von B. Kainka, Röhrenradios selbst bauen
Vielleicht hatten Sie mit dem Aufbau des Mittelwellenradios aus dem letzten Abschnitt bereits das erste Erfolgserlebnis. Oder Sie haben sich entschieden, zunächst die Grundlagen zu erforschen. Nun jedenfalls soll die Funktion einer Röhre systematisch untersucht werden. Einfache Versuche helfen die Zusammenhänge zu verdeutlichen.
Die Elektronenröhre ist im einfachsten Fall ein luftleeres Gefäß, in dem Elektronen von der negativ geladenen Kathode zur positiven Anode fließen. Die Heizung der Kathode ist die Voraussetzung dafür, dass im Hochvakuum der Röhre ein Strom fließt. Auch der Glühdraht einer Glühlampe sendet bereits Elektronen aus, die sich wegen der hohen Temperatur aus der Anziehungskraft der positiv geladenen Atomkerne befreien können. Die ersten Röhren verwendeten als Kathode einen Wolfram-Glühdraht. Allerdings besitzt Wolfram starke Bindungskräfte und entlässt auch bei hohen Temperaturen nur relativ wenige Elektronen.
Prinzip der direkt geheizten Diode
Mit einer indirekt geheizten und besonders beschichteten Kathode konnte man die Effektivität der Röhre erheblich steigern. Das Metall Cäsium besitzt eine niedrige Bindungsenergie und gibt die Elektronen auch schon bei geringeren Temperaturen frei. Allerdings hat Cäsium einen niedrigen Schmelzpunkt und kann daher nicht in metallischer Form verwendet werden. Auf einem Röhrchen aus dünnem Nickelblech befindet sich eine Schicht aus Metalloxiden, darunter auch Cäsiumoxid. Bei einer Temperatur um 900 Grad sendet die Kathode genügend Elektronen aus. Ein isolierter Glühdraht im Inneren des Kathodenröhrchens sorgt für die nötige Erwärmung. Eine Röhre nur mit Kathode und Anode, die man auch als Diode bezeichnet, kann zur Gleichrichtung eingesetzt werden, da der Anodenstrom nur in einer Richtung fließen kann.
Die indirekt geheizte Diode
Die Triode
Eine Röhre mit drei Elektroden nennt man eine Triode. Das Prinzip der Triode besteht darin, über ein zusätzliches Drahtgitter zwischen Kathode und Anode den Stromfluss in der Röhre zu steuern. Ein negativ geladenes Gitter stößt Elektronen zur Kathode zurück und behindert so den Stromfluss zur Anode. Geringe Änderungen der Gitterspannung bewirken entsprechende unterschiedliche Anodenströme. Im Prinzip benötigt eine Röhre drei Spannungsversorgungen für Heizspannung, Gitterspannung und Anodenspannung. Allerdings kommen die Versuche in diesem Lernpaket mit einer einzelnen 6-V-Batteie aus.
Das Prinzip der Triode
Die Doppeltriode E90CC soll mit einer Spannung von 6,3 V geheizt werden. Der Heizstrom beträgt dabei 0,4 A. Die Polarität ist nicht wichtig, es kann mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom geheizt werden. Allgemein sollten die Heizdaten im Interesse einer langen Lebensdauer möglichst genau eingehalten werden. Sowohl starkes Überheizen wie auch lang anhaltendes Unterheizen verringert die Lebensdauer der Röhre. Allerdings ist die E90CC eine Industrieröhre mit extrem langer Lebensdauer von 10.000 Stunden, die für die experimentelle Arbeit ohne Bedeutung sind. Für einfache Experimente kann man daher ohne Nachteile eine Heizspannung von 6,0 V verwenden. Selbst wenn bei Batteriebetrieb die Spannung bis auf 4,5 V absinkt, führt dies zwar zu einer schlechteren Funktion, nicht aber zum schnellen Ausfall der Röhre.
Die Versuche in diesem Lernpaket wurden für den Betrieb mit Batterien entwickelt. Günstig sind z.B. vier Alkalizellen mit zusammen 6 V, da sie über ihre Lebensdauer eine relativ konstante Spannung haben. Bei einem Heizstrom von 0,4 A und einer typischen Kapazität von 2000 mAh ist mit einer Betriebsdauer von fünf Stunden zu rechnen. Auch vier Mignon-NiCd- oder NiMH-Akkus mit ca. 4,8 V können noch eingesetzt werden. Alternativ kann man auch einen Bleigel-Akku mit drei Zellen und einer Nennspannung von 6,3 V verwenden. Aus Kostengründen ist vor allem bei längerer Betriebsdauer ein stabilisiertes Steckernetzteil günstig.
Indirekte Heizung
Die Heizanschlüsse der Röhre befinden sich am Pin 3 und am Pin 4. Verbinden Sie die Batterie wie im Aufbaubild gezeigt. Die übrigen Anschlüsse der Röhre sind zwar schon in das Steckboard gesteckt, aber noch nicht mit andren Bauteilen oder Anschlüssen verbunden.
Anschluss der Heizung
Nach kurzer Zeit erkennen Sie das Glühen der beiden Kathoden. Mit etwas Übung können Sie den Zustand der Batterie direkt an der Glühfarbe der Heizung erkennen. Die Röhre wird nach einigen Minuten auch außen merklich warm.
Gitterstrom
In der Röhre sendet die geheizte Kathode laufend Elektronen aus. Einige davon landen auch ohne eine äußere Spannung auf dem Steuergitter, das sich dabei negativ auflädt. Die dabei auftretenden abstoßenden Kräfte führen zu einem Gleichgewicht bei einer negativen Spannung in der Größenordnung von ca. einem Volt.
Die negative Aufladung des Steuergitters ist ein einfaches Indiz dafür, dass die Röhre korrekt arbeitet. Die entstehende Gitterspannung kann mit einem hochohmigen Voltmeter direkt gemessen werden. Zwischen Kathode und Steuergitter findet man mit einem Digitalvoltmeter mit einem Innenwiderstand von 10 M eine Spannung von ca. 0,7 V.
Messung der Gitterspannung
Anschluss des Messgeräts
Bei einem gegen die Kathode kurzgeschlossenen Gitter entfällt die abstoßende Wirkung der negativen Gitterladung. Daher fließt ein größerer Gitterstrom. Mit einem Mulimeter misst man bei der E90CC einen Kurzschlussstrom von ca. 140 µA.
Messung des Gitterstroms
Mit dem Gitterstrom kann man auch einen Kondensator aufladen. Schalten Sie einen Elko von 100 µF zwischen Gitter und Kathode. Wenn man nach einer Ladezeit von mehreren Minuten ein Voltmeter an den Elko legt, kann eine Spannung bis über 1 V gemessen werden. Die Energie des geladenen Kondensators stammt letztlich aus der Wärmeenergie der heißen Kathode. Messungen zeigen, das der Gitterstrom auch noch kurz nach dem Abschalten der Heizspannung fließt. Der Gitterstrom ist einer der Gründe dafür, dass man in den meisten Fällen ganz ohne eine spezielle Spannungsquelle für die Gittervorspannung auskommt.
Laden eines Elkos durch Gitter-Anlaufstrom
Anschluss des Elkos
Röhre als Gleichrichter
Die negativen Elektronen werden zu einer positiv geladenen Elektrode in der Röhre hin gezogen, von einer negativ geladenen Elektrode jedoch abgestoßen. Deshalb fließt nur in einer Richtung Strom durch die Röhre. Dieser Effekt wird ausgenutzt, wenn man eine Röhre als Gleichrichter verwendet. Spezielle Gleichrichterröhren findet man in Netzteilen von Röhrenverstärkern. Aber auch Empfängerschaltungen kommen Röhren-Gleichrichter zum Einsatz. Ein Beispiel zeigt der Röhren-Detektor in Kap. 5.1. Das grundlegende Prinzip des Gleichrichters kann mit weine LED als Stromanzeiger verdeutlicht werden.
Diode in Durchlassrichtung
Aufbau in Durchlassrichtung
Das Steuergitter der Röhre wird hier als Dioden-Anode verwendet. Der Versuch zeigt, dass Strom fließt und die LED leuchtet. Messungen zeigen einen Strom von 2,4 mA und eine „Durchlassspannung" von 0,7 V zwischen Anode und Kathode.
Vertauschen Sie nun die Kathode mit dem Gitter. Die Röhre wird dann in Sperrrichtung betrieben. Es fließt kein Strom mehr, die LED bleibt also aus.
Positive Spannung an der Kathode
Aufbau in Sperrrichtung
