Elektronenröhre

Grundprinzip und Bedeutung

Eine Elektronenröhre ist ein aktives elektrisches Bauelement. In einem evakuierten oder gasgefüllten Kolben aus Glas, Stahl oder Keramik befinden sich Elektroden, deren Anschlüsse nach außen geführt sind. Die einfachste Form ist die Diode mit beheizter Kathode und Anode. Elektronenröhren können elektrische Signale erzeugen, gleichrichten, verstärken oder modulieren.

Die Wirkung beruht auf Glühemission: Aus der beheizten Kathode treten freie Elektronen aus. Zwischen Kathode und Anode liegt ein elektrisches Feld, das die Elektronen zur Anode bewegt. Dieser Elektronenstrom kann durch weitere Elektroden beeinflusst werden, besonders durch ein Steuergitter zwischen Kathode und Anode. Je nach Gitterspannung wird der Elektronenfluss stärker oder schwächer gehemmt. So kann eine Röhre als Verstärker oder Oszillator arbeiten.

Bis zur Einführung des Transistors waren Elektronenröhren die einzigen schnellen aktiven und steuerbaren Bauelemente der Elektronik. Relais konnten nur ein- und ausschalten und waren wegen bewegter Teile langsam. Heute sind Röhren weitgehend durch Halbleiter ersetzt, werden aber noch in starken Sendeanlagen, Magnetrons für Radar und Mikrowellenherde, Kathodenstrahlröhren älterer Bildschirme, Audioverstärkern, Gitarrenverstärkern und Fluoreszenzanzeigen genutzt. Einige Typen werden weiterhin vor allem in Russland und China hergestellt oder stammen aus alten Ersatzteilbeständen.

Entwicklung und Aufbau

Die Grundlagen wurden im 19. und frühen 20. Jahrhundert gelegt. Frederick Guthrie entdeckte 1873 die Glühemission. Thomas Alva Edison beobachtete 1880 denselben Effekt bei Glühlampen mit zusätzlicher Elektrode; daraus entstand der Edison-Richardson-Effekt. John Ambrose Fleming patentierte 1904 die Vakuum-Diode. Robert von Lieben meldete 1906 eine quecksilberdampfgefüllte Verstärkerröhre an, Lee de Forest entwickelte ebenfalls 1906 die Audionröhre mit zusätzlichem Steuergitter. Die Hochvakuum-Triode wurde ab 1913 bei Western Electric gebaut. Später folgten wichtige Bauarten wie die Tetrode von Walter Schottky 1916 und die Pentode, die Bernard Tellegen 1926 zur Serienreife entwickelte.

Mechanisch besteht eine klassische Hochvakuumröhre aus einem geschlossenen Kolben mit einem Elektrodensystem. Die Materialien müssen sehr rein sein, weil Fremdstoffe, Fett, Staub oder Fusseln das Vakuum und die Emissionsfähigkeit der Kathode verschlechtern können. Frühe Röhren hatten Glaskolben, Quetschfuß, lange Anschlussdrähte und oft einen separaten Sockel aus Bakelit. Spätere Bauformen nutzten Pressglasteller, Allglasaufbau und kurze Anschlussstifte, wodurch auch höhere Frequenzen bis in den UHF-Bereich besser möglich wurden. Typische spätere Sockel waren Loktal-, Rimlock-, Miniatur- und Novalsockel.

Im Inneren werden Kathode, Gitter und Anode mit Glimmerplättchen oder ähnlichen Bauteilen mechanisch fixiert, damit sie auch bei Vibrationen ihre Lage behalten. Nach dem Zusammenbau wird der Kolben evakuiert. Das Vakuum ist nötig, damit Elektronen nicht ständig mit Gasmolekülen zusammenstoßen. Beim Ausheizen werden Bauteile erhitzt, um gebundene Gase zu entfernen. Danach wird ein Getter gezündet, der später freiwerdende Gase bindet; sein spiegelnder Belag zeigt bei vielen Glasröhren an, ob das Vakuum noch gut ist. Zum Schluss werden Röhren künstlich gealtert, geprüft, gestempelt und verpackt.

Funktion, Heizung und Elektroden

Der Elektronenstrom entsteht, wenn die beheizte Kathode Elektronen aussendet und die Anode sie anzieht. Bei umgekehrter Polung kann die Anode wegen ihrer niedrigeren Temperatur kaum Elektronen abgeben; darauf beruht die Gleichrichterwirkung der Röhrendiode. Ein gerichteter Elektronenstrom heißt Elektronenstrahl. Neben elektrischen Feldern können auch magnetische Felder, etwa Ablenkspulen, den Strom beeinflussen.

Für Verstärkerröhren ist die Kennlinie wichtig: Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen Anodenstrom und Gitterspannung. Ab einer bestimmten negativen Gitterspannung sperrt die Röhre; die Abschnürspannung kann je nach Typ zwischen −300 V bei der 4CX3000A und −2 V bei der EC8020 liegen. Wird das Steuergitter positiv, können Gitterstrom, Verzerrungen und thermische Überlastung auftreten. Der nutzbare Verstärkerbereich ist nur ungefähr linear. Das Raumladungsgesetz wird im Artikel mit I_Kathode = k · (U_st)^(3/2) angegeben. In Leistungsverstärkern werden Betriebsarten wie A-, B-, AB- und C-Betrieb genutzt. Gegentakt-B-Betrieb kann ohne Heizleistung bis zu 75 % Wirkungsgrad erreichen, C-Betrieb bei Hochfrequenzverstärkern etwa 87 %.

Die Kathode muss meist beheizt werden. Bei direkter Heizung ist der Heizdraht zugleich Kathode; sie braucht wenig Leistung und ist schnell einsatzbereit, kann aber bei Wechselstromheizung Brummen verursachen. Bei indirekter Heizung liegt ein separater Heizdraht isoliert in einem Kathodenröhrchen; dadurch sind mehr Schaltungsvarianten möglich. Parallelheizung betreibt mehrere Heizfäden an gleicher Spannung, Serienheizung schaltet sie hintereinander. Gebräuchliche Serienheizströme waren 50 mA, 100 mA, 150 mA, 300 mA, 450 mA und 600 mA.

Kathodenarten sind unter anderem Wolframkathoden mit über 2200 °C Betriebstemperatur, thorierte Wolframkathoden mit etwa 1500 °C, direkt geheizte Oxidkathoden unter 800 °C und indirekt geheizte Bariumoxidkathoden. Die Anode nimmt den größten Teil der Wärme auf und muss daher gut strahlen, luft-, wasser- oder anders gekühlt werden. Weitere Elektroden sind Steuergitter, Schirmgitter, Bremsgitter und Fokussierelektroden. Das Steuergitter darf selbst keine Elektronen aussenden; sonst entsteht Gitteremission, die den Arbeitspunkt verschieben und die Röhre zerstören kann.

Wichtige Röhrentypen

Röhrentypen werden nach Funktion, Zahl und Anordnung der Elektroden sowie nach Stromversorgung unterschieden. Die Diode besitzt nur Kathode und Anode. Sie leitet bei richtiger Polung und dient vor allem als Gleichrichter oder Demodulator.

Die Triode hat zusätzlich ein Steuergitter. Mit einer gegenüber der Kathode negativen Gitterspannung lässt sich der Anodenstrom fast leistungslos steuern. Die Triode war der erste elektronische Verstärker. Nachteile sind unter anderem ein relativ geringer Ausgangswiderstand und die Gitter-Anoden-Kapazität, die Schwingungen begünstigen kann.

Die Tetrode besitzt zusätzlich ein Schirmgitter. Dieses schirmt das Steuergitter von der Anode ab, verringert den Millereffekt und ermöglicht höhere Verstärkung. Ihr Problem sind Sekundärelektronen aus der Anode, die zum Schirmgitter gelangen können. Die Pentode ergänzt deshalb ein Bremsgitter. Es lenkt langsame Sekundärelektronen zur Anode zurück. Pentoden wurden dadurch Standardröhren für viele Verstärker, haben aber mehr Eigenrauschen als Trioden.

Hexoden, Heptoden, Oktoden und Enneoden sind Mehrgitterröhren, die besonders in der Rundfunktechnik eingesetzt wurden, etwa als Mischröhren in Überlagerungsempfängern. Bei Hexoden entstehen aus zwei Eingangssignalen mit Frequenzen f1 und f2 unter anderem Signale mit 2 f1, 2 f2, f1 + f2 und f1 − f2; genutzt wird oft die Differenz als Zwischenfrequenz. Das Magische Auge ist eine Anzeigeröhre: Es wandelt eine elektrische Signalgröße in eine sichtbare Leuchtanzeige um, früher vor allem zur Abstimmung von Radios. Mehrfachröhren enthalten mehrere Röhrensysteme in einem Kolben, zum Beispiel zwei Trioden in der ECC83 oder Triode und Pentode in der ECL82. Manche enthielten auch Widerstände und Kondensatoren und waren damit frühe integrierte Schaltungen.

Anwendungen und Vergleich mit Halbleitern

Elektronenröhren wurden in Radioempfängern, Verstärkern, Fernsehern, Fernsprech- und Rechenanlagen eingesetzt. In der heutigen Elektronik wurden sie größtenteils durch Transistoren und Dioden aus Halbleitern ersetzt. Weiter wichtig sind jedoch Hochleistungs-Hochfrequenzröhren für Sender, Radar, Funktechnik, Hochfrequenzerwärmung, Plasmaerzeugung und Gaslaser. Magnetrons werden in Mikrowellenherden und Radar-Geräten verwendet. Röntgenröhren erzeugen Röntgenstrahlung in Medizin, Industrie, Warenabfertigung und Forschung. Vakuum-Fluoreszenzanzeigen wurden bis Anfang der 2010er Jahre in vielen Elektronikgeräten genutzt.

Röhrenbestückte Audioverstärker haben eine Sonderstellung. In Gitarrenverstärkern sind Verzerrungen oft erwünscht, weil sie zum Klang beitragen. Röhren-Gitarrenverstärker arbeiten häufig im Gegentaktbetrieb. Bei Hi-Fi-Verstärkern verschwanden Röhren weitgehend durch Transistorisierung, erlebten aber seit etwa Mitte der 1990er Jahre wieder wachsendes Interesse, unter anderem wegen ihres Designs und ihres besonderen Verzerrungsverhaltens.

Gegenüber Transistoren haben Röhren wichtige Nachteile: Sie brauchen Heizspannung von etwa 1,5 bis 40 V und meist Anodenspannungen zwischen 50 und über 1000 V, benötigen mehr Platz, verbrauchen zusätzliche Heizleistung, werden heiß, sind mechanisch empfindlich, altern stärker, haben oft kürzere Lebensdauer und lassen sich nicht hochintegriert herstellen. Vorteile sind unter anderem hohe Temperaturverträglichkeit, geringerer Kühlaufwand bei gleicher Leistung, Robustheit gegen kosmische Strahlung, Radioaktivität, Fehlspannungen und EMP, hohe Leistungen bis in den dreistelligen Megawattbereich sowie kurze Überlastbarkeit im Mikro- bis Millisekundenbereich.

Rauschen, Kühlung und Lebensdauer

Elektronenröhren erzeugen wie andere elektronische Bauelemente Rauschen. Der Funkeleffekt entsteht durch zeitlich und räumlich unterschiedliche Elektronenemission an der Kathode und ist besonders unterhalb von etwa 10 kHz wichtig. Der Schroteffekt beruht darauf, dass nie exakt gleich viele Elektronen pro Zeitpunkt die Anode erreichen. Bei Mehrgitterröhren entsteht Verteilungsrauschen, weil Elektronen unterschiedlich auf Schirmgitter und Anode verteilt werden. Influenzrauschen tritt besonders oberhalb von 100 MHz durch Laufzeiteffekte am Steuergitter auf.

Die beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode entstehende Wärme muss abgeführt werden. Kleine Röhren sind meist strahlungsgekühlt. Bei Senderöhren werden Luft-, Wasser-, Öl- oder Siedekühlung eingesetzt. Die maximale spezifische Belastbarkeit steigt laut Artikel von etwa 10 W/cm² bei Strahlungskühlung über 50 W/cm² bei Druckluft und 100 W/cm² bei Wasser- oder Ölkühlung bis zu 500 W/cm² bei Siedekühlung.

Die Lebensdauer von Röhren ist geringer als die von Halbleitern und hängt stark von Typ und Betrieb ab. Begrenzende Faktoren sind Zwischenschichtbildung an Oxidkathoden, Abtragung von Kathodenmaterial, Gitteremission, Verschlechterung des Vakuums und Wackelkontakte. Langlebensdauerröhren für Rechengeräte, Telefonanlagen, Industrie oder Militär wurden besonders zuverlässig konstruiert; ihre Lebensdauer wird im Allgemeinen mit 10.000 Stunden angegeben. Taube Kathoden können manchmal durch vorsichtige Überheizung bei gleichzeitig begrenztem Anodenstrom regeneriert werden. Zur Prüfung wurden Röhrenmessgeräte entwickelt, die Werte wie Stromaufnahme, Steilheit und Gitterströme messen.