mini|Radioröhren: ECC85, EL84 und EABC80 mini|Senderöhre in Betrieb mini|Rimlock-Pentode EF42
Eine Elektronenröhre ist ein aktives elektrisches Bauelement mit Elektroden, die sich in einem evakuierten oder gasgefüllten Kolben aus Glas, Stahl oder Keramik befinden. Die Anschlüsse der Elektroden sind aus dem Röhrenkolben nach außen geführt. In ihrer einfachsten Form als Diode enthält eine Elektronenröhre eine beheizte Kathode (Glühkathode) und eine Anode. Elektronenröhren dienen zur Erzeugung, Gleichrichtung, Verstärkung oder Modulation elektrischer Signale.
Aus der Glühkathode treten negativ geladene Elementarteilchen als freie Elektronen aus und werden durch die Wirkung eines elektrischen Feldes zur Anode bewegt. Dieser Elektronenstrom lässt sich durch ein Steuergitter zwischen Kathode und Anode beeinflussen, denn durch unterschiedliche Gitterspannungen bzw. elektrische Felder wird der Elektronenfluss stärker oder geringer gehemmt. Darauf beruht die Verwendung der Elektronenröhre als Verstärker oder Oszillator.
Elektronenröhren waren bis zur Einführung des Transistors die einzigen schnellen aktiven (steuerbaren) Bauelemente der Elektronik. Bis dahin standen als aktives Zweitor lediglich Transduktoren und Relais zur Verfügung, wobei Letztere nur zwei Zustände (ein/aus) kannten und ihre Schaltgeschwindigkeit durch die bewegte Masse begrenzt war.
Je nach Röhrentyp kann ein Gas niedrigen Drucks enthalten sein, das eine zusätzliche Ionenleitung bewirkt und die Wirkung der Raumladung kompensiert.
Auch heute sind auf vielen Gebieten noch Röhren im Einsatz. Starke Sendeanlagen werden mit Elektronenröhren betrieben, Magnetrons werden in Radaranlagen und Mikrowellenherden eingesetzt. Ältere Fernsehgeräte und Computermonitore verwenden Kathodenstrahlröhren. Als Audioverstärker werden im High-End-Bereich ebenfalls noch Röhrenverstärker verwendet. Auch viele E-Gitarristen und -Bassisten schätzen den charakteristischen Klang eines Röhrenverstärkers. Fluoreszenzanzeigen dienen zur optischen Signalisierung von Gerätezuständen von Geräten wie CD-Spielern, Videorekordern und so weiter, werden aber immer mehr durch Flüssigkristallanzeigen und organische Leuchtdioden verdrängt.
Etliche Röhrentypen mit entsprechender Nachfrage werden noch heute vorwiegend in Russland und China produziert. Einige sind auch noch aus alten (militärischen) Ersatzteilbeständen (New Old Stock) verfügbar.
Geschichte mini|Eine der ersten Trioden von Lee de Forest (1906). Die Metallplatte oben ist die Anode, der mäanderförmige Draht darunter das Steuergitter. Der Glühfaden (Kathode) war zwischen den vier Haltedrähten darunter gespannt, ist aber durchgeglüht. mini|Erster Prototyp der Vakuum-Diode von Fleming, um 1905
Der Physikochemiker Frederick Guthrie entdeckte 1873 die Glühemission, allerdings ohne praktische Auswirkungen.Felix Auerbach: Entwicklungsgeschichte der modernen Physik. J. Springer, Berlin 1923. S. 263 1880 wurde der Effekt von Thomas Alva Edison bei Versuchen mit Glühlampen unabhängig von Guthrie wieder beobachtet. Die Beobachtung erfolgte bei Glühlampen, die eine zusätzliche Elektrode im Glaskörper enthielten. Dabei erkannte Edison, dass der Elektronenfluss zwischen Glühfaden und Elektrode mit dem Heizstrom zunimmt. Diese Gesetzmäßigkeit wurde in Folge Edison-Richardson-Effekt genannt. Die erste elektronische Schaltung, die diesen Zusammenhang ausnutzte, war ein Gleichspannungs-Spannungsregler, den Edison 1883 patentieren ließ.
Die Vakuum-Diode wurde 1904 vom englischen Physiker John Ambrose Fleming patentiert. Auf der Suche nach einem verbesserten Detektor für Radiowellen entdeckte Fleming, dass der Edison-Richardson-Effekt zur Detektion beziehungsweise Gleichrichtung genutzt werden konnte.
Der österreichische Physiker Robert von LiebenHomepage zu Robert von Lieben entwickelte eine quecksilberdampfgefüllte Verstärkerröhre mit zwei Elektroden und elektrostatischer oder elektromagnetischer Beeinflussung von außen – die sogenannte Liebenröhre – und meldete sie am 4. März 1906 beim Kaiserlichen Patentamt des Deutschen Reiches als Kathodenstrahlrelais zum Patent an. Zusammen mit Eugen Reisz und Sigmund Strauß, deren vorrangiges Ziel ein Telefonverstärker war, formuliert Lieben in seinem Patent explizit die Verstärkung des elektrischen Signals als Erfindungszweck.
Unabhängig von Lieben entwickelte der US-amerikanische Erfinder Lee de Forest die Audionröhre und meldete am 25. Oktober 1906 diese gasgefüllte Röhre, die eine zusätzliche dritte Elektrode als Steuergitter hatte, zum Patent an. Lieben und De Forest führten später einen jahrelangen Rechtsstreit.
De Forest stellte den Bell Telephone Laboratories im Oktober 1912 einen Röhrenverstärker vor. Innerhalb eines Jahres wurde dieser markttauglich gemacht, indem es gelang, in den Röhren ein Hochvakuum zu erzeugen. Harold D. Arnold von Western Electric benutzte eine Vakuumpumpe nach Wolfgang Gaede. Irving Langmuir von General Electric benutzte zusätzlich noch eine Kühlfalle mit flüssiger Luft. 1913 wurde die Hochvakuum-Triode Type A bei Western Electric gebaut.Triode Type A Pliotron war der Name, den General Electric für seine ersten Hochvakuum-Trioden wählte.Pliotron, Sammlung Udo Radtke Die ersten Röhrenverstärker wurden Ende 1913 für Telefonverbindungen zwischen New York und Baltimore und ab Ende 1914 zur Verstärkung der Signale auf dem Atlantik-Seekabel eingesetzt.
1914 patentierte das Lieben-Konsortium eine mit Quecksilberdampf gefüllte Röhre mit Steuergitter und Wärmeschutzmantel als Schaltverstärker in der Funk-Telegrafie. Trotz dieser Bemühungen um gasgefüllte Röhren setzten sich auch in Deutschland bei diesen Anwendungen die Vakuumröhren ab etwa 1914/1915 durch.
Bei Siemens & Halske in Deutschland entwickelte Walter Schottky 1916 die Tetrode (Schirmgitterröhre). Die frühen Tetroden – wie die SSI von 1917 – hatten eine bessere Verstärkung als Trioden, waren aber nur für Niederfrequenz-Verstärker geeignet.
Henry Joseph Round entwickelte 1916 bei der Marconi Company in England die Hochfrequenztriode V24. HF-Verstärker zur Funkpeilung wurden 1916 von britischer Seite bei der Skagerrakschlacht eingesetzt.
Eduard Schrack produzierte 1919 erstmals die von ihm entwickelte Radioröhre Triotron industriell. Dazu errichtete er eine Produktionsstätte in Wien. Er gilt als der Vater der österreichischen Radioindustrie. abgerufen am 16. September 2010 mini|Eichelröhre 955 von RCA, mit Transistor zum Größenvergleich Hendrik van der Bijl aus Südafrika entwickelte 1919 die erste Miniaturröhre, die ab 1923 von Western Electric als 215A vertrieben wurde. RCA vertrieb ab 1934 die Eichelröhre (acorn tube) 955 als erste Allglas-Röhre. Die Allglas-Bauform erlaubte den Betrieb bis in den UHF-Bereich, was für Radaranlagen wichtig war. Weitere Miniaturisierung führte 1948 zur bleistiftdicken Subminiaturröhre DF70 für Hörgeräte.
Die französische Firma Métal produzierte ab 1924 die Doppelgitter-Röhre (Bigrille) RM als Mischröhre, die besonders in Radioempfängern der Firma Eugène Ducretet (heute Thales Group) eingesetzt wurden.Schaltbild Ducretet RM5 von 1926, Link (PDF) Die Entwicklung von Mischröhren für die Frequenzumsetzung von Radiofrequenz auf Zwischenfrequenz im Superhet führte unter anderem zu den Mehrsystemröhren ECH4 und ECH81 (1952), welche eine Triode zum Betrieb des Mischoszillators und eine Heptode zur Mischung enthielten.
Im Philips-Laboratorium in Eindhoven entwickelte Bernard Tellegen 1926 die Pentode zur Serienreife. Die NF-Endpentode B443 war ab 1927 lieferbar. Die Pentode wurde zum Standard-Verstärkerelement der Röhrenära. In der Eingangsstufe von UKW- und Fernsehempfängern wurden allerdings nach einigen Experimenten mit Pentoden wieder Trioden in Kaskode-Schaltung benutzt, da diese kein Stromverteilungsrauschen aufweisen. Pentoden und Beam-Power-Tetroden wurden in der Endstufe von Niederfrequenz-Verstärkern eingesetzt.
Manfred von Ardenne entwickelte 1926 gemeinsam mit Siegmund Loewe (Patentinhaber) in Deutschland eine der ersten Mehrsystemröhren, die sogenannte Dreifachröhre Type 3NF, in der außer drei Triodensystemen auch vier Widerstände und zwei Kondensatoren untergebracht waren.Die Loewe-Röhre 3NFB – Analyse einer Mehrfachröhre Link (PDF; 166 kB) Sie war eine Art integrierter Schaltkreis und wurde im Radioempfänger Audion OE333 eingesetzt.
Röhrenbasierende Logik war die erste, die Anfang der 1940er Jahre in elektronischen Rechenmaschinen wie dem Colossus oder der IBM 701 eingesetzt wurde, bis sie Ende der 1950er Jahre in Computern wie der PDP-1 und der IBM 7090 durch Transistoren abgelöst wurde.
In Rundfunkempfängern, Verstärkern und Fernsehern wurden ab den späten 1950er Jahren die Elektronenröhren nach und nach durch Transistoren ersetzt. Einige Geräte der Unterhaltungselektronik blieben bis in die 1970er Jahre zumindest teilweise mit Röhren ausgestattet. Die Bildröhre von Fernsehern und Computermonitoren wurde erst in den 2000er Jahren durch Geräte mit Flüssigkristallbildschirm oder OLEDs abgelöst.
Aufgrund ihrer Resistenz gegen kosmische Strahlung, die ionisierende Strahlung von Kernwaffen und den EMP wurden auf dem Gebiet der Raumfahrt und des Militärs noch bis in die 1970er Jahre Verstärkerröhren entwickelt, besonders in der UdSSR. Ein MiG-25-Kampfflugzeug verfügt über zahlreiche Subminiaturröhren; diese waren oft mit Bleiblechen umhüllt.Eine MiG-25, die von einem Deserteur am 6. September 1976 nach Japan geflogen wurde. Der Vorfall ermöglichte westlichen Stellen tiefe Einblicke in die Technik der damals neuen MiG-25.
Mechanischer Aufbau mini|Schnittdarstellung durch eine Elektronenröhre (Triode)
Die klassische Hochvakuum-Elektronenröhre besteht aus einem geschlossenen Kolben, in dem das Elektrodensystem eingebaut ist. Durchführungsdrähte stellen die elektrische Verbindung mit der Schaltung her.
Die Stoffe der Einzelteile müssen in einer hohen Reinheit vorliegen. Je nach Kombination können schon Spuren von Fremdstoffen die Lebensdauer einer fertigen Röhre deutlich verschlechtern. Während der Formgebung werden immer wieder Reinigungsschritte durchgeführt, sei es durch mechanische Bearbeitung, Glühen, Oxidieren oder Lösen der unerwünschten Oberflächenschichten.
Sowohl bei der Herstellung der Einzelteile als auch beim Zusammenbau ist Sauberkeit unabdingbar. Fett und Schweiß der Hand, Staub, Fusseln der Umgebung wirken sich bei späteren Herstellungsschritten langfristig vakuumverschlechternd aus oder es bilden sich durch die Erhitzung chemische Verbindungen, die später die Emissionsfähigkeit der Kathode beeinträchtigen.
Äußerer Aufbau Anfangszeiten mini|Domkolbendetail einer AL1 mini|Quetschfußaufbau einer AL1
In der Anfangszeit der Röhren bestand der Kolben ausschließlich aus Glas. Das waagerecht liegende Elektrodensystem wurde an stabile Haltedrähte in einem Quetschfuß angeschweißt. Diese Haltedrähte wurden mit Durchführungsdrähten durch die Quetschverbindung geführt und schlussendlich in einen Sockel aus Bakelit eingefädelt und mit dessen Kontakten verlötet. Der Sockel wurde mit dem Glaskolben verkittet. Dieser Aufbau war eine direkte Weiterentwicklung der Glühlampenfabrikation und ermöglichte einen hinreichend stabilen Aufbau des Systems.
Die besondere Herausforderung besteht in einer vakuumdichten Verbindung von Durchführungsdraht und Kolben. Im Laufe der Zeit wurden hier Verbundmetalldrähte wie Fernico entwickelt, die beim Schmelzvorgang durch die Glasmasse gut benetzt werden und somit keine nennenswerte Lücken für Diffusion von Gasmolekülen hinterlassen. Auch die Glasgemische wurden weiterentwickelt, bis sich die Wärmeausdehnung von Anschlussdraht und Glaskolben nur noch unerheblich unterschieden.