Elektronenröhren – Geschichte, Funktionsprinzip, Design, Anwendung
Elektronenröhre (Radioröhre) — eine technische Innovation zu Beginn des 20. Jahrhunderts, die die Methoden zur Nutzung elektromagnetischer Wellen grundlegend veränderte und die Entstehung und schnelle Blüte der Funktechnik bestimmte. Das Erscheinen der Funklampe war auch ein wichtiger Schritt in Richtung Entwicklung und Anwendung des Wissens der Funktechnik, das später als „Elektronik“ bekannt wurde.
Geschichte der Entdeckungen
Die Entdeckung des Funktionsmechanismus aller vakuumelektronischen Geräte (thermoelektronische Strahlung) wurde 1883 von Thomas Edison gemacht, als er an der Verbesserung seiner Glühlampe arbeitete. Weitere Einzelheiten zum thermionischen Emissionseffekt finden Sie hier –Elektrischer Strom im Vakuum.
Wärmestrahlung
Mit dieser Entdeckung schuf John Fleming 1905 die erste Elektronenröhre – „ein Gerät zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom“. Dieses Datum gilt als Beginn der Geburt der gesamten Elektronik (siehe – Was sind die Unterschiede zwischen Elektronik und Elektrotechnik?). Der Zeitraum von 1935 bis 1950gilt als das goldene Zeitalter aller Röhrenschaltungen.
Patent von John Fleming
Vakuumröhren spielten eine sehr wichtige Rolle in der Entwicklung der Funktechnik und Elektronik. Mit Hilfe einer Vakuumröhre gelang es, kontinuierliche Schwingungen zu erzeugen, die für Funktelefonie und Fernsehen notwendig sind. Es wurde möglich, die empfangenen Funksignale zu verstärken, wodurch der Empfang weit entfernter Sender möglich wurde.
Darüber hinaus erwies sich die elektronische Lampe als der perfekteste und zuverlässigste Modulator, also ein Gerät zur Änderung der Amplitude oder Phase hochfrequenter Schwingungen in eine niedrige Frequenz, die für Funktelefonie und Fernsehen notwendig ist.
Auch die Isolierung von Tonfrequenzschwingungen im Empfänger (Detektion) gelingt am besten mit einer Elektronenröhre. Der Betrieb der Vakuumröhre als Wechselstromgleichrichter lieferte lange Zeit Strom für Funksende- und -empfangsgeräte. Darüber hinaus waren Vakuumröhren weit verbreitet in der Elektrotechnik (Voltmeter, Frequenzzähler, Oszilloskope usw.) sowie die ersten Computer.
Das Erscheinen kommerziell erhältlicher, technisch geeigneter Elektronenröhren im zweiten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts gab der Funktechnik einen starken Impuls, der alle funktechnischen Geräte veränderte und es ermöglichte, eine Reihe von Problemen zu lösen, die für die Funktechnik mit gedämpften Schwingungen unzugänglich waren.
Vakuumröhrenpatent 1928
Anzeige für Lampen in der Funktechnikzeitschrift 1938
Nachteile von Vakuumröhren: große Größe, Sperrigkeit, geringe Zuverlässigkeit von Geräten, die auf einer großen Anzahl von Lampen basieren (in den ersten Computern wurden Tausende von Lampen verwendet), der Bedarf an zusätzlicher Energie zum Erhitzen der Kathode, hohe Wärmeabgabe, oft erfordert eine zusätzliche Kühlung.
Das Funktionsprinzip und das Gerät von Elektronenröhren
Die Vakuumröhre nutzt den Prozess der thermionischen Emission – die Emission von Elektronen aus erhitztem Metall in einem evakuierten Zylinder. Der Restgasdruck ist so vernachlässigbar, dass die Entladung in der Lampe praktisch als rein elektronisch angesehen werden kann, da der positive Ionenstrom im Vergleich zum Elektronenstrom verschwindend klein ist.
Schauen wir uns das Gerät und das Funktionsprinzip einer Vakuumröhre am Beispiel eines elektronischen Gleichrichters (Kenotron) an. Diese Gleichrichter, die einen elektronischen Strom im Vakuum verwenden, haben den höchsten Korrekturfaktor.
Das Kenotron besteht aus einem Glas- oder Metallballon, in dem ein Hochvakuum (ca. 10-6 mmHg Art.) erzeugt wird. Im Inneren des Ballons befindet sich eine Elektronenquelle (Filament), die als Kathode dient und durch den Strom einer Hilfsquelle erhitzt wird: Sie ist von einer großflächigen Elektrode (zylindrisch oder flach) umgeben, die als Anode fungiert.
Von der Kathode emittierte Elektronen fallen in das Feld zwischen Anode und Kathode und werden auf die Anode übertragen, wenn deren Potenzial höher ist. Wenn das Kathodenpotential höher ist, überträgt das Kenotron keinen Strom. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Kenotrons ist nahezu perfekt.
Hochspannungs-Kenotrons wurden in Stromkreisen für Funksender verwendet.In der Labor- und Funkamateurpraxis wurden häufig kleine Kenotron-Gleichrichter verwendet, die es ermöglichten, einen gleichgerichteten Strom von 50 bis 150 mA bei 250 bis 500 V zu erhalten. Wechselstromvon der Hilfswicklung des die Anoden versorgenden Transformators entfernt.
Um die Installation von Gleichrichtern (normalerweise Vollwellengleichrichtern) zu vereinfachen, wurden Doppelanoden-Kenotrons verwendet, die zwei separate Anoden in einem gemeinsamen Zylinder mit einer gemeinsamen Kathode enthalten. Die relativ kleine Kapazität zwischen den Elektroden des Kenotrons bei geeignetem Design (in diesem Fall wird es als Diode bezeichnet) und die Nichtlinearität seiner Eigenschaften ermöglichten die Verwendung für verschiedene funktechnische Anforderungen: Erkennung, automatische Einstellungen des Empfängermodus und andere Zwecke.
In Vakuumröhren wurden zwei Kathodenstrukturen verwendet. Kathodische direkte (direkte) Filamente werden in Form eines Glühdrahts oder -streifens hergestellt, der durch Strom aus einer Batterie oder einem Transformator erhitzt wird. Aufwändiger sind indirekt beheizte (beheizte) Kathoden.
Wolframfaden – der Heizer ist mit einer hitzebeständigen Schicht aus Keramik oder Aluminiumoxiden isoliert und befindet sich in einem Nickelzylinder, der außen mit einer Oxidschicht bedeckt ist. Der Zylinder wird durch Wärmeaustausch mit der Heizung erwärmt.
Aufgrund der thermischen Trägheit des Zylinders ist seine Temperatur auch bei Versorgung mit Wechselstrom praktisch konstant. Die Oxidschicht, die bei niedrigen Temperaturen spürbare Emissionen verursacht, ist die Kathode.
Der Nachteil der Oxidkathode ist die Instabilität ihres Betriebs bei Erwärmung oder Überhitzung.Letzteres kann auftreten, wenn der Anodenstrom zu hoch ist (nahe der Sättigung), da aufgrund des hohen Widerstands die Kathode überhitzt, in diesem Fall verliert die Oxidschicht an Emission und kann sogar zusammenbrechen.
Der große Vorteil der beheizten Kathode ist das Fehlen eines Spannungsabfalls an ihr (aufgrund des Glühfadenstroms beim direkten Erhitzen) und die Möglichkeit, die Heizgeräte mehrerer Lampen aus einer gemeinsamen Quelle mit Strom zu versorgen, und zwar völlig unabhängig von den Potentialen ihrer Kathoden.
Die besonderen Formen der Heizgeräte stehen im Zusammenhang mit dem Wunsch, das schädliche Magnetfeld des Glühstroms zu reduzieren, das bei Versorgung des Heizgeräts mit Wechselstrom einen „Hintergrund“ im Lautsprecher des Radioempfängers erzeugt.
Cover der Zeitschrift „Radio-craft“, 1934
Lampen mit zwei Elektroden
Zur Wechselstromgleichrichtung wurden zwei Elektrodenlampen verwendet (Kenotrons). Ähnliche Lampen, die bei der Hochfrequenzdetektion verwendet werden, werden Dioden genannt.
Drei-Elektroden-Lampen
Ein Jahr nach dem Erscheinen einer technisch geeigneten Lampe mit zwei Elektroden wurde eine dritte Elektrode in diese eingeführt – ein spiralförmiges Gitter, das sich zwischen Kathode und Anode befindet. Die resultierende Drei-Elektroden-Lampe (Triode) hat eine Reihe neuer wertvoller Eigenschaften erworben und findet breite Anwendung. Eine solche Lampe kann nun als Verstärker arbeiten. Mit seiner Hilfe entstand 1913 der erste Autogenerator.
Erfinder der Triode Lee de Forest (fügte der Elektronenröhre ein Steuergitter hinzu)
Die Lee Forrest Triode, 1906.
Bei einer Diode ist der Anodenstrom nur eine Funktion der Anodenspannung. Bei einer Triode steuert die Gitterspannung auch den Anodenstrom. In Funkschaltungen werden üblicherweise Trioden (und Mehrelektrodenröhren) mit einer Netzwechselspannung, der sogenannten „Steuerspannung“, verwendet.
Mehrelektrodenlampen
Mehrelektrodenröhren sind so konzipiert, dass sie die Verstärkung erhöhen und die Eingangskapazität der Röhre verringern. Das zusätzliche Gitter schützt die Anode ohnehin vor anderen Elektroden, weshalb es als Abschirmgitter bezeichnet wird. Die Kapazität zwischen der Anode und dem Steuergitter ist bei abgeschirmten Lampen auf Hundertstel Picofarad reduziert.
Bei einer abgeschirmten Lampe wirken sich Änderungen der Anodenspannung viel weniger auf den Anodenstrom aus als bei einer Triode, daher steigen Verstärkung und Innenwiderstand der Lampe stark an, während sich die Steigung relativ wenig von der Triodensteigung unterscheidet.
Der Betrieb einer abgeschirmten Lampe wird jedoch durch den sogenannten Dynatron-Effekt erschwert: Bei ausreichend hohen Geschwindigkeiten verursachen Elektronen, die die Anode erreichen, eine sekundäre Elektronenemission von ihrer Oberfläche.
Um dies zu verhindern, wird zwischen dem Gitter und der Anode ein weiteres Netzwerk namens Schutznetzwerk (Antidynatron) eingeführt. Es ist mit der Kathode verbunden (manchmal innerhalb der Lampe). Da dieses Gitter auf Nullpotential liegt, bremst es die Sekundärelektronen ab, ohne die Bewegung des Primärelektronenflusses wesentlich zu beeinflussen. Dadurch wird der Einbruch in der Anodenstromkennlinie eliminiert.
Solche Fünf-Elektroden-Lampen – Pentoden – haben eine weite Verbreitung gefunden, da sie je nach Bauart und Funktionsweise unterschiedliche Eigenschaften annehmen können.
Antike Werbung für Philips Pentode
Hochfrequenz-Pentoden haben einen Innenwiderstand in der Größenordnung von einem Megaohm, eine Steilheit von mehreren Milliampere pro Volt und eine Verstärkung von mehreren Tausend. Niederfrequenz-Ausgangspentoden zeichnen sich durch einen deutlich geringeren Innenwiderstand (mehrere zehn Kiloohm) bei einer Steilheit in der gleichen Größenordnung aus.
Bei sogenannten Strahllampen wird der Dynatroneffekt nicht durch das dritte Gitter, sondern durch die Konzentration des Elektronenstrahls zwischen dem zweiten Gitter und der Anode eliminiert. Dies wird durch die symmetrische Anordnung der Windungen der beiden Gitter und den Abstand der Anode zu ihnen erreicht.
Elektronen verlassen die Gitter in konzentrierten «Flachstrahlen». Die Strahldivergenz wird durch potenzialfreie Schutzplatten weiter begrenzt. Ein konzentrierter Elektronenstrahl erzeugt an der Anode eine Raumladung. In der Nähe der Anode bildet sich ein minimales Potential aus, das ausreicht, um die Sekundärelektronen abzubremsen.
Bei einigen Lampen ist das Steuergitter in Form einer Spirale mit variabler Steigung ausgeführt. Da die Gitterdichte die Verstärkung und Steigung der Kennlinie bestimmt, erweist sich die Steigung bei dieser Lampe als variabel.
Bei leicht negativen Netzpotentialen funktioniert das gesamte Netz, die Steilheit fällt deutlich aus. Wenn das Gitterpotential jedoch stark negativ ist, lässt der dichte Teil des Gitters praktisch keinen Elektronendurchgang zu, und der Betrieb der Lampe wird durch die Eigenschaften des dünn gewickelten Teils der Spirale und damit durch die Verstärkung bestimmt und Steilheit werden deutlich reduziert.
Zur Frequenzumsetzung werden fünf Gitterlampen eingesetzt. Zwei der Netze sind Steuernetze – sie werden mit Spannungen unterschiedlicher Frequenz versorgt, die anderen drei Netze erfüllen Hilfsfunktionen.
Eine Zeitschriftenanzeige aus dem Jahr 1947 für elektronische Vakuumröhren.
Lampen dekorieren und markieren
Es gab eine große Anzahl verschiedener Arten von Vakuumröhren. Neben Glaskolbenlampen werden häufig Metall- oder metallisierte Glaskolbenlampen verwendet. Es schützt die Lampe vor äußeren Feldern und erhöht ihre mechanische Festigkeit.
Die Elektroden (oder die meisten davon) führen zu den Stiften am Sockel der Lampe. Der gebräuchlichste achtpolige Sockel.
Kleine Lampen vom Typ „Finger“, „Eichel“ und Miniaturlampen mit einem Ballondurchmesser von 4–10 mm (anstelle des üblichen Durchmessers von 40–60 mm) haben keinen Sockel: Die Elektrodendrähte werden durch den Sockel geführt Ballon – dadurch verringert sich die Kapazität zwischen den Eingängen. Kleine Elektroden haben außerdem eine geringe Kapazität, sodass solche Lampen bei höheren Frequenzen als herkömmliche Lampen betrieben werden können: bis zu Frequenzen in der Größenordnung von 500 MHz.
Für den Betrieb bei höheren Frequenzen (bis 5000 MHz) wurden Leuchtfeuerlampen eingesetzt. Sie unterscheiden sich im Anoden- und Gitterdesign. Das scheibenförmige Gitter befindet sich im flachen Boden des Zylinders und ist im Zehntelmillimeterabstand in das Glas (Anode) eingelötet. Bei leistungsstarken Lampen bestehen die Ballons aus Spezialkeramik (Keramiklampen). Für sehr hohe Frequenzen sind weitere Lampen erhältlich.
Bei Elektronenröhren mit sehr hoher Leistung war es notwendig, die Anodenfläche zu vergrößern und sogar auf Zwangsluft- oder Wasserkühlung zurückzugreifen.
Die Beschriftung und Bedruckung der Lampen ist sehr vielfältig. Auch die Markierungssysteme haben sich mehrfach geändert. In der UdSSR wurde eine Bezeichnung aus vier Elementen übernommen:
1. Eine Zahl, die die Filamentspannung angibt, auf das nächste Volt gerundet (die gebräuchlichsten Spannungen sind 1,2, 2,0 und 6,3 V).
2. Ein Buchstabe, der den Lampentyp angibt. So werden Dioden mit dem Buchstaben D, Trioden mit C, Pentoden mit kurzer Kennlinie Zh mit der Länge K, Ausgangspentoden P, Doppeltrioden H und Kenotrons Ts bezeichnet.
3. Eine Nummer, die die Seriennummer des Werksdesigns angibt.
4. Der Buchstabe, der das Design der Lampe kennzeichnet.Jetzt haben Metalllampen die letzte Bezeichnung überhaupt nicht mehr, Glaslampen werden durch den Buchstaben C, Finger P, Eicheln F, Miniatur B gekennzeichnet.
Detaillierte Informationen zu Markierungen, Anschlüssen und Abmessungen der Lampen finden Sie am besten in der Fachliteratur aus den 40er bis 60er Jahren. 20. Jahrhundert.
Der Einsatz von Lampen in unserer Zeit
In den 1970er Jahren wurden alle Vakuumröhren durch Halbleiterbauelemente ersetzt: Dioden, Transistoren, Thyristoren usw. In einigen Bereichen werden Vakuumröhren noch immer verwendet, beispielsweise in Mikrowellenherden. Magnetrons, und Kenotrons werden zur Gleichrichtung und schnellen Umschaltung von Hochspannung (zig und hundert Kilovolt) in Umspannwerken verwendet zur Übertragung von Elektrizität durch Gleichstrom.
Es gibt eine große Anzahl von Selfmade-Leuten, den sogenannten «tube sound», das heutzutage Amateur-Tongeräte auf elektronischen Vakuumröhren baut.