Die Elektronenröhre

Zu den wichtigsten Grundbauelementen der Funktechnik zählen neben den Widerständen, den Kondensatoren und den Spulen die Elektronenröhren sowie die Transistoren. In den funktechnischen Geräten werden die Elektronenröhren vor allem zur Erzeugung, Verstärkung und Gleichrichtung von Wechselströmen eingesetzt. Es wurden eine Vielzahl von Elektronenröhren konstruiert und gefertigt, wobei den Radiobastler heute vor allem die modernen Miniaturröhren interessieren.

Das System einer Elektronenröhre ist in einem luftleergepumpten Glaskolben untergebracht. Es besteht im Wesentlichen aus einer beheizten Katode, dem Steuergitter und der Anode. Bei Mehrelektrodenröhren wurden noch weitere Gitter hinzugefügt. Die Anode, die an einer positiven Spannung liegt, zieht aus der beheizten Katode austretende Elektronen an. Der dabei auftretende Elektronenstrom kann durch das Steuergitter beeinflusst werden. Je nach der Vorspannung des Steuergitters ist eine Regulierung des Elektronenstromes möglich. Nach dem Aufbau des Heizfaden-Katoden-Systems unterscheidet man zwischen indirekt und direkt geheizten Katoden. Bei der direkt geheizten Katode ist die die Elektronen emittierende Schicht direkt auf dem Heizfaden auf getragen. Da hierbei nur geringe Heizleistungen erforderlich sind, arbeiten vor allem Batterieröhren mit direkt
geheizten Katoden. Heizkreis und Katodenkreis sind galvanisch miteinander verbunden; es ergeben sich deshalb Schwierigkeiten bezüglich der Brummfreiheit. Da Batterieröhren aber meist aus Gleichstromquellen geheizt werden, spielt dieser Nachteil keine Rolle. Die am Wechselstromnetz betriebenen Elektronenröhren sind fast ausschließlich mit einer indirekt geheizten Katode ausgestattet. Dabei heizt der Heizfaden ein isoliertes Röhrchen, auf dem sich die Katodenschicht befindet. Der Heizkreis und der Katodenkreis sind dadurch galvanisch getrennt. Der Wärmeverlust macht bei den indirekt geheizten Katoden eine größere Heizleistung erforderlich, was aber bei Netzbetrieb keine allzu große Rolle spielt. Bild 1.9 zeigt die Schaltsymbole für die direkt und die indirekt geheizte Katode. Das Steuergitter ist als Drahtwendel in geringem Abstand um die Katode angeordnet, damit der Elektronenstrom das Steuergitter passieren kann. Die Anode liegt als Blechzylinder um das Steuergitter und schließt damit das Röhrensystem ab.

Die einfachste Elektronenröhre enthält nur eine geheizte Katode und eine Anode. Man bezeichnet sie als Diode oder Zweipolröhre. Durch das fehlende Steuergitter kann der Auftretende Elektronenstrom nicht gesteuert werden. Da er aber nur in einer Richtung zu fließen vermag, wird diese Zweipolröhre zur Gleichrichtung von Wechselströmen benutzt (Ventilwirkung !).

Dioden für größere Spannungen und Ströme sind Netzgleichrichterröhren, die mit 1 oder mit 2 Diodensystemen aufgebaut werden. Kleinere Dioden richten HF-Spannung gleich, z.B. bei der Demodulation in einem Empfänger. Bild 1.10 zeigt den Vorgang bei der Gleichrichtung einer Wechselspannung. Es wird nur jede 2. Halbwelle durchgelassen. Bei der Zweiweg-Gleichrichtung können infolge des Gegentakt-Aufbaus 2 Halbwellen die Röhren passieren. Der gleichgerichtete Strom muss noch durch Siebglieder geglättet werden, da durch die Gleichrichtung nur ein intermittierender Gleichstrom entsteht. Wird dem Diodensystem ein Steuergitter hinzugefügt, dann entsteht eine Triode oder Dreipolröhre. Jetzt ist eine Beeinflussung des auftretenden Elektronenstromes möglich. Liegt am Gitter eine negative Spannung, dann wird ein Teil der Elektronen nicht durchgelassen, der Elektronenstrom verringert sich also. Durch die Variation der Gittervorspannung kann man damit den Anodenstrom, der durch den Arbeits- bzw. Anodenwiderstand fließt, steuern. Diesen Vorgang veranschaulicht die Gitterspannungs-Anodenstrom-Kennlinie, wie sie in Bild 1.11 gezeigt wird. Bei einer verzerrungsfreien Verstärkung muss der Arbeitspunkt A in der Mitte des geradlinigen Teiles der Kennlinie liegen, z.B. bei Ua = 100 V und Ug= -3 V bzw. bei 150 V und Ug = -5 V (s.Bild 1.11).

Bild 1.11
Bild 1.11 Schaltung einer Triode mit negativer Gittervorspannung (links) und Gitterspannungs-Anodestrom-Kennlinie einer Triode (rechts); die Gittervorspannung ist negativ.

Für die Arbeitsweise einer Elektronenröhre sind mehrere Kenngrößen wichtig. Das ist einmal die Steilheit S. Sie wird definiert als Verhältnis der Anodenstromänderung zur Gittervorspannungsänderung bei einer konstanten Anodenspannung:

S= ΔIa / ΔUg bei Ua = konstant.S – Steilheit in mA/V,
ΔIa – Anodenstromänderung in mA,
ΔUg – Gittervorspannungsänderung in V,
Ua – Anodenspannung in V

Für Bild 1.11 ergibt sich: ΔUg = 7V – 5 V = 2V
und
ΔIa = 8 mA – 4 mA = 4 mA
S = 4 mA / 2 V = 2 mA/V

Eine andere Kenngröße ist der Durchgriff, defeniert als
D = ΔUg / Δ Ua * 100 bei Ia konstant;
D – Durchgriff in %.

Für Bild 1.11 gilt wieder
ΔUg = 7V – 5 V = 2V
und
ΔUa = Ua1 – Ua2 = 150 – 100 = 50V
D = 2V * 100 / 50V = 4%

Eine weitere Kenngröße ist der Innenwiderstand , der definiert wird zu
R1 = ΔUa / ΔIa bei Ug = kostant.

Entsprechend Bild 1.11 erhält man Ri
Ri = 50V / 4 mA = 50 V / 0,004 A = 12500 Ω = 12,5 kΩ

Die Barkausensche Formel besagt, dass das Produkt aller drei Kenngrößen gleich 1 ist:
S * D * Ri = 1.

Dadurch besteht die Möglichkeit, eine Kenngröße zu berechnen, wenn die beiden anderen bekannt sind:
2 mA / V * 0,04 * 12,5 V / mA = 1
0,008 * 12,5 = 1
1=1

Oft gibt man in Berechnungen an Stelle des Durchgriffs D die Verstärkung an:
µ = 1 / D = S * Ri.

Die Verstärkung der Triode ist klein, µ etwa von 17 bis 100. Außerdem hat die Triode den Nachteil, dass zwischen Steuergitter und Anode eine größere Kapazität auftritt, wodurch sie sich für die HF Verstärkung nicht gut eignet.

Durch das Einfügen eines weiteren Gitters zwischen Steuergitter und Anode kann man diese Nachteile beseitigen. Dieses Gitter, als Schirmgitter bezeichnet, liegt an einer positiven Spannung und schirmt Steuergitter und Katode gegen die Anode ab. Das Resultat ist eine wesentlich kleinere Steuergitter-Anoden-Kapazität und eine sehr große Verstärkung (µ bis l000). Man bezeichnet diese Röhre als Tetrode. Da bei der Tetrode Sekundärelektronen vorhanden sind, die aus der Anode beim Aufprall der Elektronen heraustreten, fügt man zwischen Schirmgitter und Anode das Bremsgitter ein, das auf Katodenpotential gelegt wird. Diese Röhre bezeichnet man als Pentode. Sie besteht demnach aus der geheizten Katode, der Anode und den 3 Gittern. Die Pentode kann für alle Verstärkungsaufgaben im Niederfrequenzgebiet und im Hochfrequenzgebiet eingesetzt werden. Für spezielle Aufgaben benötigt man Elektronenröhren mit noch mehr Gittern. Das ist vor allem die Heptode (Siebenpolröhre), die als Mischröhre im Superhetempfänger verwendet wird. Gegenüber der Pentode hat sie ein 2. Steuergitter und ein 2. Schirmgitter. Die beiden zu mischenden Frequenzen werden an je 1 Steuergitter geführt, und im Anodenkreis erhält man dann die Mischfrequenz. Bild 1.12 zeigt die Schaltsymbole einiger Elektronenröhren.

Bild 1.12
Bild 1.12 Schaltsymbole der Tetrode (a), der Penthode (b), der Heptode (c)

Eine weitere spezielle Röhre ist die Abstimmanzeigeröhre (magisches Auge), die als Sendereinstellindikator bei Superhetempfängern, als Anzeigeindikator bei NF-Anlagen oder bei Meßgeräten arbeitet. Als Mehrfachröhren bezeichnet man solche Elektronenröhren, die mehrere Röhrensysteme in einem gemeinsamen Rörenglaskolben enthalten.

Quelle:
Das große Radiobastelbuch von Karl-Heinz Schubert, 1980;
(c) Militärverlag, Berlin, 2019

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