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und all das geschieht im luftleeren Raum…

 

Die Elektronenröhre in der Verstärkertechnik

 

Geschichtliches

 

Auf der Suche nach Möglichkeiten der schnelleren Nachrichtenübermittlung, welche bis zum Anfang des letzten Jahrhunderts per Draht, Telegrafenrelais und Löschfunkensender bewerkstelligt wurde, entsann man sich der zufälligen Entdeckung des Th. A. Edison.

Dieser schmolz im Jahre 1883 eine Metallplatte in eine seiner Glühlampen, weil er ergründen wollte, weshalb sich der Glaskolben nach längerer Brenndauer von innen schwärzte. Dieser Platte gab er auch einen Anschluß nach außen. Durch weitere Experimente wies Edison einen Strom, der zwischen den Anschlüssen des Glühfadens und der Metallplatte floß, nach.

 

 

Edison´s Anordnung

 

 

 

Das half ihm aber auf der Suche nach Gründen für die Schwärzung nicht weiter, deshalb kümmerte er sich nicht weiter um den Stromfluß - er maß dem Umstand des Elektronenflusses keine Bedeutung bei!

Wiederentdeckt wurde diese „Edison´sche Anordnung“ etliche Jahre später:

Der Österreicher Robert von Lieben, der Engländer John Fleming und der Amerikaner Lee de Forest ließen sich fast gleichzeitig und unabhängig voneinander das “Kathodenstrahlen-Relais” (v. Lieben 1906), das Audion (Fleming 1904) und die Gitterröhre (de Forest 1906) patentieren.

Allen Patenten gemeinsam war die Entdeckung, daß der Elektronenstrom von der erhitzten Kathode (so wurde der Heizfaden genannt) zur Anode (dem gegenüberliegenden Blech) mit einem dazwischenliegenden Gitter (einer Lochblende aus Metall oder einem Drahtgitter mit Anschluß nach außen) durch eine angelegte – meist negative - Spannung gegenüber dem Heizfaden steuerbar ist.

Wenn dieses „Gitter“ gegenüber der Kathode einen kleinen Spannungsimpuls erhielt, machte sich das durch eine große Änderung des Anodenstromes bemerkbar. Die Elektronenröhre mit Steuerung war erfunden.

 

Demo-Triode

 

Die weitere Entwicklung

 

Auf der Suche nach einer Optimierung des Elektronenflusses und des Energiebedarfs zum Betrieb von Röhren gingen bis in die späten 60er Jahre des vergangenen Jahrhunderts Hunderte von Patenten ein. Man setzte sich nicht nur mit Verstärkungsproblemen auseinander, auch die gesamte Hochfrequenztechnik, (RADAR, Erhitzung durch Microwellen) sogar bis in den Giga-Hertz-Bereich (10 hoch 9 Hertz) profitierte von den unermüdlichen Erfindern und Verbesserern, die sich der Röhrentechnik verschrieben hatten.

 

Verschiedene Katoden mit Schicht

 

 

 

 

 

 

Zunächst erfand man die Beschichtung der Kathode durch Barium zur besseren Elektronenemission. Die sogenannten „Hellbrenner“, das waren Wolframkathoden, die ein Zimmer so beleuchteten, daß man ohne Probleme lesen konnte, gehörten nach dem 1. Weltkrieg der Vergangenheit an.

Dann gingen viele Patente speziell in die Richtung der Beeinflussung des Elektronenstromes zwischen Kathode und Anode ein:

Wirkungsgradverbesserung der „Eingitterröhre“ durch Einfügen des Schirmgitters, eines 2. Gitters zwischen Steuergitter und Anode, dadurch Verringerung der Abhängigkeit des Anodenstromes von der Anodenspannung. Vermeidung der Sekundärelektronenemission durch das Bremsgitter, das 3. Gitter zwischen Heizfaden und Anode. Der Verstärkungsfaktor besonders bei Endröhren steigt gleichzeitig um ein Vielfaches. Die Tetrode (2-Gitterröhre) und die Pentode (3-Gitterröhre) waren erfunden.

 

Elektroden einer Pentode: Katode mit Heizung, Steuergitter mit Wärmeableitblechen, Schirmgitter, Bremsgitter mit Getterring, Anode (von links nach rechts)

 

 

 

 

 

 

 

Parallel zu dieser Entwicklung stiegen natürlich auch die Ansprüche an das Signalverhalten und damit an die Signalqualität hinsichtlich Verzerrungen und Rauschen. Die Röhren wurden für ihren speziellen Zweck optimiert: Es gab Niederfrequenz- Hochfrequenz- Stromversorgungs- und Schaltröhren, die alle ihre eignen technischen Daten für den speziellen Verwendungszweck bekamen. Zusätzlich zu den reinen technischen Daten gesellte sich auch noch die Konstruktionsvielfalt der Sockel hinzu.

 

 Verschiedene Senderöhren

 

 

 

 

 

Röhre aus einem Hörgerät (1955)

 

 

 

 

 

Das Streben nach „der Universalröhre“ wurde schnell zugunsten sehr guter Speziallösungen aufgegeben.

 

Einige Begriffe aus der Röhrentechnik

Die Elektroden einer Röhre werden griechisch gezählt. So ist die einfache Anordnung, die aus Heizung und Anode besteht die Diode, also die 2-Elektrodenröhre.

Kommt das Steuergitter dazu, spricht man von einer 3-pol-Röhre oder der Triode.

Tetrode ist die Röhre mit 2 Gittern und Pentode die Röhre mit den 3 Gittern, die auch als Steuer- Schirm- und Bremsgitter bezeichnet werden.

Hexode, Septode, Oktode sind Spezialröhren hauptsächlich aus der HF-Technik, die in der NF-Verstärkertechnik keine Verwendung finden.

 

Die Röhre im Audio-Verstärker

 

Die Vielzahl der Röhrentypen allein auf diesem Gebiet brachte natürlich auch eine Vielzahl von technischen Daten und Schaltungsmöglichkeiten mit sich. Jeder Hersteller hatte mit den unzähligen Röhren und deren Daten teilweise hervorragende Schaltungen entwickelt.

Neben Heizspannung und –strom sind die Anodenspannung und der –strom und damit die Leistung ein wichtiges Konstruktionskriterium für den Verstärkerbau. Die Geradlinigkeit von Steuerkurven, die sogenannten Röhrenkennlinien sind ebenso von Bedeutung wie das Rauschverhalten des Elektronenstroms.

 

Kennlinien von Pentode...

 

 

 

 

 

...und Triode

 

 

 

So, wie der Anwender eines Verstärkers sich für die technischen Daten in Form von Diagrammen interessiert, ist für den Konstrukteur von Röhrenverstärkern die sog. Ia – Ug – Kennlinie angegeben, aus der direkt ersichtlich ist, wie die einzelnen Elektroden (Gitter; Anode etc.) zu beschalten sind, welche Spannungen angelegt werden müssen, um der Röhre den bestmöglichen Wirkungsgrad und die geringstmögliche Verzerrung abzuverlangen. Diese wohl universellste Kennlinie einer Röhre zeigt dem Konstrukteur auf einen Blick, was er von dieser Röhre verlangen kann, wo er sie unter welchen Bedingungen einsetzen kann.

 

Aus dieser Kennlinie läßt sich leicht die “Steilheit” ersehen, eine technische Eigenschaft zur Klassifizierung der Röhren, geht aus ihr doch hervor, was man „vorne“ am Gitter einspeisen muß, um „hinten“ an der Anode etwas bestimmtes herauszubekommen….

Aus dieser Kennlinie läßt sich direkt die Verstärkung ersehen.

Weitere Daten geben die Grenzfrequenz an, bis zu der eine Röhre arbeitet. Da aber selbst NF-Röhren durchaus bis in den MHz-Bereich (einige 1000 kHz) gehen, braucht man sich hier keine Gedanken zu machen.

 

Grundschaltung eines Triodenverstärkers

 

 

 

 

Der Spannungsverstärker (Line-Verstärker) hat die Aufgabe, die niedrigen Pegel eines Mikrofons, eines Instruments für den Betrieb im Studio anzuheben.

In der Studio-Röhrentechnik geschieht das in der Regel mit einem 2-3- stufigen Verstärker, der neben steilen Röhren (wenig Gitterspannungsänderung resultiert in viel Anodenstromänderung) auch geeignete “Schaltungskniffe” enthält, den Frequenzgang zu beeinflussen und den Störpegel (z. B. Röhrenrauschen) zu senken.

 

Diese Röhren-Vorverstärker, es können Trioden oder Pentoden darin verwendet werden, sind meist klein und sie wären unscheinbar, würden sie nicht warm und bräuchten sie nicht ein wenig Zeit, um aufzuheizen um optimal zu arbeiten.

Da das “Steuergitter” im Vakuum zwischen Kathode und Anode „hängt“, ist allen Röhren gemeinsam: sie lassen sich ohne Leistungsaufwand, nur mit kleinen Spannungen sozusagen „mühelos“ steuern!

Dieser Umstand ergibt einen meist sehr hochohmigen Eingang, der ohne Probleme an die meisten Geräte angeschlossen werden kann, da diese dann rückwirkend nicht belastet werden.

 

Verzerrungen

 

 

 

 

 

 Röhrenkennlinie

 

 

 

 

 

Da die Kennlinie einer Röhre gekrümmt ist, entstehen an ihrem Ausgang, der Anode Verzerrungen. Der Anodenstrom folgt also nicht genau dem Verlauf der Gitterspannung. Besonders im unteren Teil, wie in der Ia – Ug – Kennlinie zu sehen ist, entstehen durch die Nichtlinearität erhebliche Verzerrungen.

Trotzdem gelingt es den Röhrenkonstrukteuren, einen kleinen Teil dieser Kennlinie in jeder Röhre annähernd gerade zu gestalten. Nun liegt es an der Kunst des Verstärkerbauers, dafür zu sorgen, daß alle Signale, die verarbeitet werden sollen, in diesem Bereich der Kennlinie liegen.

 

Warum Triode und Pentode einen unterschiedlichen Klang haben

 

Sowohl die Anoden- als auch die Gitterspannung bestimmen den Arbeitspunkt der Röhre.

Da die negative Gitterspannung leicht durch einen Kathodenwiderstand (Spannungsabfall) erzeugt werden kann, ist diesem Bauelement eine besondere Beachtung zu schenken.

In einer Triode ist der Anodenstrom direkt von der Anodenspannung abhängig. Mit Schwanken des Anodenstromes schwankt der Spannungsabfall am Kathoden-Widerstand und somit verschiebt sich der Arbeitspunkt der Röhre mit der Aussteuerung!

Daher erfreuen sich echte “Triodenverstärker” großer Beliebtheit, da sie angenehm weich mit steigendem Pegel k2 steigen lassen, welches nichts anderes bedeutet, daß der ursprüngliche Ton mit seiner Oktave überlagert wird!

Anders verhält sich die Pentode. Sie ist bei der Aussteuerung härter, da durch Gitter 2 die Abhängigkeit von Ua (Anodenspannung) und Ia (Anodenstrom) entkoppelt sind.

Der Arbeitspunkt ist stabiler, die Kennlinie gerader und im Falle der Übersteuerung treten durch k3 unangenehmere “Mißtöne” auf!

 

Grundschaltung eines Verstärkers mit Pentode

 

 

 

 

Man darf auch nicht außer Acht lassen: die größten Entwicklungsschritte für die Röhre (in den 50er und 60er Jahren) wurden gemacht, als der Transistor (erfunden 1949) schon existierte. Der Nachteil dieses „Halbleiters“ – wie der Transistor auch genannt wurde - war nämlich am Anfang: zu teuer, zu empfindlich, zu temperaturabhängig, zu ungenau in den technischen Daten. Man gab ihm daher keine rechte Chance für die Zukunft…..

In der Röhrentechnik jedoch hatten die meisten Firmen – hier ganz besonders Telefunken und Valvo (Philips) – die meiste Erfahrung.

Heute entstehen vermehrt Röhrenverstärker, weil es wieder Röhren gibt und diese – wegen ihrer Technologie – prinzipiell völlig anders arbeiten, als Transistoren und demzufolge anders klingen.

 

 

Quellen:

Funktechnische Arbeitsblätter

Röhrentaschentabelle Franzis-Verlag

Ratheiser: Röhrenschaltungen