Grundlagen zu Vakuumröhren: Typen, Funktionsweise, Vakuumröhre vs. Transistor

Was sind Vakuumröhren?

Diagramm einer Vakuumröhre

Video zu Vakuumröhren

Arten von Vakuumröhren

• Triode: Eine Kathode, eine Anode (Platte) und ein Steuergitter bilden die Triode, die einfachste Vakuumröhre. Sie fungiert in elektronischen Schaltkreisen als Schalter oder Verstärker.
• Tetrode: Die Tetrode ist eine Triode, die um eine Schirmgitterelektrode erweitert wurde. Dieses Gitter, das zwischen Steuergitter und Anode angeordnet ist, steigert die Leistung und minimiert unerwünschte Rückkopplungseffekte.
• Pentode: Die Pentode ist eine Weiterentwicklung der Tetrode und besteht neben dem Sperrgitter aus Kathode, Steuergitter, Schirmgitter und Anode. Das Sperrgitter trägt dazu bei, Sekundäremissionen zu verringern und die Funktionalität insgesamt zu verbessern.
• Strahltetrode: Eine Strahltetrode, manchmal auch Strahlleistungsröhre genannt, ist eine Art Vakuumröhre mit strahlformenden Platten. Diese Platten helfen bei der Fokussierung des Elektronenstrahls, was die Leistungsproduktion erhöht und die Effizienz verbessert.
• Diode: Kathode und Anode sind die beiden Komponenten, aus denen die als Diode bezeichnete Vakuumröhre besteht. Sie ist hilfreich für die Gleichrichtung und Signalerkennung, da sie den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt.
• Thyratron: Das Thyratron ist eine gasgefüllte Röhre, die als gesteuerter Gleichrichter oder Hochleistungsschalter verwendet werden kann. Es funktioniert, indem es das Gas im Inneren der Röhre ionisiert, wodurch der Elektronenfluss reguliert wird.
• Magnetron: Das Magnetron wird in Mikrowellenherden und Radarsystemen verwendet und ist eine einzigartige Art von Vakuumröhre. Durch die Wechselwirkung zwischen Elektronen und einem Magnetfeld erzeugt es starke Mikrowellensignale.
• Photomultiplier-Röhre: Eine Vakuumröhre, die Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, ist eine Photomultiplier-Röhre. Sie besteht aus einer Anode, einer Photokathode und einer Anzahl von Dynos. Da jede Dynode mit einer höheren Spannung als die vorherige betrieben wird, tritt eine Kaskade von Elektronenvervielfachungen auf.

Wie funktionieren Vakuumröhren?

1. Erhitzen der Kathode: Das Erhitzen der Kathode ist der erste Schritt beim Betrieb einer Vakuumröhre. Ein Metallfaden, die sogenannte Kathode, ist häufig mit einer Kombination aus Bariumoxid und Strontiumoxid beschichtet. Der thermionische Emissionsprozess bewirkt, dass sich die Kathode erhitzt und Elektronen emittiert, wenn ein elektrischer Strom angelegt wird.
2. Erzeugen eines Vakuums: In der Röhre herrscht ein Vakuum. Dies ist wichtig, da dadurch Gasatome entfernt werden, die die Fähigkeit der Kathode, Elektronen zu leiten, behindern können. Das Vakuum verhindert, dass die Elektronen mit anderen Teilchen kollidieren, was sie verlangsamen oder dazu führen würde, dass sie beim Fluss von einer Seite der Röhre zur anderen ihre Richtung ändern.
3. Anlegen einer Spannung an die Anode: Normalerweise wird eine hohe Spannung verwendet, um die Anode (oder Platte) positiv aufzuladen. Die negativ geladenen Elektronen der Kathode werden von dieser positiven Ladung angezogen.
4. Steuern des Flusses mit dem Gitter: Das Steuergitter ist eine zusätzliche Komponente, die sich zwischen Kathode und Anode befindet. Ein feines Drahtgeflecht oder Sieb, das eine variable negative Ladung aufweisen kann, ist das Steuergitter. Die Elektronen werden stärker von negativen Ladungen angezogen, was sie davon abhält, zur Anode zu wandern. Dadurch kann das Gitter den Elektronenfluss und damit den Strom des Schaltkreises regulieren.
5. Verstärkung des Signals: Die Vakuumröhre kann Signale verstärken, da eine winzige Änderung der Steuergitterspannung eine enorme Änderung des Anodenstroms bewirkt. Die Schwankungen des Anodenstroms entsprechen dem ursprünglichen Audiosignal, jedoch auf einem höheren Leistungsniveau, wenn wir beispielsweise ein Audiosignal verwenden, um die Gitterspannung zu modulieren.

Wie testet man Vakuumröhren?

1. Sicherheitsvorkehrungen: Treffen Sie unbedingt Sicherheitsmaßnahmen, bevor Sie Vakuumröhren testen. Stellen Sie sicher, dass das Gerät vom Stromnetz getrennt ist, und entladen Sie dann die gespeicherte Spannung. Um sich vor möglichen Risiken zu schützen, legen Sie die richtige Sicherheitsausrüstung an, wie Handschuhe und Schutzbrille.
2. Einrichtung des Röhrentesters: Besorgen Sie sich einen Röhrentester, ein spezielles Werkzeug zum Testen von Vakuumröhren. Stellen Sie sicher, dass der Röhrentester richtig geerdet und an eine Stromquelle angeschlossen ist. Befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers, um das von Ihnen verwendete Röhrentestermodell einzurichten.
3. Röhrenauswahl: Wählen Sie aus den verfügbaren Optionen die Vakuumröhre aus, die Sie testen möchten. Suchen Sie je nach Röhrentyp die entsprechende Fassung am Röhrentester. Stellen Sie sicher, dass Sie die richtige Fassung verwenden, da verschiedene Röhrentypen unterschiedliche Pin-Konfigurationen haben.
4. Aufwärmzeit: Geben Sie der Vakuumröhre und dem Röhrentester etwas Zeit zum Aufwärmen. Dadurch wird die Leistung der Röhre stabilisiert und sie erreicht garantiert ihre Betriebstemperatur.
5. Einsetzen der Röhre: Setzen Sie die Vakuumröhre in die richtige Fassung des Röhrentesters ein. Stellen Sie sicher, dass die Kontakte an der Fassung und die Stifte der Röhre richtig ausgerichtet sind. Stellen Sie sicher, dass die Röhre richtig sitzt, indem Sie sie leicht in Position drücken.
6. Testeinstellungen: Passen Sie die Testparameter des Röhrentesters entsprechend den Anforderungen der zu testenden Vakuumröhre an. Glühfadenspannung, Plattenspannung, Gittervorspannung und andere wichtige Einstellungen sind Beispiele für diese Parameter. Die genauen Werte finden Sie im Datenblatt oder im Röhrenhandbuch.
7. Testverfahren: Um den Test durchzuführen, halten Sie sich an die Anweisungen des Herstellers, die dem Röhrentester beiliegen. Normalerweise muss dazu der Testmodus eingeschaltet werden, damit der Röhrentester die Emission, Steilheit und Leckage der Vakuumröhre messen kann.
8. Testergebnisse: Der Röhrentester zeigt die Ergebnisse nach Abschluss des Tests an. Vergleichen Sie die gemessenen Werte mit den Angaben im Datenblatt oder in den Spezifikationen des Röhrenhandbuchs. So können Sie feststellen, ob die Vakuumröhre innerhalb angemessener Grenzen arbeitet.
9. Interpretation der Ergebnisse: Ergebnisse können je nach Röhrentestermodell als numerischer Wert, als Nadel auf einem Messgerät oder als Bestanden/Nicht Bestanden-Anzeige angezeigt werden. Interpretieren Sie die Ergebnisse basierend auf den jeweiligen ausgewerteten Parametern und den zulässigen Bereichen für diese Parameter.
10. Austausch oder weitere Fehlerbehebung: Wenn die Vakuumröhre den Test nicht besteht oder im Vergleich zu den zulässigen Bereichen eine schlechte Leistung erbringt, ist sie möglicherweise defekt und muss ausgetauscht werden. Weitere Untersuchungen können erforderlich sein, um andere potenzielle Probleme zu finden, wenn die Röhre den Test besteht, Sie aber das Gefühl haben, dass sie immer noch einen Stromkreis unterbricht.

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Vorteile und Nachteile von Vakuumröhren gegenüber Transistoren

Vorteile von Vakuumröhren

• Haltbarkeit: Vakuumröhren sind für ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Temperaturen und Spannungen bekannt. Im Vergleich zu vielen anderen elektronischen Komponenten halten sie länger.
• Klangqualität: Aufgrund ihrer satten, warmen Töne werden Vakuumröhren häufig von Audiophilen bevorzugt. Sie können Obertöne und angenehme Verzerrungen erzeugen, die bei der Audioverstärkung erwünscht sind.
• Hochspannungsbetrieb: Vakuumröhren können bei hohen Spannungen betrieben werden, was sie ideal für Hochleistungsgeräte wie Radiosender und Audioverstärker macht.
• Leistungshandhabung: Vakuumröhren können hohe Leistungspegel bewältigen, was sie nützlich für Produkte wie Gitarrenverstärker macht, die viel Ausgangsleistung benötigen.
• Überlastungstoleranz: Im Vergleich zu einigen anderen elektronischen Bauteilen können Vakuumröhren Überlastungen und vorübergehenden Spannungsspitzen besser standhalten. Dadurch werden sie in einigen Anwendungen langlebiger.

Nachteile von Vakuumröhren

• Größe und Gewicht: Im Vergleich zu neueren elektrischen Bauteilen wie Transistoren sind Vakuumröhren relativ groß und schwer. Daher sind sie möglicherweise nicht für kleine und tragbare Geräte geeignet.
• Stromverbrauch: Vakuumröhren verbrauchen mehr Strom als Transistoren oder andere Festkörperelektronik. Dies kann zu einer erhöhten Wärmeentwicklung und höheren Energiekosten führen.
• Begrenzte Verfügbarkeit: Vakuumröhren werden nicht mehr in großen Mengen produziert, wodurch es schwierig ist, bestimmte Modelle zu bekommen. Reparaturen und Ersatz können aufgrund der eingeschränkten Verfügbarkeit schwierig sein.
• Zerbrechlichkeit: Vakuumröhren sind empfindlich und werden leicht durch mechanische Vibrationen oder Stöße beschädigt. Aufgrund der physikalischen Belastung müssen sie vorsichtig behandelt werden und sind anfälliger für Ausfälle.
• Aufwärmzeit: Vakuumröhren benötigen eine gewisse Zeit zum Aufwärmen, bevor sie optimal funktionieren können. Je nach Röhrentyp kann diese Aufwärmzeit zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten liegen.
• Kosten: Im Vergleich zu modernen Festkörperkomponenten können Vakuumröhren teurer sein. Dies kann ihre Kosteneffizienz für bestimmte Anwendungen verringern.

Vorteile von Transistoren

• Größe und Gewicht: Transistoren sind wesentlich leichter und kleiner als Vakuumröhren. Aufgrund ihrer kompakten Größe, die die Verkleinerung und Integration komplizierter elektrischer Schaltkreise ermöglicht, eignen sie sich perfekt für aktuelle Elektronik und tragbare Geräte.
• Energieeffizienz: Im Vergleich zu Vakuumröhren sind Transistoren energieeffizienter. Aufgrund ihres geringeren Betriebsspannungsbedarfs und ihres geringeren Leistungsbedarfs verbrauchen sie weniger Energie und erzeugen weniger Wärme.
• Zuverlässigkeit: Transistoren sind zuverlässiger und langlebiger als Vakuumröhren. Sie haben eine längere Lebensdauer, sind weniger anfällig für mechanische Ausfälle und werden nicht von Problemen wie Kathodenvergiftung oder Glühfadendurchbrennen beeinflusst.
• Geschwindigkeit: Die schnellen Ein-/Aus-Übergänge von Transistoren ermöglichen es elektronischen Schaltkreisen, mit hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten. Dies qualifiziert sie für Anwendungen wie Computer und Telekommunikation, die schnelles Schalten und Signalverarbeitung erfordern.
• Geräuschverhalten: Im Vergleich zu Vakuumröhren sind Transistoren von Natur aus leiser. Dies qualifiziert sie für Anwendungen wie Audiogeräte und Kommunikationssysteme, die eine rauscharme Verstärkung benötigen.

Nachteile von Transistoren

• Empfindlichkeit gegenüber Spannungsspitzen: Transistoren sind anfälliger gegenüber Spannungsspitzen und werden leicht durch hohe Spannungen oder Ströme beschädigt. Um Schäden zu vermeiden, benötigen sie ein geeignetes Spannungsmanagement und Schutzschaltungen.
• Wärmeableitung: Transistoren erzeugen während des Betriebs Wärme, daher ist eine effektive Wärmeableitung unerlässlich, um eine Überhitzung zu verhindern. Um die optimale Leistung der Geräte zu gewährleisten, müssen häufig Kühlkörper und Kühlsysteme verwendet werden.
• Komplexität: Um ganze elektrische Schaltkreise aufzubauen, benötigen Transistoren zusätzliche Teile wie Widerstände und Kondensatoren. Die Gesamtkosten und die Komplexität des Schaltkreises können aufgrund dieser Komplexität steigen.
• Linearitätsbeschränkungen: Transistoren unterliegen Linearitätsbeschränkungen, insbesondere bei hohen Frequenzen. In einigen Anwendungen kann dies zu Signalverlust und Verzerrung führen.
• Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD): Transistoren sind anfällig für Schäden durch statische Elektrizität und reagieren empfindlich auf ESD. Zum Schutz vor ESD müssen die richtigen Handhabungs- und Montageverfahren eingehalten werden.

Vakuumröhren in praktischen Anwendungen

• Frühe Computer: Die Entwicklung früher Computer erforderte den Einsatz von Vakuumröhren. In diesen Maschinen dienten sie als Speicherkomponenten, Schalter und Verstärker. Vakuumröhren waren für den Betrieb der frühesten elektrischen Digitalcomputer, darunter ENIAC und UNIVAC, von entscheidender Bedeutung.
• Audioverstärkung: Vakuumröhren wurden häufig in Audioverstärkern sowohl für gewerbliche als auch für private Zwecke eingesetzt. Sie boten eine hochwertige Klangwiedergabe und Hi-Fi-Audiosysteme und Gitarrenverstärker waren zwei ihrer beliebtesten Anwendungen. Der warme, satte Klang von Röhrenverstärkern wird noch immer von vielen Liebhabern antiker Audiogeräte bevorzugt.
• Rundfunk: In Rundfunk- und Fernsehgeräten wurden häufig Röhren verwendet. Sie wurden in Sendern eingesetzt, um Hochfrequenzsignale zu erzeugen und zu verstärken. Aufgrund ihrer hohen Ausgangsleistung waren Röhrensender für die Fernübertragung geeignet.
• Radarsysteme: Röhren spielten bei der Entwicklung früher Radarsysteme eine Schlüsselrolle. Sie wurden zur Erzeugung und Verstärkung von Mikrowellensignalen eingesetzt. Magnetrons auf Vakuumröhrenbasis waren besonders wichtig für die Erzeugung der starken Mikrowellenimpulse, die für den Radarbetrieb erforderlich sind.
• Wissenschaftliche Instrumente: Oszilloskope, Teilchenbeschleuniger und Massenspektrometer sind nur einige Beispiele für wissenschaftliche Geräte, die Vakuumröhren verwenden. Sie wurden eingesetzt, um elektrische Impulse zu modifizieren und zu verstärken, was genaue Messungen und Analysen ermöglichte.

Fazit