Audion_Replica_1

De Forest Double Wing Audion - Replikat

                                                      Einleitung

In meinem Projekt über Röhren aus der Anfangszeit der Röhrentechnik, zu denen u.a. die Typen

Siemens A, Junot Detecteur, oder DE2 von Nelson zählen – über diese Typen wurde bereits hier im Radiomuseum berichtet – stehen die de Forest Typen „Spherical Audion“ an vorderer Stelle.

In Ermanglung funktionierender Originalröhren habe ich jetzt durch günstige Umstände Replikate erhalten, die als gute Nachbildungen von de Forest Audion Röhren detailliert untersucht werden.

Bedingt durch originalgetreue innere Röhrenaufbauten erhoffe ich etwas mehr über die mir sonst unbekannten technischen Daten dieser Röhrentypen durch Rekonstruktion aus den Abmessungen des inneren Röhrenaufbaus zu erfahren.

Das vorhandene Gas in diesen frühen Röhren sind Reste der Umgebungsluft, die man zum damaligen Zeitpunkt mit den vorhandenen Vakuumpumpen nicht ausreichend aus den Röhrenkolben entfernen konnte. Diese Gasreste waren nicht beabsichtigt, sondern ein Ergebnis damaliger max. Möglichkeiten in der Vakuumerzeugung. Für Glühlampen war das Vakuum ausreichend –„Glühlampenvakuum“ – aber nicht für Elektronenröhren.

Über die Art der Herstellung des Vakuums habe ich keine Informationen auch nicht über die  Betriebsdaten für den Heizer. Die Betriebsdaten für den Heizer sind vorrangig zu klären, weil es absolut notwendig für die Betriebs- und Lebensdauer der Röhren ist, mit welchen Daten die Heizer betrieben werden müssen.

Zu Beginn dieses Berichts, den ich für interessierte Sammler hier in Teilen veröffentliche, möchte ich auf die interessanten und teilweise unerwarteten Ergebnisse hinweisen. Die englischsprachigen Texte aus den angeführten Literaturstellen wurden mit Unterstützung eines Übersetzungsprogramms in Deutsch übersetzt.

                            Das de Forest „Double Wing Audion”

Herkunft der Bezeichnung Audion

The Audion. A new Receiver for wireless Telegraphy, by Lee de Forest, Scientific American Supplement No. 1665, November 30, 1907, pages 348-350, [ 7].

„Für den Namen Audion, einen ebenso schönen wie angemessenen Titel, bin ich meinem Assistenten, Mr. C. D. Babcock, zu Dank verpflichtet, der mir bei der Entwicklung dieses Geräts fast von Anfang an äußerste Dienste geleistet hat.“

Das de Forest „Double Wing Audion“ ist eine Weiterentwicklung des Audions, welches 1906 im Patent US87953 [3] patentiert wurde. Lee de Forest schreibt zu dieser Weiterentwicklung [6]:

„Um die Leitfähigkeit der Röhre zu erhöhen und die Nutzung größerer Energie zu ermöglichen, verwendeten wir 1909 zwei Anoden und zwei Gitter, die normalerweise parallel geschaltet waren. Wir nannten diese „Doppel-Audion“ und verkauften sie zu einem höheren Preis als diejenigen mit einer einzelnen Anode und einem Gitter.“

Im Patent US1170881 von 1914 sind weitere Informationen aufgeführt [5]:

„Bei dieser Anordnung ist zu beobachten, dass die Gitter G1 G2 parallel zueinander geschaltet sind, und die Anoden W1 W2 sind ebenfalls parallel miteinander verbunden. Diese Anordnung hat sich als vorteilhaft erwiesen, da sie größere leitende Oberflächen oder sozusagen größere Bereiche ionischer Ziele ergibt, was die Empfindlichkeit der Vorrichtung stark erhöht, insbesondere wenn sie zur Verstärkung der empfangenen Schwingungen eingesetzt wird.“

Erstmalig ist auch in Fig. 3 dieses Patents die Parallelschaltung von zwei Gittern und Anoden skizziert. Zur Steigerung der Empfindlichkeit kann das Magnetfeld eines Permanentmagneten, in geeigneter Weise angeordnet, verwendet werden. Durch das Magnetfeld kann eine etwas ungünstige Anordnung des Gitters – bedingt durch kleine Fehler während der Herstellung des Systemaufbaus - geringfügig kompensiert werden. Als „ionische Ziele“ in obiger Übersetzung ist gemeint, dass die Elektronen auf mehr Gasionen treffen und so die Empfindlichkeit der Röhre erhöhen.

Bild 1: Fig. 3 aus Patent US1170881 mit den parallel geschalteten doppelten Anoden und Gitter

                                                        Das Replikat

Die originalgetreue Ausführung des Replikats überrascht. Der konstruktive Aufbau ist sehr nahe am Original. Dadurch werden Erkenntnisse über die Größenordnung der technischen Daten eines derartigen Aufbaus rekonstruierbar. Wie noch im Folgenden berichtet, hat auch das Vakuum des Replikats die schlechten Werte aus der Anfangszeit der Röhrenherstellung, so dass sich die bereits von Lee de Forest geschilderten Eigenschaften dieses ungenügenden Vakuums nachvollziehen lassen.

Bild 2: De Forest Double Wing Audion, Replikat

Solide hergestellte Replikate haben neben einer originalgetreuen optischen Ausführung des Objekts auch eine funktionelle Brauchbarkeit mit vergleichbaren technischen Daten des Originals.

Da mir keine Informationen über Daten von damaligen de Forest Röhren vorliegen, ist es hochinteressant,  die Daten dieses Replikats zu rekonstruieren.

                                 Bild 3: Details vom System

                                                  Heizer, Kathode

Besondere Aufmerksamkeit erfordern die beiden Heizer, denn sie bestimmen durch ihre Emission entscheidend die Funktionalität der Röhre. Bei den Reinmetall-Katoden liegt eine bewährte Vorgehensweise vor, die Temperaturen eines Heizers zu bestimmen. So genau wie möglich wird der Kaltwiderstand der beiden Heizfäden ermittelt.

Mit diesem Wert wird ein Widerstands-Temperatur-Diagramm erstellt, in dem der ungefähre Zusammenhang zwischen Widerstandswert des Heizers und einer mittleren Temperatur des Heizers darstellt wird. Dies ist physikalisch stark vereinfacht, weil bei dieser Betrachtung der Temperaturverlauf des Heizfadens entlang der Heizfadenlänge gemittelt dargestellt wird. In Wirklichkeit ist die Temperatur an den Heizer-Enden die Innentemperatur der Röhre im Betrieb und die Fadentemperatur in der Mitte hat ihren höchsten Wert, der deutlich über dem mittleren Wert liegt. Auch ist die Temperaturabstrahlung des Heizers unberücksichtigt, die ja zu niedrigeren Temperaturwerten des Heizers beitragen kann. Für eine überschlägige Beurteilung ist diese Vorgehensweise aber ausreichend. Annahme: Das Heizer-Material ist Wolfram

Abschätzung der Heizer-Widerstände:

                                            Bild 4: Widerstands-Temperatur-Diagramm

       Systemabmessungen und Rekonstruktion der elektrischen Daten

Bei den Abmessungen des Systems sind wegen des grob gebogenen Gitters nur ca. Werte zu rekonstruieren. Die Ergebnisse werden aber in etwa die Größenordnung zeigen, die mit einem derartigen Systemaufbau erreicht werden können.

Zur Rekonstruktion von Daten und Kennlinien werden die Berechnungen für ein ebenes Kastensystem verwendet. Die Systemabmessungen:

Anodenlänge:                                  15,6mm

Anodenbreite:                                 15mm

Abstand Anode-Katode:               4,8mm

Abstand Gitter Katode:                 3,1mm

Steigung:                                            5mm

Gitterdrahtdurchmesser:            0,5mm

Bedingt durch die weiten Zwischenräume des sogenannten Zig-Zag-Gitters ist der Einfluss auf den Anodenstrom gering. Entsprechend ungünstig wird dadurch der Wert des Durchgriffs sein und damit auch eine niedrige Verstärkung dieses Röhrenaufbaus verursachen. Die einendige Anordnung von Heizer, Gitter und Anoden wird eine hohe Mikrofonie zur Folge haben. In der nachfolgenden Skizze sind nur die Abmessungen der für die Röhrendaten relevanten Maße aufgeführt. Befestigung und weitere Konstruktionsdetails sind weggelassen.

Bild 5: Skizze des Systems mit relevanten Abmessungen

Die sich aus den Abmessungen rekonstruierten Daten und Kennlinien:

Bild 6: Rekonstruktion der Daten und Kennlinien

                                       Inbetriebnahme des Heizers

Zur Vorsicht wird der Heizer über einen Widerstand betrieben, der so bemessen ist, das bei Einstellung der max. Spannung am Netzteil der Nennstrom des Heizers fließt. Somit ist eine Überheizung ausgeschlossen.

Abschätzung der Daten für den Heizer im Betrieb:

Widerstand bei 500 Grad C – Erste Glut: ca. 1,06 Ohm

Widerstand bei 1200 Grad C – Beginn der Emission: ca. 2,14 Ohm

Widerstand bei 1800 Grad C – Betriebstemperatur: ca. 3,06 Ohm

Messwerte:

Eine Kontrollrechnung mit den Daten des Kaltwiderstands und dem Widerstandswert der „Ersten Glut“ bestätigt den Temperaturkoeffizienten im Bereich von Wolfram:

α = (R_t – R₂₀) / (R₂₀ * t _glut) = (1,044 – 0,32) / (0,32 * 500) = 0,724 / 160 = 0,004525

                                             Vakuumfaktor, Restgas

Da zu Beginn der Röhrenära die Herstellung eines ausreichend niederen Vakuums eine Hauptschwierigkeit darstellte, waren die Kennwerte der Röhren noch nicht zufriedenstellend und auch die Röhrenfunktionen waren unter schlechten Vakuumbedingungen unstabil. Die de Forest-Röhren wurden von Anfang an von der Firma McCandless hergestellt. Das Unternehmen stellte hauptsächlich Kleinglühlampen für den privaten Gebrauch her. Die Einrichtungen, die für die Herstellung der Kleinglühlampen das notwendige Vakuum erzeugten, wurden auch zur Evakuierung der de Forest Röhren verwendet. Mit diesem „Glühlampen-Vakuum“, wie es Lee de Forest nannte, erreichte man maximale Betriebsspannungen um die 20 Volt. Bei Betriebsspannungen über 25 Volt wurden die Röhren funktionsunfähig.

Die erste Kolbenform war röhrenförmig. McCandless überzeugte Lee de Forest davon, dass die Kugelform die bessere Formgebung für die Elektronenröhren ist, siehe die beiden Fotos.

Bild 7: frühe Rohrform [2]                                                Bild 8: spätere Kugelform [2]

Bild 9: Vakuumfaktor in Abhängigkeit der Gitterspannung.  Der Vakuumfaktor der Röhre entspricht dem einer Soft-Valve.

                                             Weitere Restgas-Prüfung

Die Röhre wurde mit einem Schutzwiderstand von 1 MΩ unter höherer Spannung gesetzt, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, um welches Restgas es sich in der Röhre handeln könnte.

Beim Betrieb der Röhre wurde der Innenraum beobachtet, ab welcher Spannung Leuchterscheinungen auftreten und welche Farbe die Leuchterscheinung hat um Rückschlüsse auf das enthaltende Gas zu erhalten. Die Röhre wurde dazu ungeheizt unter Spannung gesetzt zwischen Anode und Gitter. Die Röhre zündet bei 1650 Volt und glimmt bei 1410 Volt mit einem Glimmstrom von 240 Mikro-Ampere. Die Farbe des Glimmlichts ist im abgedunkelten Raum grünlich-grau und bei Tageslicht bläulich, siehe die folgenden Bilder. Die bläuliche Farbe deutet auf Stickstoff als Restgas-Bestandteil, deshalb kann man auf Restgas durch ungenügende Evakuierung schließen.

       Bild 10:  Im Dunkeln - nebelig grünlich-grau               Bild 11: Bei Tageslicht: nebelig bläulich

Es gibt keine Flächenbedeckung der Leuchterscheinung, wie dies bei Glimmlampen der Fall ist.

Der Innenraum leuchtet insgesamt in nebelartig erscheinendem Licht.

Das Replikat zeigt ähnliches Verhalten bezüglich einer Beeinflussung der Röhrenfunktionen durch das Vorhandensein von Restgasen, wie dies für die damaligen de Forest Röhren von Lee de Forest selber beschrieben wurde. Auch die vorher beschriebenen Tests bestätigen, dass das Replikat diese Verhaltensweisen von Röhren mit schlechtem Vakuum aufweist.

                                       Technische Daten, Kennlinien

Die Funktion der Vakuumröhren wird hauptsächlich mit Kennlinien und Röhrenkennwerten dargestellt.

                                    Bild 12: Gemessene Kennlinie

Die obige Kennlinie zeigt auffällige Verläufe, die nicht typisch sind für Elektronenröhren. Die auffälligste Besonderheit zeigt der Kurvenverlauf der 20 Volt Kennlinie im Vergleich zu den Kurvenverläufen der niedrigeren Anodenspannungen.

Um den Bereich zwischen 10 und 20 Volt besser beurteilen zu können, wurde die Aufnahme der Kennlinien nochmal durchgeführt. Diesmal in kleineren Spannungsschritten der Anodenspannung von 1 Volt und für die Gitterspannung wurden nur drei Messpunkte pro Kennlinie verwendet, -5V,

 -3V und 0V um die Veränderungen in diesen Spannungsbereichen vereinfacht darstellen und beurteilen zu können. Das Ergebnis zeigen die folgenden Kennlinien:

         Bild 13: Gemessene Kennlinien nach oben genannten Bedingungen

Die Kennlinienverläufe zeigen einige auffällige Besonderheiten. Um die Verläufe der Kennlinien bei Anodenspannungen zwischen 5 und 15 Volt ebenfalls beurteilen zu können, wurde eine zweite Kennliniendarstellung für diesen Anodenspannungsbereich vorgenommen, siehe die folgenden Kennliniendarstellung:

Bild 14: Gemessene Kennlinien – Anodenspannungsbereich 5 bis 15 Volt

Bereich 5 bis 12 Volt

In diesem Bereich verhält sich die Röhre wie eine Vakuum-Elektronenröhre.

Bereich oberhalb 12 Volt

Ab diesem Spannungsbereich steigt der Anodenstrom stärker an als dies bei Vakuumröhren der Fall ist. Da die Ionisationsspannung, die ca. 10 Volt beträgt, bereits überschritten ist, lässt sich dieser Effekt durch die Bildung von Ionen erklären. Je höher die Betriebsspannung ist, desto höher ist auch die Ionenbildung, wie das durch den Anstieg der Stromwerte über 12 Volt ersichtlich ist. Dieser Anstieg ist bis 19 Volt zu sehen. Ab 20 Volt reduziert sich dieser Anstieg. Die Stromwerte werden wieder geringer und das Verhalten entspricht in etwa dem Abfall, wie er bei jeder Röhre auftritt, wenn die Emission in den Sättigungsbereich kommt und die Katode nicht mehr Elektronen liefern kann. Die gestrichelten Linien sollen aufzeigen, wie der Anstieg verlaufen würde, wenn eine Sättigung der Katode noch nicht erreicht ist.

Bereich über 20 Volt

Eine Aufnahme von Kennlinien war oberhalb einer Betriebsspannung von 20 Volt nicht möglich. Der Anodenstrom stieg an, aber eine Steuerung des Anodenstroms durch das Gitter war nicht mehr möglich. Erst durch Reduzieren der Anodenspannung unter 20 Volt, brachte die Röhrenfunktion wieder in einen Zustand, in dem sich der Anodenstrom durch die Gitterspannung steuern lässt.

De Forest selber hat über derartige Verhalten bei seinen Röhren berichtet [1]:

"Spätere Audion-Verbesserungen

Von 1906 bis 1910 nahm ich zahlreiche Verbesserungen oder Änderungen an der Form des Audions vor, wie z. B. die Ersetzung des Kohlefadens durch Tantal und dann durch Wolfram; die Verwendung von Nickel für Anode und Gitter anstelle von Platin.

Der doppelte Glühfaden war so angeordnet, dass bei Durchbrennen des einen Glühfadens der zweite problemlos angeschlossen werden konnte, wodurch sich die Lebensdauer des Detektors verdoppelte. Bereits 1907 begann McCandless damit, meine Röhren auf das gleiche Vakuum zu pumpen, das er in Miniatur-Glühlampen verwendete. Natürlich enthielten einige der Röhren mehr Gas als andere, und wir stellten fest, dass eine sehr geringe Gasmenge das Gerät zu einem empfindlicheren Detektor machte als die Röhren mit höherem Vakuum.

Bei der Verwendung als Detektor für drahtlose Signale war die fehlende Linearität natürlich nicht von Bedeutung - wir wollten eine maximale Empfindlichkeit erreichen. Solange aber nur ein „Glühlampenvakuum“ verwendet wurde, war es unmöglich, mehr als 22 oder 30 Volt in der E-Batterie zu verwenden, ohne den ‚blauen Lichtbogen‘ zu erzeugen, der das Gerät sofort extrem unempfindlich machte."

Auch über die Zukunft seiner Audione hatte de Forest noch Bedenken [ 8]:

„Das Audion hat sich als sehr empfindlich für den Einsatz in der drahtlosen Telefonie erwiesen, doch ist es zweifelhaft, ob es aufgrund der schwierigen Herstellung und der kurzen Lebensdauer jemals eine breite Anwendung finden wird. Normalerweise müssen eine ganze Reihe von Audionen getestet werden, bevor eines gefunden wird, das für den allgemeinen Gebrauch empfindlich genug ist.“

                                Die elektrischen Daten der Röhre:

Bezüglich der Daten gibt es im Prinzip drei Arbeitsbereiche. Den ersten im Anodenspannungsbereich bis 10 Volt, den zweiten Arbeitsbereich im Anodenspannungsbereich zwischen 10 und 20 Volt wo bereits ein Ionenstrom die Daten beeinflussen und einen dritten Bereich oberhalb 20 Volt, in dem Daten wegen der stärkeren Ionenbildung nicht vorhersehbar sind. In den folgenden Versuchen konnten zu bestimmten Anforderungen experimentell Arbeitspunkte oberhalb dieser Spannung gefunden werden

Bereich 10 Volt

Uf:                                         2,75V

If:                                           0,9A 

Steilheit:                             0,012mA/V

Durchgriff:                          0,32

Innenwiderstand:           260kΩ

Max. Verstärkung:          ca. 3

Bereich 20 Volt

Uf:                                         2,75V

If:                                           0,9A 

Steilheit:                             0,25mA/V

Durchgriff:                          0,35

Innenwiderstand:           12k

Max. Verstärkung:          ca. 3

Über 20 Volt

Arbeitspunkte nur experimentell zu finden.

Mit einer Verstärkung um den Faktor 3 und maximale Anodenströme unter 2 Milliampere zeigt dieses Replikat typische Röhrendaten der frühen historischen de Forest Audion Typen.

                                                Betrieb als Audion

Als Audionschaltung wird die in US879532  patentierte Version für Versuche verwendet. Die Funktion ist, das über die Antenne empfangende Signal so zu verarbeiten, dass das modulierte Signal vom Trägersignal getrennt wird.

Diese Röhrenversion wird auch als „Spherical Audion“ bezeichnet und ist in den frühen Geräten, die als „Audion Detector“ bezeichnet wurden, verwendet worden. Diese Version hat einen hufeisenförmig angeordneten Heizfaden, ein Zig-Zag-Gitter und eine Anode.

Die als „Double Wing Audion” bezeichnete Röhre, die als wesentlicher Bestandteil in diesem Beitrag beschrieben wird, hat jeweils zwei Heizfäden, zwei Zig-Zag-Gitter und zwei Anoden.

Der zweite Heizfaden ist ausschließlich als Ersatz dafür vorgesehen, wenn ein Heizfaden durchbrennt, kann der zweite Heizfaden dann verwendet werden. Somit hat diese Type dadurch eine doppelte Lebensdauer [6, S.8].

„1907-8 begann ich, zwei Glühfäden parallel zu verwenden. Einer davon war ein Ersatzdraht. Das freie Ende des Fadens wurde aus der Glühbirne herausgeführt, und wenn der erste Faden durchbrannte, konnte der zweite verwendet werden, indem einfach ein Ersatzdraht um den Sockel der Glühbirne gewickelt wurde.“

Es war nicht vorgesehen, beide Heizfäden gleichzeitig zu verwenden, um die elektrische Leistung durch Erhöhen der Emission dieser Type zu erhöhen.

Das „Double Wing Audion” war zur Verstärkung und zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen vorgesehen. Es ist interessant, wie sich diese Röhre als Audion verhält. Dazu hat mein Fachkollege Wolfgang Holtmann einen eigenen Beitrag verfasst: Link

                                            Betrieb als Verstärker

Da das „Double Wing Audion” besonders zur Verstärkung von Signalen von Lee de Forest geschaffen wurde, ist der Verstärkung besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Vor allem interessiert, welche Verstärkung möglich ist, in welchen Spannungsbereichen ein sicherer Betrieb erfolgen kann, welche Frequenzgrenzen vorhanden sind und wie sich das Vorhandensein von Luftresten in der Röhre auf die Verstärkung und den Betrieb als Verstärker auswirkt.

Bezüglich der Auswirkung von Luftresten ist allgemein bekannt, dass eine Ionisierung des Anodenstroms oberhalb von 10 Volt beginnt und das sich negative Auswirkungen mit zunehmendem Anodenstrom bemerkbar machen.

Ob und in welchem Ausmaß sich die Verstärkung ändert oder wie sich die Beschreibung einer Empfindlichkeitssteigerung bei Röhren mit Luftresten zeigt, hat besondere Aufmerksamkeit.

Ub - Betriebsspannung

Ra - Anodenwiderstand

Ca – Koppelkondensator Anode

Cg – Koppelkondensator Gitter

Rg - Gitterwiderstand

Ug - Gitterspannung

Ue~ - Eingangssignal

Ua~ - Ausgangssignal

                                                                                            Bild 15: Verstärkerstufe

Es gibt einige grundlegende Merkmale, die beim Betrieb dieser Röhre mit eingeschlossenen Restgasen auffällig sind. Bis 18 Volt Betriebsspannung verhält sich die Röhre wie eine Vakuumröhre. Bei Betriebsspannungen über 18 Volt kann der Anodenstrom in Abhängigkeit des Anodenwiderstands Werte erreichen, die eine Ionisierung hervorrufen, so das die Röhre „Durchschaltet“ und sich nicht mehr über das Gitter steuern lässt. Bei Anodenstromwerten über 300μA ist ein „Durchschalten“ jederzeit möglich. Bist 30 Volt Betriebsspannung kann der Verstärkungsfaktor nur bis max. 2,9 bei dieser Röhre erreicht werden. Dies ist auch der Wert, der sich bei der Rekonstruktion der Daten aus den Röhrenabmessungen ergeben hat. Die Röhre lässt sich mit Betriebsspannungen über 18 Volt betreiben, wenn der Anodenstrom nicht höher als max. 300μA ist. Bei den Versuchen konnten maximale Verstärkungswerte bis fast zum Faktor 70 erreicht werden an unsteten Stellen der Kennlinie. Dazu muss man die Gitterspannung fein abgestuft einstellen können, um überhaupt eine solche unstete Stelle auf der Kennlinie zu finden. Allerdings werden die Verzerrungen des Ausgangssignals deutlich größer, je höher der Verstärkungsfaktor ist. Auch ist so eine unstete Stelle auf der Kennlinie äußerst instabil.

Bild 16: Oszillografische Untersuchung einer Niedervakuum Triode (Proc. I.R.E., Dez. 1922)

Eine Erhöhung der Verstärkung von 3 auf fast 70 ist fast unglaublich (phänomenale Empfindlichkeit) und hat mich sehr überrascht. Ich habe diese Stelle auf der Kennlinie mehrfach durch Verändern der Gitterspannung eingestellt. Derartige Stellen sind eindeutig und auch reproduzierbar. Das obige Bild aus Tyne [10, S. 71] erläutert diese besondere Eigenschaft. Für den Amateur und Funkbastler war das eine willkommene Eigenschaft aber sie war kommerziell wegen der großen Instabilität kaum verwendbar.

In der folgenden Tabelle sind die Daten, Werte usw. von Beschaltungsvarianten aufgeführt.

                                                           Frequenzgang

Bild 17: Schaltung zur Aufnahme eines Frequenzgangverlaufs

Bild 18: Frequenzgang  Diagramm

Die Frequenzgangmessung zeigt, dass das „de Forest Double Wing Audion“, Replikat für die Niederfrequenz-Verstärkung geeignet ist. Der konstruktive Aufbau würde als Vakuumröhre auch wesentlich höhere Frequenzen verstärken. Der Abfall der Verstärkung oberhalb 10 kHz ist ausschließlich auf das Verhalten der Röhre durch die vorhandenen Luftreste zu erklären.

                                              Sprung in der Kennlinie

Bei der Untersuchung nach Begründungen, warum eine Verstärkerschaltung unter bestimmten Bedingungen in Schwingung gerät, wurden diese Kennlinienbereiche detaillierter untersucht. Die folgende Kennliniendarstellung zeigt Kennlinienbereiche auf, in denen sich die Verhaltensweise der Röhre sprungartig ändert.

                             Bild 19: Sprungartiges Verhalten in der Röhrenkennlinie

                                Bild 20: Sprung in der Kennlinie – detaillierter Verlauf

Abhängig davon, in welcher Reihenfolge bzw. Richtung man die Kennlinie mit der Gitterspannung durchfährt, ist das Verhalten etwas anders. Es ist nicht symmetrisch. 

Startet man den Verlauf bei null Volt Gitterspannung so verläuft die Kennlinie entlang der blauen Linie – a, b, c und d. Beginnt man den Verlauf im gesperrten Zustand der Röhre, so verläuft die Kennlinie entlang der roten Linie – e, f, g und a. Im Verlauf des Kennlinienstücks „a“ ist der Verlauf der Kennlinie zwischen 0V und -5V exakt übereinstimmend.

Für die Verwendung der Röhre hat dieses Verhalten eine entscheidende Einschränkung.

                                                Betrieb als Oszillator

Betrieb als LC-Oszillator – Das Audion Piano

                               Bild 21:  Das Audion Piano von Lee de Forest, 1915

Im Dezember 1915 erschien in der Zeitschrift „The Electrical Experimenter“ ein Beitrag von Lee de Forest mit dem Titel „Audion Bulbs as Producer of Pure Musical Tones“. In diesem Beitrag stellt er ein elektronisches Musikinstrument vor, bei dem die Töne elektronisch mit Röhrenoszillatoren erzeugt werden. Das folgende Schaltschema ist abgebildet.

Bisher hatte ich vergeblich versucht, mit dem „Double Wing Audion“ eine selbstschwingende Schaltung aufzubauen. Der Beitrag spornte mich an, weitere Versuche vorzunehmen. Wie neben-stehendes Schaltbild zeigt, ist als Betriebsspannung 40-50V angegeben. Es sind Röhren mit höherem Vakuum, die hier verwendet wurden. Es stellte sich dann heraus, das einmal der Übertrager mit einem Übertragerverhältnis von 1:1 gute Ergebnisse bringt und dass der Verstärkungsgrad der Röhre höher sein muss als 2,9 !

Mit diesen Erkenntnissen gelang es dann, einen rückgekoppelten LC-Generator zu realisieren.

Mit einem Kondensatorwert von 10nF schwang der Oszillator mit ca. 1 kHz, siehe das folgende Schaltbild. Für das Schaltbild habe ich Komponenten aus dem Bild von 1925 verwendet. Die Betriebsspannung ist 28 Volt und die Gitter-spannung beträgt -3,0 Volt.

                  Bild 22: Tongenerator zum Audion Piano [4]

                                         Bild 23: LC Oszillator

                                          Betrieb als RC-Oszillator

Einen RC-Oszillator zum Schwingen zu bringen, erwies sich dann doch noch deutlich schwieriger als dies bei dem LC-Oszillator der Fall war. Als entscheidend stellte sich ein Verstärkungsfaktor der Schaltung heraus, der größer sein musste als ca. 20. Erst als Versuche mit Betriebsspannungen zwischen 40 und 50 Volt begannen, konnte eine RC-Schaltung zum Schwingen gebracht werden. Der RC-Oszillator kam zum Schwingen, als der Betrieb an einer unsteten Kennlinie durch Einstellen der Gitterspannung erfolgte. Die Einstellung erfolgte in mehreren Versuchen, war also nicht spontan erfolgreich. Auch ein laufender Schwingungsvorgang wurde durch geringfügige Änderung der Gitterspannung oder der Anodenspannung unterbrochen. In diesem Fall ist es sinnvoll, stabilisierte Netzgeräte zu verwenden. Normalerweise ist bei heutigen Röhren eine dreigliedrige Rückkopplung ausreichend. Von Vorteil war, noch ein weiteres RC-Glied einzufügen um einen Betrieb als RC-Oszillator möglich zu machen. Damit schwang die Schaltung sicherer an.

Mit den in der folgenden Schaltung angegebenen Bauteilen schwingt die Schaltung sicher mit ca. 600 Hz. Die Amplitude der Schwingung beträgt ca. 8 Vss. Allerdings ist die Schwingung wegen dem stark nichtlinearen Verlauf der Kennlinie nicht sinusförmig.

                                         Bild 24: RC Oszillator (Phasenschieber)

                                               Zusammenfassung

Die de Forest Röhren aus der Anfangszeit sind eng verbunden mit der Erfindung der Elektronenröhre und der Erfolgsgeschichte der drahtlosen Übertragung von Signalen und des rasanten Erfolgs des Radios. Das „Double Wing Audion“ ist eine erste Stufe in der Röhrenentwicklung zur Vakuumröhre für Verstärkungszwecke elektrischer Signale für den NF- und HF-Bereich.

Die 1916 erreichten technischen Daten von Röhren waren noch sehr bescheiden. Mit ihnen konnten aber schon grundlegende Schaltungen realisiert werden wie z.B.: Empfangsgleichrichter, Verstärker für NF-Signale, LC- und RC-Oszillatoren.

Es wurden Erkenntnisse gewonnen, dass ein „Gutes Vakuum“ in einer Röhre besser geeignet ist für die Funktion von Schaltungen aller Art als mit Röhren, die Gasreste enthalten.

Carl Dreher beschrieb aus seiner Sicht 1926 seine Gedanken zu den de Forest Audionen jener Zeit aus seiner Erfahrung damit:

Memoirs of a Radio Engineer, RADIO BROADCAST, SEPTEMBER, 1926, p. 408-409 [ 9]:

„Denn wenn sie richtig funktionierten, waren die alten Audione als Detektoren nicht zu verachten. Sie waren unvollkommen evakuiert, und ihre Kennlinien hatten manchmal Knicke und Schleifen, wo die Gleichrichtung erstklassig war. Es ist wahr, dass die Röhrenfabrik kaum mehr Kontrolle über die Betriebseigenschaften ihres Produkts hatte als über die jährliche Häufigkeit von Sonnenflecken, aber dieses Element des Glücksspiels beim Kauf eines Audions trug nur zum Nervenkitzel bei. In tiefste Verzweiflung gerissen durch den Untergang einer geliebten Röhre oder den Ausfall einer neuen, die überhaupt nicht funktionierte, würde der Audion-Spekulant seine Groschen sparen und erneut stürzen. Die frühen Vakuumröhren waren zu anmutigen Formen abgerundet, wie eine griechische Vase. Sie waren nicht streng geradlinig wie die standardisierten, einheitlichen, leistungsfähigen Produkte der Gegenwart. Sie wurden nicht maschinell hergestellt, sondern von Hand, und manchmal war die Hand anscheinend nicht ruhig. Keine zwei Röhren sahen gleich aus und nur wenige verhielten sich gleich. Die Innereien der Kreatur waren weit sichtbar, denn sie befanden sich nicht wie heute in einem zylindrischen Anodenelement, sondern in flacher Form. Die Anode war eine Metalllasche von etwa einem halben Quadratzoll, dann kam das Zick-Zack-Gitter, etwas schief, und dann eine schwach aussehende flache Drahtschleife, der Heizer. Isolierte flexible Leitungen, die von der Röhre ausgehen, die Gitterleitung grün, die Anode rot und die beiden Heizerleitungen normalerweise aus einfachem Gummi. Es war ein romantisch aussehendes Objekt, und kein Fehler. „

                                                   Literaturhinweise

[ 1]         How the Audion was invented, Lee de Forest, Radio-Craft, Jan. 1947, Seite 18-21.

[ 2]         How Audions were built, G. F. J. Tyne, Radio-Craft, Jan. 1947, Seite 27-31.

[ 3]         Patent US879532, Space Telegraphy, Lee de Forest, Jan. 29. 1907.

[ 4]         Audion Bulbs as Producers of Pure Musical Tones, Dr. Lee de Forest, The Electrical 

              Experimenter, Dec. 1915, p. 394-395

[ 5]         Patent US1170881, Wireless Receiving System, Lee de Forest, March. 12. 1914

[ 6]         The History of the RADIO TUBE 1900 -1916, Lee de Forest, Radio News Dec. 1940

[ 7]         The Audion. A new Receiver for wireless Telegraphy, by Lee de Forest,
               Scientific American Supplement No. 1665, November 30, 1907, pages 348-350

[ 8]         Operator's Wireless Telegraph and Telephone Hand-Book (Flame/Audion detectors extract),                    Victor H. Laughter, 1909, pages 78-82

[ 9]         Carl Dreher, Memoirs of a Radio Engineer,
              RADIO BROADCAST, SEPTEMBER, 1926, p. 408-409

[10]       Saga of the Vacuum Tube, Gerald F. J. Tyne, 1977, Howard W. Sams & Co. Inc.

[1], [2] sind in der Ausgabe “De Forest Anniversary Number – 40 Years of the Vacuum Tube –

der Zeitschrift “Radio-Craft vom Jan. 1947 enthalten.