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Die Geschichte der Elektronen-Röhre Diode oder Zweipolröhre Triode oder Dreipolröhre Die Mehrgitter-Röhren (Raumladungsröhren) Tetrode Pentode Hexode, Heptode, Oktode, Mehrsystemröhren Abstimmanzeigeröhre Röhren in Netzgeräten BAUFORMEN von ELEKTRONEN-RÖHREN Quetschfußröhren Stahlröhren Presstellerröhren Schlüsselröhren Rimlock - Röhren Miniatur - Röhren (Noval -Röhren), 9 und 7-polig Subminiatur - Röhren Nuvistor Nachwort Arten der Elektronenröhre Empfänger-Röhren Sende-Röhren Sichtanzeige-Röhren Röntgen-Röhren EUROPÄISCHER RÖHRENSCHLÜSSEL Daten des Heizers Systemaufbau und Verwendbarkeit Bau- und Sockelart Diode oder Zweipolröhre Der amerikanische Erfinder Edison stellte in einem Experiment 1884 fest, dass zwischen einer weiteren, in einer Glühlampe eingeführten Elektrode (z.B. ein durch das Glas eingeschmolzener Draht), ein elektrischer Strom mit einem Galvanometer nachzuweisen ist, wenn die Glühlampe eingeschaltet ist. Diese Erscheinung ist mit EDISON - Effekt bezeichnet worden. Weitere Untersuchungen ergaben, dass bei angelegter negativer Spannung diese Erscheinung zu Null wird. Bei einer positiven Spannung hingegen vergrößert sich der Strom. Im Jahre 1905 ließ sich der englische Physiker ein Glühkatodenventil patentieren. Der Heizer wurde mit KATODE bezeichnet und die zweite Elektrode mit ANODE. ^ Triode oder Dreipolröhre Durch Einfügen eines Steuergitters zwischen Heizer (Kathode) und der zweiten Elektrode (Anode) entwickelten der amerikanische Radiotechniker LEE DE FOREST (1873 - 1961) und der Österreichische Physiker R. von LIEBEN (1878 - 1913) unabhängig von einander etwa um 1906 die Triode. Die Lieben-Röhre waren in der Höhe gestaffelt. Unten die Kathode (Heizer), in der Mitte das Gitter und oben die Anode. Eine Ähnlichkeit mit den in der späteren Zeit entwickelten und gebauten Röhren war also nicht gegeben. Die Liebenröhre ist in Bild 1 zu sehen. Mit einer Länge von 320 mm entsprach sie mehr den Abmessungen einer heutigen kleinen Senderöhre, als der einer Verstärkerröhre. Eine weitere Eigenschaft unterschied sie von den modernen Röhren. Sie hatte ein geringe Quecksilberdampf-Füllung, war damit keine Vakuum- Röhre. In der älteren Fachliteratur wird berichtet, dass die Röhre mehr Aufsehen durch ihre Leuchterscheinungen machte als durch ihre elektrischen Eigenschaften. Um die Priorität der Elektronenröhre entstand in den Zehner-Jahren ein leidenschaftlicher Kampf. Dieser ist in den Vereinigten Staaten zugunsten de Forests entschieden worden, obgleich in Deutschland bereits ein Jahr vorher ein Patent an von Lieben erteilt wurde. Bild 1 Liebenröhre Die weitere Entwicklung führte von der Dampf- oder Gasfüllung hin zur Hochvakuumröhre. Die Elektrodenanordnung ist bis in die Zeit des ersten Weltkriegs (1914 bis 1918) beibehalten worden (Bild 2). Während ersten Weltkriegs begann dann auch die fabrikmäßige Fertigung von Elektronenröhren. Bild 2 Elektronenröhre Zur gleichen Zeit wurden neue Aufbauformen gesucht, um bessere Verstärkereigenschaften zu erreichen. Die Lösung war ein konzentrischer Aufbau um die Katode. Um den gestreckten Heizer wird das Gitter angebracht, dann folgt mit einem größeren Durchmesser die röhrenförmige Anode (Bild 3). Bei den ersten Röhren ist Rein-Wolfram als Katodenmaterial verwendet worden. Dieses musste mit einer Arbeitstemperatur von ca. 2500 °C betrieben werden. Die Katode zeigte ein starkes Leuchten, so dass man in ihrer Nähe Zeitung lesen konnte. Um die Emissionsleistung zu erhöhen, führte die weitere Entwicklung zur Thorium platierten Wolframkatode, die bei einer tieferen Temperatur (1750°C) einen größeren Elektronenemissionsstrom lieferte. ^ Bild 3 Die Mehrgitter-Röhren (Raumladungsröhren) Bereits im Jahre 1913 meldete der amerikanische Physiker LANGMUIR (1881 - 1957) die "Raumladungsgitterröhre" als DRP an. Diese ist mit zwei Gittern ausgestattet, wobei das Erste in Katodennähe liegende Gitter an positiver Spannung anliegt und somit eine Beschleunigung der Elektronen aus dem Katodenraum bewirkt. Das nächste Gitter ist das Steuergitter. Es hatte die Aufgabe den Elektronenstrom zu steuern. Mit dieser Gitteranordnung war es möglich, Röhren mit Betriebsspannungen von 10 bis 25 V zu betreiben, wobei normalerweise bei Trioden Spannungen von mehr als 50V benötigt werden. ^ Tetrode Einer der Nachteile der Triode, ein zu geringer Innenwiderstand besonders bei selektiven Kreisen, konnte durch die Raumladungsröhre nicht beseitigt werden. Der Schweizer Physiker SCHOTTKY meldete 1915 ein Patent über ein weiteres Gitter zwischen dem Steuergitter und der Anode an. Dieser Röhrentyp bekam den Namen "Tetrode", das Gitter wurde mit dem Namen "Schirmgitter" versehen. Mit diesem Typ war eine erhebliche Erhöhung des Innenwiderstandes erreicht. Diese Bauform hatte durch den Austausch von Sekundärelektronen zwischen Anode und Schirmgitter den Nachteil, dass durch diesen Effekt die Kennlinie stark beeinflusst wurde. Es kam zur Ausbildung eines negativen Abschnitts. ^ Pentode Die weitere Entwicklung führte durch die Einführung eines dritten Gitters, das auf Kathodenpotential lag (1926 Patent, JOBST), zu einen neuen Röhrentyp, der "Pentode".Durch dieses Gitter, es wurde als "Bremsgitter" bezeichnet, sind die Effekte der Sekundärelektronen beseitigt worden (Bild 4). ^ Bild 4 Hexode, Heptode, Oktode, Mehrsystemröhren In den nun folgenden Jahren bis 1932 kommt es zur Einführung weiterer Gitter. Es folgten die "Hexode" mit 4 Gittern, eine HF- und Mischröhre; die "Heptode" (5 Gitter) ein Pentagrid - Converter , also eine Misch- und Oszillatorröhre und als letzte Entwicklung die "Oktode" mit 6 Gittern, ebenfalls eine Misch- und Oszillatorröhre. Mit Beginn des 4. Jahrzehnts im 20. Jahrhundert begann die Entwicklung der Mehrsystemröhren. Als Beispiel seien nur genannt die Kombination aus: Triode/Diode bzw. Duodiode, Triode/Hexode (Bild 5) . ^ Bild 5 Verbundröhre ACH 1 Abstimmanzeigeröhre 1936 kam aus Amerika (USA) die Nachricht, dass dort eine Abstimmhilfe in Form einer Elektronenstrahl-Röhre eingeführt wurde. Diese hatte ein ca. 90° großes Schattensegment wenn keine Sender-Abstimmung vorliegt. Bei Abstimmung wurde das Segment je nach Stärke des Senders immer kleiner. In Europa wurde eine derartige Röhre mit 2 bzw. 4 Segmenten 1936/37 eingeführt (Bild 6). ^ Bild 6 Abstimmanzeigeröhre BM11 Röhren in Netzgeräten Während bei den ersten Elektronenröhren der Heizer gleichzeitig die Kathode war, wurde mit der Einführung der netzbetriebenen Rundfunkgeräte (im letzten Viertel der 20er Jahre), die indirekte Heizung eingeführt. Mit dieser Maßnahme konnte der Netzbrummton durch Kathodenstrom-Modulation infolge der geringen Temperaturschwankungen des Heizers (50 Hz) unterdrückt werden. Es kam auch zu einer Vereinfachung der Bedienung der Rundfunkgeräte. Das lästige Laden der Akkumulatoren entfiel und es konnte auch nicht mehr der Fall eintreten, dass während einer interessanten Sendung die Anodenbatterie den Geist aufgaben. ^ BAUFORMEN von ELEKTRONEN-RÖHREN Seit dem ersten Bau einer Elektronenröhre haben sich im Laufe der Jahrzehnte verschiedene Bau-Ausführungen von Empfänger-Röhren herausgebildet. Waren die ersten Röhren des Herren von Lieben noch in drei Ebenen aufgebaut (von unten nach: Heizer, Gitter, Anode), so ist bereits zum Ende des ersten Weltkriegs der Quetschfuß eingeführt worden. ^ Quetschfußröhren Diese Bauform ist in der zweiten Hälfte des 2. Jahrzehnts (Ende des 1. Weltkriegs) eingeführt worden. Man versteht darunter, das Montieren des Röhrensystem auf einem Quetschfuß. Dieser ist ein Glasrohr welches am unteren Rand tellerförmig aufgetrieben ist (zum Verschmelzen mit den Röhrenkolben) und am oberen Ende mit den vakuumdichten Durchführungen und den Montagestreben zusammengequetscht ist (siehe Bild 7 links). An diese Montagestreben werden die Teile des System (Heizer, Katode, 1. u. 2. Gitter und Anode) aufgebaut. Als Halterung der einzelnen Teile sind Glimmer- oder Keramik-Brücken eingebaut. Das gesamte System ist senkrecht angeordnet. Am Röhrenkolben ist oben steckbar der Gitteranschluss angebracht, bei älteren Röhren der verschraubbare Anodenanschluss. Diese Röhren sind mit Stift- (Euro-) oder Topf- (8 bzw. 5 pol. Außenkontakt-) Sockel ausgerüstet. ^ Bild 7 Verschiedene Quetschfuß bzw. Presstellersockel Stahlröhren Eingeführt wurde diese Bauart 1938. Die Entwicklung erfolgte bei der Firma TELEFUNKEN (Bild 8). Das System ist gegenüber der Quetschfußröhre kleiner und waagerecht zwischen Glimmerscheiben aufgebaut. Es sitzt über einen mit dem Stahlkolben vakuumdicht verschweißten Blechteller, der die ebenfalls vakuumdichten Durchführungen der Elektrodenanschlüsse trägt. Als Sockel dient der 8 pol. Stahlröhrensockel. Der Durchmesser ist ca. 35 mm. ^ Bild 8 Strahlröhre Presstellerröhren Bei diesen Röhren geht man vom waagerechten Systemeinbau wieder zum senkrechten Einbau über. Das nunmehr kleinere System sitzt dicht über dem Pressteller (Scheibenfuß), in diesen sind die Nickel-Durchführungen eingepresst, die gleichzeitig die Sockelstifte sind. Im einzelnen sind die folgenden Bauformen im Laufe der Jahre kreiert worden (Bild 7 zeigt mehrer ältere Pressteller). ^ Schlüsselröhren Die Einführung dieser Röhrenart erfolgte ab1939/1940 von der Firma PHILIPS Bild 9). Der Durchmesser dieser Bauform beträgt ca. 30 mm und die Höhe 50 bis 80 mm. Die 8 Elektrodenanschlüsse sind als Stifte auf einen Teilkreis angebracht. Ein Führungsstift mit Führungsnase (Schlüssel) in der Mitte des Röhrensockels garantiert das richtige Einsetzen der Röhre in die Fassung ^ Bild 9 Presstellerröhre (Philips) (Schlüsselröhre 1940) Rimlock - Röhren Eine Philips-Entwickluing. Einsatz ab etwa 1947. Der Durchmesser dieser Röhren ist ca. 22 mm. Die 8 Stifte des Sockels sind kreisförmig angeordnet. Der Röhrenkolben hat einen Durchmesser von ca. 22 mm, die Höhe liegt zwischen 53 und 74 mm. Im unteren Teil des Röhrenkolbens ist eine Nase angebracht.Nur durch diese ist das richtige Einsetzen der Röhre in die Fassung möglich. Der Name kommt aus dem Englischen und bedeutet: rim-lock = Randverriegelung. Literatur: Ratheiser: Röhren- und Transistorhandbuch 1964 ^ Miniatur - Röhren (Noval -Röhren), 9 und 7-polig Dieser Röhrentyp wurde in den USA entwickelt. Die Einführung in Europa erfolgte um 1950. Gleichzeitig ersetzte der Europäische Röhrenschlüssel die amerikanische Kennzeichnung. Die Stifte des Sockels sind auf einem 10er- bzw. 8er- Teilkreis angeordnet. Durch Fortlassen eines Stiftes wird das richtige Einsetzen der Röhre in die Fassung gewährleistet. Diese Röhren haben einen Kolbendurchmesser von ca. 22 bzw. 19 mm. Die Kolbenhöhe liegt zwischen 33 und 76 mm. ^ Subminiatur - Röhren Dieser Typ hat einen Durchmesse von ca. 5 bis 10 mm und eine Länge zwischen 25 und 50 mm. Diese Röhren haben keinen Sockel sondern Anschlussdrähte die in die Schaltung eingelötet werden. ^ Nuvistor Der Nuvistor ist eine Miniaturform der Elektronenröhre. Sie ist eine Metall-Keramik-Röhre. Der Aufbau der einzelnen Elektroden ist konzentrisch. Sämtliche inneren Verbindungen werden in einer Wasserstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur >1000 C hart gelötet. Gleichzeitig erfolgt die Verbindung von Sockelplatte und Gehäuse. Herstellung ab etwa 1959 bei der FA. VALVO. Der Nuvistor wurde für spezielle Anwendung in Schaltungen für die elektronischen Technik hergestellt. Die Vorteile dieser Kleinströhre in Metall-Keramik-Ausführung waren, geringe Abmessungen, damals nur wenig größer als vergleichbare Transistoren, hohe Festigkeit gegen Stoß und Vibration, lange Lebensdauer und geringe innere Kapazitäten und Exemplarstreuungen. ^ Nachwort Dies war ein kurzer Überblick, der erkennen lässt, welche Wandlung die Elektronen-Röhre von den ersten Aufbauten des Herrn von Lieben erfahren hat. Nicht aufgezeigt wurden die Verbesserungen der elektrischen Eigenschaften und Daten. Erst durch den kleinen und gedrungenen Aufbau, die Einführung des Presstellers und damit den Wegfall des Kunststoffsockels (kleine Kapazitäten), sind die Forderungen der UKW- und Fernseh-Technik erfüllt worden. ^ Die verschiedenen Arten der Elektronenröhre In diesem Artikel soll eine kleine Übersicht über die gebräuchlichsten Arten von Elektronenröhren gegeben werden. Wir unterscheiden folgenden Arten: Empfänger-Röhren Sende-Röhren Sichtanzeige-Röhren (Oszillographen-Röhren) Röntgen-Röhren Darüber hinaus gibt es noch weitere Spezial-Arten, die in dieser Übersicht nicht behandelt werden. ^ Empfänger-Röhren Die Bezeichnung gibt bereits die Anwendungsart an. Sie dienten bereits seit dem Beginn der Rundfunksendungen im Jahre 1923 in Deutschland zum Empfang dieser Wellen. ^ Sende-Röhren Auch hier gibt die Bezeichnung die Anwendungsart bekannt. Diese Röhren werden für Leistungen von wenigen Watt bis zu einige hundert Kilowatt hergestellt. Das Problem ist bei dieser Röhrenart die Abführung der Verlust-Leistung. Bis in den Bereich von ca. 3 kW kann die Verlust-Wärme von der Anode abgestrahlt werden. Sie hat dann eine Temperatur von ca. 800 C (dunkel bis kirschrot leuchtend). Der amerikanische Rundfunkpionier L. de Forest hat bereits im Jahre 1915 vorgeschlagen größere Leistungen durch eine Wasserkühlung der Anode abzuführen. Dieses scheiterte aber daran, dass man zu diesen Zeitpunkt nicht in der Lage war, vakuumdichte Verbindungen zwischen Glas und Kupfer (Anode) herzustellen. In den 20er Jahren konnte dieses Problem durch eine sog. Schneiden-Anglasung gelöst werden. Die Temperatur an der Anoden-Außenwand wurde damit auf ca. 90 C herab gesetzt. Es werden etwa 1 l Wasser/min pro kW benötigt. Im Laufe der Jahre sind weitere Kühlarten entwickelt und eingeführt worden. Es sei nur die forcierte Luftkühlung erwähnt. Bei dieser Kühlart wird an der Anoden-Oberfläche die lamellenartig ausgeführt ist, ein starker Luftstrom vorbeigeführt. Die Oberflächentemperatur beträgt dabei ca. 220 bis 300 C. Als Kühlmittel werden etwa 1 m³ Luft/ min pro kW benötigt. Die zuletzt eingeführte Kühlart ist die Verdampfungskühlung (Siedekühlung). Sie ist die wirtschaftlichste Form. Hierbei wird nicht einfach kaltes Wasser an der Anode vorbeigeführt, sondern das Wasser wird zum Sieden gebracht. Um Kesselstein zu vermeiden muss das Wasser sehr kalkarm sein. Der Kühlmittelverbrauch beträgt pro kW etwa 0,03 l/min. Bei Rück-Kühlung des Dampfes ist nur eine Ergänzung der Wasserverluste im Kreislauf notwendig. ^ Bild 1 Verschiedene Senderöhren des Funkwerk Erfurt bis 1961 Sichtanzeige-Röhren Bereits im Jahre 1896 machte der deutsche Physiker Ferdinand Braun die Entdeckung der Katodenstrahlen, die bei Auftreffen auf Glas oder Gegenständen diese in einem fluoriszierenden gelben Licht erscheinen lassen. Er stellte fest, dass diese sowohl durch magnetische- als auch elektrostatische Felder abgelenkt werden. Aus dieser Entdeckung entwickelte sich im Laufe der Zeit, nach einfügen eines Leuchtschirmes, die Oszillografen-Röhre. Diese diente zuerst zum Sichtbarmachen elektrischer Vorgänge. Bereits im Jahre 1931 stellte die Fa. LOEWE auf der 8. Deutschen Funkausstellung die Entwicklung eines Fernsehempfängers mit Braunscher-Röhre vor. Der Name des Entwicklers dieses Gerätes war Manfred von Ardenne. Bei den Oszillographen-Röhren wurden ebenfalls Neuentwicklungen kreiert. Es wurden Polarkoordinatenröhren für die Radartechnik, sowie Sichtspeicherröhren zur Darstellung einmaliger Vorgänge entwickelt. Besonders wichtig ist die Erhöhung der Grenzfrequenz der Oszillografenröhren, um immer schnellere Vorgänge darstellen zu können. Eine weitere Sichtanzeige ist das Magische - Auge, eine Entwicklung aus den USA (1935). Bereits ein Jahr später wird dieser Röhrentyp in europäischen Rundfunkempfängern als Abstimmindikator eingesetzt. Die erste Röhre in den USA war ein einfacher Fächer, in Europa bereits ein Doppelfächer. Dann folgte der Vierfach-Fächer mit zwei Empfindlichkeitsstufen bis zum magischen Band bei den Novalröhren um nur einige genannt zu haben. ^ Bild 2 Oszillografenröhren aus der Produktion des Funkwerk Erfurt Röntgen-Röhren Im Jahre 1896 machte Röntgen eine epochemachende Entdeckung. Er experimentierte mit der sog. Croocesschen Röhre (ein Gefäß, in dem ein Luft-Druck von 1 millionstel Atmosphäre herrscht) und einem Funkeninduktor, dabei bemerkte er, dass die Körner von Bariumplatinzyanür, die sich zufällig in der Nähe der Versuchsanordnung befanden, aufleuchten. Es musste also eine unsichtbare Strahlung vorliegen. Daraufhin erfolgten weitere Untersuchungen dieser Strahlung. Man stellte fest, dass diese Strahlung alle Stoffe mehr oder weniger durchdringen, dass sie sogar das Innere des menschlichen Körpers sichtbar machen können. Vor allem konnten Knochenbrüche gut erkannt werden. Im Laufe der Jahre wurden immer mehr Anwendungsgebiete der Röntgen-Strahlen (angelsächsisch X-Strahlen) bekannt. Es seien nur die Strahlentherapie, die Feinstrukturuntersuchung der Materie und die Untersuchung von Werkstücken auf Produktionsfehler genannt. Die Röntgenröhre nahm auch in den Jahren eine rasante Entwicklung. Für die einzelnen Anwendungsgebiete wurden die benötigten Röhren entworfen und hergestellt. Auf Grund der hohen Spannungen ( ca. 30 kV und höher) traten auch hohe thermische Belastungen auf, was zu Problemen bei der Kühlung führte. Abhilfe boten auch hier die Wasserkühlung. ^ Bild 3 Röntgenröhre vor 1927 EUROPÄISCHER RÖHRENSCHLÜSSEL In Europa werden seit 1934 die Elektronenröhren für Rundfunkgeräte durch mehre Großbuchstaben mit einer Folge von Kennziffern (1 bis 3 stellig) bezeichnet. Bei der Einführung dieses Schlüssels wurde festgelegt, dass Röhren mit gleicher Typbezeichnung untereinander austauschbar sein müssen. Das bedeutet, gleiche elektrische Daten und gleiche Sockelstift-Belegung. Der Bezeichnungschlüssel setzt sich wie folgt zusammen: ^ Der erste Buchstabe Kennzeichnet die Daten des Heizers ^ A Uf =4 V Parallelheizung Wechselstrom B If =180 mA Serienheizung Gleichstrom C If =200 mA Serienheizung Allstrom D U =1,2 V Parallelheizung Batterie E U =6,3 V Parallelheizung Wechselstrom F U =12,6 V Parallelheizung Allstrom (nur spezielle Typen) G U =12,6 V Parallelheizung Wechselstrom H I =12,6 V Serienheizung Allstrom I U =20 V Parallelheizung Wechselstrom K U =2 V Parallelheizung Batterie P I =300 mA Serienheizung Allstrom U I =100 mA Serienheizung Allstrom V U =50 mA Serienheizung Allstrom Die folgenden Buchstaben geben Auskunft über den Systemaufbau und damit über die Verwendbarkeit. ^ A Diode Gleichrichter Regelspanungserzeugung EAA 91 B Duodiode HF-Gleichrichter Regelspanungserzeugung AB 2 C Triode NF-Verstärker, Schwingungserzeugung, Audion, Mischverstärker ECL 11 ECH 81 D Endtriode Lautsprecher-Röhre AD 1 E Tetrode NF-Verstärker UEL 11 F Pentode HF-, ZF-, NF-Verstärker, Audion regelbar EF 12 EF 13 H Hexode, Heptode HF-Verstärker, Mischverstärker ECH 81 K Oktode Mischverstärker m. Schwingungserzeugung AK 2 L Endpentode Lautsprecher-Röhre EL 84 M Magisches Auge Abstimmanzeige EM 80 Q Nonode Spezialröhre für FM-Demodulation und NF - Verstärker EQ 80 Y Einweg-Gleichrichter Gleichrichter für Netz- u. Hochspannung EYY 13 Z Zweiweg-Gleichrichter Gleichrichter für Netzspannung EZ 81 Die folgenden Kennziffern geben die Bau- und Sockelart an. ^ 1 bis 9 Quetschfuß-Röhren Außenkontaktsockel 11 bis 15 Quetschfuß-Pressteller-Röhren, Stahlröhren-Sockel 20 bis 49 Allglas-Röhren Oktal, Loktal, Rimlock (Schlüssel Rimlock) Sockel 50 bis 60 Spezialröhre, verschiedene Aufbautechnik, verschiedene Sockel 61 bis 79 Subminiaturröhren verschiedene Sockel, Lötdrähte 80 bis 89 Miniaturröhren (Pressteller) 9-Stift-(Noval)-Sockel 90 bis 99 Subminiaturröhre. (Pressteller) 7-Stift Sockel