Ludwig Paster

Technische Informationen über Röhrenverstärker und mehr 

Röhrengrundlagen

Übersicht

 

 

Wie ist eine Elektronen-Röhre gebaut und wie funktioniert sie?

Das Äußere betrachtet

Man kann drei Teile erkennen: der Kolben, der Röhrensockel und die am Röhrensockel vorhandenen, meist stiftförmigen, Anschlussteile. (Bei einigen Röhren sitzt oben auf dem Kolben vielleicht ein weiteres Anschlussteil.)

Der Kolben besteht aus relativ dünnwandigem Glas und ist luftleer gepumpt, da die Innenteile der Röhre nur im luftleeren Raum einwandfrei arbeiten. Es ist beinahe unmöglich, den nötigen Grad des Vakuums alleine durch Pumpen zu erzielen, deshalb wird der letzte Rest der noch schädlichen Gasreste durch eine besondere Maßnahme unschädlich gemacht: Nach dem Auspumpen wird im Innern der Röhre durch induktives Erhitzen eine kleine Menge einer z.B. Barium, Aluminium oder Magnesiumlegierung verdampft. Der Stoff schlägt sich als Spiegel an der Glaswand nieder und bindet dabei die letzten in der Röhre noch vorhandenen schädlichen Gasreste, außerdem saugt der spiegelnde Belag die winzigen Gasreste auf, die während des Betriebes später aus den Innenteilen der Röhre frei werden können, dadurch ist ein dauerhaftes Hochvakuum erreichbar. Dieser Innenspiegel wird auch „Getter“ genannt. Wird der Kolben beschädigt, so zieht die Röhre Luft, was sich äußerlich durch eine Verfärbung des Getterspiegel bemerkbar macht, die Röhre ist  unbrauchbar geworden.

 

Das Innere betrachtet

Wird der Röhrenkolben entfernt, wodurch die Röhre natürlich nicht mehr verwendungsfähig wird, so sieht man das eigentliche Röhrensystem, dass von mehreren Drähten gehalten wird. Die Haltedrähte sind in den Fuß der Röhre eingeschmolzen und sind meist an den Enden über winzige Punktschweißverbindungen einerseits mit den Anschlussstiften des Sockels und andererseits mit dem Röhrensystem elektrisch verbunden. Das Röhrenssystem selbst besteht aus dünnwandigen Metallblechen und feinen, gewändelten Drähten oder Drahtgittern. Zur weiteren mechanischen Stabilität und Zentrierung des Röhrensystems werden oft zusätzlich zwei dünne und außen gezackte Glimmerscheiben so angebracht, dass eine Scheibe unterhalb und die andere oberhalb des Röhrensystems einen spielfreien Halt des Systens im Kolben bewirken.

 

Die Grundbausteine eines jeden Röhrensystems am Beispiel einer Zweipol-Röhre, genannt Diode

Das Grundprinzip aller Elektronenröhren beruht auf einer Emission und Bewegung von Elektronen im Vakuum

Die Kathode (der Sprühpol)

Die Kathode wird zum Elektronen-Sprühpol, in dem man man sie beheizt. Die Heizung besteht aus einem meist gewändeltem Wolfram-Heizdraht, der bis zur Rotglut elektrisch aufgeheizt wird, außerdem wird die Kathode der Röhre mit einer dünnen Schicht aus Bariumoxid überzogen, damit wird die erforderliche Kathodentemperatur auf etwa 700-800°C gesenkt und der Elektronenaustritt begünstigt. Die Bariumschichtung verdampft allerdings im Laufe der Betriebszeit und als Folge davon ist, dass die Sprühfähigkeit abnimmt: die Röhre verliert an Wirkung , sie altert. Ist die wirksame Schicht weitgehend verdampft, was z.B. durch Überheizung bald eintreten kann, so wird damit die Röhre unbrauchbar. Man sagt, die Röhre ist „taub“ geworden.

Bei „unmittelbar“ (direkt) geheizten Röhren (Bild1, links) ist der Heizfaden selbst mit der wirksamen Schicht aus Bariumoxid überzogen und wirkt zugleich als Kathode. Bei den „mittelbar“ (indirekt) geheizten Röhren (Bild1, rechts)befindet sich die Schicht dagegen auf einem Metallröhrchen, welches als Kathode wirkt. Im Innerem des Metallröhrchens ist der vom Röhrchen isolierte Heizfaden angeordnet.

Direkte Heizung ist einfach und sparsam und kam deshalb für Batteriebetrieb zur Anwendung. Bei Netzbetrieb ergibt sich jedoch ein Problem:  der sinusförmige Wechselstrom ist für direkt geheizte Röhren ungeeignet, die Stromschwankungen überlagern sich auf die Kathode und modulieren den Kathoden-Anodenstromkreis im Rhythmus des Netzstromes, was zu starken Störgeräuschen in Form von Netzbrummen führt.

Um das zu vermeiden, benutzt man für Netzbetrieb indirekte Heizung. Hierbei ist die Kathode vom Heizfaden elektrisch isoliert, thermisch jedoch verbunden, wodurch die Heizstrom- und Heizspannungsschwankungen unschädlich werden. Die Aufheizzeit ist bei Röhren mit indirekter Heizung länger als bei direkt geheizten Röhren. Es vergehen einige Sekunden bis einige zehn Sekunden, bis indirekt geheizte Röhren nach dem Einschalten zu arbeiten beginnen. Ihre endgültigen Betriebstemperaturen erreichen indirekt geheizte Röhren je nach Ausführung vielleicht sogar erst nach einigen Minuten! Direkt beheizte Röhren sind nicht mehr zeitgemäß und werden so gut wie nicht mehr verwendet.

 

Die Anode (der Fangpol)

Die Anode hat die Aufgabe, die Elektronen, die von der Kathode ausgesprüht werden, einzufangen. Das kann sie nur, wenn die Anode positiver gegenüber der Kathode gepolt ist, das heißt, es muss eine Gleichpannung mit hinreichender Höhe angelegt werden. Die Elektronen prallen auf der Anode so heftig auf, dass Wärme entsteht. Im gewöhnlichen Betrieb hat diese Erwärmung der Anode keine Auswirkung, jedoch wäre eine übermäßige Erwärmung der Anode schädlich.

Besonders bei Endröhren besteht die Gefahr der übermäßiger Erwärmung, deshalb ist für Endröhren jeweils eine höchstzulässige Anodenbelastung (Anodenverlustleistung) zu beachten, die der Röhren- Hersteller angibt. Die Erwärmung hängt sowohl von der Zahl der aufprallenden Elektronen (d.h. von der Höhe des Anodenstromes) wie auch von der Wucht des Aufpralles (d.h. von der Höhe der Anodenspannung) ab. Wird die Anodenspannung mit dem Anodenstrom multipliziert, erhält man die Anodenverlustleistung, die in Watt angegeben wird. Da diese Leistung innerhalb der Röhre stets in Wärme umwandelt wird, spricht man von Verlustleistung.

 

Wirkungsweise einer Röhren-Diode

1. Diode in Sperrrichtung gepolt

Legt man an die Anode einer Diode den negativen Pol und an die Kathode den positiven Pol (Bild2) einer hinreichend hohen Gleichspannung an, so werden die aussprühenden Elektronen an der Kathode zurückgehalten, des kommt kein Elektronenfluss hinüber zur Anode zustande, weil die Anode, wie auch die Elektronen selbst, negativ geladen sind und sich somit abstoßen. Die Strecke Kathode-Anode ist so gut wie nicht leitend, es fließt nahezu kein Strom.

 

2. Diode in Durchlassrichtung gepolt

Legt man an die Anode einer Diode den positiven Pol und an die Kathode den negativen Pol (Bild3) einer hinreichend großen Gleichspannung an, so wird die Diode stromdurchlässig. Die aussprühenden Elektronen an der Kathode werden durch das Vakuum hinüber zur positiven Anode gejagt und von ihr aufgefangen. Es fließt Strom, die Stecke Kathode-Anode ist leitfähig geworden. Zur Begrenzung des Stromflusses muss ein Verbraucher (Lastelement) vorhanden sein.

 

 

Anwendungsbeispiel von Röhrendioden

Röhrendioden wurden früher oft und heute selten als Gleichrichter in Netzteilen verwendet, hierbei ist die Ausführung als Doppeldiode zu nennen, welche gerne zur Zweipulsgleichrichtung verwendet wurde. Bei der in USA beliebten Methode wurde häufig eine Doppeldiode mit direkt beheizter Kathode verwendet (Bild4), während  bei der in Deutschland üblichen Variante gerne eine Doppeldiode  mit indirekt geheizter Kathode verwendet wurde (Bild5). Erwähnenswert ist die Tatsache, das der Innenwiderstand von Röhrendioden natürlich nicht so niedrig ist als bei Halbleiterdioden, was Nachteile bei der Stromentnahme bewirken, man kann diese Art der Gleichrichtung auch als "weich" bezeichnen, jedoch kann ein Verstärker hiermit nach der klassischen Art komplett ohne Halbleiter, also rein mit Elektronenröhren, aufgebaut werden.