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Röhren: Unterheizung als Betriebszustand

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Dietmar Rudolph
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24.Aug.19 19:52
 
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Der "Normalfall"

  • Wenn Röhren "normal", also gemäß ihren propagierten Daten betrieben werden, sind die Heizdaten einzuhalten.
  • Hierzu schreibt Ratheiser [1] folgendes:

Unterheizung

Abweichend von den Forderungen an die Heizung der Röhren gibt es praktische Fälle, wo Röhren "weit unterhalb" ihrer normalen Betriebsdaten arbeiten, also sehr viel geringer belastet werden. Und dann kann eine "Unterheizung" zu einem günstigeren Ergebnis führen - ohne daß die betreffende Röhre dadurch Schaden erleidet.

Die folgende Skizze zeigt prinzipiell, was in der Röhre geschieht, wenn sie bei Unterheizung betrieben wird.

Die Kathodenschicht ist (herstellungs-bedingt) nie ganz gleichmäßig bzw. einheitlich. Vielmehr gibt es einzelne "Zentren" in der Kathodenschicht, die Elektronen bereits bei geringeren Temperaturen emittieren als der Rest der Kathodenoberfläche. Bei "normaler Heizung" emittiert dagegen die gesamte Kathode. Fließt der "normale" Anoden- bzw. Kathoden-Strom bei Unterheizung, so werden die Zentren überlastet, wodurch der dort vorhandene Barium-Vorrat erschöpft wird und sie ihre Emissionsfähigkeit verlieren. 

Beschränkt man sich allerdings auf einen sehr viel geringeren Kathodenstrom, als es den "normalen" Betriebsbedingungen entspricht, ist eine gewisse Unterheizung unschädlich bezüglich der Lebensdauer der Röhre bei diesen Betriebsbedingungen.

Rauschminderung

Kondensator-Mikrophon

Eine sehr bekannte Anwendung ist das legendäre Kondensator-Mikrophon U47/U48  von Neumann, bei dem die Verstärker-Röhre VF14 nur mit ca. 35V statt mit 55V geheizt wird.

Der Emissions-Strom der VF14 ist in dieser Schaltung nur ca. 0,55 mA statt ca. 19,6 mA in Triodenschaltung nach Datenblatt. Die Bedingung für sehr kleinen Emissions-Strom ist somit erfüllt.

Der Grund für diese Betriebsweise der VF14 liegt darin, daß das Rauschen der Röhre dadurch minimiert wird.

Mikrophon-Verstärker

Auch bei hochwertigen Röhren-Verstärkern wurden die Röhren für den Mikrophon-Eingang unterheizt, um das Röhren-Rauschen zu vermindern, wie am Beispiel des "Telewatt" Verstärkers VS56 von Klein & Hummel zu sehen ist.

Bei diesem Verstärker werden die ECC83 mit geringerer Heizung betrieben, damit sich das Rauschen reduziert. Hier dargestellt ist der Plan mit ECC808, der mit dem aus dem verlinkten Modell bis auf diese Röhrenbestückung identisch ist.

Verringerung des Anlaufstromes

Symmetrierung eines FM Diskriminators

Bei diesem Beispiel handelt es sich um einen "Foster-Seely Diskriminator", der auch mit "Riegger-Kreis" bezeichnet wird. Hierzu 3 sich ergänzende Figuren. (Fig. 10-13: [2], Fig. 14-33: [3], Bild 91: [4])

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Damit die Symmetrie der "S"-Kurve erreicht wird, müssen alle Bauteile (Spulen, Kondensatoren, Widerstände) diese Symmetrie-Forderung erfüllen. Das gilt aber auch für die beiden Dioden. In der Regel werden hierfür "Verbundröhren" verwendet, bei denen die Gleichheit der Kennlinien beider Dioden gewährleistet ist.

Bei dem frühesten kommerziellen UKW Empfänger ESF von Rohde & Schwarz gab es jedoch noch keine solchen Röhren (wie z.B. EAA91 oder EABC80), so daß man sich mit 2 Stück UAF42 behelfen mußte.

Im Schaltbild sind die Leitungen zu den beiden Dioden der UAF42 Röhren (Rö 1 & Rö 2) magenta gezeichnet. (In grün ist die AM-Demodulation an der Gitter-Kathoden-Strecke der oberen UAF42 (Rö 3) hervorgehoben.)

Man erkennt im Schaltbild, daß die rechts unten gezeichnete UAF42 (Rö 1) unterheizt ist, denn parallel zu ihrem Heizfaden liegt ein 500 Ω Widerstand.

Hans Knoll schreibt dazu im Heft 01/2018 des Rundfunk-Museums Cham:

Der FM-Demodulator.

Als FM-Demodulator wird, obwohl seit 1947 bekannt, kein Ratio-Detektor verwandt. Es kommt eine Schaltung bekannt als "Foster-Seely-Demodulator", in Deutschland auch als Rieggerkreis bezeichnet, im ESF zum Einsatz. Der Autor kann die zwingenden Gründe dafür nicht angeben, jedoch die sich ergebenden Vor- und Nachteile. Rohde & Schwarz will, wie es heißt, zeigen, dass es um 1949 schon möglich war, mit der ersten, auf dem Markt befindlichen, Serie von Röhren der Rimlockreihe U-41/42, ein AM/FM-Radio zu bauen. Dem Markt stehen aber noch keine UB41 etc., zur Verfügung, die ein FM-Demodulator wegen exklusiv getrennten Kathoden aber braucht. Nachdem nur die UAF42 zur Verfügung steht, deren Kathoden aber auch andere Funktionen ausführen müssen, wird die Diode der Rö2 (NF) und eine extra UAF42 als Diode (Rö1) eingesetzt (siehe dazu Hinweis im Netzteil).

Da die Dioden im Demodulator weitgehend gleiche Kennlinienverläufe aufweisen müssen, führt das aber zu Schwierigkeiten. Um eine symmetrische Kennlinie (siehe folgende Seite Diagramm Mitte) zu erreichen, muss die thermische Anlaufspannung (Schwellspannung) möglichst gleich sein. Nachdem die Röhren 1 und 2 als Demodulator benutzt werden, ergibt dies Probleme. Die Anlaufspannungen werden von der Ergiebigkeit der Kathode und deren Raumladewolke bestimmt. Bei Rö2 werden Elektronen vom Pentoden-System abgezogen, bei Rö1 aber nicht. Die Folge, ungleiche Raumladewolken und deshalb unterschiedliche Anlaufspannungen und eine Unsymmetrie der S-Kurve. Die Techniker bei R&S wissen sich zu helfen. Wie oft in der sonstigen Audio- und Messtechnik angewendet, wird die Kathode definiert unterheizt und zwar so weit, bis im ESF ein Musterexemplar eingesetzt als Rö1 und Rö2, die gleiche Anlaufspannung liefern. Ob R&S die Röhren 1 und 2 eingebrannt und selektiert hat, ist dem Autor natürlich nicht bekannt, aber möglich war es.

Nochmals ZF -Teil

Auch bei der Dimensionierung der Rö2 (Treiberstufe/Demodulator) werden dem Rieggerkreis, wie auch heute noch beim Ratio-Detektor, Zugeständnisse gemacht. Der Rieggerkreis hat ober- und unterhalb der Mitte seiner S-Kurve keinerlei Unterdrückung von AM-Störungen, die im ESF in nicht unbedeutender Größe von der multiplikativen Mischstufe verursacht werden. Daher muss die Rö3 als Begrenzerstufe (Limiter) arbeiten. Ihre la - Ug1 Kennlinie wird durch eine kleine Ug2 bestimmt. Der Rvg2 von Rö3 hat daher 200kΩ und nicht wie bei Rö4 = 40 kΩ. Als Beispiel, eine Grafik welche das typische Begrenzen der HF-Spannung an der Anode der Rö2 im ESF zeigt. Mit Ug2 von Rö2, kann die Kurve manipuliert werden.

Die zweite UAF42 (Rö 1), bei der nur die Diode beschaltet ist, mußte also "gezielt" unterheizt werden, damit die Kennlinie dieser Diode mit der Kennlinie der Diode der anderen UAF42 (Rö 2) übereinstimmt - damit die Symmetrie des Foster-Seely Diskriminators erreicht wurde.

Der Dioden-Demodulator für große Signale

Üblicherweise ist der Dioden-Demodulator (für AM Signale) die letzte Stufe im ZF Verstärker. Durch die hier vorausgegangene Verstärkung im Empfänger ist das ZF-Signal bereits so groß, daß (in erster Näherung) "ideale" Verhältnisse bestehen, Fig 13-2.[3]. Ideal bedeutet dabei, daß die Kennlinie der Diode {ib = f(ub)}  durch eine Gerade dargestellt werden kann.

Um das NF Signal von der HF bzw. ZF zu befreien, ist am Ausgang des Demodulators noch ein geeignet dimensionierter RC Tiefpaß erforderlich, Figure 5.22.[8].

 

Der Anlaufstrom beim Dioden-Demodulator

Der Anlaufstrom der Diode spielt beim Demodulator erst dann eine Rolle, wenn die zu demodulierenden Signale kleine Amplituden haben.

Die in [5] und [6] gebrauchten Begriffe für Modulation ("Modelung"), Demodulation ("Rückmodelung"), modulieren ("modeln"), demodulieren ("rückmodeln") sind heute kaum oder nicht mehr geläufig. Bei den Bildunterschriften der Figuren aus [5] und [6] sind sie aber noch zu finden. [Die Bücher von Kammerlohr enthalten viele Berechnungen und gerechnete Beispiele. Aufgrund der zahlreichen Formeln sind sie nicht leicht lesbar.]

 

Bild 85 [6] zeigt die grundsätzliche Demodulator-Schaltung, wie sie im ZF-Zweig eines AM-Empfängers vorkommt.

Angenommen ist ein Cosinus förmig modulierter ZF-Träger u(t) am Schwingkreis. Die Diode richtet diesen gleich und demoduliert ihn dabei. Die demodulierte Nachrichtenspannung un(t) entsteht am Widerstand Ra.

 

 

In Bild 86 [6] ist die AM-Demodulation graphisch dargestellt. Im Unterschied zu der idealisierten Darstellung der Demodulator-Kennlinie als Knick-Kennlinie in Fig. 13-2, läuft die Demodulator-Kennlinie It = f(U) zum Nullpunkt hin (in etwa) horizontal aus. Das ist dem Anlaufstrom der Röhren-Diode geschuldet.

Als direkte Konsequenz daraus, daß die Demodulator-Kennlinie für kleine Werte gekrümmt ist, folgt, daß der AM-Modulationsgrad (m) bei den früheren AM-Sendern nicht bis in die Nähe von 100% reichen durfte. Andernfalls gäbe es nichtlineare Verzerrungen bei der AM-Demodulation in einem Röhren-Empfänger.  

 

In Abb. 205 [7] ist die Demodulator-Kennlinie aus Bild 86 in doppelt-logarithmischem Maßstab zu sehen.

Bei abnehmender Amplitude der HF Spannung VHF (unterhalb von ca. 100 mVeff) bleibt die Ausgangs-Gleichspannung V= am Widerstand Ra (Bild 85) konstant bei ca. 600 mV. Das ist der Anlaufspannung der Röhren-Diode geschuldet.

Wieviel die Gleichspannung V= infolge der angelegten HF Spannung ansteigt, ist in der Kurve ΔV zu sehen.

Somit ist verständlich, daß eine demodulierte NF Spannung VLF näherungsweise zu ΔV ansteigt. Anders ausgedrückt: AM-modulierte HF Signale werden erst für (Träger-) Amplituden > 100 mV "vernünftig" demoduliert. Hier am Beispiel einer 30%igen AM dargestellt. (m = 30% war für AM der übliche mittlere Modulations-Grad.)

Bei kleineren HF Signalen kommt aus einem "Röhren-Detektor" also kein demoduliertes Signal heraus.

Hier verhalten sich Detektoren mit Halbleitern (Dioden, Kristallen) günstiger, weil es bei Festkörper-Detektoren keinen Anlaufstrom gibt. Aber, Halbleiterdioden haben immer eine (mehr oder weniger große) Schwell-Spannung. Ist die Schwellspannung zu groß, hilft es, durch eine entsprechende Vorspannung den Arbeitspunkt etwas zu verschieben.

Die Graphik Abb. 205 gilt nicht nur für die Dioden der Röhren EB4, EAB1, EBC3, EBF2, EBL1, sondern auch für alle späteren "hochohmigen" Signal-Dioden, die für die Demodulation von AM-Signalen vorgesehen sind, wie z.B die EBC41. 

 

 

Links: das entsprechende Diagramm zu Abb. 205 für die EBC41.

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 211 [7] zeigt eine andere Betrachtungsweise des Problems, daß für kleine HF-Amplituden keine "vernünftige" Demodulation mehr möglich ist.

Die Demodulation einer AM modulierten HF-Spannung geschieht ja mit einer Diode dadurch, daß von dieser nur die positiven Signal-Anteile durchgelassen werden, während die negativen Anteile "unterdrückt" bzw. gesperrt werden.

Sehr deutlich sieht man das in der Fig. 13-2 (weiter oben).

Betrachtet man in Abb. 211 die (durchgelassenen) Stöme I01 und I02, so ist deutlich zu sehen, daß bei kleinen Wechselspannungen praktisch keine Gleichrichtung mehr stattfindet.

 

 

 

 

Die Richt-Kennlinie

 

 

 

 

Am Beispiel eines Gleichrichters mit (idealer) Knick-Kennlinie zeigt Schröder [9] wie sich graphisch die Richt-Kennlinie (einer Diode) ergibt, Bild 325.

 

 

 

 

Die Röhren-Diode als Generator

Bezüglich des Anlaufstromes verhält sich eine (geheizte) Röhren-Diode wie ein Generator, der aus thermischer Energie elektrische Energie erzeugt. Diese Art der "direkten Energie-Umwandlung" wurde Mitte der '60er Jahre erforscht (z.B. am Institut für Gasentladung und Photo-Elektronik an der TU Stuttgart), führte aber zu keinen praktisch verwertbaren Ergebnissen.

Abb. 29 und Abb. 30 [5] zeigen den (typischen) Anlaufstrom einer Diode in Abhängigkeit von der angelegten (negativen) Vorspannung an die Diode. Abb. 29 in linearer Darstellung und Abb. 30 in halb-logarithmischer Darstellung.

Im Prinzip sind diese Kennlinien die "Generator-Kennlinien", wenn man eine solche Diode zur "Energie-Direkt-Umwandlung" verwenden möchte. Wie man z.B. sieht, kann aus einem solchen "Generator" bei einer Spannung von 0,2 V ein Strom von ca. 20 μA entnommen werden.
(Heizleistung der Röhre z.B. 6,3V*0,3A = 1,89W ⇒ elektrische Leistung 0,2V*20μA = 4μW ⇒ η = 2,12*10-6 , also "vernichtend kleiner" Wirkungsgrad eines solchen Generators! Aber das nur nebenbei.)

Kennlinien und Anlaufstrom als Funktion der Heizleistung

Unter dem Blickwinkel der "Energie-direkt-Umwandlung" ist sofort klar, daß der Anlaufstrom kleiner wird, wenn man die Heizleistung reduziert.

 

In [5] sind dazu Messungen dokumentiert. Zunächst in den Abb. 25 und Abb. 26 die Auswirkung der Reduktion der Heizleistung - ausgedrückt in der Höhe der angelegten Heiz-Spannung - auf die (Raumladungs-) Kennlinien einer indirekt geheizten Diode.

Deutlich zu erkennen ist aus Abb. 26, daß mit der Verminderung der Heizleistung auch die Emissions-Fähigkeit der Diode zurück geht. Das ist daran zu sehen, daß die Kennlinien bei Erhöhung der Anoden-Spannung in einen horizontalen Verlauf übergehen.

Siehe hierzu die Abb. 12 ganz oben, wo schematisch gezeigt ist, wie bei Unterheizung die Emission der Kathode sich auf solche "Zentren" reduziert, die auch noch bei geringerer Temperatur der Kathode eine (gewisse) Emissionsfähigkeit besitzen.

Bei Unterheizung ist also notwendiger Weise der zulässige Anodenstrom entsprechend zu reduzieren, damit die Röhre keinen Schaden erleidet.

 

 

 

Bis auf die Polarität der Anoden-Batterie ist die Meßanordnung Bild 31. [5] identisch mit der in Bild 25. Aus Bild 32 kann man abschätzen, wie stark eine Röhren-Diode tatsächlich unterheizt werden muß, damit der Anlaufstrom praktisch keine Rolle mehr spielt.

Hoch- und Niederohmige Signal-Dioden

Signal-Dioden gibt es - je nach Anwendung - niederohmig oder hochohmig.

Niederohmige Dioden, wie z.B. die EAA91 oder die Dioden-Systeme 2 & 3 der EABC80, werden zu Demodulation von FM Signalen verwendet.

Hochohmige Dioden, wie z.B diese der EBC91 oder das Dioden-System 1 der EABC80, werden zur Demodulation von AM Signalen verwendet.

Links: Bild einer niederohmigen Signal-Diode (EAA91) und einer hochohmigen Signal-Diode (EBC91). Die Anoden der beiden Dioden der EBC91 bestehen nur aus je einem Blech, das nur wenige Quadratmillimeter Anodenfläche hat. (Siehe Pfeil.)

(Die sehr deutlichen Photographien hat Jacob Rochy zu den Röhrenbildern hochgeladen. Mit Dank an ihn!)

Kennlinien solcher Signal-Dioden findet man z.B. in den Datenblättern der EABC80.

Damit man die Kennlinien besser vergleichen kann, wurde die Kennlinie der hochohmigen Diode 1 in das Kennlinienfeld der niederohmigen Dioden übertragen. 

 

 

Für den Innen-Widerstand der Dioden gilt die gleiche geometrische Definition wie in Bild 94.[6]

Wendet man diese Definition Ri = ΔU : ΔI auf die Kennlinien der 3 Signal-Dioden der EABC80 an, so sieht man unmittelbar, daß die Diode 1 sehr hochohmig ist, verglichen mit den Dioden 2 & 3.

 

 

 

 

Historisches zum Röhren-Detektor

Seit den Versuchen von Heinrich Hertz haben sich viele Erfinder mit dem Problem der "Wellen-Entdeckung" befaßt. Hier sollen nur ein paar Beispiele dazu vorgestellt werden, die in die Richtung "Diode" interpretiert werden können.[8] Alle erfolgten in den ersten Jahren nach 1900.

 

Mellinger hat quasi als Vorstufe zu einer gasgefüllten Röhre einen "Flammen-Detektor" verwendet. Eine Flamme ist einigermaßen leitfähig.

Statt mit einer offenen Flamme haben andere Erfinder mit Heiz-Spiralen und Gas-gefüllten Gefäßen experimentiert, wie z.B. Lee de Forest.

 

 

 

 

Lee de Forest hat es mit allem Möglichen versucht. Hier mit einer "Diode", die einen Quecksilber-Sumpf als Anode hatte. Der Heizdraht F diente zur Erwärmung des Quecksilber-Sumpfes M. Das Gefäß V enthielt folglich Quecksilber-Dampf. Mit Hilfe eines Elektro-Magnetes H konnte die Funktion des Detektors beeinflußt werden.

 

 

 

 

 

Donle verwendet statt Quecksilber lieber verflüssigtes Natrium (Sodium S). Das Natrium wurde mit einer Heizwicklung H entsprechend erwärmt.

 

 

 

 

Fleming hat als erster eine (gasgefüllte) Diode verwendet. Die Evakuierung war folglich nicht allzu weit erfolgt. Man nahm damals noch an, daß eine gewisse Restmenge an Gas (bzw. Luft) noch nötig sei, um eine Leitfähigkeit zu erreichen.

 

 

Da Fleming die Zwei-Elektroden-Anordnung Fig 130D patentiert hat, "mußte" Lee de Forest nun eine gasgefüllte Drei-Elektroden-Anordnung (das "Audion") patentieren lassen. Hieraus entstand dann später die "Triode", dann allerdings ohne Gasfüllung. Das Gitter hat hier keinen Widerstand zur Kathode. Bei sehr frühen Schaltbildern ist das oft der Fall. Es handelt sich dann jeweils um "weiche" Röhren mit "schlechtem" Vakuum.

 

Lee de Forest hat mit seinem "Audion" viele Experimente gemacht. Das Ultraudion ergab eine Verstärkung infolge der angewendeten Rückkopplung. Das "Audion" von Lee de Forest hatte noch keinen Gitter-Ableit-Widerstand. Infolge der Gas-Füllung war das auch nicht notwendig, weil ionisiertes Gas so weit leitfähig ist, daß sich das Gitter nicht undefiniert aufladen konnte. (Bei Hochvakuum-Röhren geht das nicht mehr. HIer ist dann ein Gitter-Ableit-Widerstand obligatorisch.)

 

Dank an Hans Knoll für hilfreiche Diskussionen.

 

Literatur:

[1] Ratheiser, L.: Rundfunkröhren, Eigenschaften und Anwendungen, neu bearbeitete Auflage, Regelin, 1949

[2] Terman, F.E.: Radio Engineering, 3rd. ed., 3rd. imp., McGraw-Hill, 1947

[3] Seely, S : Radio Electronics, McGraw-Hill, 1956

[4] Woschni, E.G.: Frequenzmodulation, Theorie und Praxis, VT, 1959

[5] Kammerlohr, J.: Hochfrequenztechnik 2, Elektronenröhren und Verstärker, 8.A., Winter'sche Verlagshandlung, 1958

[6] Kammerlohr, J.: Hochfrequenztechnik 3, Gleichrichter, 4.A., Winter'sche Verlagsbuchhandlung, 1957

[7] Deketh, J.: Grundlagen der Röhrentechnik, Elektronenröhren Bd. 1, 3.A, Philips, 1946

[8] Blake, G.G.: History of Radio Telegraphy and Telephony, Chapman & Hall, 1928

[9] Schröder, H.: Elektrische Nachrichtentechnik, Bd. 2, Radio-Foto-Kinotechnik, 1963

MfG DR

Ergänzung 27.08.19:

Herr Schwaderer schreibt per Mail:

Ich habe den Aufsatz mit großem Interesse gelesen. Ich möchte Sie auf den Beitrag von Herrmann Freudenberg hinweisen.

Er beschreibt ein Radio mit einer unterheizten EB11.

Der Post von Herrn Freudenberg ist unter dem Titel "Radione 740W" zu finden. Auf die Unterheizung der EB11 wird im 2. Teil genauer eingegangen.

Die beiden Teile sind auch in der GFGF Funkgeschichte 135 (2001) & 136 (2001) erschienen. Hermann Freudenberg hat sie 2002 für das RM.org bearbeitet.

Vielen Dank an Herrn Schwaderer für diesen Hinweis!

MfG DR

Este artículo fue corregido 27.Aug.19 09:49 por Dietmar Rudolph .

  
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