Grundlagen - Elektronenröhren

Die Elektronenröhre

Was für die Eisenbahn die Dampflok ist, ist in der Elektronik die Elektronenröhre. Technisch überholt, kaum noch im Einsatz, aber sie prägte in der Anfangszeit über Jahrzehnte das Bild. Je nach Anwendungszweck gab es viele verschiedene Ausführungen und Bauformen. Das Grundprinzip ist aber gleich. Mehrere Elektroden befinden sich in einem Glaskolben, aus dem die Luft abgepumpt wurde. Deshalb liest man oft auch die Bezeichnung Vakuumröhre. Die einfachste Bauform ist

Die Diode

ElektronenröhreSie besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), von denen die Kathode beheizbar ist. Da die Elektroden voneinander isoliert sind, kann zunächst mal kein Strom fließen. Bringt man aber die Kathode zum Glühen, bekommen die Elektronen im Metall soviel Energie, daß sie sich von der Metalloberfläche lösen können. Es entsteht um die Kathode herum eine Elektronenwolke.
Legt man an die Kathode eine negative und an die Anode eine positive Spannung an, dann werden die Elektronen von der Kathode abgestoßen und von der Anode angezogen. Da die störenden Luftmoleküle aus dem Glaskolben entfernt wurden, können sich die Elektronen frei bewegen und es fließt ein Strom. Kehrt man die Spannung um, wird die Elektronenwolke von der Kathode wieder eingesammelt, und da sich von der kalten Anode keine Elektronen lösen können, ist ein Stromfluss unmöglich. Die Elektronenröhre lässt den Strom also nur in eine Richtung fließen. Darum werden Dioden hauptsächlich zur Gleichrichtung von Wechselspannungen eingesetzt.

Wird die Glühwendel gleichzeitig als Kathode benutzt, spricht man von einer direkt beheizten Röhre. Die Verbindung von Heiz- und Arbeitsstromkreis bringt aber schaltungstechnische Probleme, wenn man mehrere Röhren aus der gleichen Spannungsquelle beheizen will. Eine Beheizung mit Wechselspannung ist problematisch, weil sich die Heizspannung mit der Signalspannung überlagert und zu einem unangenehmen Brummen führt. Deshalb wurden solche Röhren vor allem in batteriebetriebenen Geräten verwendet.
Um diese Nachteile zu vermeiden, entwickelte man die indirekte Heizung. Dazu steckt man die Heizwendel in ein Keramikröhrchen und schiebt sie in die ebenfalls röhrenförmige Kathode. Der Vorteil der Entkopplung des Heizstromkreises wird durch den Nachteil erkauft, daß indirekt beheizte Röhren einige Zeit benötigen, bis die Kathode ihre Temperatur erreicht hat und die Röhre voll betriebsbereit ist.

Die Triode

TriodeBei der Dreipolröhre wird zwischen Kathode und Anode eine weitere Elektrode in Form einer Drahtwendel oder eines Gitters gebracht. Die Zwischenräume sind so groß, daß die Elektronen auf ihrem Weg zur Anode kaum beeinträchtigt werden. Das ändert sich, wenn an das sogenannte Steuergitter eine negative Spannung angelegt wird. Das Gitter wirkt jetzt abstoßend auf die Elektronen. Je größer die negative Spannung wird, desto weniger durchlässig wird das Gitter. Auf die Art kann ein kräftiger Anodenstrom durch ein schwaches Eingangssignal am Gitter gesteuert werden. Wir haben damit ein Bauelement mit dem man Signale verstärken kann.

Tetrode und Pentode

PentodeZwei Elektroden in geringem Abstand bilden einen Kondensator. Besonders bei hohen Frequenzen im Rundfunkbereich macht sich die Kapazität zwischen Anode und Steuergitter negativ bemerkbar. Es entsteht eine Rückkopplung des verstärkten Signals auf den Eingang und die Schaltung beginnt zu schwingen. Ein zweites Gitter schirmt beide Elektroden voneinander ab. Dieses Schirmgitter bekommt eine Spannung knapp unter der Anodenspannung. Damit haben wir eine Vierpolröhre (Tetrode).
Bei großen Ausgangsleistungen haben die Elektronen soviel Energie, daß sie beim Aufprall auf die Anode Sekundärelektronen aus dem Metall herausschlagen. Damit diese nicht über das Schirmgitter abfließen bringt man zwischen Schirmgitter und Anode ein Bremsgitter an. Es bekommt wie die Kathode ein negatives Potential und schickt die Elektronen zurück zur Anode. In manchen Röhren sind Bremsgitter und Kathode bereits im Inneren der Röhre fest miteinander verbunden.

Es gibt Röhren mit noch mehr Elektroden, z.B. mit 2 Steuer- und Schirmgittern um Signale zu mischen. Ich will aber nicht weiter darauf eingehen, da das Funktionsprinzip gleich ist. Mit einigen speziellen Röhrenformen, die eine größere Bedeutung erlangt haben, müssen wir uns noch beschäftigen.


Magisches Auge und Bildröhre

Bei Anzeigeröhren wird der Elektronenstrahl auf eine mit Leuchtstoff beschichtete Anode oder den beschichteten Glaskolben gelenkt. Durch Steuerelektroden kann der Elektronenstrahl mehr oder weniger gebündelt und abgelenkt werden. Dadurch leuchten, je nach Ansteuerung, verschiedene Bereiche des Leuchtschirms. Der Name "Magisches Auge" beruht auf den ersten Bauformen mit runder Anzeige und leuchtenden Kreissektoren. Andere Bauformen zeigten veränderliche Fächer oder Balken. Benutzt wurden die Röhren als Abstimmanzeige bei Rundfunkempfängern oder Aussteuerungsanzeige in Aufzeichnungsgeräten oder Verstärkern. Im Vergleich zu Drehspulinstrumenten arbeiten Anzeigeröhren quasi trägheitslos.

BildröhreBringt man eine Leuchtschicht großflächig auf einen Glasschirm auf, kann man mit einem Elektronenstrahl auf dem Bildschirm zeichnen. Der Strahl wird auf dem Weg zum Leuchtschirm beschleunigt und gebündelt. Durch Ablenkspulen oder -platten kann der Elektronenstrahl auf jede Stelle des Bildschirms gelenkt werden. Bei der Bildröhre im Fernsehempfänger wird gleichzeitig die Stärke des Strahls und damit die Helligkeit des Leuchtpunktes gesteuert. So wird Punkt für Punkt ein Bild mit unterschiedlichen Helligkeitswerten gezeichnet.

Die Fotozelle

FotozelleDie Fotozelle ist eine Röhrendiode, bei der die Kathode großflächig ausgeführt ist und nicht beheizt wird. Stattdessen nutzt man den sogenannten fotoelektrischen Effekt. Tritt Licht mit einer ausreichenden Energie auf eine Metalloberfläche, werden Elektronen freigesetzt. Die entstehende Elektronenwolke wird wie bei der normalen Röhrendiode in Richtung der positiv geladenen Anode bewegt, welche ring- oder gitterförmig ausgeführt wird, damit das einfallende Licht möglichst nicht behindert wird. Es fließt ein von der Lichtstärke abhängiger Strom, der im Normalfall recht gering ist. Um höhere Ströme zu erreichen, kann man den Glaskolben mit einem verdünnten Gas füllen. Durch den Zusammenstoß von Elektronen mit den Gasatomen können dort weitere Elektronen herausgeschlagen werden. Es entsteht ein Lawineneffekt wodurch sich die Zahl der freien Elektronen erhöht und damit der fließende Strom ansteigt.
Verwendung fanden Fotozellen vor allem als Belichtungsmesser oder um Schaltvorgänge durch Lichtschranken auszulösen. Heute werden Fotozellen weitestgehend durch Halbleitersensoren ersetzt.



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