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B Geschichte der Röhrenentwicklung und Grundlagen

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B.8 Glossar - Erklärung röhrenspezifischer Begriffe [EN]

Absolute Grenzwerte  -  dürfen unter keinen Umständen überschritten werden. Netzspannungsschwankungen, Toleranzen der einzelnen Röhren und der Schaltelemente sowie die Wirkung verschiedener Einstellungen im Gerät müssen sorgfältig berücksichtigt werden. Die Schaltung muss so ausgelegt werden, dass die absoluten Grenzwerte auch beim Zusammentreffen ungünstiger Bedingungen nicht überschritten werden. Schon das Überschreiten eines einzelnen Grenzwertes kann zu ernsthaften Schädigungen der Röhre führen.

Äquivalenter Rauschwiderstand  -  Zur Beurteilung der Rauscheigenschaften wird häufig der äquivalente Rauschwiderstand angegeben. Dies ist ein gedachter Widerstand, der bei Anschluss an das Steuergitter einer rauschfrei angenommenen Röhre bei einer Rauschtemperatur von 290 K die gleiche Rauschleistung am Ausgang der Röhre hervorrufen würde, wie sie bei der betreffenden Röhre wirklich vorhanden ist.

Ausgangsleistung  -  Die Ausgangsleistung Pout ist die Röhrenleistung bei richtiger Anpassung, gegebenenfalls Abstimmung und Neutralisation in Hochfrequenzstufen. Sie ergibt sich aus der Differenz der aufgenommenen Anodenleistung Pba und der Verlustleistung Pa in der Röhre. Die tatsächliche Nutzleistung ist um die Verluste im Ausgangstransformator oder Ausgangskreis geringer.

Barkhausen, Heinrich  -  geboren am 2. Dezember 1881 in Bremen, gestorben 20. Februar 1956 in Dresden. Physiker, Lehrtätigkeit seit 1911 an der Technischen Hochschule Dresden, Themen: elektrische Messtechnik, drahtlose Telegrafie, Telefonie, später auch Theorie der elektrischen Leitungen. Autor des vierbändigen Lehrbuchs der Elektronenröhren und ihrer technischen Anwendungen. Der 1. Band "Allgemeine Grundlagen" erschien 1921. Später folgten die Bände 2. "Verstärker", 3. "Rückkopplung" und 4. "Gleichrichter und Empfänger".

Dynamischer Innenwiderstand  -  Der Innenwiderstand ra ist ein elektrischer Kennwert, der sich aus den Röhrenkennlinien (Ausgangskennlinienfeld) ermitteln lässt und als Verhältnis von Anodenspannungsänderung zu Anodenstromänderung bei konstanter Gitterspannung (partielle Ableitung) definiert ist:
ra = dUa / dIa bei Ug = konstant

Der Zusammenhang zwischen Steilheit, Innenwiderstand und Verstärkungsfaktor ist:
ra = µ / S

Effektiver Widerstand in der Anodenleitung  -  Dieser Widerstand Ra hat Bedeutung in Gleichrichterschaltungen und begrenzt den Spitzenstrom durch die Gleichrichterröhre. Bei Topologien mit Kondensator am Eingang der Siebkette, muss meistens ein zusätzlicher Schutzwiderstand in der Anodenleitung vorgesehen werden, wodurch sich der effektive Anodenwiderstand aus dem Schutzwiderstand Rs, dem Gleichstromwiderstand R2 der sekundären Transformatorwicklung, sowie dem transformierten Widerstand R1 der Primärwicklung zusammensetzt:
Ra = Rs + R2 + (n2/n1)2 x R1   (siehe Bild 1)

Der minimale effektive Widerstand Ra wird meistens vom Röhrenhersteller für die einzelnen Betriebsbedingungen (Transformatorspannung, Lastkapazität) spezifiert, wodurch ein eventuell benötigter Schutzwiderstand unter Berücksichtigung der Innenwiderstände der induktiven Komponenten bestimmt werden kann. Im allgemeinen dürfen höhere als die angegebenen Kapazitätswerte benutzt werden, jedoch muss der effektive Widerstand in der Anodenleitung unter Umständen erhöht werden, um die Überschreitung des maximal zulässigen Anodenspitzenstroms zu verhindern.
Bei Verwendung einer Drossel am Eingang der Siebkette kann der Schutzwiderstand normalerweise entfallen, da eine ausreichend hohe Induktivität in Serie zum Ladekondensator hohe Stromspitzen verhindert. Hinzu kommt noch der Gleichstromwiderstand der Drosselwicklung. Hier setzt sich der effektive Anodenwiderstand aus dem ohmschen Widerstand der Drossel RsL, dem Widerstand R2 der sekundären Transformatorwicklung, sowie dem transformierten Widerstand R1 der Primärwicklung zusammen:
Ra = RsL + R2 + (n2/n1)2 x R1   (siehe Bild 2)

Intermittierender Betrieb (ICAS = Intermittent Commercial and Amateur Service)  -  wird zur Unterstützung der vielen Anwendungen spezifiziert, wo beim Senderentwurf Faktoren wie minimale Grösse, geringes Gewicht und nennenswert erhöhte Ausgangsleistung wichtiger als lange Röhrenlebensdauer sind.
Unter die ICAS-Klassifizierung fallen solche Anwendungen, wie die Benutzung von Röhren in Amateurfunksendern und in Geräten für Aussendungen intermittierender Natur. Mit 'intermittierendem Betrieb' ist gemeint, dass auf jede Einschaltzeit eine Pause folgt, die mindestens gleich der Einschaltzeit von maximal 5 Minuten ist. Die Katode soll jedoch bei dieser Betriebsart (ausser bei Röhren mit Schnellheizkatode) dauernd geheizt sein. Grundsätzlich bedeutet ein Betrieb mit ICAS-Daten einen Verlust an Lebensdauer (etwa 50%) gegenüber dem Betrieb mit CCS-Daten. Jedoch kann man bei genauer Einhaltung der ICAS-Bedingungen auch eine sehr beträchtliche Lebensdauer der Röhre erzielen. Die Einbusse an Lebensdauer wird bei weitem durch den Vorteil aufgehoben, dass man bei ICAS Gelegenheit hat, mit einer kleinen Röhre das gleiche zu leisten, was eine entsprechend grössere Röhre bei CCS leistet.

Intermittierender Mobilbetrieb (IMS = Intermittent Mobile Service)  -  wird für jene Anwendungen (z.B. im Flugzeug) definiert, wo beim Senderentwurf Faktoren wie minimale Grösse, geringes Gewicht und kurzzeitig erheblich höhere Ausgangsleistung die vorherrschenden Anforderungen darstellen, auch wenn die mittlere Lebenserwartung der in solchen Sendern benutzten Röhren stark reduziert ist. Die IMS-Betriebsdaten basieren auf der Festlegung, dass die Aussendungen maximale Einschaltzeiten von 15 Sekunden haben, auf die Ruheperioden von wenigstens 60 Sekunden folgen. Ausnahmsweise ist es zu Geräteprüfungen erlaubt, die Einschaltdauer auf 5 Minuten zu verlängern, wenn eine Ruheperiode von mindestens 5 Minuten folgt und die gesamte Einschaltdauer solcher Tests innerhalb der Röhrenlebensdauer 10 Stunden nicht überschreitet.
Obwohl der Betrieb von Röhren unter IMS-Bedingungen deren Lebenserwartung stark reduziert, kann eine solche Nutzung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten gerechtfertigt sein, z.B. in Anwendungen, bei denen von kleinen Röhren kurzzeitig hohe Leitung verlangt wird.

Klasse  -  Die Betriebsart eines Verstärkers wird bezüglich des Arbeitspunktes in die Klassen A, B, C und D aufgeteilt.

Kontinuierlicher Betrieb (CCS = Continuous Commercial Service)  -  wird die Betriebsart bezeichnet, bei der lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb die entscheidenden Gesichtspunkte darstellen.

Kammerloher, Josef  -  geboren am 20. März 1897, Schwarzhofen in der Oberpfalz. Dozent seit 1924 an der Ingenieurschule Gauß in Berlin (seit 1971 TFH Berlin). Autor einer dreibändigen Schriftreihe der Hochfrequenztechnik unter Berücksichtigung praktischer Anwendungen für den Hochfrequenztechniker. Band I "Elektromagnetische Schwingungskreise" erschien 1936. Es folgten 1938 Band II "Elektronenröhren und Verstärker" und 1942 Band III "Gleichrichter".

Leerlaufverstärkungsfaktor  -  Der Verstärkungsfaktor µ ist ein elektrischer Kennwert, der sich aus den Röhrenkennlinien (Ausgangskennlinienfeld) ermitteln lässt und als Verhätnis von Anodenspannungsänderung zu Gitterspannungsänderung bei konstantem Anodenstrom (partielle Ableitung) definiert ist:
µ = –(dUa / dUg) bei Ia = konstant

Der Zusammenhang zwischen Steilheit, Innenwiderstand und Verstärkungsfaktor ist:
µ = S x ra

Der Leerlaufverstärkungsfaktor stellt die im Idealfall zu erzielende Spannungsverstärkung dar, die dann erreichbar wäre, wenn der Aussenwiderstand (Lastwiderstand) im Verhältnis zum Innenwiderstand der Röhre beliebig gross werden könnte. Dies bedeutet praktisch eine horizontal verlaufende Widerstandslinie im Ausgangskennlinienfeld, entsprechend einer idealen Konstantstromquelle. Mit einem realen Aussenwiderstand erhält man nur eine kleinere Spannungsverstärkung als µ, die dann als V berechnet werden kann.

Mischsteilheit  -  Dieser Begriff Sc wird im Zusammenhang mit Mischstufen benutzt, bei denen am Steuergitter und im Anodenkreis verschiedene Frequenzen vorhanden sind. Die Mischsteilheit ist definiert als Grenzwert des Quotienten aus dem Zwischenfrequenz-Wechselstrom (ZF) im Primärkreis des ZF-Filters (Anodenkreis) geteilt durch die am Steuergitter angelegte Hochfrequenzspannung (HF), wobei HF-Spannung und ZF-Strom gegen null gehen. Zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Mischstufe wird die Mischsteilheit in gleicher Weise benutzt, wie die normale Steuergitter-Anodensteilheit bei Berechnungen von Verstärkern ohne Frequenzumwandlung.

Mittlere Grenzwerte  -  siehe Nominalgrenzwerte.

Negativer Schirmgitterstrom  -  Bei einigen Röhrentypen (hauptsächlich Senderöhren), besonders bei Röhren mit Schattenstellung von Schirm- und Steuergitter, kann der mittlere Schirmgitterstrom in bestimmten Aussteuerbereichen negativ werden. Die Stromversorgung des Schirmgitters bei solchen Röhren muss mindestens mit den in den Betriebsdaten angegebenen Werten für den negativen Schirmgitterstrom vorbelastet werden. Zu geringe Vorbelastung führt zu Spannungserhöhung am Schirmgitter und damit zu Instabilität der Röhre. Der Widerstand für die Vorbelastung muss direkt am Schirmgitter angeschlossen werden, um auch bei Sicherungsausfällen wirksam zu sein.

Normierte Anheizzeit  -  Dieser Begriff bezieht sich auf den Heizfaden von Röhren mit indirekt geheizter Katode und interessiert immer dann, wenn die Heizfäden mehrerer Röhren in Serie geschaltet werden sollen. Die Anheizzeit ist die Zeitspanne, die vergeht, bis der Heizfaden einen bestimmten Erwärmungszustand erreicht hat. Sie hängt nicht nur vom Heizfaden selbst und der ihn umschliessenden Katode ab, sondern in sehr erheblichem Umfang auch von den Eigenschaften des Heizstromkreises. Zur Messung wird ein Heizkreis mit einem Vorwiderstand vom dreifachen Wert des Heizfaden-Betriebswiderstandes benutzt (inklusive Innenwiderstand des Heiztransformators). Die Versorgungsspannung wird dabei auf den vierfachen Wert der nominellen Heizspannung der Röhre ausgelegt. Als Anheizzeit gilt dabei die Zeitspanne vom Einschalten der Heizstromversorgung bis zum Erreichen einer aktuellen Heizfadenspannung vom 0,8-fachen des Nominalwertes. Sie wurde in Europa auf 14,5 Sekunden mit einer Streubreite von 11 ... 18 Sekunden festgelegt, in den USA auf 11 Sekunden. Untereinander gleiche normierte Anheizzeiten sind die Voraussetzung dafür, dass die Heizfäden mehrerer Röhren ohne zusätzlichen Strombegrenzungswiderstand in Reihe geschaltet werden dürfen. Dabei ist die Gesamtheizspannung gleich der Summe der Heizspannungsnennwerte der in Reihe liegenden Heizfäden.

Nominalgrenzwerte oder Mittlere Grenzwerte  -  werden üblicherweise für Empfängerröhren angegeben und sind zu einer Schaltungsauslegung vorgesehen, die Bauteiletoleranzen und Schwankungen der Versorgungsspannungen im Bereich von ±10% verträgt, ohne dass die einwandfreie Funktion der eingesetzten Röhre beeinträchtigt oder diese überlastet wird.
Das bedeutet, dass bei Verwendung einer Röhre mit den publizierten Daten (Normalröhre) in einem Gerät, bei dem sämtliche Schaltelemente Nennwert haben und das mit Nennspannung betrieben wird, die angegebenen Elektrodenspannungen, -ströme und -verlustleistungen nicht überschritten werden dürfen. Unter diesen Voraussetzungen können beliebige Röhren dieses Typs verwendet und die Toleranzen für Schaltelemente so gewählt werden, dass die Elektrodenverlustleistungen um nicht mehr als 10% überschritten werden. Das Gerät darf dann an die vorgesehene Netzspannung angeschlossen werden, sofern diese nicht um mehr als ±10% schwankt. Dabei ist allerdings zu beachten, dass Heizspannungsschwankungen bis ±10% zwar zulässig sind, jedoch im allgemeinen zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen, insbesondere bei Überheizung.

Obere Betriebsgrenzfrequenz eines Breitbandverstärkers  -  definiert als Quotient aus Steiheit und Gesamtkapazität S / (2 x CT) der Röhrenschaltung im Arbeitspunkt. Dieser Wert kann als Gütekennzeichen des Verstärkers benutzt werden. Die Gesamtkapazität setzt sich zusammen aus der Betriebs-Eingangskapazität Cin', der Ausgangskapazität Cout und Schaltkapazitäten Co (üblicherweise mit 5 pF in Rechnung gestellt), also CT = Cin' + Cout + Co.

Rauschzahl oder Rauschfaktor  -  Allgemein als Störabstandsverhältnis
F = Eingangsstörabstand / Ausgangsstörabstand
definiert, wobei Störabstand = Signalleistung / Rauschleistung. Die Rauschzahl gibt an, welche Signalleistung man dem Eingang zuführen muss, damit am Ausgang Gleichheit zwischen Signal- und Rauschleistung besteht. Der eingangsseitige Rauschabstand bezieht sich dabei auf eine Rauschtemperatur des Abschlussleitwertes von To = 290 K. Der Rauschfaktor wird als dimensionslose Zahl oder in dB angegeben. Gleichbedeutend ist die Definition:
Der Rauschfaktor ist das Verhältnis der pro Hertz Bandbreite am Ausgang gelieferten Rauschleistung zu der Rauschleistung, die der eingangsseitige Abschlussleitwert allein am Ausgang liefern würde.

RC-gekoppelter Spannungsverstärker  -  Eine Röhrenschaltung, bei der nur Widerstände und Kondensatoren zum Aufbau eines Spannungsverstärkers benutzt werden, heisst RC-gekoppelt. Diese Schaltungsart ist für Trioden und Pentoden geeignet, wobei mit Pentoden ein besonders hoher Verstärkungsfaktor erzielt werden kann.
In einer RC-gekoppelten Verstärkerstufe ist der Lastwiderstand der Röhre in etwa gleich der Parallelschaltung des Anodenwiderstandes RaL und des Gitterableitwiderstandes Rg1' der folgenden Stufe. Um nun einen hohen Lastwiderstandswert zu erzielen, ist es notwendig, sowohl den Anodenwiderstand als auch den Gitterwiderstand möglichst hochohmig auszulegen. Jedoch sollte der Anodenwiderstand nicht zu gross werden, da durch den Anodenstrom ein Spannungsabfall am Widerstand entsteht, der die wirksame Anodenspannung der Röhre reduziert. Ist nun der Anodenwiderstand zu gross, wird der Spannungsabfall an ihm zu gross, die Anodenspannung der Röhre wird zu klein, ebenfalls die mögliche Ausgangsspannung. Schliesslich soll der Gitterwiderstand der folgenden Stufe nicht zu gross sein, wobei der maximal zulässige Wert vom jeweiligen Röhrentyp abhängt. Diese Vorsichtsmassnahme ist nötig, da alle Röhren noch winzige Mengen Gasreste enthalten, die einen wenn auch sehr kleinen Strom durch den Gitterwiderstand verursachen. Ist der Gitterwiderstand zu gross, entsteht aufgrund des Gitterstroms eine zusätzliche Vorspannung, die den Arbeitspunkt der Röhre verschiebt und die ordnungsgemässe Funktion der Verstärkerstufe stören kann. Wenn die Vorspannung über einen Katodenwiderstand erzeugt wird, ist ein höherer Wert des Gitterwiderstandes erlaubt, als bei Benutzung einer festen Vorspannung. Bei Benuzung eines Katodenwiderstandes wird eine Verschiebung des Arbeitspunktes durch Gasreste oder Gitteremissionseffekte fast vollständig durch einen erhöhten Spannungsabfall am Katodenwiderstand ausgeglichen. Typische Werte des Anoden- und Gitterwiderstandes von in RC-gekoppelten Schaltungen benutzten Röhrentypen und der damit erzielbaren Spannungsverstärkung, werden in Kapitel  3  - NF-Spannungsverstärker in RC-Kopplung dargestellt.

Spannungsverstärkung  -  V ist das Verhältnis der am Ausgangslastwiderstand erzeugten Spannungsänderung (Wechselspannung) zur Eingangssignalspannung und kann aus Leerlaufverstärkungsfaktor µ, Innenwiderstand ra und Lastwiderstand RaL berechnet werden:
V = µ x RaL / (ra + RaL)

Bei Pentoden benutzt man besser das Produkt aus Steilheit S und der Parallelschaltung von Innenwiderstand ra und Lastwiderstand RaL:
V = S x (ra x RaL) / (ra + RaL)

Aus der ersten Formel geht hervor, dass die von der Röhre real erzielbare Verstärkung kleiner als ihr Leerlaufverstärkungsfaktor ist, sich ihm jedoch um so mehr annähert, je grösser der Lastwiderstand im Vergleich zum Innenwiderstand der Röhre gewählt wird.
Siehe auch RC-gekoppelter Spannungsverstärker.

Steilheit  -  Die Steilheit S ist ein elektrischer Kennwert, der sich aus den Röhrenkennlinien (Eingangskennlinienfeld) ermitteln lässt und als Verhältnis von Anodenstromänderung zu Gitterspannungsänderung bei konstanter Anodenspannung (partielle Ableitung) definiert ist:
S = dIa / dUg bei Ua = konstant

Der Zusammenhang zwischen Steilheit, Innenwiderstand und Verstärkungsfaktor ist:
S = µ / ra

Als Einheit der Steilheit wird üblicherweise Milliampere pro Volt (mA/V) benutzt. In der amerikanischen Literatur findet man die Bezeichnung "mho", die als Rückwärtsschreibweise von "ohm" zu verstehen ist und den Kehrwert des Widerstandes (1/Ohm) bezeichnen soll. Diese Betrachtungsweise entstand wohl aus der Tatsache, dass mA/V formal auch als Leitwert (inverser Widerstand) verstanden werden kann, wobei es sich im Zusammenhang mit der Steilheit allerdings um zwei unterschiedliche Stromkreise handelt.

Toleranzgrenzwerte  -  sind die Grenzwerte, die für den Schaltungsentwurf bei Berücksichtigung aller Toleranzen gelten. Sie dürfen unter normalen Betriebsbedingungen für eine Röhre mit den publizierten Daten (Normalröhre) auf keinen Fall überschritten werden.

Wasserstoff-Thyratron  -  Diese Röhren werden zur Impulsmodulation von Magnetrons und anderen Oszillatoren, sowie als schnelle Schalter benutzt. Thyratrons mit Wasserstofffüllung haben extrem niedrige Deionisationszeiten. Sie werden ohne Gittervorspannung betrieben und durch einen positiven Impuls am Steuergitter gezündet. Die maximale Impulswiederholfrequenz (fp in Pulse pro Sekunde) ist abhängig vom Spitzenwert der Anodenspannung in Durchlassrichtung (Ua (PK) in Volt) gemäss der Formel (Ua (PK))2 x fp = 2.6 x 1011 maximal.

Wirkungsgrad - Anodenwirkungsgrad  -  Bei einer als Leistungsverstärker benutzten Röhre ist der Wirkunksgrad eta (kleiner griechischer Buchstabe) definiert als das Verhältnis der Wechselstrom-Ausgangsleistung Pout zum Produkt aus der mittleren Anodenspeisespannung Ub und des Anodengleichstroms Ia bei voller Aussteuerung, oder:
eta(in %) = Pout / (Ub x Ia) x 100

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