Röhrentechnik für Einsteiger (eBook)

Kapitel 1: Elektronenröhren und Halbleiter

In den ersten Abschnitten geht es unter anderem um den direkten Vergleich zwischen Halbleiterbauteilen und Elektronenröhren. Sie erfahren etwas über die Unterschiede zwischen einer Röhrendiode und einer Halbleiterdiode sowie zwischen einer Röhre und einem Transistor als Verstärkerbauteil. Jeweils beide Bauarten, sowohl die Halbleiter als auch die Elektronenröhren, haben ähnliche Einsatzgebiete, dafür aber auch ihre Eigenheiten. Außerdem erfahren Sie mehr über die Vor- und Nachteile beider Gruppen von elektronischen Bauteilen, über die Funktionsweise der Elektronenröhren und lernen ein erstes Beispiel für eine Schaltung mit Elektronenröhren kennen. Ein ebenfalls wichtiger Punkt ist doch der, dass Elektronenröhren sich sehr oft auch bereits bei relativ geringen Spannungen einsetzen lassen.

1.1 Röhrendiode statt Halbleiterdiode, Triode statt Transistor

Eine Diode lässt den Strom nur in einer Richtung fließen. Dies gilt für eine Halbleiterdiode genauso wie für eine Röhrendiode. Ein Transistor wird eingesetzt, um mit kleinen Signalströmen höhere Lastströme zu steuern. Diese Funktion ähnelt der einer Röhrentriode, die ebenfalls eingesetzt wird, um kleine Signale zu verstärken, beispielsweise in Verstärkerschaltungen, die Audiosignale verstärken sollen. Man könnte also sagen, dass eine Röhrentriode die Funktion eines Transistors übernehmen kann, genauso wie ein Röhrendiode die Funktion einer Halbleiterdiode erfüllen kann.

Genauso ist es im Prinzip auch, allerdings müsste es aus geschichtlichen Gründen eher andersherum genannt werden. Die Transistoren wurden erst wesentlich später als Verstärkerröhren erfunden, um schließlich deren Funktion zu übernehmen. Bei den Halbleiterdioden kann dies so nicht ohne Weiteres gesagt werden. Schließlich gab es schon vor dem praktischen Einsatz der Verstärkerröhren oder Röhrendioden Halbleitermaterialien, die zu einem ähnlichen Zweck wie Dioden eingesetzt wurden, nämlich die Detektoren, wie diese in der Anfangszeit des Rundfunks für Radiogeräte einfachster Bauart verwendet worden sind. Doch darum soll es hier an dieser Stelle gar nicht gehen. Hier geht es mehr um den direkten Vergleich zwischen der Röhrentechnik und der Halbleitertechnik. Wo liegen die Unterschiede zwischen der Verwendung von beispielsweise Röhrendioden und Halbleiterdioden oder Transistoren und Trioden? Dazu folgen nun ein paar Beispiele.

1.2 Dioden und Dioden

Wie Sie schon erfahren haben (und sofern Sie dies nicht ohnehin schon wussten), gibt es Dioden sowohl als Halbleiter als auch als Röhren. In Abbildung 1.1 sehen Sie die Schaltbilder beider Dioden.

1.2.1 Röhrendiode (links) und Halbleiterdiode (rechts)

Die Röhrendiode hat, genauso wie die Halbleiterdiode, eine Kathode und eine Anode. Die Kathode ist im Gegensatz zu der einer Halbleiterdiode elektrisch beheizt. Dies führt dazu, dass sich von der Kathode Elektronen lösen, winzigste Elementarteilchen, welche sich im luftleeren Glaskolben der Elektronenröhre bewegen können. Liegt an der Anode eine positive Spannung an, werden die negativ aufgeladenen Elektronen von dieser angezogen. Es kommt zu einem Stromfluss von der Kathode zur Anode. Der Strom kann nur in dieser Richtung fließen, genauso wie bei einer herkömmlichen Halbleiterdiode. Hier fließt der Strom ebenfalls nur in einer Richtung, während das Bauteil in der anderen Richtung den Stromfluss sperrt.

1.3 Die technische und die physikalische Stromrichtung

Spätestens an dieser Stelle sollte auf einen sehr wichtigen Umstand hingewiesen werden, der essenziell für das Verständnis des Stromflusses innerhalb einer Röhrendiode und einer Halbleiterdiode (später natürlich auch für den Stromfluss in anderen Röhrentypen) ist. Wenn Sie sich schon eine Weile mit der Elektronik beschäftigen, wissen Sie von zwei Stromrichtungen, nämlich der technischen und der physikalischen Stromrichtung. Die technische bzw. die konventionelle Stromrichtung bezeichnet den Stromfluss von Plus nach Minus, im Beispiel mit der Diode würde der Strom anhand der technischen Stromrichtung also von der Anode zur Kathode fließen. Diese Stromrichtung stammt noch aus einer Zeit, in der man den Atomaufbau und die Elektronenbewegung innerhalb eines Stromkreises noch nicht kannte. Man ging einfach davon aus, dass die Ladungsträger sich von einem positiven zu einem negativen Pol der Spannungsquelle bewegen. Der Pluspol sollte den Ladungsüberschuss kennzeichnen, der Minuspol das genaue Gegenteil. Diese technische Stromrichtung wird bis heute noch verwendet, nämlich in Schaltbildern sowie in einigen anderen technischen Unterlagen. Deshalb zeigt auch der Pfeil im Schaltbild der Diode die technische Stromrichtung an, nämlich von der Anode zur Kathode. Tatsächlich bewegen sich die Elektronen jedoch genau in der entgegengesetzten Richtung, wie auch der Aufbau bzw. das Schaltbild der Röhrendiode zeigt. Die Elektronen lösen sich von der beheizten Kathode und bewegen sich beim Anlegen einer Spannung zur Anode. Diese Stromrichtung sollten Sie ebenfalls kennen, da sie beim Verständnis der Röhrentechnik eine wesentliche Rolle spielt. Merken Sie sich also Folgendes, sofern Sie die beiden Stromrichtungen noch nicht kennen:

Technische Stromrichtung: Plus →Minus

Physikalische Stromrichtung: Minus →Plus

In einem Stromkreis bewegen sich die negativ geladenen Elektronen vom Minuspol einer Spannungsquelle zum Pluspol. Der tatsächliche Elektronenüberschuss herrscht also am Minuspol der Spannungsquelle.

In einer Röhrendiode kann ein Stromfluss überhaupt nur dann entstehen, wenn die Kathode beheizt wird. Ist dies nicht der Fall, fließt auch kein Strom. Die Einsatzgebiete der Röhrendioden ähneln denen der heute gebräuchlicheren Halbleiterdioden. Früher wurden Röhrendioden beispielsweise in Radio- oder Fernsehgeräten eingesetzt, um eine Wechselspannung (die Netzspannung aus der Steckdose) in eine für die Elektronik des Gerätes benötigte Gleichspannung umzuwandeln. Ebenso kamen sie in verschiedenen Radioempfangsgeräten als Demodulator zum Einsatz, eine Schaltung zur Rückgewinnung des Modulationssignals (beispielsweise des Tons bei einer Radioübertragung) von einem auf der Senderseite modulierten, hochfrequenten Signal.

1.4 Wie die Röhrendiode entstand

Viele moderne Erfindungen entstanden aus dem Zufall heraus. So war es auch bei der Röhrendiode, die bei einem Versuch von Thomas Alva Edison das erste Mal gebaut wurde. Bei einem Experiment mit einer Glühlampe brachte er eine zusätzliche Elektrode (die Anode) in den Glaskolben einer Glühlampe ein und entdeckte, dass es zu einem Elektronenfluss vom Glühfaden zu diesem Metallstück kam, dieser Strom allerdings nur in eine Richtung fließen konnte. Er ließ sich diesen Effekt sogar patentieren, ohne überhaupt zu wissen, wozu dieser einmal genutzt werden könnte. Erst später entdeckte ein Angestellter von Edison, dass dieser Effekt verwendet werden konnte, um schwache Radiosignale nachzuweisen.

1.5 Eine Röhrendiode in Betrieb nehmen

Die Inbetriebnahme einer Röhrendiode ist ebenso einfach wie deren Funktion. Um einen einfachen Test durchführen zu können, benötigen Sie lediglich eine Spannungsquelle, einen Indikator für den Stromfluss und natürlich eine Röhrendiode samt Sockel. Für diesen Versuch habe ich mich für die EABC80 entschieden, da diese sehr häufig in alten Radios zu finden ist. Es handelt sich hier um keine reine Röhrendiode, sondern um eine so genannte Verbundröhre, also eine Elektronenröhre, die mehrere Systeme enthält (dazu später mehr). Sie erkennen dies an den verschiedenen Buchstaben, aus denen die Typenbezeichnung besteht. Der erste Buchstabe (E) steht übrigens für die Heizspannung in Höhe von 6,3 Volt. Die folgenden drei Buchstaben bezeichnen eine Diode (A), eine Doppeldiode (D) und eine Triode (C). Die Zahl gibt Auskunft unter anderem über den Sockel der Elektronenröhre. In diesem Fall handelt es sich um einen so genannten Novalsockel mit neun Anschlüssen, von denen für diesen einfachen Versuch aber nur wenige benötigt werden. Ich habe die entsprechenden Anschlüsse im Schaltbild in Abbildung 1.5.1 gekennzeichnet. Die Anschlüsse bzw. deren Nummerierung werden übrigens von unten gesehen auf die Röhre bzw. deren Sockel im Uhrzeigersinn gezählt, und zwar beginnend mit Pin 1, welcher sich links vom größeren Abstand zwischen zwei der Anschlüsse befindet. Mehr Informationen zu den Röhrenbezeichnungen und den Sockelbelegungen finden Sie übrigens in den nachfolgenden Kapiteln. Doch sehen Sie sich zunächst das Schaltbild für diesen einfachen Versuch in Abbildung 1.5.1 an:

1.5.1 Einfache Schaltung zum Testen einer Röhrendiode

Die...