Messmethoden Röhrenprüfgeräte: Anodenstrom versus Steilheit

Unter den Kriterien die zur Beurteilung der elektrischen Qualität bzw. Brauchbarkeit von Röhren benutzt werden, dominieren bei "ernsthaften" Röhrenprüfgeräten die Emission, gemessen als Anodenstrom und die Steilheit, jeweils gemessen im Arbeitspunkt (A-Betrieb). Es gibt nun eine merkwürdige Zweiteilung der "Welt".

US-amerikanische Röhrenprüfgeräte (Hickok et al.) messen fast ausschließlich die sogenannte dynamische Steilheit (mutual conductance; transconductance) und sind in der Regel nicht geeignet, überhaupt Anodengleichströme zu erfassen. Deutsche/europäische Geräte hingegen, prüfen meist (Ausnahme z.B. AVO und L3-3) anhand des Anodenstroms (Neuberger, Funke W19 nur bei G1=0V). Neuberger RPM 370/375 können Steilheiten nur umständlich manuell mit Hilfe der sogenannten "grid-shift" Methode unter Benutzung zusätzlicher externer Messgeräte für Ia und UG1 erfassen.

Ungeachtet der unterschiedlichen Präferenzen für die eine oder andere Methode stellt sich die Frage, ob überhaupt und welche der beiden Methoden aussagekräftiger für die Beurteilung der Brauchbarkeit einer Röhre ist. Im Extremfall handelt es sich um die Entscheidung ob die Röhre noch GUT oder schon als UNBRAUCHBAR klassifiziert werden muß. Dabei spielt sicherlich auch eine Rolle, in welcher Funktion die Röhre in einer Schaltung arbeitet.

Als Diskussionshilfe habe ich bei einer Serie von 20 Trioden (JAN 6C4WA, NOS) mit identischem Herstellungsdatum (11-86) im Arbeitspunkt (A-Betrieb: Ua=250V; UG1=-8,5V) sowohl den Anodenstrom Ia) als auch die Steilheit (S) bestimmt. Dazu wurde ein kalibriertes Röhrenmessgerät (RoeTest v.4, Helmut Weigl) benutzt.

Bild 1: Ergebnis der Messung einer 6C4WA mit RoeTest 4: UG1/Ia und Ua/Ia Kennlinien

Die Kalibrierung der Steilheit wurde zusätzlich mit einer "Bogey tube" 6L6 von Roger Kennedy verifiziert. Nebenbei bemerkt, das RoeTest 4 erlaubt neben der Messung von Ia und S auch die Messung des Durchgriffs (invers: Verstärkung) und des Innenwiderstands.

Bild 2: Rote Kurve: UG1/Ia; Blaue Kurve: Steilheit. Im Fadenkreuz die Werte bei UG1=-8,5V

Es ist selbstverständlich, daß verschiedenen Röhren in ihren Messwerten differieren. Dies Differenz ist natürlich bei "Schüttgut-Röhren" höher als bei NOS JAN Röhren. In der Tabelle ist das Augenmerk in dem angesprochenen Kontext aber nur auf die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der Anodenstrommessung und der Steilheit zu richten. Wegen der besseren Vergleichbarkeit sind beide Parameter (Spalte 2 & 3) auf die Kenndaten bezogen und in Prozent ausgedrückt (Spalte 4 & 5). Spalte 6 zeigt die Differenz. Die Tabelle wurde nun nach Spalte 6 aufsteigend sortiert. Der kleinste Unterschied zwischen S in % und Ia in % betrug 7,17 Prozent (Röhre 1). Der größte Unterschied betrug 19,55 Prozent (Röhre 20). In Spalte 7 (bereinigt %) wurde nun von jeder Differenz der Spalte 6 die niedrigste Differenz (7,17) subtrahiert, so daß nun Spalte 7 "Offset"-bereinigte Prozentwerte angibt. Die höchste Abweichung zwischen Ia und S betrug demnach 12,4 Prozent.

Begründete Kommentare und Beiträge sowohl Pro als auch Kontra für die Parameter Steilheit bzw. Anodenstrom sind sehr erwünscht.

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Sehr geehrter Herr Schmid,

danke für diese interessante Untersuchung der Streubreite - zumal ja die 20 Röhren aus der gleichen Charge kommen.

Allerdings habe ich Schwierigkeiten, mir den aufgezeigten Unterschied S[%] - Ia[%] technisch oder physikalisch vorzustellen. Mir fehlt hier die Vorstellungskraft, nachdem ja die beiden Referenzwerte von unterschiedlichen Quellen stammen. Der Bezugswert 100% gilt für S = 2,2mA/V , während der  Sollwert für den Anodenstrom auf 10,5 mA festgelegt ist.

Falls Sie selbst im Besitz einiger der genannten Röhrenprüfgeräte bzw. deren Handbücher sind wäre es hilfreich, die GUT - SCHLECHT Limits dieser Geräte zu erfahren, also in der Form daß z.B. Ia von xx % bis yy % oder S von aa % bis bb % vom Sollwert als GUT bewertet wird - natürlich abhängig von der Meßmethode des jeweiligen Röhrenprüfgerätes.

Mit dieser Information könnte man dann die Ergebnisse von Spalte 4 oder Spalte 5 Ihrer Tabelle entsprechend dem RPG getrennt einordnen und bewerten.

Vielleicht können Sie hier zusätzliche Informationen liefern, denn die zu akzeptierende Streubreite von Röhrenparametern birgt immer wieder Stoff für Diskussionen. Gerade die mit µC unterstützten Röhrenmeßgeräte liefern ja besser reproduzierbare Werte im Vergleich zu den herkömmlichen Röhren-Prüf/-Test Geräten, womit deren Ergebnisse nun kritisch betrachtet werden können.

Gruß Franz Harder

 

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Aus der Tabelle kann man entnehmen, daß die Steilheitsmessung eine Röhre besser beurteilt, wenn der Anodenstrom nicht mehr den Sollwert erreicht. Ein Röhrenprüfgerät, der sich auf den Anodenstrom (oder Emissionsstrom) bezieht, beurteilt eine solche Röhre  dagegen schlechter.

Günstiger wäre es, wenn der "bereinigte Wert" sich auf den nominellen Arbeitspunkt bezöge und da mit 0% angegeben wäre. Dann sieht man sofort, daß die Seitlheitsmessung die Röhren mit höherem Anodenstrom nicht so gut bewertet wie es die Anodenstrommessung tut, jedoch bei geringerem Anodenstrom dagegen besser.

Beide Meßmethoden erfassen jedoch nur einen "Teil der Wahrheit". Eine gemäß Emission als "gut" befundene Röhre kann durchaus als Oszillator versagen, weil die Steilheit ungenügend ist, während eine "gerade noch brauchbar" eingestufte in einem Radio noch wunderbar spielen kann.

Eine Steilheitsmessung ist daher in den meisten Fällen aussagekräftiger.

MfG DR

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Hallo Franz,
Viel Dank für den Beitrag.

Zur Klarstellung des Ansatzes. Zuerst einmal was NICHT untersucht werden sollte ist der Unterschied der Messwerte Anodenstrom (Ia) bzw. Steilheit (S) ZWISCHEN den 20 gemessenen Röhren, d.h. die Streuung von Ia bzw. S.

Da Sie dieses vermutet haben, habe ich einmal die Tabelle diesbezüglich ausgewertet. Dazu wurde die Tabelle nach S [%] aufsteigend sortiert. Eine Sortierung nach Ia [%] wäre mit dem gleichen Ergebnis auch möglich gewesen. Wie die nachfolgend umorganisierte Tabelle zeigt beträgt bei Ia [%] der niedrigste Wert 73,57% und der höchste Wert 112,38 %. Die Streuung der Anodenströme bei den gemessenen 20 Röhren beträgen somit 38,43% (statistische Auswertungen wären hier noch aussagekräftiger). Bei der Steilheit S [%] ist der niedrigste Wert 92,73 % und der höchste Wert 119,55 %; die Streung ist somit 26,82 %. Solche Untersuchungen sind natürlich für die Produktion von Röhrengeräten relevant. Da würde sich nun für die Eingangskontrolle die Frage stellen, welcher der beiden Parameter für die Qualitätskontrolle wohl aussagekräftiger ist.

Ein vergleichbare Entschiedungsfindung liegt bei der von mir aufgeworfene Frage vor. Ist die Qualität/Brauchbarkeit einer Röhre gemessen mit einem Röhrenprüfgerät besser/aussagekräftiger durch Messung von Ia (wie bei europäischen Prüfgeräten angewand) oder durch Messung der Steilheit (wie vorwiegend bei amerikanischen Röhrenprüfgeräten benutzt) zu erzielen.

Die Ursprungstabelle ist Röhre für Röhre HORIZONTAL zu betrachten. Bei jeder Röhre wird einzeln der Unterschied zwischen Anodenstrom und Steilheit betrachtet. Dazu ist es sinnvoll, diese Messwerte vorher auf den Sollwert (aus den Kenndaten der Röhrenhersteller entnommen) zu normieren.

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Hallo om Kurt,

danke für die Erläuterungen und Herrn Rudolph für die zusätzlichen Hinweise ! Mit der umsortierten Tabelle wird nun auch die Zielsetzung klar.

Nb. benutze ich (aus Platzgründen) lediglich ein US Röhrenprüfgerät und bin so auf die Anzeige der 'mutual conductance' angewiesen.

Gruß Franz Harder

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bei der Evaluierung bis zu welchem Grad Trioden mit unterschiedlicher elektrischer Qualität die Barkhausen Gleichung erfüllen, ergab sich als "Nebenprodukt" auch ein für diesen Thread relevantes Ergebnis.

Zur annähernden Simulation unterschiedlicher Röhrenqualitäten wurde die Heizspannung stufenweise verringert, was erwartungsgemäß die Emission verringerte. Gemessen wurde mit Hilfe von RoeTest 4 (Helmut Weigl) a) Anodenstrom (Ia), b) Steilheit (S), c) Durchgriff (D) d) Röhreninnenwiderstand (Ri).

Gemessen wurde eine Triode mit Uf = 6,3V; 5,0V; 4,0V; 3,5V und 3,0V.Auf jeder Heizungsstufe wurden 5 aufeinanderfolgende Messungen gemacht und die Ergebnisse der 4 gemessenen Parameter jeweils arithmetisch gemittelt. Die Messergebnisse bei 6,3V wurden zu 100 Prozent gesetzt und danach zur Normierung der Ergebnisse bei den anderen Heizspannungen benutzt.

Die Verläufe von Ia und S sind fast deckungsgleich (!). Bei 3,0V Heizung betrug IA nur noch 19,0 % und S = 16,7 % (verglichen mit 6,3V = 100%). Der Durchgriff verringerte sich wesentlich weniger und betrug bei 3,0V immerhin noch 79,6%. Der Durchgriff wird bekanntermaßen hauptsächlich von der Röhrenkonstruktion bestimmt. Am stärksten veränderte sich Ri. Bei 3,0V Heizung stieg Ri auf 658 % des Kennwerts.

Zu berücksichtigen ist, daß die elektrische Qualität einer Röhre nicht ausschließlich von der Emission bestimmt wird, sondern auch andere Faktoren (z.B. Vakuum, Gas etc) eine Rolle spielen können. 

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Bei den höherwertigen Röhrenprüfgeräten von Hickok wird mit dem sogenannten "Life Test" angestrebt, den elektrischen Röhrenzustand zu bewerten.

Hickok_539C

WE_KS_15750

Mit einem mit "CATH. ACT." bezeichneten Umschalter wird in Stellung "Test" die Heizspannung um 10 Prozent reduziert. 

 

Gemessen wird dann die Verminderung der Röhrensteilheit S (in Micromhos). Bei einem Rückgang der Steilheit um mehr als 20 Prozent erachtet Hickok die Röhre als nicht mehr brauchbar.

Auszug aus dem Manual vom 539C

Anhand einer kleinen Untersuchungsreihe wurde nun versucht, die Wertigkeit des Life Tests zu evaluieren. Dazu wurde mit dem RoeTest 4

 RoeTest_4

das Messprotokoll des Life Tests nachvollzogen.

Als Untersuchungsobjekt wurde eine NOS Kleinsignalpentode JAN 5654W (GE 75-34) aus einer Serie von 20 Röhren ausgesucht, bei welcher der Messwert von Ia und S nahe an den Kennwerten lag, d.h. die Röhre besaß annähernd die für die 6C4 typischen (charakteristischen) Werte.

Kenndaten der 6C4W:

Uf = 6,3V; Ua = 180V; Ug2 = 120V; Ug3 = 0V; Ug1 = -1,8V; Ia = 7,7mA; Ig2 = 2,4 mA; S = 5,1 mA/V

Die Reduktion der nominalen Heizspannung von 6,3V um 10 Prozent ergibt für Uf = 5,67V.

Gemessen wurde Ia, S und Ug2 sowohl bei der nominalen Heizspannung als auch der reduzierten Spannung (5,67V) und zwar in 10 aufeinanderfolgenden Messungen alternierend (6,3 - 5,76 - 6,3 ... 5,76). Die jeweilige Aufheizperiode wurde zu 240 Sekunden gewählt. Die beiden Gruppen wurden statistisch nach Mittelwert und Standardabweichung ausgewertet (SigmaPlot).

Der emmissionsbedingte Rückgang von Ia und S war bei der Pentode deutlich stärker ausgeprägt als der in diesem Thread weiter oben schon demonstrierte Rückgang bei einer Triode (6C4WA).

              Ia [%]   S [%]

Triode      93,6     94,5

Pentode   85,9     87,1

Die Balkengraphik zeigt anschaulich, daß die Steilheit beim Life Test im von Hickok  definierten Toleranzbereich liegt. Der Rückgang von Ia beträgt ebenfalls weniger als 20%. Die von Hickok für die Steilheit gesetzte Grenze von -20% ist in Anbetracht, daß NOS Röhren mit MIL-Qualität beurteilt wurden, als strenger Maßstab zu erachten, da der Wert von S (87,1%) deutlich in der unteren Hälfte des Toleranzbereichs liegt. Gleiches gilt auch für den Anodenstrom.

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Anhand einer kleinen Stichprobe (n=5) von Kleinsignaltrioden (NOS 6C4) wurde untersucht, ob bzw wieweit das Barkhausen-Produkt bei unterschiedlicher Lage des Röhren-Arbeitspunktes variiert.

Dazu wurden auf der Ug1/Ia-Kennlinie (Ua=const=250V) vier unterschiedliche Arbeitspunke (Ug1 = -4V; -6,0V; -8,5V und -12,0V) ausgewählt. Bei jeder der fünf Röhren wurden in jedem der 4 Arbeitspunkte der Anodenstrom (Ia), die Steilheit (S), der Durchgriff (D) und der Innenwiderstand (Ri) mit RoeTest4 gemessen und die Ergebnisse von Ia, S, D und Ri jeweils arithmetrisch gemittelt und die Standardabweichung berechnet.

Lage der 4 Arbeitspunkte auf der Ug1/Ia Kennlinie

Aus den Mittelwerten von S, D und Ri bei den 4 Arbeitspunkten (-4V, -6V, -8,5V, -12V) wurde jeweils das Produkt gebildet. Das Barkhausen-Produkt bei Ug1 = -8,5V wurde nun als 100% definiert und die restlichen 3 verbliebenen Produkte danach normiert.

Barkhausen-Produkt bei unterschiedlichen Röhrenarbeitspunkten

Wie die Fehlerbalken zeigen, besteht zwischen Ug1= -12V und UG1= -8,5V kein signifikanter Unterschied der Barkhausen-Produkte. Leider sieht es so aus, daß bei -4V und -6V die Produkte signifikant kleiner sind als bei Ug1= -8,5V.

Es bleibt weiteren Messungen vorbehalten, dieses Ergebnis zu bestätigen. Damit es nicht zu langweilig bzw. eine Wiederholung wird, könnte z.B. aus der Ua/Ia Kennlinie bei unterschiedlichen Anodenspannungen (Ug1=const) Messdaten erhoben und die Produkte gebildet werden.  Vielleicht findet sich von den zahlreich hier im RM versammelten aber bisher schweigenden Röhrenkennern (weil der Inhalt meines Beitrags möglicherweise zu trivial ist) einer, der das Wagnis unternimmt. Sollte dem so sein, werde ich hier nicht nur die relativen (prozentualen), sondern auch die absoluten Daten nennen.

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