Heizkreisregelröhren: U, EW, EU, C
Heizkreisregelröhren: U, EW, EU, C
1. Einleitung
Liebe Kollegen,
leider bestehen oft falsche Auffassungen über die Funktion der Heizkreisregelröhren. Auch die Angaben bei Röhrenprüfgeräten helfen selten weiter und sind sogar mitunter falsch. Deshalb möchte ich hier einen kleinen Überblick über die klassischen Röhrenbauformen sowie die daraus entwickelten späteren Bauelemente geben. Weiterführende Hinweise nehme ich dankbar entgegen.
2. Grundsätzliches
Bei Gleich- und Allstromgeräten sind die Heizfäden der Röhren in Reihe geschaltet. Dazu finden Röhren mit abgeglichenem Heizstrom und besonders spannungsfester Kathoden-Heizfaden-Isolierung Verwendung (z.B. die Serien R..18.., C, U, V, P und auch einzelne Typen der E-Serie). Zur Anpassung an die gewählte Netzspannung sind Vorwiderstände erforderlich. Insbesondere dann, wenn diese Vorwiderstände nur einen kleinen Teil der Gesamtspannung zu vernichten haben, ist der Einschaltstromstoß des Heizkreises sehr groß, denn die Fäden bestehen aus Metall und haben einen Kaltwiderstand, der nur etwa ein Siebtel des Heißwiderstandes beträgt! Deshalb hatten die Heizfäden und Skalenlampen der frühen Serienheizkreisgeräte oft nur eine kurze Lebensdauer. Besonders dann, wenn die Heizfäden schon unterschiedlich gealtert oder geringfügig zu großen Toleranzen unterworfen waren, wurden die "schwächsten" Fäden am meisten überlastet und verschlechterten gerade deshalb ihre Eigenschaften immer mehr, bis sie schließlich durchbrannten. Zur Abhilfe verwendete man deshalb schon bald spezielle Heizkreisregelröhren statt ohmscher Vorwiderstände. Die Regelröhren kann man prinzipiell folgenden allgemein bekannten Bauelementegruppen zuordnen:
- NTC (manchmal auch NTK): Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, auch Heißleiter genannt. Der Widerstand nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Typische Vertreter: Kohlefadenlampe, NTC-Widerstand.
- PTC (manchmal auch PTK): Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, auch Kaltleiter genannt. Der Widerstand nimmt mit zunehmender Temperatur zu. Typische Vertreter: Normale (Metallfaden-)Glühlampe, PTC-Widerstand, Röhren-Heizfaden.
3. Die wichtigsten Typen der Heizkreis-Regelröhren
a) Urdoxwiderstand (kurz: Urdox) (OSRAM-Bezeichnung: U...*)):
Dieser besteht aus einem schwarzen Stab, der ursprünglich aus Uranverbindungen (Urandioxid) hergestellt war. Ab 1934/1935 gelang es, den Auslandswerkstoff Urandioxid durch den leicht herstellbaren Heimwerkstoff Mg-Ti-Spinell zu ersetzen. Da beide Werkstoffe nicht umgebungsluftbeständig sind, wird der Stab entweder unter Vakuum gehalten oder von einer Atmosphäre aus indifferentem oder reduzierendem Gas umgeben. So wird z.B. beim Kombinationselement EU (siehe weiter unten) Wasserstoff verwendet. In der Nachkriegszeit gab es auch Bauteile mit der Bezeichnung "U...", die in Widerstandsform geliefert wurden. Bei diesen schützt ein dünner, glasartiger Bezug das Bauelement vor der Umgebungsluft.
Der Urdoxwiderstand hat starkes Heißleiterverhalten und dient nur zur Unterdrückung des Einschaltstromstoßes bei kalten Heizfäden. Die Klemmenspannung bei Nennstrom für den aufgeheizten Zustand ist zwar angegeben, variiert aber relativ stark. Diese Streuungen sind in der Praxis nebensächlich, weil sie nur einen kleinen Teil der gesamten Heizspannung ausmachen. Die Bauteile sind relativ langlebig, werden aber mit zunehmendem Alter immer hochohmiger, so daß sich der Spannungsabfall erhöht. Angesichts der heute üblichen höheren Netzspannung ist das in der Praxis allerdings sogar meist erwünscht.
Bemessungsgröße eines Urdoxes ist neben den Nennwerten für Strom und Spannung auch die maximal zulässige Netzspannung, denn im Einschaltmoment fällt praktisch die volle Netzspannung am Urdox ab.
Die Überprüfung eines Urdoxes erfordert Geduld, denn mit kleiner Spannung kann es sehr lange dauern, bis er sich aufgeheizt hat. Deshalb sollte man also zunächst ruhig eine große Spannung (mitunter sind weit über 100V sinnvoll) anlegen und sie dann unter Beobachtung des Strommessers immer weiter reduzieren, bis sich einigermaßen stabile Verhältnisse eingestellt haben. Zur Sicherheit und zur Erhöhung der Stabilität der Meßumgebung sollte man einen Widerstand ausreichender Leistung in Reihe schalten, an dem mindestens die Nennspannung des Urdoxwiderstandes im aufgewärmten Zustand abfällt. Je größer der Widerstand, desto besser. Am besten wäre Konstantstrombetrieb, aber die meisten Netzgeräte erlauben nicht die zunächst erforderliche hohe Anfangsspannung, bevor sich überhaupt etwas tut. Angesichts der heute üblichen höheren Netzspannung wird man einen Urdox, der unter diesen Meßbedingungen beim Nennstrom vielleicht bis zu 10 Volt zuviel Spannungsabfall hat, trotzdem weiterverwenden. Die dadurch bedingte größere Wärmeabgabe sollte beachtet werden.
*) Es bedeuten bei OSRAM: U: Urdox, die letzten beiden Ziffern: Nennstrom in 10mA-Schritten, die Ziffern davor: mittlerer Spannungsabfall in Volt.
b) Eisenwasserstoffwiderstand (kurz: Eisenwiderstand) (OSRAM-Bezeichnung: EW...):
Dieser besteht aus einem Eisendraht in Wasserstoffatmosphäre und gehört zur Gruppe der Kaltleiter. In Gegenwart von Wasserstoff erhöht der Eisendraht seinen Widerstand ab einer bestimmten Temperatur schlagartig, worauf der Strom und damit die Temperatur bestrebt sind, sich wieder leicht zu verringern. Letztlich stellt sich innerhalb eines konstruktiv vorgegebenen Spannungsbereiches ein Gleichgewicht zwischen Temperatur und Widerstand ein, welches für (annähernd) konstanten Strom sorgt. Besonders wichtig ist das zum Ausgleich von Netzspannungsschwankungen, wie sie früher alltäglich waren.
Wichtig: Der EW reduziert den allerersten Einschaltstromstoß nicht, sondern verstärkt ihn prinzipiell sogar noch! Ein Folgeschaden wird allein dadurch verhindert, daß sich der EW sehr schnell aufheizt und dadurch den Stoß innerhalb kürzester Zeit wieder stark abschwächt. Zur Unterdrückung auch des allerersten Stromstoßes findet man Eisenwasserstoffwiderstände meist in Kombination mit separaten Urdoxen oder als Kombinationsbauelement EU (s.u.), seltener alleine.
Häufiges Fehlerbild: Neben Fadenbrüchen kommen Ablagerungen oder Veränderungen in der Wasserstoffatmosphäre infolge Überlastung oder Alterung vor. Manchmal sichtbar an einer Braunfärbung des Kolbens, wie in nebenstehendem Bild. Als Folge versagt die Stromregelung.
Die Überprüfung ist recht einfach: Kleine Spannung anlegen, dann langsam erhöhen und prüfen, ob der Strom innerhalb des angegebenen Spannungsbereiches in etwa konstant ist und dem Nennstrom entspricht.
Beim Austausch eines EWs durch einen anderen Typ sind nicht nur die elektrischen Werte wichtig, sondern es ist auch auf die Sockelschaltung zu achten. Manche EWs haben Brücken im Sockel. Dadurch wird bei einigen Geräten beim Wechsel des EWs zur Umstellung auf eine andere Netzspannung auch gleich eine Heizkreisumschaltung mit durchgeführt. Ist bei einer Netzspannungsumstellung ebenfalls der Heizkreisvorwiderstand auszutauschen, dann existiert dieser meist als steckbares Bauteil. Auch gibt es EWs mit Anzapfung für den Betrieb mit unterschiedlichen Netzspannungen, ohne daß ein EW-Austausch erforderlich wäre. Also unbedingt in die Datenbücher schauen!
Da der Eisendraht nicht nur mechanisch, sondern auch magnetisch empfindlich ist, war der EW (und auch der EU, s.u.) seitens des Geräteherstellers fast immer mit einer Metallhülse gegen magnetische Felder (Trafo, LS-Magnet...) abgeschirmt. Die Metallhülsen wurden über den Kolben gestülpt. Es bestand aber ein Luftspalt zwischen Kolben und Metall, um die Lüftung nicht zu behindern. Dazu waren in die Hülse Falze derart eingeformt, daß sie als Abstandshalter funktionierten. Siehe dazu nebenstehendes Bild. Leider fehlt die Abschirmung heute oft in den Geräten. 
c) Eisen-Urdox-Widerstand (OSRAM-Bezeichnung: EU...):
Kombinationsbauelement, interne Reihenschaltung aus EW und U in einem gemeinsamen Kolben. Unterdrückt den Einschaltstromstoß und regelt danach den Heizstrom. Bezüglich der mechanischen und magnetischen Empfindlichkeit und der Austauschregeln gilt das beim EW Gesagte. Außerdem ist die unter Urdox genannte maximale Netzspannung zu beachten.
Eine endgültige Überprüfung des Bauelementes ist nicht einfach, da sich die Effekte des Urdoxes mit denen des EWs vermischen. Auf jeden Fall muß man wie beim reinen Urdox zunächst eine hohe Startspannung verwenden und diese dann unter genauer Beobachtung des Strommessers Schritt für Schritt reduzieren. Alternativ kann man den EU nach einer groben Vorprüfung auch ins Gerät einsetzen, es dann mit einem Stelltrafo langsam hochfahren und den Heizstrom unter Variation der Netzspannung kontrollieren.
d) Philips-Stromregelröhren (Philips-Bezeichnung: C...):
Hinter diesen Philips-Bezeichnungen verbergen sich zwar meistens reine EWs, aber es kommen auch kombinierte EUs vor. Leider sind die Angaben in der Literatur dazu nicht ganz einheitlich. Während der Typ C3 definitiv ein EU ist, findet man bei den Typen C4 und C6 sowohl die Zuordnung zu den EUs (sehr frühe Herstellerangaben) als auch zu den EWs (spätere Sekundärliteratur). Bei den Typen C1, C2, C8, C9, C10 und C12 handelt es sich definitiv um einfache EWs. Im Zweifelsfalle kann man an der Röhre selbst sofort erkennen, um was es sich handelt: Befindet sich neben dem Metalldraht noch ein elektrisch in Serie geschalteter schwarzer Stab in der Röhre, dann ist es ein EU, ansonsten ein EW. Meist sind die Röhren, bei denen die folgenden Ziffern identisch mit denen der OSRAM-EWs sind, elektrisch untereinander austauschbar. Leider können aber Unterschiede hinsichtlich der Sockelschaltungen bestehen, und Philips bot die gleiche Grundtype auf Wunsch sogar mit unterschiedlichen Sockeln und internen Brücken an! Um Folgeschäden zu vermeiden, ist also ein genauer Datenvergleich unverzichtbar.
Prinzipiell sind die genannten Regelröhren selbstverständlich nicht nur für den Einsatz in Heizkreisen geeignet. Aber gerade diese waren speziell dafür konstruiert worden und haben hauptsächlich wegen ihrer Anwendung in der Rundfunktechnik eine recht weite Verbreitung erlangt. Sie sind bei nicht allzu großer Typenvielfalt in größeren Stückzahlen hergestellt worden und deshalb auch heute noch kein Engpaßteil, obwohl man sie nicht bei jeder Gelegenheit angeboten bekommt. Daneben gab es aber insbesondere für den militärischen Bereich und den Bereich der Meßgeräte noch unzählige weitere Typen, die bei den dort typischen sehr starken Spannungsschwankungen bzw. hohen Stabilitätsanforderungen nicht nur für den Einsatz in Heizkreisen verwendet wurden. Für fast jedes Gerät gab es einen eigenen Typ, meist EW. Die Herstellungszahlen variierten je nach Typ sehr stark und sind heute kaum mehr feststellbar. Für derartige Typen Ersatz zu finden, ist oft sehr schwierig.
4. Bauelemente für U-Heizkreise
Die Bedeutung der oben genannten Regelröhren nahm in der Nachkriegszeit stetig ab. Bei den U-Röhren wurden zwar auch noch Regelelemente verwendet, jedoch nicht mehr in Röhren-, sondern meistens in widerstandsähnlicher Bauform. Wie schon unter 3a)erwähnt, waren das Bauelemente mit der Bezeichnung "U..." (z.B. U2410), aber auch NTCs aus anderen, luftbeständigen Materialien. Dabei erlangten auch NTCs und PTCs zum Schutze von Skalenlampen eine größere Bedeutung. Heute sind diese Bauelemente ebenfalls meist hochohmiger als sie sein sollten. Da sie aber schwer beschaffbar sind (u.a. Valvo/Philips stellt noch welche her), muß man sich manchmal durch Parallel- oder Reihenschaltung von ohmschen Widerständen oder durch Verwendung von Skalenlampen mit höherer Nennspannung oder höherem Nennstrom behelfen.
5. Bauelemente für P-Heizkreise
Mit Aufkommen der P-Röhren für Fernseher verwendete man zunächst noch die erwähnten Regelelemente mit der Bezeichnung "U..." oder spezielle Heißleiter. Eine Auswahl zeigt nebenstehendes Bild. Typisch für diese Bauelemente ist, daß die abfallende Spannung im heißen Zustand fast unabhängig vom fließenden Strom ist. Vmtl. aus Kostengründen verzichtete man schließlich ganz auf Regelelemente, da die P-Röhren aufgrund spezieller Heizfadenkonstruktionen aufeinander abgestimmte Anheizzeiten hatten und die Hersteller eine zufriedenstellende Einschalthäufigkeit garantieren konnten, sofern wenigstens noch ein kleiner ohmscher Vorwiderstand vorhanden war. Alternativ verwendeten einige Gerätehersteller, z.B. Grundig, auch einen kapazitiven Heizkreisvorwiderstand, der nicht zu dem Einschaltstromstoß neigt und zudem Energie spart.
6. Ausblick
In der Endphase der noch teilweise röhrenbestückten Fernseh- und Farbfernsehgeräte wendete man auch Halbwellenheizung und Spartrafos an. Mit den Spartrafos kehrten aber die alten Probleme des Einschaltstromes wieder zurück, denn nun gab es als strombegrenzenden Widerstand nur noch den niedrigen Trafo-Innenwiderstand. Unter anderem deswegen, und weil man auf zusätzliche Regelbauelemente verzichten wollte, gingen einige Hersteller, z.B. Nordmende, bei der Bestückung wieder zur Parallelheizung mit E-Röhren über. Deren dicke Heizfäden waren stabiler, doch bei diesen zumindest in Deutschland eher seltenen E-Fernsehröhren (EL519, EY500A, EL508 usw.) erreichte der Gesamt-Heizstrom Werte um 10 A, was nun wegen der Übergangswiderstände auch nicht unproblematisch war. Aber kurze Zeit später war die Ära der Röhren in diesen Bereichen dann ja sowieso zu Ende...
7. Literaturhinweise
(1) Heinz Hönger: Hilfsröhren, Jakob Schneider Verlag Berlin-Tempelhof, 1946, Reprint: Funk Verlag Bernhard Hein e.K., ISBN 3-936124-01-9
(2) Herstellerunterlagen. Insbesondere solche von Philips sind auch unter:
www.tubedata.org zu finden.
(3) Dr. Wilfried Meyer, Berlin: Urdox-Widerstände, Archiv für technisches Messen, Oktober 1938
(4) Röhrenseiten des Radiomuseums (in Arbeit): http://www.radiomuseum.org/dsp_searchtubes.cfm
Mit freundlichem Sammlergruß
Andreas Steinmetz
P.S.: Dieser Beitrag wurde am 05.11.05 von mir komplett überarbeitet und ergänzt, nachdem einige zusätzliche Informationen eingetroffen waren. Herzlichen Dank für die Mithilfe!
P.S.: Am 17.11.05 erfolgte nochmals eine Bearbeitung, weil inzwischen entscheidende Hinweise in Bezug auf die verwendeten Materialien eingegangen waren. Dafür nochmals herzlichen Dank!
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NTK-Widerstände, Materialien und Funktion
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GR Anlagen:
- NTK geschrumpft (33 KB)
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