12AX7 gab es seinerzeit etliche verschiedene Bauformen). Dies ist nicht verwunderlich, weil diese Firmen die Röhren entweder auf den eigenen oder aber auf günstig erworbenen Originalmaschinen der ehemaligen Markenhersteller herstellen und manchmal auch noch Verbesserungen einfließen lassen (z.B. zusätzliche Schirmbleche). Von einigen wenigen westlichen Firmen gibt es solche Röhren ebenfalls, aber aus absolut nicht nachvollziehbaren Gründen zu deutlich höheren Preisen. Dabei ist es ohnehin ein offenes Geheimnis, daß diese Firmen nicht selbst fertigen, sondern nur vorgenannte neue Röhren mit einem eigenen Aufdruck versehen bzw. versehen lassen. Ob in China mehrere Röhrenhersteller Standardröhren herstellen oder ein einziger Hersteller seine Röhren unter verschiedenen Markenbezeichnungen auf dem Weltmarkt verkauft, wird in manchen Foren eifrig diskutiert. Wer neue Röhrenschaltungen aufbauen möchte, kann als Alternative zu relativ günstigen neu hergestellten Röhren zudem auf wenig nachgefragte und daher erheblich ![]() ![]() ZusammenfassungRöhrendioden bestehen aus einem luftleer gepumpten Glaskolben, in dem sich außer einer Glühwendel (Katode) ein Auffangblech (Anode) befindet. Aus der heißen Glühwendel können Elektronen austreten, die sich bei äußerer Spannung (Anode positiver als Katode) zur Anode bewegen, so daß ein Stromfluß zustande kommt. Bei umgekehrter Polung fließt kein Strom, weil aus der ungeheizten Anode auch bei hoher Spannung keine Elektronen emittiert werden können.Bei einer Röhrentriode befindet sich zwischen Katode und Anode eine Drahtwendel, das sogenannte Gitter. Durch Anlegen einer kleinen negativen Spannung an das Gitter kann man den Stromfluß durch die Röhre steuern. Dadurch kann man eine Triode als Verstärkerelement benutzen. Durch zusätzliche Gitter kann man bestimmte elektrische Eigenschaften verbessern, was bei Tetroden und Pentoden praktiziert wird. Aufgrund der zahlreichen Nachteile wurden Verstärkerröhren fast vollständig von Transistoren abgelöst. | ||||||||||||||||||
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