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Vakuumröhrenelektroden: thermionische Ventilelektroden

Vakuumröhrenelektroden: thermionische Ventilelektroden

Ihre Konstruktion ist natürlich unterschiedlich und es gibt Variationen je nach Design des Rohrs und seinen Anwendungen.


Kathode

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Kathodentypen, die in modernen Vakuumröhren verwendet werden. Sie unterscheiden sich im Aufbau der Kathode und den verwendeten Materialien.

Eine der Hauptmethoden, mit denen Kathoden kategorisiert werden können, ist die Art und Weise, wie sie erwärmt werden. Der erste Typ, der verwendet wurde, war das, was als direkt beheizt bezeichnet wird. Hier wird ein Strom durch einen Draht geleitet, um ihn zu erwärmen. Zusätzlich zur Bereitstellung der Wärme fungiert es auch als Kathode selbst und emittiert die Elektronen in das Vakuum. Dieser Kathodentyp hat den Nachteil, dass er sowohl an die Heizungsversorgung als auch an die Versorgung angeschlossen werden muss, die zur Verwendung in der Kathodenanodenschaltung selbst verwendet wird. Dies hat Nachteile, da es die Art und Weise einschränkt, in der der Stromkreis vorgespannt werden kann, es sei denn, jede Heizung wird separat geliefert und voneinander isoliert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Verwendung eines Wechselstroms zur Bereitstellung der Heizung dieses Signal der Hauptkathodenanodenschaltung überlagert werden kann und bei der Frequenz der Heizungsversorgung ein Brummen auftritt. Der zweite Kathodentyp ist als indirekt beheizte Kathode bekannt. Hier wird die Heizung elektrisch von der Kathode getrennt und Wärme wird von der Heizung abgestrahlt, um die Kathode zu erwärmen. Obwohl das Aufwärmen dieser Röhrentypen länger dauert, werden sie aufgrund der Flexibilität, die dies beim Vorspannen der Schaltkreise und beim Isolieren des Kathodenanodenkreises von den Auswirkungen von Brummen aus der Heizungsversorgung bietet, fast überall verwendet.

Der früheste Kathodentyp ist als helle Emitterkathode bekannt. Dieser Kathodentyp verwendet einen Wolframdraht, der auf eine Temperatur zwischen 2500 und 2600 K erhitzt wird. Obwohl dieser Kathodentyp heutzutage nicht weit verbreitet ist, wurde er in Hochleistungs-Übertragungsröhren verwendet, wie sie beispielsweise für Rundfunkzwecke verwendet werden. Es weist eine Reihe von Nachteilen auf, von denen einer darin besteht, dass es hinsichtlich der für den Wärmeeintrag gewonnenen Emission nicht besonders effizient ist. Die Lebensdauer der Kathode wird auch durch die Verdampfung des Wolframs begrenzt, wobei ein Versagen auftritt, wenn etwa 10% des Wolframs verschwunden sind.

Ein weiterer Kathodentyp ist als stumpfer Emitter bekannt. Diese Kathoden werden direkt erwärmt und bestehen aus thoriertem Wolfram. Sie bieten mehr Emission als eine Wolframkathode und benötigen weniger Wärme, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Röhre größer wird. Typischerweise laufen sie bei einer Temperatur zwischen 1900 und 2100 K. Obwohl diese Kathoden normalerweise eine relativ lange Lebensdauer haben, sind sie zerbrechlich und alle Ventile oder Röhren, die sie verwenden, sollten mit Sorgfalt behandelt werden und sie sollten keinen technischen Stößen oder Vibrationen ausgesetzt werden.

Der bei weitem am meisten verwendete Kathodentyp ist die oxidbeschichtete Kathode. Diese können mit indirekt beheizten Kathoden verwendet werden, im Gegensatz zu Wolfram- und stumpfen Emitterkathoden, die aufgrund der Temperaturen direkt erwärmt werden müssen. Diese Art von Kathode liegt normalerweise in Form von Nickel in Form eines Bandes, einer Röhre oder sogar einer kleinen Becherform vor. Dies ist mit einer Mischung aus Barium und Strontiumcarbonat beschichtet, oft mit einer Spur von Kalzium. Während des Herstellungsprozesses wird die Beschichtung erhitzt, um sie in ihre metallische Form zu bringen, und die Produkte der chemischen Reaktion werden entfernt, wenn das Ventil schließlich evakuiert wird. In dieser Kathode ist es das Barium, das als primärer Emitter fungiert, und es arbeitet viel niedriger als die anderen Typen im Bereich von 950 - 1050 K.

Einige Arten von thermionischen Ventilen oder Vakuumröhren verwenden eine sogenannte Kaltkathode. Dies sind Spannungsstabilisatoren und verwenden eine Form von aktivierter Metalloberfläche.


Anode

Die Anode ist im Allgemeinen zu einem Zylinder geformt, so dass sie die Kathode und alle anderen vorhandenen Elektroden umgeben kann. Auf diese Weise kann die Vakuumröhre röhrenförmig aufgebaut sein und die Anode kann die maximale Anzahl von Elektronen sammeln.

Bei den kleineren Ventilen oder Rohren, die in vielen Funkempfängern verwendet werden, bestehen die Anoden im Allgemeinen aus vernickeltem Stahl oder einfach aus Nickel. In einigen Fällen, in denen größere Wärmemengen abgeführt werden müssen, kann sie karbonisiert werden, um eine matte Rückseite zu erhalten, die es ihr ermöglicht, mehr Wärme aus dem Ventil abzustrahlen.

Für Anwendungen, bei denen noch höhere Leistungen erforderlich sind, muss die Anode in der Lage sein, noch mehr Wärme abzuleiten und bei höheren Temperaturen zu arbeiten. Für diese Röhren können Materialien einschließlich Kohlenstoff, Molybdän oder Zirkonium verwendet werden. Ein anderer Ansatz besteht darin, Kühlkörperrippen in die Anodenstruktur einzubauen, um die zusätzliche Wärme abzustrahlen. Dieser Ansatz ist natürlich durch die Konstruktion des Ventils und die Tatsache begrenzt, dass das Rohr in seiner Glashülle enthalten sein muss. Bei einer großen Kühlkörperstruktur muss die Glashülle jedoch viel größer sein, wodurch sich die Kosten erhöhen.

Um dieses Problem zu überwinden, kann die Anode so hergestellt werden, dass Wärme außerhalb des Ventils übertragen und unter Verwendung einer Druckluft oder eines Wassermantels abgeführt werden kann. Mit diesem Ansatz kann die Hülle der Röhre relativ klein gemacht werden, während immer noch erhebliche Leistungsniveaus verarbeitet werden können.


Gitter

Das Gitter ist die Elektrode, mit der der im Anodenkreis fließende Strom durch ein anderes Potential gesteuert werden kann. In der einfachsten Form kann eine Vakuumröhre ein Gitter haben, es ist jedoch möglich, mehr als ein Gitter zu verwenden, um die Leistung zu verbessern oder die Ausführung zusätzlicher Funktionen zu ermöglichen. Dementsprechend werden Ventile nach der Anzahl der darin enthaltenen Elektroden benannt, die dem Elektronenfluss zugeordnet sind. Mit anderen Worten werden die Filamente oder Heizungen und andere ähnliche Elemente weggelassen.


Anzahl der GitterGesamtzahl
von Elektroden
Gattungsbezeichnung
13Triode
24Tetrode
35Pentode
46Hexode
57Heptode
68Oktode

Ein Gitter ist normalerweise in Form eines Mullnetzes oder einer Drahtspirale aufgebaut. Wenn es aus Draht besteht, besteht es normalerweise aus Nickel, Molybdän oder einer Legierung und wird mit Stützstäben gewickelt, die es von der Kathode fernhalten. Als solche können sie breit und möglicherweise oval sein und bestehen im Allgemeinen aus Kupfer oder Nickel.

Um ein hohes Leistungsniveau zu erreichen, das wiederholbar ist, müssen die Toleranzen innerhalb der Vakuumröhre von einem Gerät zum nächsten eingehalten werden. Darüber hinaus ist es häufig erforderlich, das Gitter nur Bruchteile eines Millimeters von der Kathode oder anderen Gittern entfernt zu montieren. Um diese Abmessungen beibehalten zu können, wird unter anderem ein steifer rechteckiger Rahmen verwendet und der Gitterdraht unter Spannung darauf gewickelt. Diese Struktur muss dann durch Verwendung von Verglasung oder sogar Goldlöten fixiert werden, damit sie fest an Ort und Stelle bleibt. Unter bestimmten Umständen kann es sogar erforderlich sein, die Kathodenoberflächenbeschichtung zu schleifen, um ihre Ebenheit sicherzustellen. Diese Form des Gitters wird als Rahmengitter bezeichnet.

Ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion von Vakuumröhren oder thermionischen Ventilen ist, dass das Netz nicht überhitzt. Dies kann zu mechanischer Verformung und zum Ausfall des gesamten Ventils führen. Um die Wärmeabfuhr zu unterstützen, kann der Gitterdraht karbonisiert sein, und häufig können Kühlrippen an den Gitterstützdrähten angebracht sein. Diese Stützdrähte können auch direkt mit den Verbindungsstiften im Boden des Ventils verschweißt werden, so dass Wärme durch die externen Anschlüsse abgeführt werden kann.

Noch heute ist eine Vielzahl von thermionischen Ventilen oder Vakuumröhren erhältlich. Mit den über viele Jahre entwickelten Techniken können sie eine hervorragende Wiederholbarkeit, Leistung und Zuverlässigkeit bieten.


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