Röhren

(Röhrentechnologie)

Die Erfindung der Röhre um das Jahr 1900 bereitete die Grundlage für die gesamte Elektronik. Anfangs ausschließlich kommerziell eingesetzt (Telefontechnik), erlebte die Röhre in den 1920er Jahren einen Boom durch die Verbreitung des Rundfunks, dessen Herzstück die Röhre bildete. Kurze Zeit später wurden Röhren erstmals für Anzeigezwecke (Oszillograph) eingesetzt. Aus dieser Technologie entwickelte sich die Fernsehtechnik und daraus die Technik der Computerbildschirme. In der Frühzeit der Computertechnik waren Röhren das bestimmende Bauteil, da sie gegenüber den davor eingesetzten mechanischen Relais eine wesentlich höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit ermöglichten.


Alte Elektronenröhre mit geschwungenem Glaskolben.
Daneben die Originalverpackung

Ab den 1960er Jahren wurden Röhren nahezu komplett durch Halbleiterbauelemente verdrängt. Halbleiterbauelemente haben gegenüber den Röhren die Vorteile des geringeren Platzbedarfs, geringerer Wärmeverluste sowie dem Fehlen von Alterungseffekten. Lediglich in Form vom Bildröhren hatte sich das Funktionsprinzip in der DDR noch bis 1990 erhalten.

In der DDR wurden folgende Rechner auf Basis von Elektronenröhren gebaut: D1, PRL, ZRA1, ENDIM, R12 sowie ASM18.

Hersteller von Röhren in der DDR waren die Firmen:

Technische Grundlagen

Man unterscheidet zwei grundlegende Arten von Röhren: Der Vorteil von Hochvakuumröhren ist ihre große Geschwindigkeit, der Vorteil der gasgefüllten Röhren liegt in höheren verarbeitbaren Strömen sowie in z.T. größerer Lebensdauer.
Von der Baugröße waren kaum Grenzen gesetzt: Es gab Elektronenröhren von der Größe eines Stecknadelkopfes bis hin zu übermannshohen Exemplaren.


Hochvakuumröhren

Hochvakuumröhren bestehen aus einem luftleeren Kolben, in dem mindestens zwei voneinander getrennte Elektroden (meist aus Metall) eingeschmolzen sind. Normalerweise kann zwischen beiden Elektroden aufgrund des Vakuums kein Strom fließen. Dies ändert sich, sobald eine der Elektroden durch einen Glühfaden (=Heizfaden) erhitzt wird. Aus der glühenden Elektrode (=Kathode) können dann durch die heftige Teilchenbewegung Elektronen austreten, zur anderen (kalten) Elektrode (=Anode) fliegen und somit einen Stromfluss erzeugen. Ein Stromfluss in der umgekehrten Richtung ist nicht möglich. Daher lässt sich diese einfachste Form der Elektronenröhre (=Röhrendiode) zum Gleichrichten von Wechselstrom verwenden.
Technischer Nachfolger der Röhrendiode ist die Halbleiterdiode.


Gleichrichterröhre (Diode)
Einweg-Netzgleichrichterschaltung mit einer Röhrendiode

Trioden

Einen anderen Effekt nutzt man bei der Röhrentriode: sie wird generell mit Gleichstrom, und zwar in Durchlassrichtung, betrieben, sodass also ständig ein Strom zwischen Kathode und Anode fließt. Bringt man zwischen Kathode und Anode eine weitere Elektrode in Form eines Gitters und legt an dieses Gitter eine veränderliche Spannung, lässt sich damit der Strom zwischen Kathode und Anode verändern. Die Röhre hat also damit den Charakter eines (analogen) Relais.
Schaltet man vor die Anode einen Widerstand, ist dem Anodenstrom (nach dem Ohmschen Gesetz) eine bestimmte Spannung zugeordnet. Ändert man die Spannung am Gitter geringfügig, ändert sich die Spannung an der Anode sehr stark. Man hat also eine Verstärkerwirkung (praktisch zwischen 20 bis 150fach). Solche Verstärker sind die Grundlage der gesamten Elektronik: Da bei der Benutzung jedes elektrischen Bauteils immer Verluste entstehen, müssen diese immer wieder durch Verstärker ausgeglichen werden.


Röhrentrioden


Einfache Verstärkerschaltung mit Röhrentriode
(Kathodenbasisschaltung)

Je nach dem, welche Elektroden man als Eingang und Ausgang benutzte, bekam man unterschiedliche Verstärkereigenschaften, man sprach von Kathodenbasisschaltung, Gitterbasisschaltung und Anodenbasisschaltung. Durch Einbringen weiterer Elektroden kann man die Eigenschaften der Röhre verbessern, verbreitet war vor allem die Pentode (3-Gitter-Röhre).
Technischer Nachfolger der Röhrentriode ist der Transistor.

Bildröhren

Einen anderen Effekt nutzte man bei der Bildröhre aus: Hier wurde ein scharf gebündelter Elektronenstrahl auf einen Leuchtschirm geschossen, der daraufhin an dieser Stelle hell aufleuchtet. Den Auftreffpunkt des Elektronenstrahl konnte man elektrostatisch (Oszillograph) oder magnetisch (Fernseher, Bildschirm) in 2 Richtungen verschieben. Setzte man den Elektronenstahl in die linke obere Ecke des Bildschirms, bewegte ihn dann bis zum rechten Rand, ließ ihn dort nach links zurückspringen und bewegte den Strahl gleichzeitig allmählich nach unten, bekam man durch die Trägheit der Augen ein (scheinbares) Raster: eine leuchtende Fläche. Verdunkelte man den Elektronenstrahl zu bestimmten Zeiten, konnte man Figuren oder Schriftzeichen darstellen, was am Computer für Bildschirme genutzt wurde.
Technischer Nachfolger der Bildröhre war der LCD-Bildschirm.


Typische Oszillographenröhre. Rechts der Leuchtschirm
Prinzipschaltung der Fernseh-Bildröhre

Computerbildröhre, Ansicht von vorn
Computerbildröhre, Ansicht von hinten

Andere Effekte benutzte man bei in der Höchstfrequenztechnik, zur Informationsspeicherung, zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, zur Messung von Licht und von radioaktiver Strahlung. Außerdem gab es spezielle Röhren, mit denen man Impulszähler aufbauen konnte, was aber in der DDR vermutlich nicht für Computer genutzt wurde.


Endikons

(Alias Endicons)

Endikons waren Spezialröhren zur elektronischen Aufnahme bewegter Bilder. Dazu wurde das Bild mit Hilfe eines Objektivs auf die plane, gläserne Vorderseite der Bildröhre projiziert. Diese war rückseitig mit einem optisch aktiven Material beschichtet. Wurde sie intern mit einem fokussierten Elektronenstrahl abgerastert, schwankte dessen Anodenstrom abhängig von der Helligkeit des gerade angesteuerten Bildpunktes. Das Bildsignal konnte nach Verstärkung und Hinzufügung von Synchronimpulsen auf einem Fernbildschreiber ausgegeben werden. Über einen HF-Modulator konnte auch ein Bildsignal erzeugt werden, dass mit Fernsehempfängern kompatibel war. Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgte über Elektromagnete, deren Ansteuerung (Horizontalgenerator, Vertikalgenerator, Synchronisation) Bestandteil der Kameras war. Die Fokussierung des über eine Glühkathode erzeugten Elektronenstrahls erfolgte meist über Permanentmagneten.


Endikonröhre F2,5M3A. Vorn die Bildaufnahmefläche.
Endikonröhre F2,5M3A

Endikon (Bildmitte) in einer Kamera TFK500.
Links das Magnetsystem zur Ablenkung

Abhängig von der Art der Beschichtung und des Objektivs konnte außer sichtbarem Licht auch anderen Bereiche des Spektrums (Infrarot, Röntgen) sichtbar gemacht werden. Die Bildaufnahmeröhren wurden mit Betriebsspannungen von einigen hundert Volt betrieben, was ihren Umgang nicht ganz ungefährlich machte. Endikonröhren hatten den unschönen Effekt des Nachziehens: bei Änderung des Bildinhalts blieb der alte Inhalt noch einige Sekunden sichtbar, besonders bei hellen Lichtquellen. Bei jahrelangen Abbilden eines festen Motivs (Überwachungskamera) konnte es zu irreversiblen Einbrenneffekten kommen, dass Schemen des ursprünglichen Bildes auch bei völliger Dunkelheit blieben. Wir alle Röhren unterlagen auch die Endikons einer Alterung bei langem Betrieb: Nachlassenden Elektronenemission der Kathoden führten zu einer Verschlechterung der Bildqualität.

Die DDR-Bildaufnahmeröhren arbeiteten durchweg schwarz-weiß (oder besser gesagt: Graustufen). Sollten Farbbilder aufgenommen werden, ordnete man drei Bildaufnahmeröhren hinter dem Objektiv an und setzte vor jede Röhre einen Farbfilter: rot, grün und blau. Dieses Verfahren wurde beim Unterhaltungsfernsehen gemacht, im industriellen Fernsehen verzichtete man damals hingegen auf Farbe.


Gasgefüllte Röhren

(Alias Nixie-Röhren, Nixies)

Diese Art von Röhren ist mit einem ionisationsfähigen Gas (z.B. Quecksilberdampf, Neon oder Wasserstoff) gefüllt. Legt man an zwei im Glaskolben eingeschmolzene Elektroden eine genügend hohe Spannung an, kommt es zu einer Plasmaentladung: das Gas wird unter Abgabe von Licht leitfähig. Diesen Effekt macht man sich bei den Glimmröhren zu nutze: abhängig von der Gasfüllung überziehen sich die Elektroden mit einem Leuchtsaum mit charakteristischer Farbe. Bringt man 10 als Ziffern geformte Elektroden in die Röhre ein und lässt jeweils eine Elektrode leuchten, erhält man eine Ziffernanzeigeröhre (Nixie), die besonders bei älteren Digitalmessgeräten sowie bei manchen Tischrechnern zur Zahlenausgabe benutzt wurden. Technischer Nachfolger der Ziffernanzeigeröhre ist die LED bzw. die 7-Segment-Anzeige.


Neon-gefüllte Glimmanzeigeröhre
Ansteuerung einer Glimmanzeigeröhre

Bei Glimmstabilisatoren nutzt man die sprunghafte Zündung des Gases bei einer bestimmten Spannung (ca. 70V) aus. Da diese Spannung konstant ist, kann man schwankende Eingangsspannungen auf einen festen Wert herunter regeln (stabilisieren).
Technischer Nachfolger der Stabilisatorröhren sind die Z-Dioden.


Glimm-Stabilisatorröhre
Einfache Stabilisatorschaltung

Das Prinzip der Hochvakuumdiode lässt sich auch mit gasgefüllten Röhren realisieren. Auf Grund der größeren Anzahl an Ladungsträgern erhält man Gleichrichter für sehr hohe Ströme (z.T. bis mehrere tausend Ampere). Das Ganze lässt sich noch mit einer Phasenschnittsteuerung kombinierten (=Thyratron) und kann somit die Ausgangsspannung regeln.
Technischer Nachfolger der Gasgleichrichterröhren sind Halbleiterdioden bzw. Thyristoren.


Sechsphasen-Quecksilberdampf-Großgleichrichterröhre

Ein der Triode ähnliches Verfahren konnte auch bei gasgefüllten Röhren angewandt werden: die speziell für die Digitaltechnik entwickelte Kaltkathoden-Relaisröhre. In der DDR wurden aber vermutlich keine Computer mit Relaisröhren gebaut.
Durch spezielle Gasröhren war es außerdem möglich, dekadische Impulszähler zu realisieren, was aber in der DDR vermutlich auch nicht für Computer genutzt wurde.


Kaltkathoden-Relaisröhren

Weitere Anwendungen spezieller gasgefüllter Röhren lagen in der Radartechnik, der Überspannungsableitung sowie in der Höchstfrequenztechnik.


Mechanischer Aufbau

Um die Materialoberflächen maximal auszunutzen, wurden Röhren meist koaxial aufgebaut: Die Kathode war zentral in Form eines Stäbchens ausgeführt. Sie wurde vom Gitter umschlossen, das die Form eines zylindrischen Netzes oder einer Spirale hatte. Nach außen hin schloss sich die Anode in Form eines zylindrischen Bleches an.

Das Röhrensystem wurde außen von einem Kolben aus Glas, Porzellan oder Metall luftdicht umschlossen.
Die Anschlüsse der Röhre wurden meist in Form eines Stecksockels herausgeführt, der in eine entsprechende Fassung passte. Die Anschlussbelegung sowie die technischen Daten konnten aus Röhrentabellen entnommen werden.

Vakuumröhren enthielten noch ein Zusatzelement, dass die Qualität des Vakuum sichern sollte: die Vergetterung. Sie bestand aus einer Pfanne, die Barium enthielt, welches in der letzten Phase des Produktionsprozesses induktiv verdampft wurde und sich als silberner Niederschlag auf dem Glas (meist oben) absetzte. Eventuell später freiwerdende Sauerstoffreste machte das Barium sogleich durch Oxydation unschädlich. Hatte sich der gesamte Niederschlag weiß verfärbt, war dies ein Zeichen, dass Luft in die Röhre eingedrungen und die Röhre somit unbrauchbar war.

Um Platz zu sparen, wurden z.T. mehrere Röhrensysteme in einen Glaskolben eingebaut (=Verbundröhre).


Typenbezeichnung

Eine weltweit genormte Typenbezeichnung für Röhren gibt es nicht: viele Hersteller verwendeten eigenen Typenschlüssel. Die in der DDR produzierten Vakuum-Empfängerröhren orientierten sich meist am Telefunken-Röhrencode. Hier die wichtigsten Bezeichnungen:

1. Buchstabe: Angabe der Heizung. Die verbreitetsten Buchstaben: 2. Buchstabe: Aufbau des Röhrensystems 3./4. Buchstabe: Aufbau weiterer Röhrensysteme (Verbundröhre)

1. (2.) Ziffer: Art des Röhrensockels. Die verbreitetsten Ziffern: letzte Ziffer: laufende Nummer. z.B. UF95: Regel-Pentode mit 100 mA Heizung und Heptalsockel
ECC82: Doppel-Triode mit 6,3V Heizung und Novalsockel


Verbreitung

Nachteilig bei Röhren ist die Tatsache, dass sie einer Alterung unterliegen (bei moderneren Röhren ca. 10.000 Betriebsstunden). Zur Überprüfung des Funktionszustands einer Röhre und einer eventuellen Regenerierung benutzte man spezielle Röhrenprüfgeräte.

Der Einsatz von Röhren ist heute, bis auf einige wenige Sondereinsatzgebiete (Bildröhren, Mikrowellenerzeugung, HiFi-Tontechnik) nicht mehr üblich. Da viele Röhrentypen heute nicht mehr produziert werden, sind die noch vorrätigen Exemplare z.T. gesuchte und teure Bauteile.

Für viele Liebhaber der Röhrentechnik ist das faszinierende an Röhren, dass die Vorgänge im Inneren (im Gegensatz zu Halbleitern) direkt sichtbar sind: der mechanische Aufbau, das Glühen der Kathode und teilweise sogar der Flug der Elektronen. Überlastungen und falsche Betriebsspannungen erzeugen in Röhren charakteristische Fehlerbilder und bieten somit die Möglichkeit einer "erlebbaren" Elektronik.

Die verbreitete Behauptung, dass Röhren eine hörbar bessere Tonqualität bieten als Halbleiter, beruht eher auf Einbildung, sorgt aber dafür, dass viele Bastler mit diesen interessanten Bauteilen weiterhin Geräte entwickeln.


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