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Elektronenröhre

 

(Vakuumröhre), ein luftleerer Glaszylinder, in dem sich zwei Elektroden und dazwischen (mindestens) ein Gitter befinden. Die eine Elektrode, die sog. Glühkathode, wird an den Minuspol einer Spannungsquelle angeschlossen. Aus ihr treten bei Erwärmung Elektronen aus. Die andere Elektrode, die sog. Anode, ist mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden. Sie zieht die ausgetretenen Elektronen an und fängt sie auf. Zwischen den beiden Elektroden kann also ein Elektronenstrom fließen. Dieser lässt sich steuern, indem man eine positive oder negative Spannung (Steuerspannung) an das Gitter anlegt. Durch die Steuerspannung wird der Elektronenstrom entweder unterbunden oder aber verstärkt.

 

Elektronenröhren wurden in den ersten Computern als Schaltelemente eingesetzt, später aber zunehmend von den deutlich kleineren und schnelleren Transistoren ersetzt, die zudem erheblich weniger Energie verbrauchen. Sie kommen heute noch in speziellen Verstärkern zum Einsatz. Auch die Bildröhre, bei der die austretenden Elektronen zu einem Strahl gebündelt werden, ist im Prinzip eine Elektronenröhre.

Elektronenröhre,

 

grundlegendes Bauelement der Elektronik in Form eines unterschiedlich großen, luftdicht abgeschlossenen, auf etwa 10^-5 bis 10^-7 mbar Innendruck evakuierten Glas- oder Metall-Keramik-Gefäßes, das mindestens zwei Elektroden enthält - im Falle einer (Vakuum-)Diode nur eine Elektronen emittierende Glühkathode und eine Anode -, sodass bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Kathode und Anode (Kathode an den negativen Pol, Anode an den positiven Pol einer Gleichspannungsquelle) ein von weiteren, netzartigen und daher als Gitter bezeichneten Elektroden beeinflussbarer elektrischer Strom durch das Vakuum fließen kann. Die Kathode wird dabei entweder direkt oder (mittels eines Heizdrahts) indirekt durch einen elektrischen Strom zum Glühen gebracht und sendet infolge Glühemission Elektronen aus, die in dem zwischen Kathode und Anode bestehenden elektrischen Feld zur Anode hin beschleunigt und von dieser aufgenommen werden. Es fließt ein als Anodenstrom bezeichneter Elektronenstrom, dessen Stärke u. a. von der zwischen Kathode und Anode bestehenden Spannung (Anodenspannung) abhängt. Da bei Umpolen dieser Spannung kein Strom fließen kann, weil die aus der Kathode austretenden Elektronen nicht gegen das dann entgegengesetzt gerichtete elektrische Feld anlaufen können, lässt sich eine Elektronenröhre und speziell eine Diode zur Gleichrichtung von Wechselstrom verwenden.

 

Mehrelektrodenröhren mit drei oder mehr Elektroden lassen sich zur Verstärkung von Wechselströmen (oder langsamen Gleichspannungsänderungen), zur Erzeugung und Mischung von elektrischen Schwingungen in Oszillatoren sowie zur Modulation in Sendern verwenden. Die einfachste ist die Dreielektrodenröhre oder Triode, bei der ein zusätzliches »Steuergitter« zwischen Kathode und Anode liegt, durch das die Elektronen hindurchfliegen können. Zwischen diesem Gitter und der Kathode wird die zu verstärkende Wechselspannung angelegt, die den Anodenstrom trägheitslos steuert. Dadurch werden der Gitterwechselspannung entsprechende Schwankungen des Anodenstromes verursacht, die sich in den ursprünglichen Anodengleichstrom und einen Anodenwechselstrom zerlegen lassen, der am Widerstand im Anodenkreis (z. B. ohmscher Widerstand oder Schwingkreis) eine verstärkte Anodenwechselspannung hervorruft. Das Gitter erhält im Allgemeinen eine negative Spannung (Gittervorspannung) von einer Gleichspannungsquelle, um einen Gitterstrom (Elektronenfluss von der Kathode zum Gitter) und damit Verzerrungen zu verhindern. Ebenfalls zur Vermeidung von Verzerrungen dürfen stark gekrümmte Teile der Gitterspannungs-Anodenstrom-Kennlinie nicht ausgesteuert werden. Die wichtigsten Röhrendaten sind durch die barkhausensche Röhrenformel miteinander verknüpft.

 

Der Einbau einer weiteren, an positiver Spannung liegenden Elektrode (»Schirmgitter«, »Schutzgitter«) bei einer Tetrode dient dazu, die bei der Triode noch beträchtlichen Rückwirkung der Anode auf den Elektronenstrom zu vermindern und die Verstärkung zu erhöhen. Durch ein zusätzliches, auf dem Potenzial der Kathode befindliches »Bremsgitter« werden bei einer Pentode die von der Anode kommenden, durch die auf sie aufprallenden Elektronen erzeugten Sekundärelektronen abgebremst und zurückgetrieben. Zur Überlagerung verschiedener Signale (Mischung und Modulation) dienen Elektronenröhren mit vier Gittern (Hexoden), fünf Gittern (Heptoden) und sechs Gittern (Oktoden).

 

Bei Höchstfrequenzen (Dezimeter- und Zentimeterwellen) erreicht die Laufzeit der Elektronen die gleiche Größenordnung wie die Periode der Wechselspannung, sodass eine Steuerung mit einem Gitter nicht mehr möglich ist. Deshalb werden auf diesem Gebiet andersartige Elektronenröhren verwendet (Magnetron, Laufzeitröhren). Zu den Elektronenröhren zählen auch die Elektronenstrahlröhren.

 

Technische Ausführung:

 

Verstärkerröhren sind Allglasröhren und haben einen Boden aus Pressglas. Die Kathode wird zur Vermeidung eines Brummens bei Netzanschluss indirekt geheizt. Die emittierende Schicht ist auf einem Metallröhrchen aufgebracht, das durch eine im Inneren verlaufende, geheizte Doppelwendel auf Rotglut gebracht wird. Die Gitter sind entweder wendelförmig ausgebildet oder bestehen bei der Spanngitterröhre aus einem besonders dünnen, um zwei gegenüberliegende Holme eines Rahmens gespannt gewickelten Draht, wodurch ein sehr kleiner Abstand zwischen Kathode und Gitter und damit eine große Steilheit und ein geringes Rauschen erreicht werden.

 

Geschichte:

 

Grundlage für die Entwicklung der Elektronenröhre war die Entdeckung der Glühemission durch T. A. Edison (1883), die 1901 von O. W. Richardson theoretisch untersucht wurde. P. Lenard verwendete 1903 ein Maschengitter zur Steuerung der Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen, und A. Wehnelt stellte die gute Emissionseigenschaft der Oxide von Erdalkalimetallen fest (Oxidkathode). J. A. Fleming entwickelte ab 1900 die erste Diode mit Glühkathode (Patent 1904), R. von Lieben 1906 ein »Kathodenstrahlen-Relais«, eine Verstärkerröhre mit Gitter, die er 1907-12 mit E. Reiss und S. Strauss verbesserte. L. de Forest entwickelte 1906/07 die wesentlich kleinere und gasärmere Audionröhre, die nur als Detektor gedacht war. 1913 konnte A. Meissner die Rückkopplung zur Schwingungserzeugung ausnutzen. Mit der Einführung weiterer Gitter war die Entwicklung der Rundfunktechnik gegeben. Bedeutende Beiträge zur Theorie der Elektronenröhre lieferten v. a. I. Langmuir, H. Barkhausen und W. Schottky. Mit der Entwicklung der Transistoren und der integrierten Schaltungen verloren die Elektronenröhren zunehmend an Bedeutung.

 

Literatur:

 

E., hg. v. H. Heynisch (1983);

 H. Heynisch: E. u. Vakuumelektronik (1986);

 

Hb. der Vakuumelektronik, hg. v. J. Eichmeier u. H. Heynisch (1989).