Sie könnten versucht sein, die gute alte Röhre als Relikt der Vergangenheit abzutun – denn wie können ein paar Metallstücke in einer verschönerten Glühbirne den Transistoren und integrierten Schaltkreisen von heute standhalten? Obwohl Röhren ihren Platz in der Unterhaltungselektronik verloren haben, bleiben sie immer noch unbedeutend, wenn viel Leistung bei sehr hohen Frequenzen (GHz-Bereich) benötigt wird, wie zum Beispiel bei Radio- und Fernsehübertragungen, Industrieheizungen, Mikrowellenherden und Satelliten Kommunikation, Teilchenbeschleuniger, Radar, elektromagnetische Waffen sowie einige Anwendungen, die niedrigere Leistungspegel und Frequenzen erfordern, wie Strahlungsmessgeräte, Röntgengeräte und audiophile Verstärker.

Vor 20 Jahren verwendeten die meisten Displays eine Vakuumbildröhre. Wussten Sie, dass möglicherweise auch in Ihrem Haus ein paar Schläuche lauern? Im Herzen Ihres Mikrowellenherds befindet sich, oder besser gesagt, in einer Fassung: eine Magnetronröhre. Seine Aufgabe besteht darin, leistungsstarke und hochfrequente HF-Signale zu erzeugen, die zum Erhitzen von allem verwendet werden, was Sie in den Ofen geben. Ein anderes Haushaltsgerät mit einer Röhre im Inneren ist der alte Röhrenfernseher, der jetzt höchstwahrscheinlich in einem Karton auf dem Dachboden steht, nachdem er durch einen neuen Flachbildfernseher ersetzt wurde. CRT steht für „Cathode-Ray Tube“ – diese Röhren werden zur Anzeige des empfangenen Videosignals verwendet. Sie sind im Vergleich zu LCD- oder LED-Displays recht schwer, groß und ineffizient, aber sie haben ihre Aufgabe erfüllt, bevor die anderen Technologien ins Spiel kamen. Es ist eine gute Idee, sich über sie zu informieren, da ein Großteil der modernen Welt immer noch auf sie angewiesen ist. Die meisten Fernsehsender verwenden Vakuumröhren als Leistungsausgabegerät, da sie bei hohen Frequenzen effizienter sind als Transistoren. Ohne Magnetron-Vakuumröhren gäbe es keine billigen Mikrowellenherde, da Halbleiteralternativen erst vor Kurzem erfunden wurden und nach wie vor teuer sind. Viele Schaltkreise wie Oszillatoren, Verstärker, Mischer usw. lassen sich anhand von Röhren einfacher erklären und sehen, wie sie funktionieren, da klassische Röhren, insbesondere Trioden, mit wenigen Bauteilen extrem einfach vorgespannt und deren Verstärkungsfaktor, Vorspannung usw. berechnet werden können.

Wie funktionieren Vakuumröhren?

Herkömmliche Vakuumröhren basieren auf einem Phänomen namens thermionische Emission, das auch als Edison-Effekt bekannt ist. Stellen Sie sich vor, es ist ein heißer Sommertag, Sie stehen in der Schlange in einem stickigen Raum, neben einer Wand mit einer Heizung an der ganzen Länge, einige andere Leute stehen ebenfalls in der Schlange und jemand schaltet die Heizung ein, die Leute beginnen, sich von dem Raum zu entfernen Heizung – dann öffnet jemand das Fenster und lässt eine kalte Brise herein, sodass alle dorthin abwandern. Wenn in einer Vakuumröhre thermionische Emission auftritt, ist die Wand mit der Heizung die Kathode, die durch einen Glühfaden erhitzt wird, die Menschen sind die Elektronen und das Fenster ist die Anode. In den meisten Vakuumröhren wird die zylindrische Kathode durch einen Glühfaden erhitzt (der sich nicht allzu sehr von dem einer Glühbirne unterscheidet), wodurch die Kathode negative Elektronen aussendet, die von einer positiv geladenen Anode angezogen werden, wodurch ein elektrischer Strom in die Anode fließt und aus der Kathode (denken Sie daran, dass der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt als die Elektronen).

Im Folgenden erklären wir die Entwicklung der Vakuumröhre: Diode, Triode, Tetrode und Pentode sowie einige spezielle Arten von Vakuumröhren wie Magnetron, CRT, Röntgenröhre usw

Am Anfang gab es Dioden

Dies wird in der einfachsten Vakuumröhre genutzt – der Diode, bestehend aus dem Glühfaden, der Kathode und der Anode. Durch den Glühfaden in der Mitte fließt elektrischer Strom, wodurch er sich erhitzt, zum Leuchten bringt und Wärmestrahlung abgibt – ähnlich einer Glühbirne. Der erhitzte Glühfaden erhitzt die umgebende zylindrische Kathode und gibt den Elektronen genügend Energie, um die Austrittsarbeit zu überwinden. Dadurch bildet sich um die erhitzte Kathode herum eine Elektronenwolke, die Raumladungszone genannt wird. Die positiv geladene Anode zieht Elektronen aus der Raumladungszone an und verursacht so einen elektrischen Stromfluss in der Röhre. Was würde jedoch passieren, wenn die Anode negativ wäre? Wie Sie aus dem Physikunterricht an der High School wissen, wie sich Ladungen abstoßen – die negative Anode stößt Elektronen ab und es fließt kein Strom –, geschieht dies alles im Vakuum, weil Luft den Elektronenfluss behindert. Auf diese Weise wird eine Diode zur Gleichrichtung von Wechselstrom verwendet.

Nichts geht über die gute alte Triode!

Im Jahr 1906 entdeckte ein amerikanischer Ingenieur namens Lee de Forest, dass durch das Hinzufügen eines Gitters, eines sogenannten Steuergitters, zwischen der Anode und der Kathode der Anodenstrom gesteuert werden kann. Der Aufbau der Triode ähnelt dem der Diode, wobei das Gitter aus sehr feinem Mobyldeniumdraht besteht. Die Steuerung erfolgt durch Vorspannen des Gitters mit einer Spannung – die Spannung ist im Vergleich zur Kathode normalerweise negativ. Je negativer die Spannung ist, desto geringer ist der Strom. Wenn das Gitter negativ ist, stößt es Elektronen ab und verringert so den Anodenstrom. Wenn es positiv ist, fließt mehr Anodenstrom, allerdings wird das Gitter dadurch zu einer winzigen Anode, wodurch sich ein Gitterstrom bildet, der die Röhre beschädigen könnte.

Trioden- und andere „Gitter“-Röhren werden normalerweise vorgespannt, indem ein Widerstand mit hohem Wert zwischen Gitter und Masse und ein Widerstand mit niedrigerem Wert zwischen Kathode und Masse geschaltet wird. Der durch die Röhre fließende Strom verursacht einen Spannungsabfall am Kathodenwiderstand, wodurch sich die Kathodenspannung gegenüber Erde erhöht. Das Gitter ist gegenüber der Kathode negativ, da die Kathode auf einem höheren Potenzial liegt als die Erde, mit der das Gitter verbunden ist.

Trioden und andere normale Röhren können als Schalter, Verstärker, Mischpulte und viele andere Verwendungsmöglichkeiten verwendet werden. Es kann Signale verstärken, indem es das Signal an das Gitter anlegt und es den Anodenstrom steuern lässt. Wenn zwischen der Anode und der Stromversorgung ein Widerstand hinzugefügt wird, kann das verstärkte Signal aus der Anodenspannung entnommen werden, da der Anodenwiderstand und die Röhre wirken Ähnlich einem Spannungsteiler, wobei der Triodenteil seinen Widerstand entsprechend der Spannung des Eingangssignals variiert.

Tetroden zur Rettung!

Frühe Trioden litten unter geringer Verstärkung und hohen parasitären Kapazitäten. In den 1920er Jahren wurde festgestellt, dass die Anbringung eines zweiten (Schirm-)Gitters zwischen dem ersten und der Anode die Verstärkung erhöhte und parasitäre Kapazitäten verringerte. Die neue Röhre erhielt den Namen Tetrode, was auf Griechisch „Vierwege“ (Ode, Suffix) bedeutet. . Die neue Tetrode war nicht perfekt, sie litt unter einem negativen Widerstand, der durch Sekundäremission verursacht wurde und parasitäre Schwingungen verursachen konnte. Sekundäremission trat auf, wenn die Spannung des zweiten Gitters höher als die Anodenspannung war, was zu einem Rückgang des Anodenstroms führte, wobei die Elektronen auf die Anode trafen und andere Elektronen herausschlugen und die Elektronen vom positiven Schirmgitter angezogen wurden, was zu einem zusätzlichen, möglicherweise schädlichen Anstieg führte Netzstrom.