Elektronenröhre

Prinzip der Elektronenröhre am Beispiel einer Röntgen-Röhre, A=Anode, K=Kathode

Die Elektronenröhre (auch Vakuumröhre) ist ein aktives elektrisches Bauelement, das zur Verstärkung, Gleichrichtung und Steuerung von elektrischen Strömen bzw. Spannungen eingesetzt wird. Eins ihrer häufigsten Anwendungsgebiete war bzw. ist die Verstärkung von Hochfrequenz- oder Tonfrequenz-Signalen.

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1 Geschichte

Bildschirm zur Darstellung von Messwerten

Die erste Elektronenröhre wurde 1883 von Thomas Edison erfunden, indem er in eine Glühlampe eine zusätzliche Elektrode einschmolz, die mit dem Glühfaden keine elektrische Verbindung hatte. Dieses Bauteil konnte bei der Gleichrichtung einer Wechselspannung verwendet werden und wird als Diode bezeichnet.

Die erste zur Verstärkung elektrischer Signale einsetzbare Röhre entwickelte der österreichische Physiker Robert von Lieben. Dabei handelte es sich um eine gasgefüllte Elektronenröhre mit zwei Elektroden, zwischen denen der Stromfluss durch elektrostatische Beeinflussung von außen gesteuert werden konnte. Diese Anordnung meldete er am 4. März 1906 beim Kaiserlichen Patentamt des Deutschen Reiches als Kathodenstrahlrelais zum Patent an.

Gemeinsam mit Eugen Reiß und Siegmund Strauß hatte von Lieben das vorrangige Ziel, einen Telefonverstärker zu konstruieren. In seinem Patent formulierte er daher explizit die Verstärkung des elektrischen Signals als Erfindungszweck.^[1] Die Lieben-Röhre ermöglichte den Aufbau des deutschen Ferntelefonnetzes ab 1912 und schuf die Basis für zahlreiche zukünftige Erfindungen, die der Verstärkung von elektronischen Signalen bedurften.

Unabhängig davon und nahezu zeitgleich wurde vom US-Amerikaner Lee De Forest eine ähnlich aufgebaute Röhre mit einem Gitter als Steuerelektrode erfunden, deren Zweck die Verstärkung und Gleichrichtung von Hochfrequenzsignalen in der aufkommenden Funktechnik war. Sie wurde als Audion gemeinsam mit der später ebenfalls als Audion bezeichneten Schaltung, in der sie Verwendung finden sollte, im Jahre 1907 patentiert. Bekannte Hersteller in Deutschland waren Telefunken und VALVO.

Die Bildröhre von Fernsehern und Computermonitoren wurde erst in den 2000er Jahren durch Geräte mit Flüssigkristallbildschirm abgelöst,^[2] fand aber danach noch Verwendung in Messgeräten.

2 Aufbau und Wirkungsweise

Im einfachsten Fall besteht die Elektronenröhre in Form einer Diode aus einem luftleeren Glas- oder Metallkolben mit zwei Elektroden im Innern, welche als Kathode und Anode bezeichnet werden. Die Kathode besteht meistens aus einem dünnen, elektrisch geheizten Draht. Sie ist von der Anode umgeben, welche aus einem Blech oder aus Gittermaterial besteht. Mit dem Minuspol einer angelegten Spannung verbunden, sendet die infolge der Erhitzung mittels eines Heizstroms glühende Kathode Elektronen aus, sofern die Anode mit dem Pluspol in Verbindung steht und somit infolge der positiven Ladung selbige anziehen kann. Ohne dass eine Verbindung über einen elektrischen Leiter, wie beispielsweise einem Draht besteht, kann also durch das Vakuum der Röhre ein Anodenstrom fließen. Umgekehrte Polung hält die Elektronen an der Kathode fest, so dass kein Stromfluss mehr stattfinden kann. Auf diesem Effekt beruht die Gleichrichterwirkung, die zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom und zur Demodulation von Funk- bzw. Radiosignalen benutzt werden kann.

Wesentlich bedeutungsvoller sind Elektronenröhren zur Verstärkung elektrischer Signale, die aus den Erfindungen Von Liebens und De Forests hervorgegangen sind. Bei Trioden befindet sich zwischen Kathode und Anode ein metallisches Gitter, das entsprechend seiner Funktion Steuergitter genannt wird. Je nach Größe der zwischen Kathode und Gitter angelegten Spannung wird der Elektronenfluss vergrößert oder gehemmt, wobei im Bereich der kleinen und insbesondere negativen Spannungen bereits minimale Spannungsschwankungen den Strom zwischen Kathode und Anode ganz erheblich verändern können. Ein am Gitter anliegendes Wechselsignal (z.B. Tonfrequenz oder Radiosignal) kann auf Grund dessen eine wesentlich größere Wechselspannung an der Anode hervorrufen, wenn letztere über einen Widerstand oder eine Induktivität, etwa in Form einer elektrischen [Spule], mit dem Pluspol der Anodenspannung verbunden ist. Solange das Gitter negativ zur Kathode ist, geschieht die Steuerung strom- und leistungslos, d.h. mit hohem Eingangswiderstand. Für besondere Zwecke werden weitere Steuer-, Schirm- oder Bremsgitter eingefügt. Je nach der Zahl der Elektroden bezeichnet man Elektronenröhren als Dioden, Trioden, Tetroden, Pentoden, Hexoden, Heptoden, Oktoden usw.

3 Einsatzgebiete

Elektronenröhren werden heute vor allem noch für einige Spezialzwecke verwendet, insbesondere, wenn es um die Erzeugung von hohen und höchsten Frequenzen bei zugleich großen Leistungen geht.

Eine gewisse Verbreitung haben Röhren weiterhin in Hifi- und Gitarrenverstärkern der höheren Preisklassen. Viele Musikhörer und Musiker loben den ihrer Meinung nach "wärmeren" Klang von Röhrenverstärkern. Da infolge der Nachfrage solche Geräte weiterhin produziert werden, sind auch heute noch fabrikneue Röhren erhältlich, zumal diese eine begrenzte Lebensdauer haben und ihre Eigenschaften sich mit zunehmenden Alter verschlechtern. Weiterhin gebräuchlich sind daher z.B. Vorstufen-Duotrioden (zwei Trioden in einem Glaskolben) wie ECC83 bzw. die amerikanische 12AX7, die Vorstufenpentode EF86, die Endstufenpentoden EL84, EL34, die amerikanische Entstufenpentode 6L6 sowie diverse weitere Typen, die inzwischen überwiegend in Fernost hergestellt werden.

4 Siehe auch

5 Literatur

Jürgen Schwandt: Röhren-Taschen-Tabelle. Franzis Verlag; 15. Auflage, 28. Februar 2006, ISBN 3772354548
Ludwig Ratheiser: Das große Röhren-Handbuch. Franzis Verlag GmbH (1995), ISBN 377235064X