Röhren
Vor der Erfindung des Transistors im Dezember 1947 durch die drei Physiker und späteren Nobelpreisträger William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain in den Bell Laboratories war die Elektronenröhre das einzige aktive Bauteil in der damaligen Radio- und Elektronik-Zeit. Diese Röhren waren jedoch groß, schwer und ineffizient, und ihre Verwendung war aufgrund der hohen Temperaturen, die sie erzeugten, begrenzt.
Selbstbau Vollverstärker mit ECC88 und EL84
Inhaltsverzeichnis:
2. Aufbau: Direkte Kathoden-Heizung
6. Weitere Ausführungen der Elektronenröhren
10. Erzeugung hoher Gleichspannungen mithilfe von Röhrendioden
11. Elektronenröhren und Verzerrungen
13. Verstärker-Grundschaltungen
16. Elektronisch stabilisiertes Netzteil
18. Rundfunkempfänger mit Elektronenröhren - Das Audion
19. Der Überlagerungsempfänger (Superhet)
20. Elektronenröhren als regelbare lnduktivitäten und Kapazitäten
Vor der Erfindung des Transistors im Dezember 1947 durch die drei Physiker und späteren Nobelpreisträger William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain in den Bell Laboratories war die Elektronenröhre das einzige aktive Bauteil in der damaligen Radio- und Elektronik-Zeit. Diese Röhren waren jedoch groß, schwer und ineffizient, und ihre Verwendung war aufgrund der hohen Temperaturen, die sie erzeugten, begrenzt. Die Entdeckung des Transistors revolutionierte die Elektronikindustrie, da er kleiner, leichter und energieeffizienter war als die Elektronenröhren. Die Verwendung von Transistoren in der Nachrichtentechnik, der Elektrotechnik und der Elektronik nahm schnell zu, da sie zuverlässiger und kostengünstiger waren als Elektronenröhren. Die umfangreichen Erfahrungen, die zuvor mit Elektronenröhren gesammelt wurden, erwiesen sich als wertvoll für die Entwicklung und den Einsatz von Transistoren. Die Verwendung von Transistoren ermöglichte es, kompaktere Geräte herzustellen und damit den Weg für die Entwicklung von modernen elektronischen Geräten zu ebnen, die heutzutage unverzichtbar sind.
Die Röhrentechnik ausführlich erklärt von Meister Jambo auf YouTube
1. Populäre Röhren
ECC83 Doppel Triode, im Einsatz als Vorverstärker
ECC85, Vorstufenröhre im UKW Empfangsteil
EL84, Pentode, Mehrfachgitterröhre, im Einsatz als Endstufenröhre
EL34, Pentode, im Einsatz als Endstufenröhre
AD1, sehr wertvolle alte Endstufenröhre
300B, sehr teure Endstufenröhre für Class-A Verstärker
2. Aufbau: Direkte Kathoden-Heizung
b) Symbol für eine Röhren-Diode mit indirekter Katoden-Heizung.
c) Allgemeines Dioden-Symbol, bei dem die Katode nur durch einen Punkt dargestellt ist.
d) Röhren-Diode (aus der Anfangszeit), bei der die Anode noch als ebene Elektrode der direkt geheizten Glühkatode gegenüber stand. Spätere Ausführungen besaßen eine quasi zylinderförmige Anode mit der Glühkatode in der Mitte.
e) Aufbau einer indirekten Katoden-Heizung. Dort befindet sich die Emissionsschicht auf einem dünnen Nickelröhrchen, innerhalb dessen ein meist bifilar gewendelter Heizfaden liegt; letzteres zur Vermeidung von Brummstörungen.
f) Beispiel für eine Doppeldiode (mit 2 Anoden) Typ EZ 80, mit Allglas-Sockel.
Ein bekanntes Werk über Elektronenröhren in deutscher Sprache ist das vierbändige Werk von Heinrich Barkhausen (1881-1956), das zwischen 1951 und 1954 vom Hirzel-Verlag Leipzig veröffentlicht wurde. Barkhausens erste Arbeit zu diesem Thema erschien bereits 1921. Er lehrte bis zu seinem Tod im Jahr 1956 an der TH Dresden am Institut für Schwachstromtechnik. Die nach ihm benannte Röhrenformel S • R i• D = 1 wird weiter unten noch erklärt. Obwohl die Elektronenröhre als Bauteil durch den Transistor abgelöst wurde, wird sie auch heute noch in hochwertigen Verstärkern verwendet und angeboten. Die heutigen Transistoren besitzen im Allgemeinen drei Anschlüsse: Emitter, Basis und Kollektor, während dies auch bei den dreipoligen Röhren, den Trioden, zu finden ist: Kathode, Steuergitter und Anode. Vorher jedoch eine Anmerkung zu einer speziellen Röhre, der Diode oder Zweipolröhre. Sie besitzt nur zwei Elektroden, eine Anode und eine Glühkatode (Bild 1). Durch die angelegte Heizspannung (6,3 Volt - früher 4 Volt) wird die Molekularbewegung im Heizfaden der Glühkatode so stark erhöht, dass Elektronen austreten und sich so eine richtige Elektronenwolke um die Kathode herum ausbildet.
Barkhausen Formel: S x R x D = 1
Über weitere Details wird jedoch später berichtet. Die Hauptverwendung der Zweipolröhre liegt in der Netz-Gleichrichtung und in der Demodulation von HF-Signalen. Es gibt auch Dioden mit zwei Anoden, die sogenannten Doppeldioden, die für eine Zweiweg-Gleichrichtung entwickelt wurden. Im Allgemeinen haben Elektronenröhren eine sehr große mittlere freie Weglänge für Elektronen, die aus der Kathode im Vakuum austreten. Es gibt auch Elektronenröhren mit mehr als drei Elektroden, über die später mehr berichtet wird. Im Moment konzentrieren wir uns jedoch auf die dreipoligen Ausführungen von Transistoren (npn oder pnp dotiert) und Trioden mit direkt oder indirekt geheizter Kathode . Moderne Elektronenröhren haben fast ausschließlich indirekt geheizte Katoden, so dass der Heizfaden in Schaltbildern nicht mehr gezeichnet wird und die Kathode nur noch durch einen dicken Punkt dargestellt wird.
c) Trioden-Symbol, für indirekt geheizte
Kathode; UHetzung = Heizspannung; meist: 6,3 Volt, früher: 4 V; A= Anode, = Steuergitter, K= Katode
d) Doppel-Triode (2 Trioden in einem Kolben), mit eingeschalteter Kathodenheizung
e) Dreidimensionale Darstellung des Innenaufbaus einer Triode
a) Prinzipschaltbild einer Triode. Zwischen Anode und Kathode befindet sich das Steuergitter, mit dem der Anodenstrom gesteuert wird. Damit aber über das Gitter kein Strom fließt, erhält es eine negative Vorspannung.
b) Grundschaltung einer RC-gekoppelten Verstärkertriode in Katoden-Basis-Schaltung. Die negative Gittervorspannung erzeugt man auf dem "Umweg" über den Kathodenwiderstand Rk. Der durch ihn fließende Gleichstrom erzeugt daran einen Spannungsabfall mit positivem Vorzeichen an der Katode. Um den gleichen Betrag wird das Gitterpotential „negativer". Zu dieser Potentialgestaltung trägt der sehr hochohmige, so genannte Gitterableitwiderstand Rg bei.
Durch das Gitter wird der Anodenstrom gesteuert, wodurch es als Steuergitter bezeichnet wird. Dadurch wird der Innenwiderstand Ri der Röhre verändert. Es ist jedoch wichtig, dass kein Strom über das Gitter fließt (Ig = 0). Um dies zu erreichen, wird dem Gitter eine negative Vorspannung -Ug (siehe Bild 3) gegeben. In der Praxis wird dies dadurch erreicht, dass die Kathode um den gleichen Betrag positiv angehoben wird. Der Kathodenwiderstand Rk erzeugt dabei einen Spannungsabfall gleicher Höhe mit positivem Vorzeichen an der Kathode, durch den der Strom fließt. Wenn Ug sehr negativ ist, können keine Elektronen durch das Gitter hindurch zur Anode gelangen und la wird 0. Bei einer weniger negativen Spannung Ug erreicht bereits ein Teil der Elektronen die Anode, und la ist nicht mehr gleich 0.
Wenn zusätzlich zur negativen Vorspannung eine Signalspannung us = AUg an den Verstärkereingang (zwischen Gitter und Masse einer Triode) angelegt wird, schwankt der Anodenstrom la im Rhythmus des Signals gegenphasig zum Eingangssignal. Die Stromänderungen Al lassen am Arbeitswiderstand Ra ein verstärktes Ausgangssignal Ua entstehen. Der Quotient ua/ue ergibt die Verstärkung V der betreffenden Triodenstufe, die von der Steilheit S = A la/Ug (Einheit: mA/V) des steil ansteigenden Teils der la-Ug-Kennlinie bestimmt wird (siehe Grafik). Dies ist eine der drei Barkhausen'schen Kenngrößen für Elektronenröhren, wie bereits in der Einleitung erwähnt. Im Bild ist auch die Definition der zweiten Kenngröße Ri (Einheit: Ohm) der Röhrenformel grafisch dargestellt. Der Durchgriff bleibt als letztes Thema zu behandeln.
Die Formel o = AUg/AUa • 100 (Einheit: %) gibt das Verhältnis zwischen der Änderung der Gitterspannung (AUg) und der Änderung der Anodenspannung (AUa) in Prozent an. Dies wird als Durchgriff bezeichnet und kann auch als Kehrwert (1/D) ausgedrückt werden. Der Verstärkungsfaktor (p) einer Triode, der auch dem Kehrwert des Durchgriffs entspricht, kann durch die Steilheit (S) und den Innenwiderstand (RI) der Triode berechnet werden. Um dies an einem Beispiel zu verdeutlichen: Wenn eine Triode eine Steilheit von 5 mA/V und einen Durchgriff von 2% hat, ergibt sich für den Verstärkungsfaktor ein Wert von 50. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung 50-mal höher ist als die Eingangsspannung. Für ideale Trioden gilt das Gesetz, das die Beziehung zwischen der Anodenstromstärke (la), der Kathodenstromstärke (lk) und der Anoden- und Gitterspannung beschreibt. Die Raumladungskonstante (k) hängt dabei nur von den Abmessungen der Triode ab. Der Durchgriff (D) ist das Verhältnis von Gitterspannungs-Änderung zur Anodenspannungs-Änderung in Prozent.
Dieses Verhältnis ist ein Maß für das Durchgriffs-Vermögen des Potentials der Anode durch das Gitter hindurch auf die Elektronenwolke um die Kathode herum. Der Innenwiderstand (RI) ist die dritte Größe in Gleichung (1) und beeinflusst den Verstärkungsfaktor der Triode. Er wird durch die Konstruktion der Triode bestimmt und kann nicht direkt beeinflusst werden.. Das kann zum einen der Gleichstromwiderstand Ua/la sein, der sich einfach aus dem Ohmschen Gesetz ergibt, oder aber es ist der interessantere Wechselstromwiderstand, der sich aus der Anodenspannungs-Änderung Alia zur Anodenstrom-ÄnderungAlaergibt. Für den Verstärker ist das die wichtigere Größe.
Um beim obigen Beispiel zu bleiben:
Dieser Widerstand beträgt Ri= 50 V/5 mA =10 kOhm.
Und damit stimmt die Gleichung: 5 • 10-3 • 10 .103 • 2.10-2 =1
Das in Bild 3b dargestellte Schaltbild zeigt die Grundschaltung einer RC-gekoppelten Trioden-Verstärkerstufe, und zwar in Katoden-Basis-Schaltung. Da das Gitter normalerweise stromlos arbeitet, ist der Eingangswiderstand eines jeden Röhrenverstärkers sehr hochohmig, im Gegensatz zum Eingang von Transistor-Verstärkern. Der Wert des Gitterableitwiderstandes Rg wird entsprechend hochohmig (Rg = 1 MOhm) gewählt. In den Datenblättern wird für jede Elektronenröhre eine maximal zulässige Anodenverlustleistung Na,max (Einheit: Watt) angegeben, die im Betrieb nicht überschritten werden darf. Es handelt sich dabei um eine Gleichstromleistung (Anodenerwärmung). Im la-Ua-Kennlinienfeld ist diese Grenze durch eine Hyperbel (s. Bild 5 und Bild 6) gekennzeichnet. Bei der Aussteuerung der Röhre darf die Leistungshyperbel durchaus auch überschritten werden.
3. Mehrgitter-Röhren
Neben Trioden gibt es auch andere Arten von Röhren, die mehr als ein Gitter aufweisen. Eine davon ist die Tetrode, die als Vierpolröhre gilt und zusätzlich zum Steuergitter ein zweites Gitter namens Schirm- oder Schutzgitter besitzt. Das Schirmgitter hat eine positive Vorspannung, die niedriger als die Anodenspannung ist und somit die Geschwindigkeit des Elektronenstroms bestimmt. Obwohl ein Großteil der Elektronen durch das Schirmgitter fliegt und die Anode erreicht, kann ein Teil des Stroms bei höherer Spannung am Schirmgitter nicht mehr die Anode erreichen und kehrt zurück. Dies führt zu einer Einsenkung der la-Ua-Kennlinie im Bereich der niedrigeren Anodenspannung und begrenzt den Anwendungsbereich der Tetrode. Um dies zu verhindern, kann ein drittes Gitter namens Bremsgitter zwischen dem Schirmgitter und der Anode eingefügt werden, um eine Fünfpolröhre, auch Pentode genannt, zu erhalten.
Obwohl Tetroden in der Regel nur in Sonderfällen verwendet werden, wie z.B. als Endröhren oder Sende-Röhren, haben sie ihre Bedeutung in der Elektronik. Es gibt verschiedene Röhrenarten mit zwei oder mehr Gittern, die in der Elektronik verwendet werden. Eine davon ist die Tetrode, eine Vierpolröhre mit einem Steuergitter und einem Schutzgitter. Eine weitere ist die Pentode, eine Fünfpolröhre mit einem zusätzlichen Bremsgitter zwischen dem Schutzgitter und der Anode. Eine weitere Röhrenart ist die Hexode, auch Sechspolröhre genannt, die zwei Gitter vor dem Anodengitter hat. Die Heptode, auch Siebenpolröhre genannt, besitzt drei Gitter vor dem Anodengitter. Einige dieser Gitter sind bereits innerhalb des Röhrenkolbens miteinander verbunden. Die Symbole dieser Röhrenarten sind unterschiedlich, jedoch haben sie alle ein Steuergitter und ein Anodengitter. Die Tetrode wird durch ein Rechteck mit einem diagonalen Strich und einem weiteren Gitter dargestellt. Die Pentode wird durch dasselbe Rechteck mit einem zusätzlichen Gitter darunter dargestellt. Die Hexode hat ein zusätzliches Gitter über dem Anodengitter, während die Heptode zwei weitere Gitter über dem Anodengitter aufweist.
Eine Verbund- oder Doppelröhre ist eine Röhre, die zwei unterschiedliche Systeme in einem Glaskolben vereint. Eine solche Röhre ist die Hexode-Triode, die früher in Superhet-Rundfunkempfängern verwendet wurde. Das Hexodensystem diente zur Mischung des Empfangssignals mit dem vom Triodensystem erzeugten Oszillatorsignal, das für die Erzeugung des ZF-Signals erforderlich war. Beide Systeme haben eine gemeinsame Kathode. Das Prinzipbild einer Hexode-Triode zeigt die beiden Systeme innerhalb des Röhrenkolbens. Die Triode besteht aus einem Steuergitter, einer Anode und einer Kathode, während das Hexodensystem aus einem Steuergitter, einem Schutzgitter, einem Modulationsgitter, einem Oszillator- oder Mischer-Anodengitter und einer Kathode besteht. Das Schaltbild einer derartigen Mischstufe zeigt die Verbindung der Hexode und der Triode. Das dritte Gitter der Hexode ist das Modulationsgitter, dem im Inneren der Röhre das Oszillatorsignal direkt vom Steuergitter der Triode zugeführt wird. Die Hexode hat auch die Eigenschaft einer regelbaren Röhre, die für die automatische "Schwundregelung" eingesetzt wurde.
Das Bremsgitter ist Teil einer Röhre und befindet sich auf dem Kathodenpotential. Seine Aufgabe besteht darin, zu verhindern, dass die Elektronen umkehren und als Sekundärelektronen zum Schirmgitter zurückfließen, bevor sie die Anode erreichen. Mit Pentoden und Tetroden kann eine höhere Verstärkung erzielt werden als mit Trioden. Deshalb wurden fast alle NF-Verstärkerstufen von Anfang an mit diesen Typen bestückt. Trioden und Pentoden unterscheiden sich nicht nur in der Anzahl ihrer Gitter, sondern auch durch den Verlauf ihrer la-Ua-Kennlinien. Die Kennlinien von Pentoden ähneln dabei denjenigen von Transistoren. Neben Trioden, Tetroden und Pentoden gibt es auch Mehrgitterröhren wie die Hexode und Heptode, die jeweils ein zweites Steuergitter haben. An dieses zweite Gitter kann eine weitere Wechselspannungsquelle angeschlossen werden, wodurch es möglich ist, die Signale des ersten Gitters mit einer anderen Wechselspannung zu mischen oder zu überlagern. Diese Röhrentypen wurden oft in Mischpultverstärkern eingesetzt.
Es gibt auch Doppelröhren, die in einem Kolben zwei verschiedene Röhrentypen kombinieren, wie beispielsweise Doppeltrioden oder Trioden in Kombination mit Hexoden. Früher waren Röhren dieser Art in fast allen Rundfunkempfängern (im Superhet-Prinzip) als Mischstufen verbaut. In der oberen Darstellung wird der prinzipielle Aufbau einer Hexode-Triode-Doppelröhre sowie das Schaltbild einer geregelten Mischstufe mit einer solchen Doppelröhre gezeigt. Alle in den damaligen Rundfunkempfängern eingesetzten Hexoden waren regelbar. Sie dienten sowohl der automatischen Schwundregelung als auch der Mischung des Empfangssignals mit dem Oszillatorsignal, das für die Erzeugung des ZF-Signals notwendig war.
Das Oszillatorsignal wurde vom Triodensystem erzeugt. Die Zwischenfrequenz betrug 468 kHz für AM und 10,7 MHz für FM. Signale mit konstanter Frequenz lassen sich einfacher verstärken als Signale mit variabler Eingangsfrequenz. Die Schwundregelung hatte die Aufgabe, die unterschiedlichen Feldstärken der empfangenen Sender auszugleichen, damit beim Abstimmen des Geräts die verschiedenen Sender mit gleichem Pegel gehört werden konnten. Dies wurde durch die automatische Anpassung der Verstärkung der Hexode an die Signalstärke erreicht. Wenn das Signal schwächer wurde, wurde die Verstärkung erhöht, um es auf einem konstanten Lautstärkepegel zu halten. Wenn das Signal stärker wurde, wurde die Verstärkung reduziert, um Übersteuerung zu vermeiden.
4. Abstimmanzeige-Röhren
Abstimmanzeige-Röhren, die auch als "Magisches Auge" bekannt waren, wurden in Rundfunkempfängern verwendet, um eine präzise Abstimmung auf einen Sender zu ermöglichen. Sie wurden auch in der Messtechnik als Nullindikator eingesetzt. Die Röhre hatte einen Leuchtschirm, der mit einer fluoreszierenden Substanz beschichtet war, ähnlich wie der Leuchtschirm von Kathodenstrahlröhren. Wenn Elektronen auf die Schicht trafen, leuchtete sie auf. Der Leuchtschirm lag während des Betriebs auf dem gleichen Potential wie die Anode bei etwa 250 V und konnte als speziell ausgeformte Anode betrachtet werden. Der Elektronenstrom zum Leuchtschirm wurde durch ein Anzeigegitter und zwei oder vier Steuerstäbe gesteuert. Durch die spezielle Ausbildung des Systems wurde der Elektronenstrom gebündelt, so dass auf dem Leuchtschirm zwei oder vier leuchtende Sektoren entstanden.
Die Breite der leuchtenden Sektoren im Inneren des "Magischen Auges" hängt von den Spannungen der Steuerstege und des Anzeigegitters ab. Wenn die Potentialdifferenz zwischen Leuchtschirm und Steuerstegen kleiner ist, wird der Leuchtwinkel größer. Eine negative Spannung am Anzeigegitter führt dagegen zu einer Verkleinerung des Leuchtwinkels. Die Steuerspannung für die Steuerstege wird von der Anode eines Triodensystems bezogen. Beide Röhrensysteme sind miteinander verbunden und teilen sich eine gemeinsame Kathode. Wenn das "Magische Auge" als Abstimmanzeige verwendet wird, wird eine Gleichspannung durch Gleichrichtung der verstärkten Hochfrequenz gewonnen und an das Gitter des Triodensystems geleitet. Die gleichgerichtete HF-Spannung ist am größten, wenn der Empfangsteil genau auf den empfangenen Sender abgestimmt ist. Dadurch wird der Leuchtwinkel des "Magischen Auges" besonders groß.
Die Abbildung zeit Abstimmanzeige-Röhren , die in Rundfunkempfängern zur genauen Abstimmung auf einen Sender eingesetzt wurden. Eine solche Röhre wurde auch als "magisches Auge" bezeichnet. Der Aufbau einer solchen Röhre beinhaltet einen Leuchtschirm, der mit einer fluoreszierenden Substanz beschichtet ist, ähnlich wie bei Katodenstrahlröhren. Elektronen treffen auf diese Schicht und lassen sie aufleuchten. Die Breite der leuchtenden Sektoren auf dem Leuchtschirm hängt von den Spannungen der Steuerstege und des Anzeigegitters ab.
Die Steuerspannung wird von der Anode eines Triodensystems geliefert, das mit dem Röhrensystem der Abstimmanzeige über eine gemeinsame Katode verbunden ist. Bei Verwendung als Abstimmanzeige gelangt eine Gleichspannung an das Gitter des Triodensystems, die durch Gleichrichtung der verstärkten Hochfrequenz gewonnen wird. Der Leuchtwinkel des magischen Auges wird dann besonders groß, wenn der Empfangsteil genau auf den empfangenen Sender abgestimmt ist. Abstimmanzeige-Röhren wurden auch in Form von "magischen Fächern" hergestellt.
5. Ziffernanzeige-Röhren
Früher wurden Ziffernanzeigen mit Ziffernzeige-Röhren realisiert, welche in Glaskolben verbaut wurden und teilweise wie Elektronenröhren aufgebaut waren. Es gibt verschiedene Arten von Ziffernanzeigen, jedoch werden hier nur die Vakuum-Fluoreszenz-Anzeige (VFA) und die Nixie-Röhre erwähnt. Die VFA-Röhren lösten ab 1967 die bis dahin verwendeten Nixie-Röhren ab, welche auf dem Prinzip von Glühlampen beruhten. VFA-Röhren sind echte Elektronenröhren, welche aus einem dünnen Wolfram-Heizdraht bestehen, der mit Oxyden beschichtet ist und thermisch Elektronen emittiert (Glühemission). Die Elektronen fliegen bei anliegender Anodenspannung zu den davor befindlichen Anodensegmenten, welche mit einer Leuchtstoffschicht bedeckt sind. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anodensegmente beginnen diese zu leuchten, ähnlich wie beim "Magischen Auge".
Vor den Anodensegmenten befindet sich ein Gitter, welches den Elektronenstrom steuert bzw. die Elektronen auch zurückstößt, ähnlich wie bei einer Triode. Anfangs waren Fluoreszenz-Anzeigen in evakuierten Glaskolben untergebracht, genau wie andere Röhren. Später wurden sie jedoch als flache Anzeigeelemente hergestellt, wobei die Anoden oft aus Segmenten in Form von 7-Segment-Anzeigen bestanden. Es gab aber auch 14-Segment-Anzeigen, die Buchstaben anzeigen konnten. Jedes Segment leuchtete nur, wenn sowohl das Gitter als auch die dazugehörige Anode ein positives Potential gegenüber der Kathode aufwies. Solche Vakuum-Fluoreszenz-Anzeigen findet man heute noch in Taschenrechnern und Bürocomputern. Die Nixie-Röhren, die eigentlich keine Röhren im Sinne von Elektronenröhren sind, sondern Glimmlampen, wurden 1955 von der Firma Burroughs eingeführt.
Der Name "Nixie" ist eine Abkürzung für "Numeric IndicatoreXperimental NoI" und bezieht sich auf die Anzeige von Zahlenwerten. Bis in die 70er Jahre wurden Nixie-Röhren eingesetzt, dann wurden sie jedoch von VFA-Anzeigen abgelöst. Die Stromträger in Nixie-Röhren sind freie Elektronen und positive Ionen. Es handelt sich um eine Gasentladungsröhre, die Neon enthält. Diese Röhren enthalten mehrere hintereinander angeordnete, elektrisch voneinander isolierte Kalt-Katoden, von denen jede die Form eines anzuzeigenden Zeichens hat, normalerweise die Ziffern von 0 bis 9 und ein Dezimalpunkt oder -komma. Das Gitter oder Metallnetz davor bildet die Anode. Es gibt Zünd-, Brenn- und Löschspannung, wobei die Zündspannung erforderlich ist, um den Zündvorgang zu starten, die Brennspannung notwendig ist, um die Entladung aufrechtzuerhalten, und die Löschspannung die Spannung ist, bei der die Glimmröhre erlischt. Der Wert der Löschspannung liegt in der Regel bei etwa 5-10% unterhalb der Brennspannung. Dieser Röhrentyp verlor an Bedeutung, als in den 1970er-Jahren die VFA-Röhren aufkamen.
6. Weitere Ausführungen der Elektronenröhren
Anfangs waren die Röhrenkolben noch separat von ihren Anschlusssockeln getrennt, wie zum Beispiel der Europa-Sockel mit 3, 4 oder 5 Polen. Später kamen jedoch Allglas-Sockel mit bis zu neun Stiften hinzu, wie bei der EF 80 und EABC 80. Subminiatur-Röhren in flacher und runder Form mit fünf anlötbaren Anschlüssen wurden auch entwickelt, insbesondere für Taschenhörgeräte. Eine besondere Röhre war die Verstärker-Pentode RV 12 P 2000, die in großen Stückzahlen für die Wehrmacht produziert wurde.
Aus den Restbeständen wurden später Geräte für den zivilen Bereich entwickelt. Es ist interessant zu erfahren, wie die Röhrentechnologie sich im Laufe der Zeit entwickelt hat und in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wurde. Die Verwendung von Röhren in Hörgeräten und Radios ist ein gutes Beispiel dafür, wie die Technologie auch im Alltag Verwendung fand. Die RV 12 P 2000 scheint eine bemerkenswerte Röhre gewesen zu sein, die sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich Verwendung fand.
Das Siemens Phonophor-Super aus dem Jahr 1948 war eines der ersten netzbetriebenen Hörgeräte mit Röhrenbestückung. Das Gerät besteht im Wesentlichen aus einem Kondensator-Mikrofon und einem Verstärker, der mit 110/220 Volt betrieben wird und mit vier Röhren vom Typ RV 12 P2000 ausgestattet ist. Die erste Röhre befindet sich verdeckt unter dem metallischen Abschirmdeckel neben dem Mikrofon. Ein einzelnes Röhrenexemplar steht links unten im Bild, außerhalb des Gehäuses. Ein Kopfhörer wird über eine Steckverbindung von außen an das Gerät angeschlossen. Das Gerät ist in einem Bakelit-Gehäuse untergebracht und ein Lämpchen zeigt den Betriebszustand an. Durch den Netzbetrieb ist auch die Bereitstellung der Polarisationsspannung für das Kondensator-Mikrofon gewährleistet.
Es gibt spezielle Subminiaturröhren mit direkt geheizter Katode und anlötbaren Drahtenden, die speziell für den Einsatz in Hörgeräten, einschließlich Taschenhörgeräten, entwickelt wurden. Die Heizspannung beträgt typischerweise 0,625 V und der Heizstrom beträgt etwa 13,5 mA. Wenn zwei dieser Heizungen in Reihe geschaltet werden, ist eine Spannungsquelle mit einer Spannung von 1,3 Volt erforderlich. Es gibt verschiedene Typen von Subminiaturröhren, die für Hörgeräte geeignet sind, darunter die DF64, DF651, DF67, DL6Z, die alle als Pentoden ausgeführt sind. Die Abmessungen dieser Röhren sind sehr klein und variieren je nach Typ, zum Beispiel sind die Abmessungen der DF651-Röhre etwa 7x5x25 mm und die der DF67-Röhre etwa 8 mm x 30 mm.
Die RV 12 P2000 ist eine Verstärkerröhre mit Aussenkontakten, die ursprünglich für militärische Geräte der Wehrmacht entwickelt wurde. Diese Röhre ist als Pentode ausgeführt und benötigt eine Heizspannung von 12,6 Volt und einen Heizstrom von 0,075 A. Die Abmessungen der Röhre betragen etwa 20 mm im Durchmesser und 46 mm in der Länge. Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs war dieser Röhrentyp in großen Mengen verfügbar, so dass er nicht nur für die ersten Rundfunkempfänger der Nachkriegszeit verwendet wurde, sondern auch für die ersten netzbetriebenen Hörgeräte. Die RV 12 P2000 ist so konzipiert, dass sie aus ihrer speziellen Patronenfassung herausgezogen werden kann, wofür sie mit einem abschraubbaren Knopf ausgestattet ist.
Die T 1000-1 ist ein Beispiel für eine strahlungsgekühlte Senderöhre, die als Triode ausgeführt ist. Sie hat eine Höhe von 26 cm und einen Durchmesser von 14 cm. Die Röhre verfügt über vier Anschlüsse an der Unterseite, die für die Heizung, die Kathode und das Steuergitter vorgesehen sind, sowie einen Anschluss an der Oberseite für die Anode. Aufgrund ihrer Größe und Bauweise ist die T 1000-1 in der Lage, hohe Leistungen zu übertragen und eignet sich daher besonders für den Einsatz in Sendeanlagen. Da sie strahlungsgekühlt ist, benötigt sie keine zusätzliche Kühlung durch Flüssigkeiten oder Gase.
Das Siemens Phonophor-Super Hörgerät aus dem Jahr 1948 war eines der ersten röhrenbestückten Hörgeräte. Es bestand im Wesentlichen aus einem Kondensator-Mikrofon und einem netzbetriebenen Verstärker (110/220 Volt) mit vier RV 12 P2000 Röhren. Eine einzelne Röhre befand sich außerhalb des Gerätes, während die erste Röhre neben dem Mikrofon verdeckt war. Ein externer Kopfhörer wurde über eine Steckverbindung angeschlossen und das Gerät war in einem Bakelit-Gehäuse eingebaut. Ein Lämpchen zeigte den Betriebszustand an, und durch den Netzbetrieb war auch die Bereitstellung der Polarisationsspannung für das Kondensator-Mikrofon sichergestellt.
In diesem Überblick konnte nur ein grober Einblick in das interessante Thema der Elektronenröhren gegeben werden. Es gibt noch viele weitere Aspekte zu betrachten, wie zum Beispiel die Schaltungstechnik, Katodenstrahlröhren, Stahlröhren, die Vielfalt an Röhrensockeln und Anschlüssen sowie das Thema Verzerrungen und die spezielle Klangqualität von Röhrenverstärkern im High-End-Sektor. Zum Thema Senderöhren kann gesagt werden, dass es eine interessante Entwicklungs-geschichte gibt. Die Leistung, die eine Röhre liefern soll, bestimmt die Art ihrer Kühlung. Bei niedrigeren HF-Leistungen reichte anfangs eine Strahlungskühlung der Anode aus. Bei höheren Anodenverlustleistungen wurde eine künstliche Kühlung, meist eine Wasserkühlung, verwendet.
Senderöhren haben im Laufe ihrer Entwicklungsgeschichte eine interessante Entwicklung durchgemacht. Sie werden je nach der benötigten Leistung in verschiedene Kategorien eingeteilt, was auch die Art ihrer Kühlung bestimmt. Bei geringen HF-Leistungen bis zu 2-3 kW wurde die Anode anfangs nur durch Strahlung gekühlt. Bei höheren Verlustleistungen wurde jedoch eine künstliche Kühlung, meist in Form von Wasserkühlung, eingesetzt. Es gibt verschiedene Arten von Senderöhren, darunter Trioden, Tetroden und Pentoden.
Im ersten Teil der Artikelserie wurden die Grundlagen der Elektronenröhren erläutert, einschließlich der barkhausenschen Röhrenformel und der Unterschiede zwischen verschiedenen Arten von Mehrgitterröhren. Der zweite Teil widmet sich den verschiedenen Ausführungen von Röhren, ihren Anschlüssen, den Stahlröhren und den Katodenstrahlröhren. Zudem wird die Hochspannungserzeugung und das Thema Verzerrungen bei Röhren im Vergleich zu Transistoren behandelt.
7. Kenndaten
In diesem Beitrag werden die wichtigsten Kenndaten von Elektronenröhren erläutert. Dazu gehören ihre Typenbezeichnungen, Strom- und Spannungswerte, Abmessungen und Anwendungsbereiche sowie die Anschlusssockel. In der oberen Abbildung sind verschiedene Röhrentypen aufgeführt, geordnet nach ihrer Heizspannung. Niederspannungs-Subminiaturröhren, wie sie beispielsweise in Hörgeräten eingesetzt wurden, haben eine Heizspannung von nur 0,625V, wie bei der Röhre DF 67. In der Regel wurden zwei solcher Röhren in Reihe geschaltet und zusammen mit der Endröhre DL 67 an eine gemeinsame 1,25-Volt-Speisequelle angeschlossen.
Direkt geheizte Röhren können zwar mit Wechselstrom geheizt werden, was jedoch selten erfolgte, da es Nachteile hatte. Röhren mit dem Buchstaben D in ihrer Typenbezeichnung waren Subminiaturröhren, die eine direkt geheizte Katode besaßen. Bei dieser Art von Röhren liegt die Katode auf Massepotential, weshalb eine automatische Gittervorspannungserzeugung nicht möglich ist. Obwohl es möglich ist, direkt geheizte Röhren mit Wechselstrom zu betreiben, hat dies Nachteile und wurde daher selten praktiziert.
Einige Röhren mit direkter Heizung zeigen manchmal den sogenannten Mikrofonie-Effekt, der sich in Form einer akustischen Rückkopplung zwischen dem Lautsprecher und dem Röhrensystem äußert. Dieser Effekt wird durch das Mitschwingen des dünnen Heizfadens verursacht. Um dies zu vermeiden, wurde bei der D 96er Serie der Heizfaden in der Mitte unterstützt. Im Bild sind die wichtigsten Kenndaten von Elektronenröhren aufgelistet, darunter Typenbezeichnungen, Strom- und Spannungswerte, Abmessungen und Anschlusssockel. Die Auflistung beginnt mit direkt geheizten Niederspannungssubminiaturröhren, wie sie früher in Hörhilfen eingesetzt wurden.
Diese Röhren hatten Heizspannungen von nur 0,625V und wurden häufig zusammen mit Endröhren an eine gemeinsame 1,25-Volt-Speisung angeschlossen. Die Buchstabenkennzeichnung "D" stand damals für Subminiaturröhren mit direkt geheizter Katode. Diese Röhren hatten den Nachteil, dass keine automatische Gittervorspannungserzeugung möglich war und ein spezieller Mikrofonie-Effekt auftreten konnte. Die Auflistung geht weiter mit indirekt geheizten Röhren, die mit 4 Volt geheizt wurden, wie beispielsweise der HF-Pentode AF7, die in vielen Radiogeräten verwendet wurde. Die nächste Röhrenserie begann mit dem Buchstaben "E" und hatte eine Heizspannung von 6,3 Volt.
Diese Röhren wurden in der Zeit nach dem Krieg bis zur schrittweisen Ablösung durch Transistoren dominiert.
Direkt geheizte Niederspannungs-Subminiaturröhren, wie OF 67, DL 6Z und DF 651, wurden speziell für den Batteriebetrieb entwickelt. Im Gegensatz zu anderen Röhren liegt bei direkt geheizten Röhren die Katode auf Massepotential, wodurch eine automatische Gittervorspannungserzeugung nicht möglich ist.
In der Geschichte der Elektronenröhren gab es auch einen höheren Wert für die Heizspannung, nämlich 12,6 Volt. Ein Beispiel für eine Röhre mit dieser Heizspannung ist die Pentode RL12 P35, die aufgrund ihrer besonderen Daten, wie einer Anodenspannung von 600 V-max. 800 V und einer Sendeleistung von 35 W, bei Kurzwellenamateuren in den 1950er Jahren sehr beliebt war. Einer der beiden Außenanschlüsse auf der Röhre gehört zur Anode, die eine sehr hohe Spannung führt.
Die Pentoden RV12 P 2000 und RL12 P35 waren beide in der Zeit der Elektronenröhren sehr beliebt. Die RV12 P 2000 wurde für den Bau erster Rundfunkempfänger verwendet und sogar in einem der ersten röhrenbestückten Hörgeräte (Siemens Phonophor-Super) im Jahr 1948 eingesetzt. Für diese Röhre wurde eine spezielle Fassung entwickelt. Die RL12 P35 fand Verwendung bei Kurzwellenamateuren für den Bau ihrer Sender aufgrund ihrer besonderen Daten wie einer maximalen Anodenspannung von 800 V und einer Sendeleistung von 35 W. Eine der beiden Außenanschlüsse oben auf der Röhre gehört zur Anode, die eine sehr hohe Spannung führt.
Die Anschlusssockel für Elektronenröhren waren sehr vielfältig und es gab eine große Auswahl. Der 8-polige Außenkontaktsockel, wie er im Bildteil c) zu sehen ist, wurde beispielsweise für alle A-Röhren wie AF7 oder AL4 verwendet. Der Rimlock-Sockel, der im Bildteil b) zu sehen ist, wurde Anfang der 1950er-Jahre entwickelt und bildete den Anfang für die nachfolgenden Pressglassockel, die für die EF- und EL-Röhrenreihe verwendet wurden und bis zum Ende der Verwendung von Elektronenröhren Bestand hatten. In den USA gab es andere Sockel, wie zum Beispiel für die Stahlröhre 6AC7.
8. Stahlröhren
Stahlröhren sind Elektronenröhren, bei denen der Kolben aus lackiertem Stahl besteht und 1937 von Telefunken auf den Markt gebracht wurde. Eine Besonderheit ist, dass der Systemaufbau in waagerechter Lage stabiler gelagert ist und der Stahlkolben eine gute Abschirmung gegen Störfelder bietet. Auch in den USA wurden zu jener Zeit bereits Stahlröhren produziert. Später kehrte man jedoch aus verschiedenen Gründen wieder zur Glaskolbentechnik zurück. Ab dem Jahr 1948 baute das Röhrenwerk Ulm von Telefunken Stahlröhren in Glaskolbentechnik mit Stahlröhrensockel und Glaskolben mit aufgebrachter Metallisierung.
9. Bildröhren
Diese speziellen Elektronenröhren wurden zur Darstellung von Bildern verwendet und sind als Kathodenstrahlröhren oder auch Braunsche Röhren bekannt. Sie finden sich in älteren Oszilloskopen und Fernsehgeräten als Bildröhren wieder, wie auf dem folgenden Bild zu sehen ist.
Eine Bildröhre funktioniert ähnlich wie jede andere Elektronenröhre. Elektronen werden von einer Glühkatode erzeugt und in den evakuierten Innenraum der Röhre abgegeben, wo sie von der positiv geladenen Anode angezogen und beschleunigt werden. Die Glühkatode ist von einem Metallkörper mit einem Loch in der Mitte umgeben, dem Wehneltzylinder. Dieser Zylinder hat eine negative Spannung, wodurch die freien Elektronen von den Innenwänden des Zylinders abgestoßen werden und sich zu einem konzentrischen Bündel in der Mitte des Zylinders formen.
Eine höhere negative Spannung führt zu einem engeren Bündel und einem helleren Punkt auf dem Bildschirm, den der Elektronenstrahl nach Durchlaufen der Strecke bis zur fluoreszierenden Schicht erzeugt. In älteren Fernsehgeräten und Oszilloskopen wurden Bildröhren eingesetzt. Um ein Bild auf dem Bildschirm darzustellen, werden die Elektronen des Elektronenstrahls durch eine positive Spannung an einer ringförmigen Anode beschleunigt. Damit der Strahl das gesamte Bild auf dem Bildschirm schreiben kann, gibt es zwei Paare von Ablenkplatten, die für die horizontale und vertikale Ablenkung sorgen. Frühere Fernsehgeräte nutzten elektromagnetische Ablenkspulen für die Strahlablenkung.
TV Bildröhre
10. Erzeugung hoher Gleichspannungen mithilfe von Röhrendioden
Um sehr hohe Gleichspannungen zu erzeugen, beispielsweise für die Beschleunigung von Elektronen in Röhren oder für elektronenoptische Geräte, gibt es verschiedene Methoden. Eine einfache Methode ist die Verwendung von Vervielfacher-Schaltungen. Dabei werden ganze Kaskaden von Kondensatoren mit Hilfe von Gleichrichtern aufgeladen, deren Reihenschaltung dann die gewünschte Spannung liefert. Alternativ können auch Röhrendioden verwendet werden, insbesondere bei sehr hohen Spannungen. In solchen Fällen wurden die Anordnungen aus Sicherheitsgründen sogar in Metalltanks untergebracht, die mit Transformatorenöl gefüllt waren. Um hohe Gleichspannungen zu erzeugen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie zum Beispiel die Verwendung von Vervielfacher-Schaltungen.
Eine solche Schaltung besteht aus Kaskaden von Kondensatoren, die unter Verwendung von Gleichrichtern aufgeladen werden. Alternativ können auch Röhrendioden eingesetzt werden, insbesondere bei sehr hohen Spannungen. In diesem Arbeitsbereich (bis zu 40 kV) werden die Dioden oft auch als "Ventile" bezeichnet, da sie je nach Halbwelle die eine oder andere Kondensatorreihe aufladen. Um die Spannung zu konstanthalten, kann eine automatische Spannungskonstanthaltung verwendet werden, wie im folgenden Bild dargestellt. Diese Schaltung hat auch den Vorteil, dass sie eine höhere Frequenz (800 Hz) als herkömmliche Hochspannungsgeneratoren verwendet, was kleinere Abmessungen für die Übertrager ermöglicht. Der maximale Ausgang des Generators beträgt 40 kV, mit einem maximalen Strom von 100 A. Aus Sicherheitsgründen werden solche Anordnungen manchmal in Metalltanks untergebracht, die mit Transformatorenöl gefüllt sind.
11. Elektronenröhren und Verzerrungen
In Diskussionen über Röhren- versus Transistorverstärker wird häufig behauptet, dass der Klang von Röhrenverstärkern angenehmer sei als der von Transistorverstärkern. Einige namhafte Unternehmen bringen sogar wieder Röhrenverstärker auf den Markt, insbesondere im Hochpreissegment. Doch was steckt dahinter? Fakt ist, dass Transistoren bei hohen Lautstärken aufgrund ihrer symmetrischen Kennlinie nichtlineare Verzerrungen erzeugen, die einen kubischen Klirrfaktor (k3, k5, k7...) aufweisen, wie in folgenden Bild dargestellt. Im Gegensatz dazu erzeugen Röhrenverstärker, insbesondere Trioden, nichtlineare Verzerrungen mit einem quadratischen Klirrfaktor (k2, k4...), der gerade Harmonische erzeugt. Und gerade diese harmonischen Verzerrungen akzeptiert unser menschlisches Gehör als angenehmer als die kubischen vezerrungen.
Kubische Verzerrungen manifestieren sich in Nulldurchgangsverzerrungen, die unser Gehör sehr empfindlich wahrnimmt. Der Einfluss von Verzerrungen auf die Klangqualität lässt sich am besten durch die Verständlichkeit von Sprache quantitativ messen. Dazu werden die Verständlichkeiten von Sätzen, Wörtern und Silben gemessen, wobei sich der Effekt am deutlichsten durch die Messung der Silbenverständlichkeit zeigt.
Der Unterschied in der Silbenverständlichkeit zwischen begrenzten Amplituden und gestörten Nulldurchgängen ist dabei sehr groß. Es ist wichtig zu beachten, dass Nulldurchgangsverzerrungen auch durch schlecht dimensionierte AB-Gegentaktendstufen verursacht werden können.
Die hier verwendeten Gleichrichterdioden vom Typ DY 86 gehören zu den Röhren vom 0-Typ und werden wie alle Röhren mit einer Heizspannung von UK = 1,4 Volt betrieben (siehe Bild 12). Der Heizstrom für diese Röhre beträgt IH = 530 mA. Die DY 86 wurde früher unter anderem zur Gleichrichtung der Zeilenrücklauf-Impulse in Fernsehgeräten eingesetzt. Die Heizung erfolgt indirekt, indem die Kathode innerhalb der Röhre mit einem Ende des Heizfadens verbunden ist. In der linken Abbildung ist ein älterer Röhrentyp namens DY 51 dargestellt, der zur Herstellung ähnlicher Hochspannungsgeneratoren verwendet wurde. Die maximale Anodenspitzenspannung in der Sperrphase beträgt hier 15 kV. Im Vergleich dazu lag dieser Wert bei der DY 86 bei 20 bzw. 24 kV.
Sprachverständlichkeit
Verzerrungen können die Sprachverständlichkeit beeinträchtigen und können durch subjektive Tests wie die Messung der Verständlichkeit von gesprochenen Sätzen, Wörtern oder Silben erfasst werden. Es gibt jedoch auch objektive Verfahren wie den STI- (Speech-Transmissions-Test) und den RAST1-Test (Rapid-Speech-Transmissions-Test), die ohne die Teilnahme von Versuchspersonen funktionieren. Beim STI-Test werden Rauschsignale verwendet, die in sieben aufeinanderfolgenden Oktavbändern von einem Lautsprecher mit Mittenfrequenzen zwischen 125 Hz und 8 kHz abgestrahlt werden. Die Prüfsignale werden in jedem dieser Bänder mit zwei verschiedenen Frequenzen amplitudenmoduliert und haben eine Modulations-Übertragungsfunktion von m=1,0.
Es gibt objektive Verfahren zur Messung von Verzerrungen bei der Übertragung von Sprache, die ohne Zutun von Versuchspersonen funktionieren. Ein Beispiel hierfür ist der STI-Test, bei dem Rauschsignale verwendet werden, die stellvertretend für die menschliche Stimme stehen. Diese Signale werden in sieben aufeinander folgenden Oktavbändern mit Mittenfrequenzen zwischen 125 Hz und 8 kHz von einem Lautsprecher abgestrahlt und in jedem dieser Bänder mit zwei verschiedenen Frequenzen amplitudenmoduliert, wobei eine Modulations-Übertragungsfunktion von m = 1,0 verwendet wird. Das Signal, das an den einzelnen Plätzen eines Raumes empfangen wird, wird analysiert, um den Verlust an Modulationstiefe zu bestimmen und eine objektive Aussage über die Höhe der Sprachverständlichkeit am jeweiligen Messort zu treffen. Der STI-Wert gibt Auskunft darüber und kann Werte zwischen 0 (weitgehend unverständlich) und 1 (ausgezeichnete Verständlichkeit) erreichen. Es gibt spezielle Messgeräte für die Durchführung der Messung.
Im folgenden Teil werden verschiedene interessante Schaltungen im Zusammenhang mit Elektronenröhren vorgestellt und erläutert. Dazu gehören unter anderem der Wienbrücken-Generator, Multivibratoren, Tongeneratoren, Audion- und Pendelaudion-Schaltungen, Phasenumkehrstufen sowie ein elektronisch stabilisiertes Netzteil. Die Schaltungen werden im Detail erklärt, um ein besseres Verständnis für die Funktion der Elektronenröhren in verschiedenen Anwendungen zu vermitteln.
Elektronenröhren fanden in der Vergangenheit vor allem Verwendung zur Verstärkung von Signalen im Nieder- und Hochfrequenzbereich sowie zur Erzeugung von Schwingungen und Gleichrichtung von hohen Wechselspannungen. Auch in elektronisch stabilisierten Netzteilen und in der Messtechnik wurden sie eingesetzt. Im dritten Teil der Beitragsreihe werden einige spezielle Anwendungsfälle vorgestellt und genauer erläutert.
12. Schwingungserzeugung
Im Bereich der Niederfrequenz-Schwingungen wird häufig die Elektronenröhre eingesetzt. Diese wird verwendet, um sowohl impulsartige als auch kontinuierliche Schwingungen zu erzeugen. Impulsartige Schwingungen können beispielsweise durch rechteckige oder sägezahnförmige Signale erzeugt werden, während kontinuierliche Schwingungen durch sinusförmige Signale erzeugt werden. Die Elektronenröhre eignet sich besonders für die Erzeugung von Niederfrequenz-Schwingungen aufgrund ihrer hohen Leistung und Zuverlässigkeit.
Rechteck-Schwingung
Ein gängiger Generator zur Erzeugung von Rechtecksignalen ist der Multivibrator, der auch bei modernen Schwingungserzeugern mit Transistoren eingesetzt wird. Der Multivibrator verwendet CR-Spannungsteiler, nämlich Ck1-Rg1 und Ck2-Rg2, anstelle der ohmschen Spannungsteiler, die bei herkömmlichen Flip-Flop-Schaltungen verwendet werden.
Wenn angenommen wird, dass das Röhrensystem V1 gerade leitend geworden ist, wird das System von V2 durch die Ladung von Ck2 gesperrt. Ck2 entlädt sich über Rg2, bis der Anodenstrom in der Röhre V2 zu fließen beginnt. Die Spannung an der Anode von V2 und gleichzeitig am Gitter von V1 sinkt, wodurch auch der Anodenstrom von V1 sinkt. Die Spannung an der Anode von V1 und mit ihr am Gitter von V2 steigt an. V2 wird somit leitend und V1 gesperrt. Nun muss sich Ck1 über Rg1 entladen und der Prozess wiederholt sich. Die Schaltung erzeugt somit eine Schwingung mit einer Frequenz, die durch Ck1-Rg1 und Ck2-Rg2 bestimmt wird. Unterschiedlich lange Impulsdauern und Impulspausen können durch unterschiedliche Dimensionierung der beiden CR-Glieder erreicht werden. Ein Verhältnis von 1:10 sollte jedoch aus Stabilitätsgründen nicht überschritten werden.
Sägezahn-Schwingungen
Eine häufig verwendete Schaltung zur Erzeugung von Sägezahn-Schwingungen war der Miller-Transistor oder Miller-Integrator. Diese Schaltung wurde in den 1950er-Jahren hauptsächlich für die Erzeugung der Ablenkspannung in Fernsehgeräten und Oszilloskopen eingesetzt. Der Kippschwingungs-Erzeuger verwendet ein Steuergitter, das über einen Kondensator mit der Anode verbunden ist, so dass der Anodenstrom langsam ansteigt. Die Ladung am Gitter wird über den Widerstand Ri ebenfalls langsam abgeleitet, so dass die Änderung der Anodenspannung völlig linear verläuft. Das Zurückkippen in den Anfangszustand wird durch das Bremsgitter bewirkt, das über den Kondensator Ci mit dem Schirmgitter verbunden ist. Mit zunehmendem Röhrenstrom sinkt die Schirmgitterspannung, das Bremsgitter wird negativer und der Elektronenstrom zur Anode verringert sich.Die beschriebene Schaltung nutzt das Prinzip des Miller-Transitrons oder Miller-Integrators zur Erzeugung von Sägezahnschwingungen. Dabei wird das Steuergitter über einen Kondensator mit der Anode verbunden, was zu einem langsamen Anstieg des Anodenstroms führt. Die Änderung der Anodenspannung verläuft somit linear. Das Bremsgitter sorgt für das Zurückkippen in den Anfangszustand, indem es über den Kondensator Ci mit dem Schirmgitter verbunden ist und eine negative Spannung erzeugt, die den Elektronenstrom zur Anode verringert. Die Kippfrequenz wird durch den Kondensator Cl und den Widerstand R2 bestimmt, und am Anschlussknoten des Bremsgitters können Synchronisierungs-Impulse eingespeist werden, um eine Synchronisation mit dem TV-Sendersignal zu erreichen. Diese Schaltung wurde ab den 1950er-Jahren zur Erzeugung der Ablenkspannung in röhrenbestückten Fernsehgeräten und Oszilloskopen eingesetzt.
Der Miller-Transistron ist ein Sägezahn-Generator, der dazu dient, an der Anode ein Sägezahnsignal zu erzeugen. Die Schaltung verwendet ein Integrierglied, das aus den Schaltungselementen Cl und R5 besteht. Der Kondensator Cl und der Widerstand R5 sind so dimensioniert, dass sie eine bestimmte Integrationszeit ergeben. Durch die Anwendung von Spannungsänderungen an der Anode wird eine Ladung auf dem Kondensator erzeugt, die linear ansteigt und dann über den Widerstand R5 langsam abfließt. Wenn die Spannung am Bremsgitter negativ genug wird, wird der Elektronenstrom zur Anode verringert und es erfolgt ein Zurückkippen in den Anfangszustand. Die Kippfrequenz wird durch den Kondensator Cl und den Widerstand R2 bestimmt, während am Anschlussknoten des Bremsgitters Synchronisierungs-Impulse eingespeist werden können, um eine Synchronisierung mit dem Spannungsverlauf des TV-Senders zu ermöglichen.
Sinusschwingungen mithilfe eines Wien-Robinson-Generators
Die im Bild zu sehende Wien-Robinson-Brücke ist eine Brückenschaltung, bei der ein Brückenzweig durch einen Bandpass und der andere durch einen 2:1-Spannungsteiler gebildet wird. Es gibt zwei Varianten der Schaltung mit unterschiedlichen Werten für die Widerstände. In der ersten Variante werden zwei Doppelpotentiometer mit je 100 kΩ linear und 450 kΩ in Reihe geschaltet, sodass R1 und R2 jeweils einen Wert von 550 kΩ haben. In der zweiten Variante wird das Doppelpotentiometer ebenfalls mit 2x 450 kΩ in Reihe geschaltet, aber mit einem Wert von 100 kΩ, sodass R1 und R2 jeweils einen Wert von 550 Ω haben. Diese Schaltung ist mit einem zweistufigen Verstärker ausgestattet, der mit einer Doppelröhre (ECF 82) betrieben wird.
Ein Wien-Robinson-Brückenschaltung-Generator besteht hauptsächlich aus einer Brückenschaltung, die auf einem frequenzabhängigen Spannungsteiler basiert. Der Spannungsteiler besteht aus zwei Impedanzen, Zi = Ri - j/coCi und Z2 = 1/Y2, die zusammen mit R3 und R4 die Brückenschaltung bilden. Der Leitwert Y2 ergibt sich aus der Differenz von 1/R2 - jwC2. Im Resonanzfall ist kli = 3, was bedeutet, dass der angeschlossene Verstärker eine Verstärkung von mindestens 3 benötigt, um eine Schwingungserregung zu erreichen. Ein praktisches Beispiel für einen solchen Generator ist ein Triode-Pentode ECF 82, bei dem der Koppelkondensator zur Brückenschaltung hin mit 25 uF bemessen ist, um zusätzliche Phasendrehungen zu vermeiden. Die Frequenzeinstellung erfolgt mit einem Tandem- oder Doppelpotentiometer (linear). Um ein Aufschaukeln des eingeschwungenen Zustands zu vermeiden, erfolgt eine Amplitudenstabilisierung mittels eines Halbleiterwiderstands (HRW 2/1) anstelle des normalerweise dort platzierten Brückenwiderstands R3. Der Halbleiterwiderstand wird vom Verstärkerausgang aufgeheizt und ändert seinen Wert entsprechend der Beziehung R 1/t (°C). Alternativ könnte auch ein Kaltleiter anstelle des Brückenwiderstands R4 eingesetzt werden.
Das Verhältnis des frequenzabhängigen Spannungsteilers in der Wienschaltung lässt sich aus dem ersten Element kl der Kettenmatrix für diesen Vierpol berechnen. Dazu verwendet man die Formel: kll = (UR02Ausgang Z1 + Z2 Zi) / (Rol,Eingang Z2 Zy) (1). Nach Einsetzen der entsprechenden Werte und der Trennung in Real- und Imaginärteil erhält man für den Fall, dass C1=C2=C und R1=R2=R ist, die Gleichung: k„ = 3 + j(coR 1/C) / (coR2C) (2).
Die Resonanzfrequenz ergibt sich aus der Gleichung: = 1 / (2π√R1R2C1C2)
Die Schaltung des Wien-Robinson-Generators wurde dimensioniert, um sinusförmige Wechselspannungen im Frequenzbereich von 800-1000 Hz zu erzeugen. Die Schaltung ist mit einer Triode-Pentode vom Typ ECF 82, einer Doppelröhre, ausgestattet. Die Bauelemente der Brückenschaltung sind rot markiert. Zur Amplitudenstabilisierung wird ein Halbleiterwiderstand namens HRW 2/1 verwendet.
In der Schaltung des Wien-Robinson-Generators wird eine Triode-Pentode-Röhre vom Typ ECF 82 eingesetzt. Es ist interessant zu sehen, dass man aufgrund der Bauweise der Röhren einen Blick ins Innere werfen kann. In Bild 6a erkennt man das schmale Triodensystem auf der rechten Seite und das breitere Pentodensystem auf der linken Seite, welche senkrecht zueinander stehen. Auf Bild 6b ist es genau umgekehrt: Das schmalere Triodensystem befindet sich links und das breitere Pentodensystem rechts daneben. Die Schaltung ist dazu ausgelegt, sinusförmige Wechselspannungen zu erzeugen und wird durch einen Halbleiterwiderstand namens HRW 2/1 stabilisiert. Alternativ dazu kann man auch mit einem Phasenschieber-Generator Sinusschwingungen erzeugen.
Sinusschwingungen mithilfe eines Phasenschieber-Generators
Der Phasenschieber-Generator ist der Hauptbestandteil dieses Generatortyps und besteht aus drei RC-Gliedern. Jedes dieser RC-Glieder dreht die Phase um 60 Grad, was insgesamt eine Phasendrehung von 180 Grad ergibt. In Kombination mit der Phasendrehung durch die Elektronenröhre (EF 95) ergibt dies eine Phasendrehung um 360 Grad, was zur Selbstregeneration des Generators führt. Es ist wichtig zu beachten, dass die in Reihe geschalteten RC-Pässe des Phasenschiebers sich gegenseitig beeinflussen. Jede nachfolgende Stufe belastet den Ausgang der Vorstufe mit ihrer Impedanz, was Auswirkungen auf die Ausgangsspannung und die Oszillatorfrequenz bei einer Gesamtphasendrehung von 180 Grad hat.RC-Phasenschieber sind einfach aufzubauen und können auch für die Erzeugung sehr niedriger Frequenzen dimensioniert werden. Der Aufbau abstimmbarer Oszillatoren ist dagegen schwieriger, da immer drei Widerstände oder Kondensatoren wertegleich geändert werden müssen. Diese Problematik gilt nicht nur für den Röhrenbetrieb, sondern auch für den Betrieb mit Transistoren. Der Wien-Robinson- oder der Wienbrückengenerator bieten wesentlich bessere Eigenschaften und sind einfacher zu handhaben.
13. Verstärker-Grundschaltungen
Als Grundschaltungen bezeichnet man prinzipielle Schaltungen von Elektronenröhren, bei denen eine der drei Elektroden (Anode, Kathode oder Steuergitter) den gemeinsamen Anschlusspunkt für den Eingang und für den Ausgang bildet. Die am häufigsten verwendete Schaltung ist die Kathoden-Basisschaltung (a). Sie liefert bei relativ hohem Eingangs- und Ausgangswiderstand eine große Spannungsverstärkung. Der Arbeitswiderstand RA liegt in der Anodenleitung. Die Anoden-Basisschaltung (b) wird meist als Impedanzwandler verwendet. Der Arbeitswiderstand RA liegt hier in der Kathodenleitung. Infolge der starken Gegenkopplung über den Kathodenzweig lassen sich mit diesem Schaltungstyp sehr hohe Eingangswiderstände erreichen, wobei der Ausgangswiderstand niedrig ist. Die Spannungsverstärkung ist hier kleiner als 1.
Die Gitter-Basisschaltung (c) wird vorwiegend bei hohen Frequenzen zur Entkopplung von Eingangs- und Ausgangskreis verwendet, des Weiteren auch zur Impedanzwandlung bei kleinem Eingangs- und großem Ausgangswiderstand. Der Arbeitswiderstand RA liegt hier in der Anodenleitung. Die Rückwirkungskapazität ist bei diesem Schaltungstyp sehr klein. Die mit Elektronenröhren erreichbaren Verstärkungen haben natürlich auch ihre Grenzen. Sie hängen ab vom jeweiligen Schaltungstyp und der Art der Röhre (Triode oder Pentode).
Verstärker, RC-gekoppelt
Die Kathoden-Basisschaltung war ein gängiger Schaltungstyp für röhrenbetriebene NF-Verstärker. Es wurde eine negative Vorspannung von etwa -1,5 bis -2,5 V gegenüber der Kathode an das Steuergitter angelegt, um die Verstärkung zu erhöhen. Alternativ konnte die Kathode ein um den gleichen Wert positiveres Potential erhalten, indem ein Widerstand Rk in die Kathodenleitung eingefügt wurde, dessen Größe sich nach dem Kathodenstrom richtete. Bei einem Kathodenstrom von 6,6 mA und einem Kathodenwiderstand Rk von 300 Ohm ergibt sich eine Gittervorspannung von etwa -2 V bezogen auf das Massepotential. Dieser Schaltungstyp wurde mit Trioden, Tetroden und insbesondere mit Pentoden eingesetzt.
Links im Bild ist das Schaltbild einer RC-gekoppelten NF-Verstärkerstufe mit Triode und einem realen Arbeitswiderstand Ra zu sehen. Rechts daneben befindet sich ein Beispiel für eine Doppeltriode (ECC 81), bei der man die beiden Einzelsysteme klar erkennen kann. Im unteren Bild ist das zugehörige typische Uo-Io-Kennlinienfeld einer Triode (hier: ECC 81) dargestellt, mit einer eingetragenen Kurve für die maximale Anodenverlustleistung N0,max.
Links im Bild ist das Schaltbild einer RC-gekoppelten NF-Verstärkerstufe mit Pentode und einem realen Arbeitswiderstand Ro zu sehen. Rechts daneben befindet sich ein Beispiel für eine Pentode (EF 80). Im unteren Bild ist das typische Uo-Io-Kennlinienfeld einer Pentode (hier: EF 80) dargestellt, mit einer eingetragenen Kurve für die maximale Anodenverlustleistung N0,max.
Eine an das Steuergitter angelegte Wechselspannung verursacht einen entsprechenden Anodenwechselstrom, der im äußeren Arbeitswiderstand eine Anodenwechselspannung erzeugt. Dies führt zu einer Spannungsverstärkung, die als Verhältnis von Anodenwechselspannung zu Gitterwechselspannung definiert ist. In einer gegebenen Schaltung hat der Arbeitswiderstand einen Wert von 10 kΩ. Bei einer Betriebsspannung von 250 V und einem Anodenstrom von 6,6 mA entsteht ein Spannungsabfall von 66 V, was zu einer Anoden-Gleichspannung von 184 V führt. Wird eine Induktivität anstelle des ohmschen Widerstands in den Anodenkreis eingefügt, steigt deren komplexer Widerstand mit zunehmender Frequenz an, sodass die Anodenspannung fast den gleichen Wert wie die Betriebsspannung erreicht. Bei Verwendung einer Pentode ändert sich die Situation: Das Bremsgitter liegt auf dem Kathodenpotential und das Schirmgitter erhält eine positive Vorspannung.
Der grundlegende Unterschied zeigt sich beim Vergleich der Kennlinienfelder von Trioden und Pentoden. Zu Beginn steigen die Kennlinien bei Pentoden noch steil an, biegen dann aber fast horizontal um in eine Art "Pseudosättigung", was darauf hindeutet, dass die Anodenspannung kaum noch Einfluss auf den Anodenstrom hat. Bei mehreren RC-gekoppelten Verstärkerstufen hängt die Verstärkung einer einzelnen Stufe nicht nur vom Arbeitswiderstand ab, sondern auch vom Koppelkondensator zur nächsten Stufe sowie vom Gitterableitwiderstand und dem Eingangswiderstand der folgenden Verstärkerstufe. Der kapazitive Widerstand des Koppelkondensators und der Gitterableitwiderstand der nachfolgenden Verstärkerstufe bestimmen mit ihrer Zeitkonstante den Frequenzbereich des Verstärkers nach unten, also die untere Grenzfrequenz.
Gegentakt-Verstärker- Endstufe
Die Abbildung zeigt das Prinzip einer röhrenbestückten Gegentakt-Endstufe mit Übertragern am Eingang und am Ausgang. Diese Schaltung war früher bereits zur Erzeugung höherer elektrischer Leistung gebräuchlich und wird auch heute noch bei Transistor-Verstärkern eingesetzt. Mit Gegentakt-Schaltungen kann eine deutliche Verringerung von Verzerrungen erreicht werden. Der Wirkungsgrad der Endstufe hängt von der Kennlinien-Einstellung ab, wobei zwischen A-, B- und C-Betrieb sowie der AB-Einstellung unterschieden wird. Ein angeschlossener Lautsprecher kann als Abschluss dienen. Im Gegensatz zu heutigen Transistor-Verstärkern wurden früher röhrenbestückte Gegentakt-Endstufen verwendet, um eine höhere elektrische Leistung zu erreichen und Verzerrungen zu reduzieren. Der Wirkungsgrad dieser Endstufen hängt von der Art ihrer Kennlinien-Einstellung ab. Es gibt vier Arten von Betriebseinstellungen: A-, B-, C- und AB-Betrieb.
Im A-Betrieb liegt der Arbeitspunkt jeder der beiden Röhren in der Mitte des geradlinigen Teils der Gitter-Spannung zu Anodenstrom-Kennlinie. Hier wird eine gleichmäßige Aussteuerung nach beiden Seiten erreicht, aber der Wirkungsgrad erreicht nur maximal 45%. Eintakt-Endstufen und Vorstufen-Röhren arbeiten typischerweise im A-Betrieb.
Im B-Betrieb hingegen liegt der Arbeitspunkt im unteren Kennlinienknick, was zu einer Erweiterung des Aussteuerungsbereichs führt. Ein zweites Röhrenpaar, das im Gegentakt-Betrieb arbeitet, ist hier notwendig, um beide Halbwellen zu verstärken und sie in einem Ausgangsübertrager zusammenzuführen. Der Wirkungsgrad erreicht maximal etwa 70%.
Bei C-Betrieb wird der Arbeitspunkt noch weiter in Richtung des unteren Kennlinienknicks gelegt, um einen maximalen Wirkungsgrad von 85% zu erreichen. Allerdings führt diese Betriebsart zu starken Verzerrungen und ist daher nur für Sender-Endstufen von Interesse.
Im AB-Betrieb arbeitet eine Gegentakt-Endstufe als 4-Verstärker bei kleiner Aussteuerung und geht bei großen Amplituden in den B-Betrieb über. Hier wurde die Gittervorspannung bei praxisüblichen Schaltungen durch eine Katoden-Widerstandskombination erzeugt.
14. Phasenumkehrstufe
Für die Ansteuerung von Gegentakt-Endstufen sind zwei um 180 Grad phasenverschobene Spannungssignale am Eingang erforderlich. Eine gängige Schaltung für diesen Zweck ist die Katodyn-Schaltung, bei der der Arbeitswiderstand der Röhre aufgeteilt wird. Ein Teilwiderstand liegt in der Katodenleitung und die Spannung, die an ihm abfällt, ist phasengleich mit der Eingangsspannung. Der andere Teilwiderstand hat eine Spannung, die um 180 Grad phasenverschoben ist. Eine negative Gittervorspannung wird durch einen Serienwiderstand in der Katodenleitung erzeugt. Wenn zwei gleichgroße Arbeitswiderstände verwendet werden, ist diese Schaltung sehr effektiv in Bezug auf Phasenreinheit und Spannungsgleichheit. Die Verstärkung dieser Stufe ist immer kleiner als eins.
15. Gleichrichtung
a) Die Schaltung zeigt eine Doppeldiode, die als Gleichrichter dient, und einen Ladekondensator (28 µF CL).
b) Der obere Teil des Spannungsverlaufs am Ladekondensator zeigt die Ladekurve ohne Last, während der untere Teil die Ladekurve mit einer sehr kleinen Last R zeigt.
c) Die Siebkette besteht aus einem Siebkondensator Cs und einer Drossel RD, die nach der Gleichrichterröhre angeordnet sind.
d) Das Symbol zeigt eine ältere Gleichrichterröhre vom Typ RGN 4004 mit einem Vier-Stift-Europa-Sockel. Es wird erwähnt, dass in älteren deutschsprachigen Dokumentationen das Symbol für Wechselspannungen auch in Sütterlinschrift angegeben wurde. Weitere Symbole sind Cs für Siebkondensator, RD für Drossel und R für Lastwiderstand.
Kuba-Imperial Musiktruhe Komet 1223 SL
Früher wurden Gleichrichterröhren verwendet, um Netzwechselspannungen zu Gleichspannungen zu machen. Die beiden Arten von Gleichrichterröhren waren Einfachdioden für Einweggleichrichtung und Doppeldioden für Zweiweggleichrichtung. Die Zweiweggleichrichtung wurde bevorzugt, da bei ihr beide Halbwellen der Transformatorspannung gleichgerichtet wurden. Dazu waren zwei Wicklungen oder Wicklungshälften auf dem Transformator notwendig. Zur Glättung der gleichgerichteten Spannung wurde eine Siebkette aus einer Drossel und einem Siebkondensator hinter dem Ladekondensator CL verwendet. Das Netzteil erzeugte Gleichspannungen von 250 V bis 300 V und eine Heizspannung von 6,3 V.
Das obere Bild zeigt das Schaltbild eines Netzteils mit halbautomatischer Erzeugung von Gittervorspannungen für Vorröhren und Endröhren eines NF-Verstärkers. Auf dem unteren Bild sind zwei verschiedene Doppel-Dioden zu sehen. Links ist eine AZ1 mit Außenkontaktsockel und einer Heizspannung von 4 V abgebildet. In der Mitte und rechts sind EZ 80 Doppel-Dioden zu sehen, welche eine Heizspannung von 6,3 V benötigen. Im mittleren Bild sind die beiden Dioden-Systeme besonders deutlich zu erkennen.
16. Elektronisch stabilisiertes Netzteil
Früher wurde die PL81-Röhre als Triode geschaltet, um Netzspannungs-Teile zu stabilisieren. Zur Verstärkung nutzte man die EF42-Röhre, aufgrund ihrer großen Steilheit. Ein elektronisch stabilisiertes Netzspannungsteil wird in der Abbildung gezeigt, welches aus zwei Elektronenröhren und einer Stabilisatorröhre besteht. Die Stabilisatorröhre ist eine 85 41. Die Schaltung sorgt dafür, dass die verfügbare Gleichspannung am Ausgang konstant bleibt, unabhängig davon, ob sich die Netzspannung oder die Last am Ausgang ändert. Der Innenwiderstand der Röhre 1 liegt zwischen dem Ausgang des Netzgleichrichters und dem Verbraucher. Die Spannung am Gitter dieser Röhre wird von der Spannung am Verbraucher gesteuert, die über einen einstellbaren Spannungsteiler abgenommen und über eine Pentode-Röhre 2 (mit möglichst großer Steilheit S) verstärkt wird. Die EF42 wurde oft als Pentode verwendet.
Das Schaltbild eines elektronisch stabilisierten Netzspannungsteils wurde verwendet, um die Spannung am Ausgang der Schaltung innerhalb bestimmter Grenzen konstant zu halten. Die Schaltung verwendet zwei Elektronenröhren und eine Stabilisatorröhre (typischerweise die 85 41), um die Veränderungen der Netzspannung oder der Verbraucherlast zu kompensieren. Die Röhre 1 fungiert als Innenwiderstand zwischen dem Ausgang des Netzgleichrichters und dem Verbraucher. Die Gitterspannung der geregelten Röhre 1 wird von der Spannung am Verbraucher gesteuert, die von einem einstellbaren Spannungsteiler abgegriffen wird und über die Verstärkerröhre 2 (typischerweise die EF 42) verstärkt wird. Wenn die Spannung unmittelbar hinter dem Gleichrichter sinkt, sinkt auch die Spannung am Verbraucher und der Innenwiderstand von Röhre 1 nimmt ab. Dies führt dazu, dass der Spannungsabfall an dieser Röhre zurückgeht und die Spannung am Verbraucher konstant bleibt. Die Stabilisatorröhre 85 Al liefert die Bezugsspannung für die Gittervorspannung der Steuerröhre und zeichnet sich durch besonders hohe Konstanz aus. Durch diese Schaltung bleibt die Verbraucherspannung auch bei einer Änderung der Netzspannung um 10% nahezu konstant.
In diesem letzten Teil der Beitragsreihe geht es um den Einsatz von Elektronenröhren in der Hochfrequenztechnik. Elektronenröhren wurden seinerzeit oft als "Radioröhren" bezeichnet. Im Gegensatz zur Akustik, wo der menschliche Hörbereich genau definiert ist, sind die Frequenzgrenzen in der HF-Technik nicht immer einheitlich benannt. Der Fokus liegt hier auf dem Frequenzbereich von 30 kHz bis 300 MHz. Vor 100 Jahren wurde die HF-Technik in diesem Bereich bereits für die Erzeugung und Fortleitung von elektrischen Wechselströmen und elektromagnetischen Feldern verwendet, hauptsächlich mithilfe von Elektronenröhren.
HF-Generatoren mit Elektronenröhren
In diesem Teil der Beitragsreihe geht es um die Erzeugung von hochfrequenten (Sinus-)Schwingungen mithilfe von LC-Gliedern, ähnlich wie im Teil 3 der Reihe, wo RC-Glieder verwendet wurden. Früher wurden für röhrenbetriebene HF-Generatoren eine Vielzahl von verschiedenen Schaltungen eingesetzt, darunter die Meißner-, Colpitts-, Hartley-, Huth-Kühn- oder Heegener-Schaltung. Auch quarzstabilisierte HF-Generatoren kamen zum Einsatz. Heutzutage werden diese Schaltungen, leicht abgewandelt, nur noch mit Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren bestückt. Ein Beispiel für eine solche Schaltung sind Sinus-Generatoren nach dem Prinzip von Meißner und Colpitts bzw. Hartley.
17. Meißner-Oszillator
In Bildteil a) ist ein Meißner-Oszillator mit einer Triode zu sehen, während in Bildteil b) eine Transistor-Schaltung zu sehen ist, die erst nach dem Aufkommen von Transistoren entstand. Die Schaltung in Bildteil a) wurde bereits 1913 von der "Gesellschaft für drahtlose Telegrafie" patentiert. Die Induktivitäten L1 und L2 haben entgegengesetzte Wicklungssinne, um eine Phasendrehung von 180° zu erreichen. Für eine ungedämpfte Schwingung muss die Gesamtrückkopplung der Schaltung in Phase sein, also 0° oder ein Vielfaches von 360°.
Die Meißner-Schaltung, bestehend aus einer Triode und einer Koppelspule, wurde bereits 1913 von der "Gesellschaft für drahtlose Telegrafie" patentiert. Es handelt sich hierbei um einen Verstärker, der über die beiden Induktivitäten L1 und L2 rückgekoppelt ist. Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser Schaltung ist die Koppelspule L1, die einen entgegengesetzten Wickelsinn im Vergleich zur Schwingkreisspule L2 hat, um eine Phasendrehung von 180° zu erreichen. Zusammen mit der Phasendrehung um 180° durch die Triode ergibt dies einen Phasenwinkel von 360°, was zur Selbsterregung der Schaltung führt. Der entgegengesetzte Wicklungssinn ist im Bild a) durch rote Punkte an den Enden der Spulen gekennzeichnet. Die Frequenz, mit der dieser Oszillator schwingt, ergibt sich nach der Thomsonschen Schwingungsformel. Das Bild b) zeigt den Meißner-Oszillator mit einem heute üblichen npn-Transistor. Der Meißner-Generator ist ein "transformatorgekoppelter" Sinus-Oszillator, der in der früheren Technik der Rundfunk- und Fernsehgeräte im gesamten Frequenzbereich von Langwelle bis TV-Bereich eingesetzt wurde.
Colpitts- und Hartley-Oszillator
Der Generatortyp in Bild 2a) und 2b) ist ein Röhrenoszillator in kapazitiver oder induktiver Dreipunktschaltung. Bei der induktiven Spannungsteilung wird der Rückkopplungsfaktor durch die Anzapfung an der Schwingspule (L1 und L2) eingestellt. Die Oszillatorfrequenz berechnet sich nach den folgenden Formeln: Für den Colpitts-Oszillator: 1/(2π√(L·C1·C2/(C1+C2))) Und für den Hartley-Oszillator: 1/(2π√(L·(C1+C2)·C2)) In der kapazitiven Dreipunkt-Schaltung wird der Rückkopplungsfaktor über die Wahl der Kondensatoren C1 und C2 eingestellt.
18. Rundfunkempfänger mit Elektronenröhren - Das Audion
Der Volksempfänger VE 301 war ein bekanntes Beispiel für einen Audion-Geradeaus-Empfänger in Deutschland in den 1940er-Jahren. In der oberen linken Ecke ist die Vorderansicht des Geräts zu sehen, während in der oberen rechten Ecke die Rückansicht bei geöffneter Rückwand zu sehen ist. Das Schaltbild der Audion-Schaltung mit den Röhren AF7 und RES164 sowie der Gleichrichterröhre RGN 1064 ist unten dargestellt. Anstelle der Gleichrichterröhre wurde oft ein Selen-Gleichrichter verwendet.. Der Audion war der erste Rundfunkempfänger mit Elektronenröhren nach dem Kristalldetektor. Es handelte sich um einen Geradeaus-Empfänger, der für den Empfang von amplitudenmodulierten Sendungen (AM-Rundfunk) einschließlich des Amateurfunks auf Kurzwelle konzipiert war. Die Gitter-Kathoden-Strecke des Audions übernimmt die Rolle des Demodulators (Gittergleichrichtung) und verstärkt gleichzeitig die gewonnene Niederfrequenz. Um die Empfindlichkeit und Selektivität des Eingangskreises zu erhöhen, ist eine Entdämpfung durch Mitkopplung (CrLr) erforderlich. Allerdings ist eine automatische Verstärkungsregelung nicht möglich. In Deutschland waren in den 1940er-Jahren der DKE und der VE 301 bekannte Beispiele für Audion-Geradeaus-Empfänger. Der VE 301 verwendete in der Regel die Röhren AF7, RES164 und RGN 1064 (bzw. einen Selen-Gleichrichter anstelle der Gleichrichterröhre). Eine Doppeldiode kam oft zum Einsatz und bestand aus zwei Einzeldioden.
In den 1960er-Jahren wurden trotz des Vorhandenseins von Überlagerungsempfängern mit Röhren immer noch Audion-Empfänger für Kurzwellenamateure mit Röhren gebaut. Ein Beispiel dafür ist der Zweikreis-KW-Empfänger für das 20-m-Band mit regelbarer Vorkreisentdämpfung. Das Audion war aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit sehr beliebt und konnte mit angezogener Rückkopplung leistungsmäßig einem normalen Mittelsuper gleichwertig sein. Das ECO-Audion (Electron Coupled Oscillator) war in den 1950er- bis 1970er-Jahren bei KW-Amateuren sehr beliebt. Der wesentliche Unterschied zum normalen Audion besteht darin, dass die Kathode hier nicht an Masse, sondern an einer Anzapfung am unteren Teil der Schwingkreisspule angeschlossen ist. Der Rückkopplungseinsatz geschieht hier über die Änderung der Steilheit der Röhre Rö 3. Bei Trioden erfolgt dies über die Änderung der Anodenspannung, während es bei Pentoden über die Schirmgitterspannung geschieht.
Das Schaltbild eines einfachen Audion-Empfängers zeigt einen Schwingkreis mit dem (dreh)baren Kondensator Cs, um den gewünschten Sender einzustellen. Der Rückkopplungsdrehkondensator Cr kann so eingestellt werden, dass die Schaltung kurz vor dem Rückkopplungseinsatz betrieben wird, was die Empfangsempfindlichkeit erhöht.
Im VE 301 Empfänger wurden häufig die Elektronenröhren AF7, RES164 und die Gleichrichterröhre RGN 1064 verwendet. Anstelle der Gleichrichterröhre wurde auch oft ein Selen-Gleichrichter eingesetzt, was zu dieser Zeit üblich war.
Das Bild zeigt einen Zweikreis-Kurzwellenempfänger für das 20-m-Band mit einer Vorderansicht auf der linken Seite und einem Blick auf das Chassis ohne Gehäuse auf der rechten Seite. Vor der Röhre 2 (EF 11) ist der Doppel-Drehkondensator deutlich zu erkennen.
Schaltbild des Zweikreis-Kurzwellenempfängers mit ECO-Audion für das 20-m-Band
Das Schaltbild eines ECO-Audions, auch bekannt als Electron Coupled Oscillator, unterscheidet sich wesentlich von einem normalen Audion. Hierbei ist die Kathode nicht mit dem Massepunkt, sondern mit einer Anzapfung am unteren Teil der Schwingkreisspule verbunden. Der Rückkopplungseinsatz wird durch die Veränderung der Steilheit über die Schirmgitterspannung bestimmt. Das Potentiometer P2 im Schaltbild wird zur Einstellung der Schirmgitterspannung verwendet.
19. Der Überlagerungsempfänger (Superhet)
Bei einer Mischschaltung mit einer Verbundröhre wie der ECH 11 erfolgte die Verbindung zwischen dem Oszillatorgitter und dem Gitter 3 der Mischröhre nicht im Inneren der Röhre, sondern an der Röhrenfassung. Beide Drehkondensatoren wurden über eine gemeinsame "Drehko"-Achse miteinander verbunden, wie durch die rot gestrichelte Linie im Schaltbild angedeutet. Moderne Verbundröhren ermöglichten bereits damals eine problemlose Arbeit im UKW-Bereich.
Das Überlagerungsverfahren ist bekannt für seine deutliche Verbesserung der Empfangstrennschärfe im Vergleich zum Geradeaus-Empfänger. Während dies in heutigen transistorbestückten Rundfunkempfängern bereits bekannt ist, beschränken sich schaltungstechnische Besonderheiten bei Röhrengeräten auf additive Mischschaltungen mit Pentoden oder Mischstufen mit Doppeltrioden. Beliebt waren früher Mischschaltungen mit Verbundröhren wie der ECH 11, bei denen die Eingangs- und Oszillatorspannung an getrennte Steuergitter einer Verbundröhre (Hexode, Heptode oder Oktode) zugeführt wurden. Die Zwischenfrequenzen haben sich seit der Röhrenzeit nicht wesentlich verändert, nämlich AM (455 kHz, früher: 488 kHz) und FM (10,8 MHz).
Grid-Dipmeter
Das Schaltbild des Dipmeters zeigt eine Triode, die mit einem Doppel-Drehkondensator abgestimmt ist. Der Drehkondensator ist in der Mitte geerdet und dient zur Bestimmung der Resonanzfrequenz. Die fertig dimensionierte Schaltung zeigt die Triode EC94 oder EC86 als Verstärker. Das Grid-Dipmeter kann verwendet werden, um Antennen, Schwingkreise und Resonanzkreise zu messen. Ein Dipmeter oder auch Grid-Dipmeter ist ein HF-Oszillator, der durchgestimmt werden kann und dessen Schwingkreisspule von außen zugänglich ist. Es dient zur Messung von Resonanzfrequenzen und ist somit ein wichtiges Messgerät im Hochfrequenzbereich. Die älteren Dipmeter wurden mit Elektronenröhren betrieben, heutzutage gibt es jedoch auch transistorbestückte Varianten.
Ein Dipmeter besteht aus einem abstimmbaren HF-Oszillator und einem Satz von aufsteckbaren Schwingkreisspulen, wobei durch Spulentausch der jeweilige Messbereich frei wählbar ist. Bei der Messung wird die passende Schwingkreisspule des Dipmeters in die Nähe des zu prüfenden Schwingkreises gehalten und wenn die Frequenzen beider Kreise übereinstimmen, entzieht das Messobjekt dem Oszillator Energie. Das verändert den Gitterstrom der Oszillatorröhre, was durch einen "Dip" am Messgerät angezeigt wird und somit messbar ist. Grid-Dipmeter können verwendet werden, um elektrische Schwingkreise sowie Antennen zu messen. Zusätzlich können sie auch zur Überprüfung von Oszillator-, ZF- und Abstimmkreisen von HF-Sendern und -Empfängern eingesetzt werden. Der Messbereich des Dipmeters liegt zwischen etwa 100 kHz und 500 MHz und kann durch den Austausch von Steckspulen in groben Schritten gewählt werden.
Es gab verschiedene Geräte von Herstellern wie Grundig, RFT und vielen anderen, die alle Röhren als Bauteile verwendeten. Auf dem rechten Bild ist ein Dipmeter von Heathkit zu sehen, das mit sieben Steckspulen ausgestattet ist. Das linke Bild zeigt ein Gerät, bei dem man die Elektronenröhre in der Mitte des Chassis erkennen kann.
20. Elektronenröhren als regelbare lnduktivitäten und Kapazitäten
Elektronenröhren können auch als regelbare Induktivitäten und Kapazitäten eingesetzt werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Röhre als regelbare Induktivität oder Kapazität zu nutzen. In der Schaltung a) wird die Röhre als regelbare Induktivität mit einem RC-Spannungsteiler genutzt, während in Schaltung
b) ein LR-Spannungsteiler verwendet wird. In Schaltung
c) wird die Röhre als regelbare Kapazität mit einem CR-Spannungsteiler genutzt und in Schaltung
d) mit einem RL-Spannungsteiler. Ein Trennkondensator wird in der Regel eingesetzt, um die Schaltung von der Röhre zu trennen.
Der Frequenzabhängige Spannungsteiler wird so dimensioniert, dass die Wechselspannung uG am Kondensator Cl der Anoden-Wechsel-Spannung uA um 90° nacheilt. Die Gitter-Wechselspannung uG steuert den Anodenstrom gleichphasig, so dass dieser der Spannung uA um 90° (entsprechend n/2) nach eilt. Die Röhrenschaltung verhält sich somit bezogen auf die Anschlüsse A und K wie eine Induktivität, der Strom eilt der Spannung um 90° nach.
Blindwiderstandsröhren, auch bekannt als Varaktor-Röhren, wurden speziell für den Einsatz als regelbare Kapazitäten entwickelt. Röhren mit großer Steilheitsänderung bei geringer Änderung der Gitterspannung waren dafür am besten geeignet. In allen Schaltungen dieser Art befand sich ein Trennkondensator CI (oder Crr) zwischen Steuergitter und Anode, um eine Gleichstromtrennung zwischen beiden herzustellen. Blindwiderstandsröhren sind Röhren, die für eine Veränderung des induktiven bzw. kapazitiven Blindwiderstands genutzt werden können. Hierfür wird der Arbeitspunkt der Röhre beeinflusst, wobei Röhren mit großer Steilheitsänderung bei relativ geringer Gitterspannungsänderung am besten geeignet sind. Ein Trennkondensator sorgt für die Trennung von Steuergitter und Anode. Die Grundschaltungen ermöglichen die Bestimmung der erreichbaren Induktivität bzw. Kapazität durch Anpassung von R, C und S. Blindwiderstandsröhren fanden früher Anwendung bei der automatischen Scharfabstimmung von Überlagerungsempfängern.
Kurzwellensender mit Elektronenröhren für den Amateurfunk
Die Verwendung von Elektronenröhren ist ein umfassendes Thema, das nicht in einem einzigen Überblick behandelt werden kann. Ein Beispiel einer einfachen Schaltung ist ein Zweikreis-Kurzwellensender für das 80-m-Band. Die Schaltung verwendet eine ECO-Schaltung, bei der die Kathode nicht direkt mit Masse verbunden ist, sondern stattdessen an einer Anzapfung am unteren Teil der Schwingkreisspule angeschlossen ist. Solche Schaltungen waren oft für Amateurfunker geeignet, die die Schaltungen selbst bauen wollten. Diese spezielle Schaltung erreicht eine HF-Nutzleistung von bis zu 3W. Es gab auch ähnliche Schaltungen, die bereits eine Quarzkristallsteuerung enthielten, um das Problem der Frequenzkonstanz zu lösen. Mit einer EL84 als Endröhre konnte man im Morse-Betrieb bis zu 20W HF-Leistung erreichen, während für Telefonie etwa 12-15W möglich waren.
Es wird ein kleiner Zweikreis-Kurzwellensender für das 80-m-Band mit einer HF-Nutzleistung von etwa 3 Watt beschrieben. Die Schaltung ist eine sogenannte ECO-Schaltung, bei der die Kathode nicht direkt auf Masse liegt, sondern an einer Anzapfung am unteren Teil der Schwingkreisspule angeschlossen ist. Diese Art von Schaltung war zum Selbstbau für Anfänger im Amateurbetrieb gedacht. Es gab ähnliche Schaltungen, die bereits Quarzkristallsteuerung verwendeten, um das Problem der Frequenzkonstanz zu lösen.
Tesla-Generator mit Elektronenröhre
Im letzten Abschnitt des Artikels geht es um den Einsatz von Elektronenröhren in Tesla-Generatoren. Tesla-Generatoren sind spezielle Transformatoren, die aus zwei Luftspulen bestehen. Die Primärspule hat wenige Windungen, während die Sekundärspule bis zu 1000 Windungen haben kann. Die Anregung des Generators erfolgt durch einen HF-Generator, der oft mit einer Sende-Pentode PL504 bestückt ist. Diese Röhre hat einen 9-poligen Sockel und ungewöhnliche Kenndaten wie eine Heizspannung von 2,7 Volt, Anodenspannung von 50 Volt und Anodenstrom von 440 Milliampere. Die Sekundärspule ist oft auf einem langen Kunststoff- oder PVC-Rohr gewickelt und kann eine Spannung von bis zu 80-100 kV erzeugen. Mit einer geeignet geformten Elektrode (z.B. einer Spitze oder Kugel) können beeindruckende Funkenentladungen ausgelöst werden. Tesla wollte mit seinen Generatoren die "Ungefährlichkeit" von Wechselstrom demonstrieren.
Ein Tesla-Transformator ist ein spezieller "Transformator" ohne Eisenkern, der aus zwei Luftspulen besteht. Die Primärspule hat wenige Windungen und die Sekundärspule kann bis zu 1000 Windungen oder mehr haben. Der Generator, der die Primärspule anregt, ist normalerweise ein HF-Generator mit einer Frequenz von 1-3 MHz, der mit einer Sende-Pentode PL504 betrieben wird. Die Röhre hat einen NOVAL-Sockel mit 9 Anschlüssen, wobei der Anodenanschluss getrennt von den anderen Anschlüssen oben platziert ist. Der Tesla-Transformator kann beeindruckende Funkenentladungen erzeugen, wenn eine geeignet geformte Elektrode (Spitze, Kugel usw.) auf die Sekundärspule gerichtet wird.