Informations- und Kommunikationstechnik

Elektronenröhren

Auch in der modernen hochintegrierten Halbleitertechnik gibt es Anwendungen für Vakuum Elektronenröhren. Sie kommen in speziellen Audioverstärkern, Senderendstufen mit hoher Ausgangsleistung und in der Radartechnik zum Einsatz. Elektronenröhren bestehen aus einem evakuierten Kolben mit integrierten mehr oder weniger detaillierten Elektrodensystemen. Die elektrischen Verbindungen nach außen erfolgen durch metallische Steckstifte, deren Ausdehnungskoeffizient mit dem Glassockel übereinstimmt, um auch langfristig das Hochvakuum im Röhreninneren nicht zu gefährden. Neben den wohl bekannteren Glaskolbenröhren gibt es Bauarten mit Metall- und seltener Keramikkolben.

Hochvakuum

Werden die Gasmoleküle aus einem Gefäß evakuiert, dann spricht man bei einem Druck zwischen 0,1 Pa bis 10 μPa vom Hochvakuum. In diesem Vakuum ist die mittlere freie Weglänge von Elektronen recht groß, da sie nur noch selten mit weiterhin vorhandenen Gasmolekülen zusammenstoßen. Leer ist dieses Vakuum allerdings nicht. Bei unserem durchschnittlichen Luftdruck mit 101,325 kPa befinden sich in einem Mol Gas, das ein Volumen von 22,4 Litern einnimmt rund 6,025exp23 Gasmoleküle / mol. Bei Normaldruck sind das in jedem Kubikzentimeter rund 2,7exp19 Gasmoleküle. In diesem Volumen sind beim 100 μPa Röhrenvakuum mit 2,7exp10 immer noch sehr viele Gasmoleküle vorhanden.

Beim Evakuieren wird die gesamte Röhre weit über ihre spätere Betriebstemperatur erhitzt, um auch das Elektrodensystem von anhaftenden Molekülen freizubekommen. Nach der Evakuierung werden durch von außen gesteuerte Induktionsprozeße im Elektrodensystem befindliche Gettermetalle verdampft. Dabei kann es sich um sogenannte Fangstoffe wie Barium, Cäsium, Kalzium oder Magnesium handeln, die man später als dunklen Metallspiegel auf der Innenseite des Glaskolbens erkennt. Sie binden einerseits störende Gasreste und können später ein nachlassendes Vakuum durch Bilden weißlicher Verfärbungen anzeigen.

Katode und Thermoemission

Die Elektronen aussendende Elektrode wird als Kathode, physikalisch fachsprachlich Katode ohne 'h' geschrieben bezeichnet. Zur Emission thermischer Elektronen muss die Katode erhitzt werden. In der Röhrenschaltung hat sie negatives Potenzial und die Heizspannung muss eine sehr gut geglättete Gleichspannung sein. Die Katode einer direkt geheizten Röhre besteht aus einer Wolfram Metallwendel. Sie emittiert erst bei einer Temperatur über 2000 °C ausreichend viele Elektronen. Diese Elektronenröhren sind für sehr hohe Betriebsleistungen geeignet.

Röhren mittlerer Betriebsleistung arbeiten mit direkter Heizung und einer thorierten Wolframwendel, wobei eine Heiztemperatur von rund 1500 °C ausreicht. Der Heizdraht wird mit wenigen Prozent Thoriumdioxid überzogen, das im weiteren Fertigungsverfahren zu Thorium reduziert wird. Das Thorium reichert sich auf der Oberfläche der glühenden Katode an und erleichtert die Elektronenemission. Mit dem Thorium ist die aufzubringende Austrittsarbeit für Elektronen aus dem Heizdraht geringer. Für nicht so hohe Betriebsleistungen werden direkt geheizte Röhren mit einer Bariumoxid überzogenen Heizwendel verwendet. Die Austrittsarbeit für thermische Elektronen ist bei Bariumoxid schon bei Temperaturen über 500 °C genügend groß.

Ein weiterer Röhrentyp funktioniert mit einer indirekt geheizten Katode. Sie kann mit Wechselstrom betrieben werden, da die Elektronen emittierende Schicht elektrisch vom Glühdraht getrennt ist. Der Heizdraht leuchtet rotglühend bei Temperaturen um 550 ... 800 °C und gehört nicht zur eigentlichen Röhrenschaltung. Die Heizwendel ist isoliert von einem Nickelröhrchen umgeben, das mit einer (30 ... 60) μm dünnen Schicht Barium-, Strontium- oder Kalziumoxid beschichtet ist. Dieses Röhrchen emittiert die thermischen Elektronen und ist die in der Schaltung wirksame Katode, die das negative Betriebspotenzial erhält. Die thermischen Elektronen haben bei ihrem Austritt nur eine geringe Geschwindigkeit und bilden um die Katode herum eine Elektronenwolke. Freigesetzte nachfolgende Elektronen werden aufgrund gleicher Ladungen zur Katode zurück gestoßen, wodurch sich eine Raumladungszone bildet.

Röhrendiode

Die Zweipolröhre ist die einfachste Elektronenröhre mit einer Elektronen emittierenden Katode und der Anode als zweiten Pol. Sie umgibt die Katode und ist von ihr durch das Vakuum elektrisch isoliert. Wird die geheizte Katode mit der Anode leitend verbunden, so fließt ein geringer Anlaufstrom. Er ist von der Austrittsarbeit und daher von der Temperatur der Katode abhängig. Thermische Elektronen mit ausreichend hoher kinetischer Energie erreichen die Anode. Durch das Emittieren der Elektronen ist die Katode gegenüber der sie umgebende Elektronenwolke geringfügig positiver. In technischer Stromrichtung fließen bei 0 V Anodenspannung ein mit (1 ... 200) μA geringer Anlaufstrom von der Katode zur Anode. Um ihn in vollständig zu unterdrücken, muss ein etwas negatives Anodenpotenzial von 1 ... 2 V eingestellt werden. Die Röhrendiode befindet sich im Gegenspannungsbereich.

Im Normalbetrieb ist das auf die Katode bezogene Anodenpotenzial positiv. Die dabei von der Anode ausgehende Feldstärke nimmt mit positiverem Potenzial zu und wirkt auf die äußeren Elektronen der Raumladungszone. Je höher die Anodenspannung wird, desto tiefer dringt das elektrische Feld in Richtung Katode vor. Die Kennlinie zeigt einen mit der Anodenspannung zunehmenden Anodenstrom, wobei das Schottky-Langmuir-Gesetz mit der folgenden Proportionalität gilt.

Schottky-Langmuir-Gesetz

Bleibt die Heizspannung konstant, so schließt sich im Kennlinienverlauf der Sättigungsbereich an. Dort ist der Anodenstrom unabhängig von der Anodenspannung und kann nur durch Erhöhen der Heizleistung gesteigert werden. Bei höherer Temperatur emittiert die Katode mehr thermische Elektronen, mit der Gefahr die maximalen Betriebsdaten zu überschreiten. Die folgende Grafik zeigt die gebräuchlichen Schaltzeichen und den prinzipiellen nicht maßstabsgetreuen Kennlinienverlauf für Röhrendioden. Der Arbeitsbereich liegt in der Raumladungszone. Ein Unterheizen der Katode schadet ebenso der Lebensdauer der Röhre wie ein Überheizen.

Röhrendiode, Schaltzeichen und Kennlinien

Da die Kennlinie der Diode keinen linearen Verlauf hat, kann aus einem Steigungsabschnitt nur der differenzielle Widerstand bestimmt werden. Er ist definiert als das Verhältnis der Änderungen der Anoden-Katodenspannung zur Anodenstromänderung. rF = ΔUAK / ΔIA . Bei positiver Anodenspannung ist dieser Widerstand niederohmig und bei negativer Anodenspannung hochohmig. Röhrendioden eignen sich zur Gleichrichtung von Wechselspannung bis in den Hochspannungsbereich mit einigen Kilovolt. In der Rundfunktechnik werden sie zur Demodulation von HF-Spannungen genutzt. Im Vergleich zu Halbleiterdioden haben sie eine 5 bis 10 mal höhere Durchlassspannung.

Triode

Mit einem zwischen Katode und Anode eingefügten Steuergitter, einer für Elektronen durchlässigen dritten Elektrode, erhält man die Triode oder Dreipolröhre. Mit diesem Gitter und dem dort angelegten Potenzial wird der Anodenstrom steuerbar. Das Gitter war anfangs eine selbsttragende Drahtspirale und wies einige negative Eigenschaften auf. Ein dickerer Draht mit der proportional größeren Drahtoberfläche war für einen zu großen Gitterstrom verantwortlich. Die Gitterspirale reagierte sehr empfindlich auf mechanische Einwirkungen mit entsprechenden Abstandsänderungen zur Katode. Dieser als Mikrofonie bezeichnete Effekt beeinflusste störend hörbar die Verstärkereigenschaften und verursachte unerwünschte Modulationen. Der Abstand des Steuergitters zur Katode war relativ groß, sodass mit dem Gitterpotenzial die Raumladungszone nicht so optimal beeinflusst werden konnte. Die erreichbaren Verstärkungsfaktoren waren bei dieser Bauform nicht sehr hoch.

Spanngitterröhren

Wesentlich bessere Eigenschaften werden mit einem Spanngitter erhalten. Der Gitterdraht ist nur rund 10 μm dick und mit viel geringerer Steigung straff auf einen Stützrahmen gespannt. Damit werden äußere mechanische Einflüsse vermieden und der Abstand zwischen Gitter und Katode liegt in vielen Röhren unter 0,05 mm. Die kinetische Energie der emittierten thermischen Elektronen nahe der Katode ist noch gering und zur Steuerung des Elektronenstroms zur Anode reichen relativ kleine negative Gitterpotenziale. Je negativer das Gitterpotenzial ist, desto geringer ist bei konstanter Anodenspannung der Anodenstrom. Das auf die Katode bezogene Gitterpotenzial sollte negativ bleiben, da bei positivem Gitterpotenzial das Gitter als Anode wirkt und es zum Gitterstrom kommt. Die Steuerung des Anodenstroms erfolgt mit negativem Gitterpotenzial leistungslos.

Kennlinienfelder einer Triode

Die Abhängigkeit des Anodenstroms von der Gitterspannung wird als Steilheit bezeichnet und mathematisch durch den ersten Differenzialquotienten definiert. Wird im Diagramm der Anodenstrom als Funktion der Gitterspannung aufgezeichnet, so ist der Funktionsverlauf nicht linear. Die Steigung wird umso flacher, je negativer das Gitterpotenzial ist. In Verstärkerschaltungen ist man bestrebt, mit möglichst kleinen Änderungen der Gitterspannung eine große Änderung des Anodenstroms zu erreichen. Die statische Steilheit wird als Maß für die Verstärkung der Röhre für einen bestimmten Punkt der Kennlinie, der im annähernd linearen Kennlinienverlauf liegt, definiert als S = ΔIA / ΔUG in mA / V angegeben. Die Kennlinien sind nach dem Siemens Datenblatt RöK 3293/1.12.61 der UHF-Triode E 88 C erstellt.

Kennlinien der E 88 C UHF-Triode

Für konstante Gitterspannungen kann ein Kennlinienfeld erstellt werden, das die Änderungen des Anodenstroms in Abhängigkeit der Änderungen der Anodenspannung zeigt. Da auch diese Kurven nicht linear verlaufen, wird die Tangentensteigung in einem bestimmten Arbeitspunkt als erste Ableitung aus dem Verhältnis der Änderungen des Anodenstroms zur Anodenspannung definiert. Der reziproke Wert wird als differenzieller Innenwiderstand der Röhre Ri = ΔUA / ΔIA in V / mA = kΩ angegeben. Dieser Wert wird in Verbindung mit einem angeschlossenen Lastwiderstand wichtig, wo die Röhre als gesteuerte Stromquelle wirkt.

Die dritte Kenngröße jeder Elektronenröhre mit Steuergitter ist der Durchgriff. Er ist insbesondere von der Maschenweite des Gitters, seinem Abstand zur Katode und von der Anodenspannung abhängig. Der Durchgriff ergibt sich aus dem Vergleich, welche Anodenspannungsänderung die gleiche Anodenstromänderung bei konstanter Gitterspannung hervorruft, wie eine Gitterspannungsänderung bei konstanter Anodenspannung. Der Durchgriff kann aus dem Ausgangskennlinienfeld IA = f(UAK) mit dem Parameter UGK als Zahlenwert D = UGK / UAK ermittelt werden und wird meist in Prozent angegeben. Der Kehrwert des Durchgriffs ist die Leerlaufverstärkung der Röhre. Für die E 88 C gibt Siemens im Datenblatt eine durchschnittliche Leerlaufverstärkung von μ ≈ 66 an. Dieser Wert wird auch aus der Grafik ermittelt.

Durchgriff aus der Kennlinien

Barkhausen

Der deutsche Physiker Barkhausen (1881–1956) fand einen Zusammenhang zwischen den drei Kenndaten, die als Röhrengleichung nach Barkhausen bekannt ist und für alle Triodenröhren gilt. Mit den ersten beiden Faktoren errechnet sich die Leerlaufverstärkung einer Triode. Bleibt die Röhre im äußeren Stromkreis unbelastet, so würde eine Änderung der Gitterspannung bei konstanter Anodenspannung nur zur Änderung des Anodenstroms führen. Nach der Barkhausengleichung ist der Verstärkungsfaktor dann gleich dem reziproken Durchgriff. Um die Spannungsverstärkung praktisch zu nutzen, muss in die Anoden- oder die Katodenleitung ein Arbeitswiderstand gelegt werden. Änderungen der Steuerspannung am Gitter führen zur Anodenstromänderung und damit zur Spannungsänderung am Arbeitswiderstand. Das Verhältnis der Spannungsänderungen ist als Spannungsverstärkung für einen gegebenen Arbeitspunkt definiert. Die so erzielbaren dynamischen Verstärkungsfaktoren sind kleiner als die statischen Werte.

Barkhausen-Gleichung

Wechselspannungsverstärkung

Mit einem Arbeitswiderstand im Anodenkreis kann die Triode zur Signalverstärkung genutzt werden. Im einfachsten Fall soll es sich um einen reinen ohmschen Wirkwiderstand handeln. Fließt Anodenstrom, so verringert die Spannung an ihm die an der Röhre wirksame Anodenspannung. In das statische Ausgangskennlinienfeld wird die Widerstandsgerade eingezeichnet. Sie beginnt bei der Betriebsspannung, der höchsten Anodenspannung und dem Anodenstrom null und endet auf der vertikalen Achse beim maximal möglichen Anodenstrom, der durch den Arbeitswiderstand bestimmt ist. Die Arbeitsgerade darf die maximal zulässige Leistungshyperbel der Triode nicht schneiden. Mit einer variablen Gitterwechselspannung wandert der Arbeitspunkt auf dieser Widerstandsgeraden und an der Anode kann eine dazu proportionale Anodenwechselspannung entnommen werden.

Der statische Arbeitspunkt wird durch eine DC-Gittervorspannung bestimmt. Damit stellen sich der Anodenstrom und die Anodenspannung ein. Die Gittervorspannung wird mit der Signalspannung überlagert. Mit positiver Wechselspannung nehmen der Anodenstrom und der Spannungsfall am Arbeitswiderstand zu, während die Anodenspannung proportional abnimmt. Mit negativer Wechselspannung ist der Anodenstrom geringer und die resultierende Spannung an der Anode nimmt proportional zu. Eine relativ kleine Gitterwechselspannung erzeugt eine verstärkte Anodenwechselspannung in umgekehrter Phasenlage. Die Grafik zeigt das Arbeitsprinzip mithilfe der Kennlinienfelder.

Signalverstärkung im Kennliniefeld einer Triode

Automatische Erzeugung der Gittervorspannung

Normalerweise muss das Gitterpotenzial in Bezug zur Katode immer negativ sein. Da sich das Gitter innerhalb der negativen Raumladungszone befindet, kann es sich zunehmend negativ aufladen und den Anodenstrom entsprechend schwächen. Ein sogenannter Gitterableitwiderstand zwischen Gitter und Katode hält das Gitterpotenzial konstant. Wird sein Wert vom Hersteller im Datenblatt nicht angegeben, so wählt man ihn mit 1 MΩ ausreichend hochohmig, um eine angeschlossene Signalquelle nicht zu belasten. Mit einem kleinen ohmschen Widerstand in der Katodenleitung kann die Gittervorspannung automatisch erzeugt werden. Durch den Anodenstrom entsteht am Katodenwiderstand ein Spannungsfall, der die Katode um diesen Betrag positiver und das Gitter negativer macht. Der Katodenwiderstand wird durch einen parallel geschalteten Kondensator, oft reichen wenige μF, für Wechselspannung kurzgeschlossen. Er verhindert die Signalgegenkopplung und die dazu proportionale Verringerung der Signalverstärkung. Die Grafik zeigt die Prinzipschaltung zur Spannungsverstärkung mit einer Triode.

Triode mit automatischer Gittervorspannung

Anodenrückwirkung

Bei der Verstärkung ändert sich der Anodenstrom im Rhythmus der Gitterwechselspannung. Da der Arbeitswiderstand und der Innenwiderstand der Triode einen Spannungsteiler bilden, nimmt mit zunehmendem Anodenstrom die Spannung an der Anode ab. Im Kennliniendiagramm ist zu erkennen, dass der zugehörige Anodenstrom ebenfalls geringer wird. Der Vorgang wird als Anodenrückwirkung bezeichnet und verringert die Steuerwirkung des Gitters und somit die Verstärkung. Im Wechselstromersatzschaltbild kann die Triode als spannungsgesteuerte Stromquelle mit parallel liegendem Innenwiderstand oder als Spannungsquelle mit in Reihe liegendem gleichen Innenwiderstand gesehen werden. Der Arbeitswiderstand liegt dazu immer parallel. Mit beiden Ansätzen können die Anodenrückwirkung und die Auswirkung auf die Signalverstärkung mathematisch beschrieben werden.

Ersatzschaltung zur Signalverstärkung

Da die Kennlinien der Triode keinen linearen Verlauf haben, entstehen bei der Signalverstärkung immer auch nichtlineare Verzerrungen. Sie werden als Klirrfaktor oder THD-Wert (Total Harmonic Distortion) in Prozent angegeben. Um den Wert klein zu halten, wird der Arbeitspunkt so gelegt, dass die Aussteuerung nicht in die stärker gekrümmten Bereiche reicht.

Tetrode

In der Triode verhalten sich das Steuergitter und die Anode wie ein Kondensator. Da er mit zunehmender Frequenz niederohmig wird, nehmen unerwünschte Signalrückkopplungen von der Anode zum Gitter zu und verringern die Verstärkung. Mit einem zweiten Gitter, dem Schirmgitter G2, das zwischen dem Steuergitter G1 und der Anode A eingefügt ist, erhält man die Tetrode. Das Schirmgitter wird mit einer konstanten Gleichspannung versorgt und liegt für das Signal über einen Kondensator auf Masse- oder Katodenpotenzial. Durch das Schirmgitter wird die Gitter-Anodenkapazität kleiner, da sie sich nunmehr aus zwei in Serie geschaltete Kapazitäten mit G1 zu G2 und G2 zu A zusammensetzt. Im normalen Verstärkerbetrieb ist die Schirmgitterspannung stets kleiner als die Anodenspannung. Die Grafik zeigt das Schaltbild einer Tetrode und das Ausgangskennlinienfeld für eine Philips Miniwatt E 455.

Tetrode E 455; Ausgangskennlinien

Auf das Steuergitter G1 wirkt die Schirmgitterspannung mit einem konstanten elektrischen Feld, das die Elektronen gleichmäßig in Richtung der Anode beschleunigt. Soll die Tetrode in einer Verstärkerschaltung arbeiten, so wird der rechte Kennlinienbereich mit UA > UG2 genutzt. Das Ausgangskennlinienfeld ist dort vergleichbar mit dem eines Transistors. Im Gegensatz zur Triode bleibt bei der Tetrode für eine konstante Spannung am Steuergitter eine Änderung der Anodenspannung fast ohne Auswirkung auf den Anodenstrom, sodass ihr Innenwiderstand größer ist. Der Durchgriff der Anode auf das Steuergitter wird weitgehend verhindert. Alle diese Eigenschaften ergeben viel höhere Verstärkungsfaktoren für Tetroden.

Sinkt bei sehr großer Ansteuerung die Anodenspannung unter die Schirmgitterspannung, treten im Verstärkerbetrieb unerwünschte Verzerrungen auf. Die an der Anode immer freigesetzten Sekundärelektronen werden dann vom höheren Schirmgitterpotenzial abgefangen und gelangen nicht mehr zur Anode zurück. Der Anodenstrom nimmt in diesem Bereich ab und das Schirmgitter wird thermisch durch Strom belastet. Dieser Nachteil kann durch einen größeren Abstand zwischen G2 und Anode verringert werden, da dann das E-Feld der Anode die relativ langsamen Sekundärelektronen wieder einfangen kann.

In speziellen Schaltungen wird gerade dieser Kennlinienbereich mit UA < UG2 genutzt. Der abnehmende Anodenstrom entspricht in der Strom-Spannungskennlinie einem negativen Widerstandsverlauf. Das Verhalten der Tetrode ist dort mit einer Halbleiter Esaki- oder Tunneldiode vergleichbar. Ein Parallelschwingkreis kann mit einer passend dimensionierten aktiven NIC (negative impedance converter) Schaltungserweiterung bei Resonanz entdämpft werden.

Pentode

In der Tetrode oder Schirmgitterröhre beschleunigt das positive elektrische Feld die Elektronen so stark, dass sie beim Auftreffen auf die Anode Sekundärelektronen freisetzen. Wird bei großer Aussteuerung der Röhre die Anodenspannung gleich oder kleiner der Schirmgitterspannung, dann gelangen nicht mehr alle Elektronen zu Anode, da sie vom Schirmgitter aufgenommen werden. Es entstehen unerwünschte Signalverzerrungen, die durch das Einfügen eines weiteren Gitters vor der Anode verhindert werden. Die Pentode hat zwischen Anode und Schirmgitter ein zusätzliches Bremsgitter, das oftmals auf Katodenpotenzial liegt. Es bremst dadurch die Geschwindigkeit der zur Anode fliegenden Elektronen, sodass keine Sekundärelektronen freigesetzt werden können oder vom negativeren Potenzial zu Anode zurück gewiesen werden.

Da die Maschenweite des Bremsgitters groß ist, wird der von der Katode ausgehende Elektronenstrom so gut wie nicht beeinflusst und nur die viel langsameren Sekundärelektronen der Anode werden gebremst und zur Anode zurück gelenkt. Im Arbeitsbereich der Pentode ist das Ausgangskennlinienfeld IA = f(UA) noch linearer als das der Tetrode. Der Aussteuerbereich ist daher größer und mit einem ebenfalls höheren Innenwiderstand nimmt der Spannungsverstärkungsfaktor zu. Die Elektronen durchlaufen von der Katode zur Anode mehrfache Potenzialwechsel mit dem Nachteil, dass die Pentode ein relativ hohes Stromverteilungsrauschen aufweist.

Pentode EL 84; Ausgangskennlinien

Die Skizze zeigt das Ausgangskennlinienfeld der Pentode EL 84 nach einem Datenblatt von Philips 1969. In dieser Endstufenpentode ist das Bremsgitter intern mit dem Anschluss der indirekt geheizten Katode verbunden. Für einen Verstärker im A-Betrieb werden im Datenblatt für die Anodenspannung 250 V eine Arbeitsimpedanz 5,2 kΩ und ein Anodenstrom von 48 mA vorgeschlagen. Die Gittervorspannung sollte dabei −7,3 V betragen. Der Arbeitspunkt liegt dann, wie auch eingezeichnet, sehr nahe der Verlustleistungshyperbel.

Hexode und Heptode

Die Hexode ist eine Weiterentwicklung der Tetrode, wo nach dem Schirmgitter ein zweites Steuergitter gefolgt von einem weiteren Schirmgitter eingebaut ist. Die Röhre hat somit sechs Elektroden und kann formal auch als zwei in Reihe geschaltete Tetroden mit einer gemeinsamen Katode und Anode gesehen werden. Durch die Abfolge der Gitter sind die beiden Steuergitter gegeneinander und von der Anode kapazitiv geschirmt. Der Anodenstrom kann gleichzeitig mit zwei unterschiedlichen Signalen gesteuert werden. Ist der eine Kreis Teil einer Oszillatorschaltung, so kann die Hexode als Modulator arbeiten, wenn am Steuergitter des zweiten Kreises ein Informationssignal anliegt. Im Eingangskreis einer Antenne wird beim Überlagerungsempfänger mit einer Hexode die Zwischenfrequenz erzeugt. In vielen Hexoden sind die beiden Schirmgitter intern miteinander verbunden. Wird die Hexode mit einem Bremsgitter als fünftes Gitter zwischen dem zweiten Schirmgitter und der Anode erweitert, erhält man eine Heptode. Es ist fast immer intern fest mit der Katode verbunden und auch beide Schirmgitter werden an einen gemeinsamen Außenanschluss geführt.

Hexode und Heptode, Elektrodenabfolge

Zusätzlich zu den bisher beschriebenen Typen gibt es noch die Oktode, die in einer Art Trioden- und Pentodenschaltung als Oszillator- und Mischerschaltung Anwendungen fand. Die Mehrfachnutzung wurde auch durch Verbundröhren möglich, die mit einem separaten Trioden- und Hexodensystem ausgestattet waren, deren Stufen intern auch schon verbunden sein konnten.

Elektronenröhren im Vergleich zu Transistoren

Klirrfaktor

Verstärker mit Röhrentechnik sollen im Vergleich zur Transistortechnik einen angenehmeren Klang haben. Diese Aussage ist im Zusammenhang mit dem Klirrfaktor zu diskutieren. Jeder Verstärker mit nicht linearer, also gekrümmter Kennlinie erzeugt zusätzliche Frequenzen, die im Originalsignal nicht vorhanden sind. Sowohl Röhren als auch Transistoren haben keine idealen und somit linearen Kennlinien und das Ausgangssignal hat einen messbaren Klirrfaktor. Er kann als k-Faktor oder als THD-Wert in Prozent angegeben werden.

Die Grundfrequenz wird als 1. Harmonische bezeichnet und ist frei von Oberwellen. Die 1. Oberwelle hat die doppelte Grundfrequenz und ist verantwortlich für den k2-Faktor. Die 2. Oberwelle mit der 3. Grundfrequenz oder 3. Harmonischen führt zum k3-Faktor. Alle geradzahligen Oberwellen entsprechen den ungeradzahligen Harmonischen und ebenso ungeradzahligen k-Faktoren. Unser Gehör empfindet geradzahlige Harmonische angenehmer im Klangbild und ungeradzahlige Harmonische, die geradzahligen Oberwellen, eher dissonant. Wird eine Frequenz nichtlinear verzerrt, so nehmen die Amplituden zu den höheren Harmonischen immer weiter ab.

Ein einstufiger Transistorverstärker mit einem bipolaren Transistor erreicht ohne Aufwand selbst bei hoher Spannungsverstärkung einen Klirrfaktor unter 1%. Werden in Datenblättern der Röhren für einfache Verstärkeranwendungen Dimensionierungen angegeben, dann sind die erreichbaren Klirrfaktoren zwischen 3 bis 10% hoch. Das ist für die Hi-Fi-Norm mit maximal erlaubten 1% ungeeignet. An dieser Stelle kann die Diskussion zugunsten der Transistoren beendet werden. Beim nicht übersteuerten Verstärkerbetrieb ist der k2-Faktor als größter Wert immer bestimmend. Erst wenn der Verstärker in die Begrenzung geht, haben auch die Amplituden der ungeraden Klirrfaktoren mehr Einfluss.