Ein Rundflug durch die Röhre, Teil 2 von 3

Hinter Gittern zu sitzen kann manchmal auch vorteilhaft sein

In dieser kleinen Serie entführen wir Sie in die Welt zwischen Kathode‚ Gitter und Anode‚ stellen die Einzelteile einer Röhre vor und erklären deren Spiel mit den Elektronen. Kurzum: Hier geht’s vom Kathodenstrahlenrelais bis zur Gegentakt-Endstufe.

Tischtennisbälle und Elektronen – kann man die in einen Topf werfen? Jawohl, das geht. Man stelle sich einfach deren „Verhalten“ vor, dann passt dieser Vergleich sogar recht genau. In den 1930er Jahren wurden zur Entwicklung von Elektronenröhren große Gummi­membranen waagerecht aufgespannt, wobei Kathode, Gitter und Anode durch entsprechende Wölbungen simuliert wurden. Ließ man jetzt Kugeln (Tischten­nisbälle) über die Membran laufen, so verhielten sich deren Wege wie die Wege der Elektronen. Ausgehend von der Kathode, vorbei am Gitter, prallten sie schließ­lich auf die Anode. Das ließ sich mathematisch sogar beweisen, was wiederum die Konstruktion von Röhren stark vereinfachte. Und mithilfe dieses Kugelmodells möchte ich zeigen, wie sich die Triode (s. FIDELITY Nr. 11, Ausgabe 1/2014) über die Tetrode zur Pentode weiterentwickelt.

An der Entwicklung und Optimierung der Elektro­nenröhre wurde ziemlich genau 60 Jahre gearbeitet, von 1913 bis 1973. So ist es kaum verwunderlich, dass dieses Bauteil zu den ausgereiftesten seiner Gattung gezählt werden kann. Ganz ohne Internet-Vernetzung, ohne Wikipedia und Google, ohne CAD- und sonstige Computer-Simulationsprogramme, allein durch Berech­nungen mit Rechenschiebern und rollenden Kugeln auf Gummimembranen sowie unzählige Laborversu­che entstanden die unterschiedlichsten Röhrentypen von der Winzigkeit einer Bleistiftspitze bis zu den Abmaßen eines 200-Liter-Ölfasses. Erstere dienten als Verstärkerröhre in Hörgeräten, Letztere als Senderöhre in den stärksten Rundfunksendern. Für beinahe jede Anwendung wurde eine Röhre entwickelt. Es gab Niederfrequenz-, Hochfrequenz-, Stromversorgungs- und Schaltröhren (der erste Computer von Konrad Zuse arbeitete mit hunderten davon), vom Radio über den Fernseher bis zur Satellitentechnik. Unzählige techni­sche Daten und natürlich auch Vorschläge für Schal­tungen sind in dicken Büchern zusammengefasst.

Da Strom zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein knappes Gut war und keineswegs jede Wohnung über eine Steckdose verfügte, wurden die ersten Röhren für Akku- oder Batteriebetrieb konzipiert. Also wurde intensiv über die Minimierung des Heizstrombedarfs (beschichtete Kathoden), aber auch über die Höhe der Anodenspannung und des Anodenstroms nachgedacht. Gerade das Gebiet direkt um die geheizte Kathode herum forderte die Konstrukteure heraus, denn die Elektronenwolke be­saß die unangenehme Eigenschaft, sich quasi selbst an der Ausbreitung zu behindern. Der Raum um die Kathode war mit Elektronen geladen; erst eine relativ hohe Spannung von ca. 80 bis 100 Volt an der Anode riss sie aus dem Dunstkreis der Kathode weg. Durch Einfügen eines schwach positiv geladenen Gitters zwischen Steuergitter und Kathode wurden diese in Richtung Anode „beschleunigt“. Dieses Gitter wurde auf den Namen „Raumladegitter“ getauft, da es im wahrsten Sinne des Wortes die Raumladung um die Kathode herum minimierte. Fortan war es möglich, solche Röhren mit einer Anodenspannung von ledig­lich 8 bis 14 Volt zu betreiben. Da die Firma Telefun­ken anfangs maßgeblich an der Konstruktion von Röhren beteiligt war und fast alle damaligen Patente besaß, lag es auf der Hand, ein kleines Heft mit den gesammelten technischen Daten der Röhren heraus­zugeben, das neben einer kleinen Röhrentabelle auch die Funktionsbeschreibung einzelner Röhren auf anschauliche Weise zeigte.

Telefunken gab neben der Angabe für den Strom­verbrauch für Heizung und Anodenspannung auch schon ein Maß für die Verstärkung an: die Steilheit, die direkt mit der Gestaltung und der Platzierung des Steuergitters in der Röhre zu tun hat. Interessant ist der letzte Satz nach jeder Röhrenbeschreibung: „Alle ange­gebenen Werte sind Annäherungswerte“ – denn diese Röhren wurden zu 70 Prozent in Handarbeit gefertigt!Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften einer Röhre gelang durch die Entdeckung, dass das „Raum­ladegitter“ neben der Elektronenbeschleunigung noch einen zweiten guten Zweck erfüllt, wenn man es – statt zwischen Kathode und Steuergitter – zwi­schen dem Steuergitter und der Anode einfügt. Positiv geladen sorgt es nicht nur für einen besseren Elektro­nenfluss von der Kathode zur Anode, sondern schirmt gleichzeitig die Anode gegen das Steuergitter ab. Den Konstrukteuren der Trioden war nämlich aufgefallen, dass die Spannung an der Anode durchaus imstande ist, die Verhältnisse in der Elektronenwolke um die Ka­thode durch das Steuergitter hindurch zu beeinflussen. Auch dafür gibt es einen feststehenden Begriff in der Röhrentechnik: den „Durchgriff“.

Da wir es bei Audiosignalen mit Wechselspannun­gen zu tun haben, erzeugen diese Wechselwirkungen an der Anode zusätzliche Spannungsschwankungen und damit die triodentypischen Verzerrungen. Um diese zu verringern, wurden mit der Triode viele Versu­che unternommen: Das Gitter wurde mal engmaschi­ger, mal weitmaschiger, mal in großem Abstand zur Anode, mal mit kleinem Abstand zur Kathode einge­baut. Dabei wurde das Verhalten der Elektronen immer wieder mit der bereits erwähnten Gummimembran und anschließenden recht komplizierten Berechnun­gen kontrolliert.

Aus diesen Forschungen ist unter anderem auch die „Spanngitter-Röhre“ hervorgegangen: eine Triode mit extrem kleinem Abstand zwischen Kathode und Steuergitter. Diese ist heute besonders beliebt bei Entzerrerverstärkern für MC-Tonabnehmer, da sie eine steile Kennlinie (Steilheit) und damit eine hohe Verstärkung besitzt.
Dank dem zusätzlich eingefügten Gitter haben diese Schwankungen allerdings keinen Einfluss mehr auf die Verstärkung; die Röhre wird linearer und der Wirkungsgrad steigt. Eine Pentode besitzt einen Verstärkungsfaktor zwischen 120 und 210, eine Triode kommt auf gerade einmal 26- bis 31-fache Verstärkung. Da die Verhältnisse an der Anode somit gegen das Steuergitter abgeschirmt sind, nennt man dieses Gitter auch „Schirmgitter“. Wir haben jetzt eine Röhre mit vier Elektroden, also eine „Tetrode“. Bei so vielen Vor­teilen handelt man sich leider aber auch wieder einen Nachteil ein: Die schöne Röhrenkennlinie bekommt fast genau in der Mitte einen unschönen Knick. Wie wir erfahren haben, sorgen Knicke in solchen Linien für hässliche Verzerrungen. Dieser Knick entsteht – und jetzt kommen wieder die Tischtennisbälle ins Spiel – durch Elektronen, die dermaßen beschleunigt auf die Anode treffen, dass sie teilweise von ihr wieder zurück­prallen und durch das (positiv geladene) Schirmgitter mit Freude aufgenommen werden.

Diese fehlen nun im Anodenstrom und können nicht mehr für Verstärkung sorgen. Abhilfe schafft eine Vorrichtung, die zusätzlich zur Beschleunigung der Elektronen auch gleich dafür sorgt, dass diese nur in solchen Winkeln auf die Anode prallen, dass zurückge­worfene Elektronen nicht wieder auf das Gitter gelan­gen. Die Kugeln auf der Gummimembran gehorchen dem Konstrukteur, indem er dem Schirmgitter eine ganz bestimmte Form gibt, die wie eine Sammellinse wirkt. Das führt dann zu Röhren wie den sogenannten „Beam-Power-Tetroden“, beispielsweise KT 88 oder KT 150. Der „Beam“ wird durch das Schirmgitter erzeugt, der Knick in der Kennlinie verschwindet. Da „Knick“ auf englisch „kink“ heißt, tragen diese Röhren ihre Eigenschaft im Namen: „KT“ bedeutet nichts an­deres als „kinkless tetrode“ – die „knickfreie Tetrode“.
Es gibt aber noch eine andere Maßnahme, die diese verirrten Biester wieder auf die Anode zurück­wirft. Da die (negativen) Elektronen sich ja nur mit etwas Negativem zurückwerfen lassen, ahnen Sie bestimmt, worauf es hinausläuft: Es musste noch ein Gitter her; diesmal natürlich negativ gegenüber der Anode. Nach vielen weiteren Experimenten, Berech­nungen und Konstruktionen fügte man schließlich zwischen dem Schirmgitter und der Anode ein drittes, sehr weitmaschiges Gitter in die Röhre ein. Es bremst die zurückprallenden Elektronen ab und heißt konsequenterweise „Bremsgitter“. Fertig ist die „Pentode“ oder „Fünf-Elektroden-Röhre“.

Von den Ballspielen wieder zurück zum (Elekt­ronen-)Rundflug. Immer wieder wird über „Röhren­klang“ diskutiert. Vor dem Hintergrund der letzten beiden „Vintage“-Beiträge in FIDELITY Nr. 10 und 11 lassen sich sogar einige Argumente für eine solche Diskussion ableiten: Einerseits haben wir es bei Röh­ren allein durch ihren Aufbau mit – mehr oder minder – geraden Kennlinien zu tun. Andererseits lassen sich die Elektronen durch die Anordnung der verschiede­nen Gitter und den daran anliegenden Spannungen bei ihrer Arbeit für den Klang viel stärker beeinflussen als bei Halbleitern. Selbst eine waschechte Pentode lässt sich wie eine Triode betreiben: Man muss nur Schirm- und Bremsgitter mit der Anode zusammen­schalten. Sie erhalten dann das gleiche Potenzial wie diese und werden für die anrückenden Elektronen (fast) unsichtbar. Einige moderne HiFi-Verstärker las­sen sich sogar bequem mit einem Schalter zwischen Trioden- und Pentodenbetrieb umschalten; dass der Klang sich dann ändert, liegt auf der Hand. Ange­sichts der Vielzahl verschiedener Röhrentypen kann jeder Verstärkerhersteller aus einer breiten Palette auswählen. Triode, Tetrode, Pentode – alles lässt sich verwenden.

Neben den unterschiedlichen Leistungen der ein­zelnen Röhren geht es natürlich auch um deren Ver­wendung, zum Beispiel im „Single-Ended-“ oder im „Push-Pull“-Betrieb. Im Single-Ended-Modus spielt sich alles auf einer einzigen Kennlinie ab. Das ge­samte Audiosignal „hangelt“ sich quasi an der Kenn­linie entlang, und der Verstärkerkonstrukteur muss dafür sorgen, dass auch die lautesten Stellen schön in der – geraden – Mitte bleiben. Er bewerkstelligt das mit der sogenannten „Gittervorspannung“, eine Gleichspannung am Steuergitter, die das Hin- und Herschieben des Audiosignals auf der Kennlinie er­laubt. Besser bekannt ist diese Einstellung unter dem Begriff „BIAS“. Eine Veränderung dieser Spannung wirkt sich direkt auf den Klang aus. Im „Push-Pull“-Betrieb teilen sich die Röhren das Audiosignal: Eine ist für die positive Halbwelle des guten Tons zustän­dig, die andere für die negative. Sind beide Röhren gut aufeinander abgestimmt („gematcht“), so ist die Wiedergabe recht neutral. Und da zwei Röhren am gleichen Signal werkeln, ist die Leistungsausbeute eines solchen Verstärkers natürlich höher. Auch hier lassen sich sowohl Trioden als auch Tetroden als auch Pentoden verwenden.

Nach so viel Theorie folgt in der kommenden Ausga­be die Praxis: Wir stellen einen legendären LEAK vor. Und was gezieltes Restaurieren aus dem feinen Oldie macht, lässt sich auch auf andere HiFi-Klassiker über­tragen. Röhrentechnik ist zwar, was die Betriebsspan­nungen angeht, gefährlich – aber gleichzeitig faszinie­rend, wenn man erkennt, mit welch einfachen Mitteln hervorragende Ergebnisse erzielt werden können.

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