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Geschichte der Röhrenentwicklung und Grundlagen

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B.4
Einführung in die Welt der Elektronenröhren [EN]

Einen Einblick in die Welt der Elektronenröhren erhält man am ehesten und authentisch durch Artikel, die zu einer Zeit geschrieben wurden, als die Röhrentechnik noch in ihrem Zenit stand. Dies waren die Fünfziger- und eventuell noch die ersten Sechzigerjahre des 20. Jahrhunderts.

Eine schöne Einführung findet sich beispielsweise im Röhrenhandbuch "Receiving Tubes Manual" der amerikanischen Firma RCA, wie in der Ausgabe vom Jahre 1957.
Für den der englischen bzw. amerikanischen Sprache nicht so mächtigen Leser möchte ich als ersten Beitrag die Übersetzung des Kapitels "Electrons, Electrodes, and Electron Tubes" vorstellen. Wichtige röhrenspezifische Original-Fachausdrücke des Amerikanischen wurden zusätzlich zur deutschen Übersetzung in eckigen Klammern belassen, um eine gewisse Vertrautheit mit den fremden Bezeichnungen aufkommen zu lassen.

B.4.1 Elektronen, Elektroden und Elektronenröhren

Die Elektronenröhre ist eine wunderbare Erfindung. Sie macht es möglich Wirkungen zu erzielen, die verblüffend in der Idee und von einer erstaunlichen Präzision und Zuverlässigkeit sind. Sie ist ein überaus empfindliches und genaues Instrument - das Produkt aufeinander abgestimmter Anstrengungen von Ingenieuren und Handwerkern. Ihre Konstruktion erfordert Materialien aus jedem Winkel der Erde. Sie wird weltweit benutzt. Ihre zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten sind selbst im Lichte der heutigen Leistungen nur schwer vorhersehbar, weil jede Weiterentwicklung neue Felder für Entwurf und Anwendung eröffnet.

Die Bedeutung der Elektronenröhre liegt in ihre Fähigkeit beinahe sofort den Flug der von der Katode gelieferten Millionen von Elektronen zu steuern. Sie bringt diese Steuerung mit einem Minimum an Energie zustande. Weil sie ihre Aufgaben fast augenblicklich verrichtet, kann die Elektronenröhre leistungsfähig und genau bei wesentlich höheren elektrischen Frequenzen arbeiten, als sie mit rotierenden Maschinen erreichbar sind.

Elektronen

Alle Materie existiert im festen, flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand. Diese drei Erscheinungsformen bestehen vollständig aus winzigen, als Moleküle bekannten, Teilchen, welche wiederum aus Atomen zusammengesetzt sind. Atome besitzen einen Kern, der eine positive elektrische Ladung darstellt, und um den sich winzige Ladungen negativer Elektrizität drehen, die als Elektronen bekannt sind. Wissenschaftler haben abgeschätzt, dass Elektronen nur den 1/30-milliarde-milliarde-milliarde-milliardestel Teile einer Unze [ounce] wiegen und sich mit einer Geschwindigkeit von Tausenden von Meilen [miles] pro Sekunde fortbewegen können.

Die Elektronenbewegung kann durch Hinzufügen von Energie beschleunigt werden. Hitze ist eine Energieform, die man bequem zur Geschwindigkeitssteigerung des Elektrons benutzen kann. Wenn zum Beispiel die Temperatur eines Metalles allmählich erhöht wird, so gewinnen die Elektronen im Metall an Geschwindigkeit. Wenn das Metall heiss genug wird, können einige Elektronen ausreichend Schnelligkeit erwerben, um sich von der Metalloberfläche loszureissen. Dieser Effekt, der durch Erhitzen des Metalls im Vakuum beschleunigt wird, wird in den meisten Elektronenröhren zur Erzeugung der notwendigen Elektronenversorgung nutzbar gemacht.

Eine Elektronenröhre besteht aus einer Katode, welche die Elektronen liefert, und einer oder mehreren Elektroden, die diese Elektronen steuern und einsammeln, montiert in einer evakuierten Hülle. Die Hülle kann aus Glas, Metall, Keramik oder einer Kombination dieser Materialien bestehen.

Katoden

Eine Katode ist ein wesentlicher Teil einer Elektronenröhre, weil diese die für einen Röhrenbetrieb notwendigen Elektronen liefert. Bei bestimmten Energieeinwirkungen auf die Katode werden Elektronen freigesetzt. Hitze ist die gewöhnlich dazu benutzte Energieform. Die Methode zur Heizung der Katode kann als Unterscheidungsmerkmal zwischen den verschiedenen Katodenarten benutzt werden. Zum Beispiel ist eine direkt geheizte oder Glühfaden-Katode [filament-cathode] ein Draht, der durch den elektrischen Stromdurchfluss geheizt wird. Eine indirekt geheizte oder Heizer-Katode [heater-cathode] besteht aus einem Glühfaden oder Heizapparat [heater], der in einer Metallhülse [metal sleeve] eingeschlossen ist. Die Hülse trägt auf ihrer äusseren Oberfläche das elektronenemittierende Material und wird vom Heizapparat durch Strahlung und Wärmeleitung erhitzt.

Direkte und indirekte Heizung
Abbildung 1: Direkte Heizung Abbildung 2: Indirekte Heizung

Eine, wie in Abbildung 1 gezeigte, direkt geheizte Katode [filament] kann ferner über die Art des Glühfadens oder elektronenemittierenden Materials klassifiziert werden. Regelmässig benutzte Materialien sind Wolfram, thoriertes Wolfram und mit Erdalkalioxiden überzogene Metalle. Wolframheizfäden sind aus dem reinen Metall hergestellt. Weil sie bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen (bei blendender Weissglut), um eine ausreichende Menge Elektronen zu emittieren, wird eine relativ grosse Heizleistung benötigt.

Heizfäden aus thoriertem Wolfram werden aus mit Thoriumoxid imprägniertem Wolfram hergestellt. Es ist der Anwesenheit von Thorium zu verdanken, dass derartige Glühfäden Elektronen bei einer viel mäßigeren Temperatur von etwa 1700C freisetzen (bei heller Gelbglut) und deshalb sehr viel wirtschaftlicher mit der Heizleistung umgehen, als es bei reinen Wolframheizfäden der Fall ist.

Alkalische Erden werden normalerweise als Überzug auf einem Draht oder Band aus einer Nickellegierung verwendet. Dieser Überzug, der in einer ziemlich dicken Schicht auf dem Glühfaden aufgebracht wird, benötigt nur eine relativ niedrige Temperatur von etwa 700-750C (schwache Rotglut) um einen reichlichen Elektronenstrom zu produzieren. Beschichtete Heizfäden arbeiten sehr effizient und benötigen eine verhältnismäßig niedrige Heizleistung. Jedoch hat jedes dieser Katodenmaterialien spezielle Vorteile, welche über die Auswahl für eine einzelne Anwendung bestimmen.

Direkt geheizte Glühfadenkatoden erfordern vergleichsweise wenig Heizleistung. Sie werden in fast allen für Batteriebetrieb entwickelten Röhrentypen benutzt, weil es natürlich wünschenswert ist, den Batterien eine kleinstmögliche Inanspruchnahme aufzuerlegen. Beispiele von batteriebetriebenen, direkt geheizten Typen sind die 1A7-GT, 1R5, 1U4 und 3V4. Wechselstrombetriebene Typen mit direkt geheizten Glühfadenkatoden schliessen die 2A3 und 5Y3-GT ein.

Eine indirekt geheizte Katode besteht aus einer dünnen Metallhülse, überzogen mit elektronenemittierendem Material, wie Erdalkalioxiden. Innerhalb der Hülse befindet sich ein isoliert angebrachter Heizfaden, wie in Abbildung 2 gezeigt. Der Heizfaden wird aus einem Wolframdraht oder einer Wolframlegierung hergestellt und nur zum Zwecke der Beheizung der Katodenhülse und deren Beschichtung auf eine elektronenemittierende Temperatur benutzt. Nennenswerte Emission findet am Heizdraht nicht statt.

Diese Konstruktion aus Heizfaden und Katode eignet sich besonders gut für die Anwendung in Elektronenröhren, die zum Betrieb am Wechselstromnetz und zur Speisung aus Akkumulatoren bestimmt sind. Die Benutzung von separaten Teilen für die Emitter- und Heizerfunktionen, die elektrische Isolation des Heizfadens vom Emitter und den Abschirmeffekt der Hülse, kann man sich alle beim Entwurf der Röhre zunutze machen, um die Einstreuung von Brumm aus der Wechselstromheizung und eine elektrische Störbeeinflussung der Röhrenschaltung aus den Zuleitungen der Heizstromversorgung zu minimieren. Vom Gesichtspunkt des Schaltungsentwurfes aus, bietet die indirekte Heizung, wegen der durch die elektrische Trennung des Heizfadens von der Katode möglichen flexiblen Schaltungstechnik, erhebliche Vorteile.

Ein anderer Vorteil liegt darin, dass die praktische Konstruktion einer Gleichrichterröhre mit engem Abstand zwischen Katode und Anode, sowie einer Verstärkerröhre mit geringem Abstand zwischen Katode und Gitter realisierbar werden. Bei einer Gleichrichterröhre in enger Bauweise ist der Spannungsabfall in der Röhre gering und deshalb die Spannungsstabilisierung verbessert. Bei einer Verstärkerröhre erhöht der niedrige Abstand die von der Röhre erreichbare Verstärkung. Wegen dieser vielen Vorteile besitzen fast alle für Wechselstrombetrieb entwickelten Röhren von heute eine indirekt geheizte Katode.

Die verschiedenen Röhrengattungen

Elektronen sind in einer Elektronenröhre von keinem grossen Wert, wenn sie nicht dazu gebracht werden können, Arbeit zu leisten. Deshalb wird eine Röhre beim Entwurf ebenso mit den Komponenten zur Nutzbarmachung der Elektronen, wie mit jenen zu deren Erzeugung ausgestattet. Diese Ausstattung besteht aus einer Katode und einer oder mehreren zusätzlichen Elektroden. Die Elektroden sind in einer evakuierten Hülle eingeschlossen, wobei die notwendigen Verbindungsleitungen durch luftdichte Abschlüsse [seals] herausgeführt werden. Die Luft wird aus der Hülle entfernt, damit eine freie Elektronenbewegung ermöglicht und einer Beschädigung der emittierenden Katodenoberfläche vorgebeugt wird.

Wenn die Katode beheizt wird, verlassen Elektronen die Katodenoberfläche und bilden im umgebenden Raum eine unsichtbare Wolke. Jedes positive elektrische Potential innerhalb der evakuierten Hülle stellt für die Elektronen eine starke Anziehungskraft dar (ungleichnamige elektrische Ladungen ziehen sich an, gleichnamige Ladungen stossen sich ab). Solch ein positives elektrisches Potential kann durch eine innerhalb der Röhre in unmittelbarer Nähe der Katode angebrachte Anode (positive Elektrode) hervorgerufen werden.

Dioden

Die einfachste Bauform einer Elektronenröhre enthält zwei Elektroden, eine Katode und eine Anode [plate], und wird oft Diode genannt, der Familienbezeichnung für eine Zweielektrodenröhre. Bei einer Diode wird das positive Potential durch die Verbindung mit einer passenden elektrischen Spannungsquelle zwischen dem Anoden- und Katodenanschluss eingebracht, wie in Abbildung 3 gezeigt. Unter dem Einfluss des positiven Anodenpotentials fliessen Elektronen von der Katode zur Anode und kehren über die externe Schaltung der Anodenbatterie zur Katode zurück, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Dieser Elektronenfluss ist als der Anodenstrom bekannt.

Diodenschaltung
Abbildung 3: Beschaltung einer Diode

Wenn an die Anode ein negatives Potential angelegt wird, werden die freien Elektronen im Raum um die Katode herum gezwungen, wieder zur Katode zurückzukehren und es fliesst kein Anodenstrom. Wenn eine Wechselspannung an die Anode gelegt wird, so wird die Anode abwechselnd positiv und negativ geladen. Weil aber Anodenstrom nur während des Zeitraums fliesst, in dem die Anode positiv ist, kann Strom nur in einer Richtung durch die Röhre fliessen und man sagt, er wird gleichgerichtet. Abbildung 4 zeigt den gleichgerichteten Ausgangsstrom der von einer Eingangswechselspannung erzeugt wird.

Diodengleichrichter
Abbildung 4: Diodengleichrichter

Diodengleichrichter werden in wechselstrombetriebenen Empfängern zur Umwandlung der Wechselstromversorgungsspannung in Gleichspannung für die Elektroden der weiteren Röhren im Empfänger benutzt.

Gleichrichterröhren, die nur eine Anode und eine Katode besitzen, wie etwa die 35W4, werden Einweggleichrichter oder Halbwellengleichrichter [half-wave rectifiers] genannt, da Strom nur während einer Hälfte des Wechselstromzyklus fliessen kann. Wenn zwei Anoden und eine oder mehrere Katoden in der gleichen Röhre benutzt werden, kann aus beiden Halbwellen des Wechselstromzyklus Strom erhalten werden. Die 6X4, 5Y3-GT und 5U4-GB sind Beispiele dieses Typs und werden Zweiweg- oder Vollweggleichrichter [full-wave rectifiers] genannt.

Nicht alle von der Katode emittierten Elektronen erreichen die Anode. Einige kehren zur Katode zurück, während andere kurzzeitig im Raum zwischen Katode und Anode verweilen und einen Effekt, der als Raumladung bekannt ist, produzieren. Diese Ladung hat eine abstossende Wirkung auf andere die Katodenoberfläche verlassende Elektronen und behindert deren Weg zur Anode. Der Umfang dieser Wirkung und die Stärke der Raumladung hängen von der Katodentemperatur, dem Abstand zwischen der Katode und der Anode und dem Anodenpotential ab. Je höher das Anodenpotential ist, um so niedriger ist die Tendenz von Elektronen in der Raumladungszone zu bleiben und andere Elektronen abzustossen. Diesen Effekt kann man durch Anlegen von zunehmend höheren Anodenspannungen an eine Röhre, die mit fester Heizspannung betrieben wird, beobachten. Unter diesen Bedingungen ist die maximale Anzahl der verfügbaren Elektronen festgelegt, aber mit zunehmend höheren Anodenspannungen gelingt es, einen immer grösseren Anteil der freien Elektronen anzuziehen.

Allerdings wirkt sich oberhalb einer gewissen Anodenspannung jede zusätzliche Spannungserhöhung nur noch geringfügig als Erhöhung des Anodenstromes aus, weil alle von der Katode emittierten Elektronen schon von der Anode angezogen worden sind. Dieser maximale Strom, dargestellt in Abbildung 5, wird Sättigungsstrom genannt. Weil dieser ein Anzeichen für die Gesamtzahl der emittierten Elektronen ist, wird er auch Emissionsstrom oder einfach Emission genannt.

Sättigung
Abbildung 5: Sättigung

Obwohl Röhren manchmal durch Messung ihres Emissionsstrom geprüft werden, ist es im allgemeinen nicht ratsam, den vollen Betrag der Emission zu messen, weil dieser Wert ausreichend gross sein würde, eine Änderung der Röhreneigenschaften hervorzurufen oder sogar die Röhre zu beschädigen. Folglich ist der Testwert des Emissionsstromes zwar etwas grösser als der bei Benutzung der Röhre erforderliche Maximalstrom aus der Katode, normalerweise aber niedriger als der volle Emissionsstrom. Die Emissionsprüfung wird deshalb dazu benutzt, festzustellen, ob die Katode eine ausreichende Anzahl von Elektronen für einen zufriedenstellenden Betrieb der Röhre liefern kann.

Wenn es keine Raumladung gäbe, welche die von der Katode kommenden Elektronen abstösst, könnte der gleiche Anodenstrom auch bei einer niedrigeren Anodenspannung erzeugt werden. Eine Möglichkeit den Raumladungseffekt zu verringern, besteht darin, den Abstand zwischen Anode und Katode zu verkleinern. Diese Methode wird bei Gleichrichtertypen mit indirekter Heizung benutzt, wie etwa die 5V4-G und die 6AX5-GT. Bei diesen Typen beträgt der radiale Abstand zwischen Katode und Anode nur etwa zwei Hundertstel eines Zolls [inch] (also etwa 0,5mm).

Eine andere Methode den Raumladungseffekt zu reduzieren, macht man sich bei den Quecksilberdampf-Gleichrichterröhren zunutze. Beim Betrieb solcher Röhren wird eine kleine Menge des sich in der Röhre befindlichen Quecksilbers teilweise verdampft, wobei der Innenraum des Kolbens sich mit Quecksilberatomen füllt. Diese Atome werden von Elektronen, die sich auf dem Weg zur Anode befinden, bombardiert. Wenn sich die Elektronen mit ausreichend hoher Geschwindigkeit bewegen, reissen die Kollisionen weitere Elektronen von den Quecksilberatomen los. Das Quecksilberatom wird dann als "ionisiert" bezeichnet, d.h. es hat ein oder mehrere Elektronen verloren und deshalb eine positive Ladung. Ionisation ist sichtbar als ein bläulichgrünes Glimmen zwischen der Katode und Anode. Wenn Ionisation stattfindet, wird die Raumladung durch die positiven Quecksilberatome neutralisiert, so dass eine erhöhte Anzahl von Elektronen zur Verfügung steht. Quecksilberdampfröhren werden in erster Linie für Leistungsgleichrichter benutzt.

Gleichrichterröhren mit entladungsgeheizten Katoden [ionic-heated], wie etwa die 0Z4 und 0Z4-G, sind für ihren Betrieb auch auf Gasionisation angewiesen. Diese Röhren sind als Zweiweggleichrichter ausgelegt und besitzen zwei Anoden und eine beschichtete Katode versiegelt in einem Kolben, der ein unter vermindertem Druck stehendes Edelgas enthält. Die Katode jedes dieser Typen wird während des Röhrenbetriebes heiss, doch wird die Heizwirkung durch das Bombardement der Katode mit Ionen innerhalb der Röhre und nicht durch einen Heizstrom aus einer externen Quelle verursacht.

Der interne Aufbau einer Röhre mit entladungsgeheizter Katode ist so konstruiert, dass wenn ausreichend Spannung an der Röhre liegt, die Gasionisation zwischen der momentan positiven Anode und der Katode stattfindet. Bei normalen Betriebsspannungen entsteht keine Ionisation zwischen der negativen Anode und der Katode, so dass die Anforderungen für Gleichrichtung befriedigt werden. Der anfangs kleine Stromfluss durch die Röhre reicht aus, die Katodentemperatur schnell bis zur Weissglut zu erhöhen, woraufhin die Katode Elektronen emittiert. Der Spannungsabfall in solchen Röhren ist geringfügig höher als der in den gewöhnlichen, gasgefüllten Gleichrichtern mit geheizten Katoden, weil aus der Ionisationsentladung Energie entzogen wird, um die Katode auf Betriebstemperatur zu halten. Der ordnungsgemässe Betrieb dieser Gleichrichter erfordert ein Minimum an dauernd fliessendem Laststrom um die Katode auf der Temperatur zu halten, die für die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Emission erforderlich ist.

Trioden

Wenn eine dritte Elektrode, das Gitter, zwischen der Katode und Anode angebracht wird, ist diese Röhre als Triode bekannt, der Familienbezeichnung für eine Dreielektrodenröhre. Das Gitter besteht gewöhnlich aus einem relativ dünnem, auf zwei Trägerstäbe gewickelten Draht, der über die Katodenlänge hinausragt. Der Windungsabstand ist vergleichsweise gross, so dass der Weg der Elektronen von der Katode zur Anode durch die Gitterdrähte praktisch nicht behindert wird. Der Zweck des Gitters ist es, den Anodenstromfluss zu steuern. Wenn eine Röhre als Verstärker benutzt wird, legt man gewöhnlich eine negative Gleichspannung an das Gitter. Unter dieser Bedingung zieht das Gitter keinen nennenswerten Strom.

Triodenschaltung
Abbildung 6: Beschaltung einer Triode

Die Anzahl der zur Anode angezogenen Elektronen hängt von der kombinierten Wirkung der Gitter- und Anodenpolaritäten ab, wie in Abbildung 6 gezeigt. Wenn die Anode, wie normalerweise, positiv ist und man die Gittergleichspannung zunehmend negativer macht, wird die Anode immer weniger fähig Elektronen an sich zu ziehen und der Anodenstrom nimmt ab. Wenn das Gitter weniger negativ gemacht wird (zunehmend positiver), zieht die Anode leichter Elektronen an sich und der Anodenstrom wächst. Daher ändert sich, wenn die Spannung am Gitter in Übereinstimmung mit dem Signal variiert wird, der Anodenstrom ebenfalls mit dem Signal. Weil eine kleine, an das Gitter angelegte Spannung einen vergleichsweise hohen Anodenstrom steuern kann, wird das Signal von der Röhre verstärkt. Typische Dreielektrodenröhren sind die Typen 6C4 und 6AF4-A.

Das Gitter, die Anode und die Katode bilden ein elektrostatisches System, wobei jede Elektrode als Platte eines kleinen Kondensators wirkt. Die Kapazitäten sind jene, die zwischen Gitter und Anode, Anode und Katode, sowie Gitter und Katode bestehen. Diese Kapazitäten werden innere Röhrenkapazitäten [interelectrode capacitances] genannt. Gewöhnlich hat die Kapazität zwischen Gitter und Anode die grösste Bedeutung. In Hochfrequenzverstärkerschaltungen mit hoher Verstärkung kann diese Kapazität eine unerwünschte Kopplung zwischen dem Eingangskreis, der Schaltung zwischen Gitter und Katode, und dem Ausgangskreis, der Schaltung zwischen Anode und Katode, hervorrufen. Diese Verkopplung ist in einem Verstärker deshalb unerwünscht, weil sie Instabilität und unbefriedigende Leistung verursachen kann.

Tetroden

Die Kapazität zwischen Gitter und Anode kann durch Anbringen einer zusätzlichen Elektrode, dem Schirmgitter (Gitter Nr.2), in der Röhre klein gemacht werden. Durch das Hinzufügen des Gitters Nr.2 hat die Röhre nun vier Elektroden und wird demgemäß Tetrode genannt. Das Schirmgitter oder Gitter Nr.2 ist zwischen dem Gitter Nr.1 (Steuergitter) und der Anode angebracht, wie in Abbildung 7 gezeigt, und wirkt als ein elektrostatischer Schirm zwischen diesen Elektroden, wodurch die Gitter-Anoden-Kapazität reduziert wird. Die Wirksamkeit dieser Abschirmungsmaßnahme wird durch einen Abblockkondensator zwischen Schirmgitter und Katode erhöht. Durch das Schirmgitter und diesen Abblockkondensator wird die Gitter-Anoden-Kapazität einer Tetrode sehr klein gemacht. In der Praxis wird die Gitter-Anoden-Kapazität von einigen Pikofarad (pF) [micromicrofarads f] für eine Triode, auf 0,01pF oder weniger für eine Schirmgitterröhre reduziert.

Tetrodenschaltung
Abbildung 7: Beschaltung einer Tetrode

Das Schirmgitter besitzt noch einen anderen wünschenswerten Effekt, nämlich dass es über einen gewissen Bereich den Anodenstrom praktisch unabhängig von der Anodenspannung macht. Das Schirmgitter wird mit einer positiven Spannung betrieben und zieht daher Elektronen von der Katode an. Allerdings passieren wegen des vergleichsweise grossen Raumes zwischen den Schirmgitterdrähten, die meisten zum Schirmgitter gezogenen Elektronen durch dieses hin zur Anode. Deshalb liefert das Schirmgitter eine elektrostatische Kraft, die Elektronen von der Katode zur Anode zieht. Gleichzeitig schirmt das Schirmgitter die Elektronen zwischen Katode und Schirmgitter von der Anode ab, so dass die Anode nur eine sehr geringe elektrostatische Kraft auf die Elektronen nahe der Katode ausübt.

Solange die Anodenspannung höher als die Schirmgitterspannung ist, hängt der Anodenstrom einer Schirmgitterröhre im grossem Maße von der Schirmgitterspannung und nur sehr wenig von der Anodenspannung ab. Die Tatsache, dass der Anodenstrom einer Schirmgitterröhre weitgehend von der Anodenspannung unabhängig ist, macht es möglich, mit einer Tetrode eine viel höhere Verstärkung zu erzielen, als mit einer Triode. Die niedrige Gitter-Anoden-Kapazität ermöglicht es, diese hohe Verstärkung ohne Rückwirkung von der Anode auf das Gitter und die daraus resultierende Instabilität zu erreichen. In Anwendungen mit Empfängerröhren ist die Tetrode in beträchtlichem Maße durch die Pentode ersetzt worden.

Pentoden

In allen Elektronenröhren können auf die Anode treffende Elektronen, wenn sie sich mit ausreichender Geschwindigkeit bewegen, andere Elektronen heraustreiben. In Typen mit zwei oder drei Elektroden verursachen diese herausgetriebenen Elektronen gewöhnlich keine Störung, weil keine andere positive Elektrode als die Anode selbst vorhanden ist, die sie anziehen kann. Diese Elektronen werden deshalb zurück zur Anode gezogen. Die durch den Beschuss einer Elektrode mit Elektronen von der Katode ausgelöste Emission nennt man Sekundäremission, weil der Effekt sekundär zur ursprünglichen Katodenemission entsteht.

Im Fall der Schirmgitterröhren übt die Nähe des positiven Schirmgitters zur Anode eine starke Anziehungskraft auf diese Sekundärelektronen aus, besonders dann, wenn die Anodenspannung sich unterhalb der Schirmgitterspannung bewegt. Dieser Effekt erniedrigt den Anodenstrom und begrenzt bei Tetroden den nutzbaren Spielraum für die Anodenspannung [useful plate-voltage swing].

Pentodenschaltung
Abbildung 8: Beschaltung einer Pentode

Die Auswirkungen der Sekundäremission werden minimiert, wenn eine fünfte Elektrode innerhalb der Röhre zwischen dem Schirmgitter und der Anode plaziert wird. Diese fünfte Elektrode wird Bremsgitter [suppressor grid] (Gitter Nr.3) genannt und ist normalerweise mit der Katode verbunden, wie in Abbildung 8 gezeigt. Wegen seines in Bezug auf die Anode negativen Potentials, verzögert das Bremsgitter den Flug der Sekundärelektronen und lenkt sie zurück zur Anode.

Die Familienbezeichnung für eine Fünfelektrodenröhre ist "Pentode". Bei Leistungspentoden ermöglicht das Bremsgitter eine höhere Ausgangsleistung bei einer niedrigeren Gittersteuerspannung. Bei Pentoden für Hochfrequenzverstärker wird durch das Bremsgitter eine hohe Spannungsverstärkung bei moderaten Anodenspannungswerten erreicht. Diese wünschenswerten Eigenschaften ergeben sich aus der Tatsache, dass der Anodenspannungshub [plate-voltage swing] sehr gross gemacht werden kann. Tatsächlich darf die Anodenspannung ohne ernsthaften Verlust der Fähigkeit zur Signalverstärkung, so niedrig wie, oder niedriger als die Schirmgitterspannung werden. Typische zur Leistungsverstärkung benutzte Pentoden sind die 3V4 und 6K6-GT. Typische zur Spannungsverstärkung benutzte Pentoden sind die 1U4, 6AU6, 12SK7 und 6BA6.

Bündel-Endröhren [Beam Power Tubes]

Eine Bündelendröhre ist eine Tetrode oder Pentode, in welcher gerichtete Elektronenbündel dazu benutzt werden, die Fähigkeit der Röhre Leistungen zu verarbeiten, wesentlich zu erhöhen. Solch eine Röhre besteht aus einer Katode, einem Steuergitter (Gitter Nr.1), einem Schirmgitter (Gitter Nr.2), einer Anode, und optional einem Bremsgitter (Gitter Nr.3). Wenn eine Bündelendröhre ohne ein wirkliches Bremsgitter entworfen wird, sind die Elektroden so angeordnet, dass Sekundäremission von der Anode durch Raumladungseffekte zwischen Schirmgitter und Anode unterdrückt wird. Die Raumladung entsteht durch die Verlangsamung von Elektronen, die von einem Schirmgitter mit hohem Potential zu einer Anode mit niedrigerem Potential wandern. In dieser Zone niedriger Geschwindigkeit reicht die erzeugte Raumladung aus, um von der Anode emittierte Sekundärelektronen abzustossen und sie zur Anode zurückkehren zu lassen.

Bündelendröhren dieser Bauform verwenden strahlbündelnde Elektroden auf Katodenpotential, die bei der Erzeugung der erwünschten Strahleffekte helfen und Streuelektronen von der Anode daran hindern, ausserhalb des Strahles zum Schirmgitter zu gelangen. Eine Eigenschaft der Bündelendröhre ist ihr niedriger Schirmgitterstrom. Das Schirmgitter und das Steuergitter sind solcherart spiralförmig gewickelte Drähte, dass jede Windung des Schirmgitter von der Katode durch eine Windung des Steuergitters abgeschattet ist. Diese Anordnung des Schirm- und Steuergitters bewirkt, dass die Elektronen scheibenförmig zwischen den Windungen des Schirmgitter hindurchwandern, so dass sehr wenige von ihnen das Schirmgitter treffen. Wegen der durch die Raumladung gelieferten effektiven Bremsgitterwirkung und wegen des niedrigen vom Schirmgitter gezogenen Stromes, hat die Bündelendröhre die Vorteile hoher Ausgangsleistung, hoher Ansprechempfindlichkeit [power sensitivity] und hohen Wirkungsgrades.

Bündeltetrode
Abbildung 9: Bündeltetrode

Abbildung 9 zeigt den Aufbau einer Bündelendröhre, die eine Raumladung mit Bremsgitterwirkung [space-charge suppression] verwendet, und veranschaulicht, wie die Elektronen zu Strahlen gebündelt werden. Die dargestellte Form der Elektronenstrahlbündelung entsteht, wenn das Anodenpotential niedriger als das Schirmgitterpotential ist. Die Raumladungszone hoher Dichte [high-density space-charge region] wird durch die fett gestrichelten Linien im Strahl angezeigt. Zu bemerken ist, dass die Ränder der Bündelelektroden [beam-confining electrodes] mit dem gestrichelten Anteil des Strahles zusammentreffen. Auf diese Weise erstreckt sich das Potential der Raumladungszone über die Strahlgrenzen hinaus und hindert vagabundierende Sekundärelektronen daran, ausserhalb des Strahls zum Schirmgitter zurückzukehren. Den Raumladungseffekt kann man auch durch Verwendung eines echten Bremsgitters erreichen. Beispiele für Bündelendröhren sind 6AQ5, 6L6-G, 6V6-GT und 50C5.

Mehrelektrodenröhren und Verbundröhren

Früh in der Geschichte der Röhrenentwicklung und ihrer Anwendung wurden Röhren für universelle Verwendung entworfen, was bedeutete, dass nur ein einziger Röhrentyp  -  die Triode  -  benutzt wurde, sei es als Hochfrequenzverstärker, Zwischenfrequenzverstärker, Niederfrequenzverstärker, Oszillator oder Detektor (Demodulator). Es ist einleuchtend, dass bei dieser Anwendungsvielfalt eine Röhre nicht alle Anforderungen vorteilhaft erfüllen konnte. Spätere und heutige Trends des Röhrenentwurfs gehen zur Entwicklung spezialisierter Typen. Diese sollen optimale Leistung in einer speziellen Anwendung liefern oder in einem Kolben Funktionen vereinigen, die bisher zwei oder mehrere Röhren erforderten. Die erste Röhrenklasse enthält beispielsweise solche Spezialröhren wie die 6CB6 und 6BY6. Typen dieser Klasse erfordern im allgemeinen mehr als drei Elektroden zur Erzielung der gewünschten speziellen Kennlinien und können im weitesten Sinne als Mehrelektrodenröhren klassifiziert werden. Die 6BY6 ist eine besonders interessante Type dieser Klasse. Diese Röhre hat eine ungewöhnlich hohe Anzahl Elektroden, nämlich sieben, den Heizfaden ausgenommen. Der Anodenstrom in der Röhre kann durch zwei verschiedene Frequenzen gleichzeitig verändert werden. Die Röhre wurde in erster Linie zur Verwendung als Amplitudensieb und Impulsabtrennstufe für Synchronsignale in Fernsehempfängern entworfen.

Die zweite Klasse schliesst Verbundröhren vom Typ Doppeldiode-Triode, wie 6BF6 und 6AV6, genauso ein, wie den Typ Triode-Pentode, mit 6U8 und 6X8 als Beispiele. Diese Gruppe enthält auch Doppeltrioden für Klasse-A-Betrieb, wie die 6CG7 und 12AX7, und Typen wie die 6CM7, welche zwei ungleichartige [dissimilar] Triodensysteme enthält, die in erster Linie als Kombination aus Oszillator und Endverstärker für die Vertikalablenkung in Fernsehempfängern benutzt werden. Zweiweggleichrichter sind ebenfalls Verbundröhren.

Eine dritte Klasse von Röhren kombiniert die Eigenschaften jeder der beiden anderen Klassen. Typische Beispiele für diese dritte Klasse sind die Mischheptoden [pentagrid converter] vom Typ 1R5, 6BE6 und 6SA7. Diese Röhren sind den Mehrelektrodenröhren ähnlich, weil sie sieben Elektroden besitzen, die alle den Elektronenstrom beeinflussen, sind aber auch den Verbundröhren ähnlich, da sie gleichzeitig die doppelte Funktion des Oszillators und Mischers in Überlagerungsempfängern erfüllen.

Fernsehbildröhren

Die Bildröhre oder Kineskop [kinescope] ist eine Mehrelektrodenröhre, die hauptsächlich zur Bildwiedergabe in Fernsehempfängern verwendet wird. Sie besteht im wesentlichen aus einer Elektronenkanone, einer Kombination aus Glas- oder Metall-Glas-Röhrenkolben und Schirmträger [face plate], sowie einem Leuchtschirm.

Die Elektronenkanone besteht aus einer Katode zum Erzeugen freier Elektronen, einer oder mehreren Elektroden zur Beschleunigung der Elektronen im Strahl, sowie wahlweise einer Einrichtung zum Abfangen unerwünschter Ionen aus dem Elektronenstrahl (Ionenfalle).

Die Fokussierung wird entweder elektromagnetisch mit Hilfe einer auf dem Röhrenhals angebrachten Fokussierspule ausgeführt, oder wie in Abbildung 10 gezeigt, elektrostatisch mit Hilfe von Fokussierungselektroden innerhalb des Röhrenkolbens (Gitter 4 und 5 als elektrostatische Linse). Der Leuchtschirm ist ein weissfluoreszierender Leuchtstoff auf Silikat- oder Sulfidbasis.

Bildröhre
Abbildung 10: Bildröhre

Die Ablenkung des Elektronenstrahls wird entweder elektrostatisch mit Hilfe von Ablenkelektroden innerhalb des Röhrenkolbens bewerkstelligt, oder elektromagnetisch durch ein auf dem Röhrenhals angebrachtes Ablenkjoch (Ablenkspulen). Abbildung 10 zeigt den Aufbau der Elektronenkanone einer Bildröhre und veranschaulicht, wie der Elektronenstrahl gebildet wird, wie die Ionen vom Elektronenstrahl mit Hilfe der Anordnung aus geneigter Kanone und Ionenfallemagnet abgetrennt werden, sowie die Strahlablenkung durch ein elektromagnetisches Ablenkjoch [deflecting yoke].

Die Farbbildröhre 21AXP22-A besteht aus drei Elektronenkanonen und einem aluminisierten dreifarbigen Leuchtstoffpunktschirm auf der inneren Oberfläche des sphärischen Schirmträgers aus Filterglas. Sie verwendet magnetische Konvergenz, elektrostatische Fokussierung und magnetische Ablenkung.

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