Die Geschichte der Elektronenröhre
Von Josef Lorenz †
Inhalt
- Diode oder Zweipolröhre
- Triode oder Dreipolröhre
- Die Mehrgitter-Röhren (Raumladungsröhren)
- Hexode, Heptode, Oktode, Mehrsystemröhren
- Abstimmanzeigeröhre
- Röhren in Netzgeräten
- Bauformen von Elektronenröhren
- Quetschfußröhren
- Stahlröhren
- Presstellerröhren
- Schlüsselröhren
- Rimlock - Röhren
- Miniatur - Röhren (Noval -Röhren), 9 und 7-polig
- Subminiatur - Röhren
- Nuvistor
- Nachwort
Diode oder Zweipolröhre
Der amerikanische Erfinder Edison stellte in einem Experiment 1884 fest, dass zwischen einer weiteren, in einer Glühlampe eingeführten Elektrode (z.B. ein durch das Glas eingeschmolzener Draht), ein elektrischer Strom mit einem Galvanometer nachzuweisen ist, wenn die Glühlampe eingeschaltet ist. Diese Erscheinung ist mit Edison-Effekt bezeichnet worden. Weitere Untersuchungen ergaben, dass bei angelegter negativer Spannung diese Erscheinung zu Null wird. Bei einer positiven Spannung hingegen vergrößert sich der Strom.
Im Jahre 1905 ließ sich ein englische Physiker ein Glühkatodenventil patentieren. Der Heizer wurde mit Katode bezeichnet und die zweite Elektrode mit Anode.
Triode oder Dreipolröhre
Durch Einfügen eines Steuergitters zwischen Heizer (Kathode) und der zweiten Elektrode (Anode) entwickelten der amerikanische Radiotechniker Lee de Forest (1873 - 1961) und der Österreichische Physiker R. von Lieben (1878 - 1913) unabhängig von einander etwa um 1906 die Triode.
Die Lieben-Röhre waren in der Höhe gestaffelt. Unten die Kathode (Heizer), in der Mitte das Gitter und oben die Anode. Eine Ähnlichkeit mit den in der späteren Zeit entwickelten und gebauten Röhren war also nicht gegeben.
Die Liebenröhre ist in Abb. 1 zu sehen. Mit einer Länge von 320 mm entsprach sie mehr den Abmessungen einer heutigen kleinen Senderöhre, als der einer Verstärkerröhre. Eine weitere Eigenschaft unterschied sie von den modernen Röhren. Sie hatte ein geringe Quecksilberdampf-Füllung, war damit keine Vakuum- Röhre. In der älteren Fachliteratur wird berichtet, dass die Röhre mehr Aufsehen durch ihre Leuchterscheinungen machte als durch ihre elektrischen Eigenschaften.
Um die Priorität der Elektronenröhre entstand in den Zehner-Jahren ein leidenschaftlicher Kampf.
Dieser ist in den Vereinigten Staaten zugunsten de Forests entschieden worden,
obgleich in Deutschland bereits ein Jahr vorher ein Patent an von Lieben erteilt wurde.
Die weitere Entwicklung führte von der Dampf- oder Gasfüllung hin zur Hochvakuumröhre.
Die Elektrodenanordnung ist bis in die Zeit des ersten Weltkriegs (1914 bis 1918) beibehalten worden (Abb. 2).
Während ersten Weltkriegs begann dann auch die fabrikmäßige Fertigung von Elektronenröhren.
Zur gleichen Zeit wurden neue Aufbauformen gesucht, um bessere Verstärkereigenschaften zu erreichen. Die Lösung war ein konzentrischer Aufbau um die Katode. Um den gestreckten Heizer wird das Gitter angebracht, dann folgt mit einem größeren Durchmesser die röhrenförmige Anode (Abb. 3).
Bei den ersten Röhren ist Rein-Wolfram als Katodenmaterial verwendet worden. Dieses musste mit einer Arbeitstemperatur von ca. 2500 °C betrieben werden. Die Katode zeigte ein starkes Leuchten, so dass man in ihrer Nähe Zeitung lesen konnte. Um die Emissionsleistung zu erhöhen, führte die weitere Entwicklung zur Thorium platierten Wolframkatode, die bei einer tieferen Temperatur (1750 °C) einen größeren Elektronenemissionsstrom lieferte.
Die Mehrgitter-Röhren (Raumladungsröhren)
Bereits im Jahre 1913 meldete der amerikanische Physiker Langmuir (1881 - 1957) die "Raumladungsgitterröhre" als DRP an. Diese ist mit zwei Gittern ausgestattet, wobei das Erste in Katodennähe liegende Gitter an positiver Spannung anliegt und somit eine Beschleunigung der Elektronen aus dem Katodenraum bewirkt.
Das nächste Gitter ist das Steuergitter. Es hatte die Aufgabe den Elektronenstrom zu steuern. Mit dieser Gitteranordnung war es möglich, Röhren mit Betriebsspannungen von 10 bis 25 V zu betreiben, wobei normalerweise bei Trioden Spannungen von mehr als 50 V benötigt werden.
Tetrode
Einer der Nachteile der Triode, ein zu geringer Innenwiderstand besonders bei selektiven Kreisen, konnte durch die Raumladungsröhre nicht beseitigt werden.
Der Schweizer Physiker Schottky meldete 1915 ein Patent über ein weiteres Gitter zwischen dem Steuergitter und der Anode an. Dieser Röhrentyp bekam den Namen "Tetrode", das Gitter wurde mit dem Namen "Schirmgitter" versehen. Mit diesem Typ war eine erhebliche Erhöhung des Innenwiderstandes erreicht.
Diese Bauform hatte durch den Austausch von Sekundärelektronen zwischen Anode und Schirmgitter den Nachteil, dass durch diesen Effekt die Kennlinie stark beeinflusst wurde. Es kam zur Ausbildung eines negativen Abschnitts.
Pentode
Die weitere Entwicklung führte durch die Einführung eines dritten Gitters, das auf Kathodenpotential lag (1926 Patent, Jobst), zu einen neuen Röhrentyp, der "Pentode".Durch dieses Gitter, es wurde als "Bremsgitter" bezeichnet, sind die Effekte der Sekundärelektronen beseitigt worden (Abb. 4).
Hexode, Heptode, Oktode, Mehrsystemröhren
In den nun folgenden Jahren bis 1932 kommt es zur Einführung weiterer Gitter. Es folgten die "Hexode" mit 4 Gittern, eine HF- und Mischröhre; die "Heptode" (5 Gitter) ein Pentagrid - Converter, also eine Misch- und Oszillatorröhre und als letzte Entwicklung die "Oktode" mit 6 Gittern, ebenfalls eine Misch- und Oszillatorröhre.
Mit Beginn des 4. Jahrzehnts im 20. Jahrhundert begann die Entwicklung der Mehrsystemröhren. Als Beispiel seien nur genannt die Kombination aus: Triode / Diode bzw. Duodiode, Triode / Hexode (Abb. 5).
Abstimmanzeigeröhre
1936 kam aus Amerika (USA) die Nachricht, dass dort eine Abstimmhilfe in Form einer Elektronenstrahl-Röhre eingeführt wurde. Diese hatte ein ca. 90° großes Schattensegment wenn keine Sender-Abstimmung vorliegt. Bei Abstimmung wurde das Segment je nach Stärke des Senders immer kleiner.
In Europa wurde eine derartige Röhre mit 2 bzw. 4 Segmenten 1936 / 37 eingeführt (Abb. 6).
Röhren in Netzgeräten
Während bei den ersten Elektronenröhren der Heizer gleichzeitig die Kathode war, wurde mit der Einführung der netzbetriebenen Rundfunkgeräte (im letzten Viertel der 20er Jahre), die indirekte Heizung eingeführt. Mit dieser Maßnahme konnte der Netzbrummton durch Kathodenstrom - Modulation infolge der geringen Temperaturschwankungen des Heizers (50 Hz) unterdrückt werden.
Es kam auch zu einer Vereinfachung der Bedienung der Rundfunkgeräte. Das lästige Laden der Akkumulatoren entfiel und es konnte auch nicht mehr der Fall eintreten, dass während einer interessanten Sendung die Anodenbatterie den Geist aufgab.
Bauformen von Elektronenröhren
Seit dem ersten Bau einer Elektronenröhre haben sich im Laufe der Jahrzehnte verschiedene Bau-Ausführungen von Empfänger-Röhren herausgebildet. Waren die ersten Röhren des Herren von Lieben noch in drei Ebenen aufgebaut (von unten nach: Heizer, Gitter, Anode), so ist bereits zum Ende des ersten Weltkriegs der Quetschfuß eingeführt worden.
Quetschfußröhren
Diese Bauform ist in der zweiten Hälfte des 2. Jahrzehnts (Ende des 1. Weltkriegs) eingeführt worden. Man versteht darunter, das Montieren des Röhrensystem auf einem Quetschfuß. Dieser ist ein Glasrohr welches am unteren Rand tellerförmig aufgetrieben ist (zum Verschmelzen mit den Röhrenkolben) und am oberen Ende mit den vakuumdichten Durchführungen und den Montagestreben zusammengequetscht ist (siehe Abb. 7 links). An diese Montagestreben werden die Teile des System (Heizer, Katode, 1. u. 2. Gitter und Anode) aufgebaut. Als Halterung der einzelnen Teile sind Glimmer- oder Keramik-Brücken eingebaut.
Das gesamte System ist senkrecht angeordnet. Am Röhrenkolben ist oben steckbar der Gitteranschluss angebracht, bei älteren Röhren der verschraubbare Anodenanschluss.
Diese Röhren sind mit Stift- (Euro-) oder Topf- (8 bzw. 5 pol. Außenkontakt-) Sockel ausgerüstet.
Stahlröhren
Eingeführt wurde diese Bauart 1938. Die Entwicklung erfolgte bei der Firma Telefunken (Abb. 8).
Das System ist gegenüber der Quetschfußröhre kleiner und waagerecht zwischen Glimmerscheiben aufgebaut. Es sitzt über einen mit dem Stahlkolben vakuumdicht verschweißten Blechteller, der die ebenfalls vakuumdichten Durchführungen der Elektrodenanschlüsse trägt. Als Sockel dient der 8 pol. Stahlröhrensockel. Der Durchmesser ist ca. 35 mm.
Presstellerröhren
Bei diesen Röhren geht man vom waagerechten Systemeinbau wieder zum senkrechten Einbau über. Das nunmehr kleinere System sitzt dicht über dem Pressteller (Scheibenfuß), in diesen sind die Nickel-Durchführungen eingepresst, die gleichzeitig die Sockelstifte sind.
Im einzelnen sind die folgenden Bauformen im Laufe der Jahre kreiert worden (Abb. 7 zeigt mehrer ältere Pressteller).
Schlüsselröhren
Die Einführung dieser Röhrenart erfolgte ab 1939 / 1940 von der Firma Philips (Abb. 9). Der Durchmesser dieser Bauform beträgt ca. 30 mm und die Höhe 50 bis 80 mm.
Die 8 Elektrodenanschlüsse sind als Stifte auf einen Teilkreis angebracht. Ein Führungsstift mit Führungsnase (Schlüssel) in der Mitte des Röhrensockels garantiert das richtige Einsetzen der Röhre in die Fassung.
Rimlock - Röhren
Eine Philips-Entwicklung, Einsatz ab etwa 1947.
Der Durchmesser dieser Röhren ist ca. 22 mm. Die 8 Stifte des Sockels sind kreisförmig angeordnet. Der Röhrenkolben hat einen Durchmesser von ca. 22 mm, die Höhe liegt zwischen 53 und 74 mm.
Im unteren Teil des Röhrenkolbens ist eine Nase angebracht. Nur durch diese ist das richtige Einsetzen der Röhre in die Fassung möglich. Der Name kommt aus dem Englischen und bedeutet: rim-lock = Randverriegelung.
(Literatur: Ratheiser: Röhren- und Transistorhandbuch 1964)
Miniatur - Röhren (Noval -Röhren), 9 und 7 - polig
Dieser Röhrentyp wurde in den USA entwickelt. Die Einführung in Europa erfolgte um 1950. Gleichzeitig ersetzte der Europäische Röhrenschlüssel die amerikanische Kennzeichnung.
Die Stifte des Sockels sind auf einem 10er- bzw. 8er- Teilkreis angeordnet. Durch Fortlassen eines Stiftes wird das richtige Einsetzen der Röhre in die Fassung gewährleistet. Diese Röhren haben einen Kolbendurchmesser von ca. 22 bzw. 19 mm. Die Kolbenhöhe liegt zwischen 33 und 76 mm.
Subminiatur - Röhren
Dieser Typ hat einen Durchmesse von ca. 5 bis 10 mm und eine Länge zwischen 25 und 50 mm. Diese Röhren haben keinen Sockel sondern Anschlussdrähte die in die Schaltung eingelötet werden.
Nuvistor
Der Nuvistor ist eine Miniaturform der Elektronenröhre. Sie ist eine Metall - Keramik - Röhre. Der Aufbau der einzelnen Elektroden ist konzentrisch.
Sämtliche inneren Verbindungen werden in einer Wasserstoff - Atmosphäre bei einer Temperatur > 1000 °C hart gelötet. Gleichzeitig erfolgt die Verbindung von Sockelplatte und Gehäuse.
Herstellung ab etwa 1959 bei der Firma Valvo. Der Nuvistor wurde für spezielle Anwendung in Schaltungen für die elektronischen Technik hergestellt.
Die Vorteile dieser Kleinströhre in Metall-Keramik-Ausführung waren, geringe Abmessungen, damals nur wenig größer als vergleichbare Transistoren, hohe Festigkeit gegen Stoß und Vibration, lange Lebensdauer und geringe innere Kapazitäten und Exemplarstreuungen.
Nachwort
Dies war ein kurzer Überblick, der erkennen lässt, welche Wandlung die Elektronen-Röhre von den ersten Aufbauten des Herrn von Lieben erfahren hat. Nicht aufgezeigt wurden die Verbesserungen der elektrischen Eigenschaften und Daten.
Erst durch den kleinen und gedrungenen Aufbau, die Einführung des Presstellers und damit den Wegfall des Kunststoffsockels (kleine Kapazitäten), sind die Forderungen der UKW- und Fernsehtechnik erfüllt worden.