Endröhrenprobleme am Beispiel WG35

Wie hier bereits angekündigt ein Bericht über Endstufenprobleme mit der Mehrfachröhre WG 35 von Loewe.

Die WG 35 enthält drei Röhrensysteme (Bild: WG 35-Sockelschaltung). Ein Nf-System, eine Diode und eine Endpentode. Die Endpentode hat laut Datenblatt einen Anodenstrom von 50 mA, hier in unserem 537 GW „Schlittschuh“ 41 mA bei 200 V Anodenspannung, damit also eine Anodenverlustleistung von 10 Watt und ist damit mit einer RE 604, EL 11, AL 4 oder moderneren Röhren wie EL 84 vergleichbar und das 1934. 1934 war die Standardpentode in anderen Radiogeräten die RENS 1374d bzw. AL 1 mit 6 W Verlustleistung.

Die drei Röhrensysteme mit Verlustleistung und Heizern (in Summe 0,18 A, 65 V = 11,7 W) lassen den Kolben der WG 35 sehr heiß werden. So blättert bei den meisten Röhren die schwarze Beschichtung an der Seite der Endpentode ab.

Die WG 35 wurde das erste Mal im Botschafter 1934 und zuletzt im 537 GW 1937 eingesetzt. In dieser Zeit erfuhr sie offensichtlich einige Modifikationen. Siehe Diskussion hier.

Problem im Loewe 537 GW mit der WG 35 Nr. 195736 G

Bei der ersten Inbetriebnahme wurde der Anodenstrom der Endpentode der WG 35 beobachtet. Strom und Spannungen an der Endpentode geben immer sehr gute Aufschlüsse über den Zustand der Netzteiles, Zustand des Koppelkondensators und natürlich Zustand der Röhre. Nach einigen Minuten anheizen konnten hier die Sollströme und Sollspannungen gemessen werden (Anode : 41 mA, 210 V, Kathode +18 V, Gitter 0 V) , allerdings seltsamerweise mit zunehmend steigender Tendenz. Dass Röhren bis zu 10 Minuten benötigen um einen stabilen Endzustand zu erreichen, ist nicht ungewöhnlich, aber der Strom sollte nicht mit zunehmender Tendenz weit über die Sollwerte ansteigen. Nach 10 Minuten über 70 mA ! Hier wurde zum Schutz der Röhre der Versuch abgebrochen und andere Röhren in dem Gerät ausprobiert. Alles in Ordnung, die Sollwerte wurden +/- nach einer Einfahrphase stabil eingehalten.

Erstaunlich war, dass alle Röhren (auch ohne 6 kOhm Widerstand im Sockel, siehe Thread oben) im Gerät einwandfrei arbeiteten.

Allgemeiner Exkurs über Endstufenröhren

Bild: Endstufe Folie1 zeigt schematisch eine Endstufe, wie sie auch ähnlich im 537 GW beschaltet ist mit ihren Solldaten. Über einen Koppelkondensator im Allgemeinen von 2 bis 50 nF (im 537 GW 10 nF) ist das Gitter an die Vorröhre angekoppelt. In den meisten Geräten wird die negative Gittervorspannung „automatisch“ erzeugt. Man legt dazu das Gitter über einen oder mehrere Widerstände im MOhm Bereich an Masse und legt in die Kathodenleitung einen Widerstand, hier im 537 GW von 300 Ohm. Durch den Strom der Röhre von 50 mA fallen an diesem Widerstand ca. 15 V-16 V ab. (U = R x I) Damit liegt die Kathode um 15 V positiv gegen Masse oder andersherum, das Gitter liegt – 15 V gegen Kathode, wie es die Datenblätter fordern. „Automatisch“ wird diese Art der Gittervorspannungserzeugung (eigentlich erzeugt man eine Kathodenvorspannung) deshalb genannt, weil bei Verringerung des Kathodenstromes auch die Vorspannung sinkt und damit automatisch der Kathodenstrom bei geringerem negativem Potential des Gitters gegen Kathode wieder steigen sollte, sofern die Röhre keine Störungen hat. Bevor mir jemand einen Rechenfehler nachweist: Zum Anodenstrom der Röhre muß auch der Strom über das Schirmgitter (g2, hier ca. 10 mA) der Röhre mitgezählt werden, der Kathodenstrom bei Pentoden ist daher immer höher als der Anodenstrom. In diesem Fall versagte die automatische Gittervorspannungserzeugung, der Anodenstrom stieg über die Zeit stetig an.

Fehler in Endstufen

Nun zu grundsätzlich möglichen Fehlern in Endstufen, die zu erhöhtem Anodenstrom bis zur Zerstörung der Röhre führen können.

1) Defekter Koppelkondensator

Der häufigste Fehler in 90 % aller alten Radiogeräte der 30er Jahre ist eine fehlerhafte Isolierung des Koppelkondensators. Bild: Endstufe Folie2 zeigt den eintretenden Zustand. Durch den Leckstrom durch den Kondensator vom positiven Potential der Anode der Vorröhre über den Gitterableitwiderstand hier von 1 MOhm wird das Potential des Gitters positiv. Damit wird es weniger negativ gegenüber der Kathode und der Anodenstrom steigt. Irgendwann kann die automatische Gitterspannungserzeugung diesen Effekt nicht mehr kompensieren und die Röhre wird überlastet.

Der Kondensator hier in diesem Gerät war aber bereits innen erneuert worden und hatte eine einwandfreie Isolation (mit Hochspannung geprüft).

2) Sekundäremission des Gitters

Weitere zu besprechende Fehler liegen in der Röhre selbst. Bild: Endstufe Folie3 zeigt den Fall der Sekundäremission. Gerade bei steilen Röhren mit eng gewickelten Gittern kann es passieren, dass Elektronen gegen die Gitterwindungen prallen. Sie laden das Gitter normalerweise negativ auf und ihre geringe Zahl wird hier über den 1 MOhm Gitterableitwiderstand abgeleitet. Damit haben sie keinen, bzw. geringen Effekt auf die Lage des Arbeitspunktes. Ist das Gitter jedoch mit Metallen verschmutzt, die besonders gut Elektronen emittieren, z.B. Barium von der Kathode oder vom Getter her, kann sogenannte Sekundäremission auftreten. Die aufprallenden Elektronen erzeugen die Emission von mehreren Elektronen, die dann zur Anode fliegen. Es werden also vom Gitter, abhängig vom Anodenstrom, mehr Elektronen emittiert als auf ihm landen, es wird damit positiv. Damit wird wieder das Potential zwischen Kathode und Gitter weniger negativ und der Anodenstrom steigt. Vor allem bei sehr hochohmigen oder defekten Gitterwiderständen kann sich dieser Effekt bemerkbar machen. Ein lawinenartiger Effekt ist denkbar, da steigender Anodenstrom auch mehr Sekundärelektronen erzeugt. Dieser Effekt der Sekundäremission wird z.B. bei der EE50 durch eine virtuellen zweiten Kathode zu höherer Verstärkung ausgenutzt.

3) Gitteremission

Hier wird die Emission von Elektronen aus dem Gitter nicht durch aufprallende Elektronen des Anodenstromes verursacht, sondern durch Aufheizung des Gitters. Dies geschieht bei eng gewickelten Gittern, die bei steilen Röhren nah an der Kathode platziert sind durch die Strahlungshitze der Kathode. Auch Strahlungshitze der Anode kann beim Bremsgitter Gitteremission erzeugen. Bild: Endstufe Folie4 zeigt den Effekt. Wieder wird das Gitter stärker positiv und wie oben unter 2) erhöht sich der Anodenstrom. Auch hier ist durch steigende Belastung eine Temperaturerhöhung des Röhrensystems und damit Erhöhung der Gitteremission denkbar.

4) Schlechtes Vakuum

Fehler gemäß 2) und 3) werden durch konstruktive Maßnahmen im Aufbau des Röhrensystems durch den Entwickler minimiert. Wesentlich häufiger tritt jedoch als Fehler ein schlechtes Vakuum der Endröhren auf.

Trotz sorgfältiger Entgasung der Röhrenbauteile kann es besonders bei hoch belasteten Endröhren zu Gasausbrüchen aus den Anodenblechen kommen. Bei durchsichtigen Röhren kann man dies im Extremfall durch ein blaues Leuchten innerhalb der Anode erkennen. Bild: Endstufe Folie5 zeigt den Effekt. Die Elektronen treffen bei schlechtem Vakuum auf ihrem Weg zur Anode auf Gasmoleküle. Beim Zusammenprall werden aus der Atomhülle Elektronen herausgeschlagen und wandern zur Anode. Die verbleibenden Gasionen (hier mit O+ dargestellt) fliegen zur negativsten Elektrode der Röhre, dem Gitter. Das Gitter wird positiver und wir haben eine Steigerung des Anodenstromes und damit wieder die Erzeugung zusätzlicher Ionen usw. usw.

Das blaue Leuchten entsteht durch Elektronen, die beim Zusammenprall nur auf eine höhere Bahn gehoben wurden, aber das Atom nicht verlassen haben. Beim Zurückfallen auf ihre angestammte Elektronenumlaufbahn geben sie die erhaltene Energie in Form von Licht ab. Bei Sauerstoff ist dieses Licht blau. Bei Bariumdampf z.B. bei der Regenerierung von Röhren dagegen grün.

Die Kennlinie der Röhre wird dadurch steiler, man kann also bei gleichem Elektrodenaufbau eine höhere Verstärkung erreichen, weshalb in den Anfangsjahren der Röhrenentwicklung die Forscher glaubten, dass eine geringe Gasmenge für eine effektive Röhre notwendig sei.

Untersuchung der betroffenen WG 35 Nr. 195736 G

Um nun herauszufinden, welcher der Effekte 2)-4) in der o.g. WG 35 die Ursache für das lawinenartige Ansteigen des Anodenstromes ist, wurde eine Testfassung für WG Röhren aufgebaut. (Bild: WG-Prueffassung). Basis ist eine Konfektschachtel aus Polystyrol. Die Fassung ist ein Nachbau eines geschickten Sammlerkollegen. Die Kontakte wurde an Bananenbuchsen seitlich herausgeführt und für die WG 34, 35 und 36 farbig beschriftet. Dadurch konnte ich jedes System separat an mein Netzteil für Gitter und Anodenspannung anschließen. Die Röhre wurde mit einem Stell-Trenntrafo mit 180 mA, 65 V geheizt. Es wurden vier Röhren WG 35 miteinander verglichen. Mein Netzteil hat leider die Kennlinien nicht immer komplett abfahren können, da es überlastet wurde. Es ist nicht für so starke Endröhren konzipiert.

Folgende Röhren wurden getestet:

51670

189093 G

195192 G

195736 G

 

WG 35 Nr. 51670

Diese Röhre war offensichtlich die Älteste der getesteten Röhren. Sie enthält keinen 6 kOhm Widerstand im Sockel. Auffällig war ihre schnelle Anheizzeit im Vergleich zu den anderen Röhren. Bei den jüngeren Röhren hat es offensichtlich noch eine Umkonstruktion der Kathode gegeben. Die Kennlinie zeigt Bild: WG35-51670-2. Das Ia – Ug1 Diagramm wurde bei 50, 100 und 170 V Anodenspannung aufgenommen. Alle Röhren erfordern einen 2 nF Kondensator von Anode zu Kathode, da sie ansonsten sofort Schwingungen im UKW Bereich erzeugen, was zuerst mein stabilisiertes Netzteil arg verwirrte und mit einem Oszilloskop nachgewiesen werden konnte.

Diesen Kondensator findet man auch in der Schaltung des 537 GW.

Das Schirmgitter wurde auf Anodenpotential gelegt. Das Bremsgitter ist innerhalb der Röhre mit dem Steuergitter verbunden. 170 V wurde gewählt, da ich damals noch von den (falschen) Werten im Schaltbild ausging, außerdem ist bei 210 Volt die Kennlinie so weit nach links verschoben, dass mein Gittervorspannungsnetzteil versagte. Es zeigt sich eine saubere Kennlinie, die allerdings nicht durch den Sollpunkt x verläuft. Dennoch funktioniert die Röhre im Gerät gut. Der Anodenstrom lag aber nur bei 35 mA. Die negativen Gitterströme wurden im µA Bereich gemessen. Er lag hier bei 0,0 (+/- 0,1 µA).

Negative Gitterströme entstehen wie oben unter 2)-4) erläutert durch emitierte Elektronen vom Gitter oder landende Ionen auf dem Gitter. Vernachlässigt man 2) und 3), ist er in erster Linie ein Maß für das Vakuum der Röhre.

Exkurs zum Vakuum und Gitterstrom

Zur Erläuterung habe ich hier zwei Bilder aus Barkhausen, Elektronenröhren, Band 1:  Allgemeine Grundlagen, S. Hirzel Verlag, Leipzig 1953 entnommen.

Bild: Barkhausen-Vakuumpruefung zeigt einen Aufbau mit Messgerät analog zu meinen oben gezeigten Schaltungen. Der Gitterstrom wird mit einem empfindlichen Instrument im µA Bereich gemessen. Zur Ionisierung eines Gasmoleküls Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff muss ein Elektron mindestens 16 V durchlaufen haben, um die nötige Geschwindigkeit und Energie zu erhalten. Das bedeutet, dass die Ionisierung von der Anodenspannung, den Dimensionen der Röhre und der freien Wegstrecke bis zum nächsten Gasmolekül und damit Vakuum abhängt. Die freie Weglänge bei Atmosphärendruck liegt bei 0,0001 cm, bei 0,000001 Atmosphären schon 100 cm. Das bedeutet bei einer Röhre mit 1 cm Anodendurchmesser treffen 0,5 % der Elektronen auf ein Gasmolekül. Der Ionenstrom zum Gitter und damit der negative Gitterstrom beträgt also ca. 0,5 % des Anodenstromes.

 

Barkhausen vermittelt mit folgenden Zahlen einen Eindruck:

„Von je 100 Millionen Molekülen bei Atmosphärendruck müssen dann alle bis auf eins weggepumpt sein. Trotzdem befinden sich dann in jedem Kubikzentimeter dieses „Vakuums“ immer noch 270 Milliarden Moleküle!“

Eine Röhre ist beileibe also nicht „leer“.

Bild: Barkhausen-Gitterstrom aus oben zitiertem Buch zeigt den Verlauf des Gitterstromes (das Bild enthält einen Fehler: An der y-Achse müssen die Bezeichnungen Ia und Ig vertauscht werden. Ia liegt im mA Bereich, Ig im µA Bereich). Im negativen Gitterspannungsbereich wächst also mit wachsendem Anodenstrom der negative Gitterstrom um dann kurz vor der Ug=0 –Linie (y-Achse) sich in positive Richtung umzukehren. Der Ionenstrom wird bei positivem Gitter dann von den darauf landenden Elektronen überlagert, bzw. da das Gitter nicht mehr die negativste Elektrode in der Röhre ist, landen sie auf der Kathode.

Der Funke Röhrenprüfer macht sich den Effekt zunutze, indem er einfach bei der Vakuumprüfung einen hochohmigen Widerstand in die Gitterzuleitung schaltet. Bei negativem Gitterstrom wird das Gitter dadurch positiver und die Anodenstromänderung kann am Instrument abgelesen werden. Das ist natürlich nur eine „Daumenprüfung“. Bei genauer Messung des Gitterstromes im Verhältnis zum Anodenstrom kann man das Vakuum einer Röhre bestimmen. Bei guten Röhren der 30er Jahre ist mit meinem Messinstrument (min 0,1 µ) kein Strom messbar.

Zurück zu den WG 35 Röhren.

Die Röhren 189093 G und 195192 G

zeigten im Gegen im Gegensatz zu älteren Röhre Nr. 51670 eine nach links verschobene Kennlinie, die nahezu durch den Sollpunkt verlief. 195192 G lag etwas oberhalb und zeigte im Gerät nach 10 Minuten Betriebszeit ebenfalls ein Anwachsen des Anodenstromes, jedoch nur geringfügig und m.E. tolerabel. Bei 170 V konnte die Kennlinie nur bis 50 mA aufgenommen werden, da Nr. 195192 G oberhalb 50 mA, 170 V Anodenspannung trotz Dämpfungskondensator anfing zu schwingen. Ig1 lag unter 0,1 µA.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bild: WG35-189093-1 und Bild: WG35-195192-1.

Röhre Nr. 195736 G

Hier zeigte sich beim Aufnehmen der Kennlinie ein anderes Bild. (Bild: WG35-195736-1) Die Kennlinie lag oberhalb des Sollpunktes und erhöhte sich beim Betrieb noch. Der Gitterstrom stieg langsam von 0,0 auf max -2,4 µA bei Ug1 = -15 V. Nach Abschalten der Anodenspannung sank er langsam von -2,4 µA wieder auf null. Er war unabhängig von Anodenstrom und Spannung ! Das läßt nur eine Interpretation gemäß Fall 3)Gitteremission zu. Sowohl Sekundäremission als auch Gitterstrom durch schlechtes Vakuum sind unmittelbar vom Anodenstrom abhängig.

Die Gitter der Röhre sind offenbar durch Barium verschmutzt. Womöglich durch eine Überlastung im Gerät ist Kathodenmaterial oder Gettermaterial verdampft und auf das Gitter gelangt. Die Anodenverlustleistung und der Heizer erwärmen die Gitter offensichtlich so stark, dass es zur Elektronenemission kommt. Zudem sind Bremsgitter und Steuergitter in der Röhre zusammengeschaltet, so dass es zwei potentielle Elektronenquellen geben kann, die die Steuergitterspannung beeinflussen. Normalerweise ist das Bremsgitter an Kathode oder Masse geschaltet.

Das Steuergitter und damit Bremsgitter wurden daher auf + 200 V geschaltet und kurz mit 50 mA belastet um sie zur Rotglut zu bringen und Verschmutzungen möglicherweise zu verdampfen. Da man in die Röhre nicht hineinschauen kann, habe ich das immer nur wenige Sekunden lang getan um die Gitter nicht zu zerstören. Dann betrieb ich die Röhre einige Stunden ohne Anodenspannung.

Die Kennlinie (Bild: WG35-195736-2) sah nun besser aus, im Gerät war aber immer noch das Anwachsen des Anodenstromes zu beobachten, wobei die Röhre seltsamerweise gut funktionierte und nicht verzerrte.

Notwendige Schaltungsänderung

Um die an sich gut funktionierende Röhre in dem restaurierten Gerät betreiben zu können, mussten also einige Schaltungsänderungen vorgenommen werden. Hierzu wurde der Gitterableitwiderstand durch Parallelschalten eines zweiten 1 MOhm Widerstandes auf 0,5 MOhm reduziert und der Kathodenwiderstand durch Serienschaltung auf 600 Ohm erhöht, schließlich sollten ja keine originalen Bauteile entfernt werden. Durch den reduzierten Gitterwiderstand werden die Ladungen schneller abgeleitet, es fällt eine geringere Spannung ab und durch den erhöhten Kathodenwiderstand wird das Kathodenpotential wesentlich positiver. Nach dieser Änderung arbeitete die Röhre auch nach 15 Minuten Betrieb einwandfrei mit hervorragender Empfangsleistung im Sollbereich. Die Kathodenspannung lag dann bei + 28 V. Der Anodenstrom stieg von anfangs 36 mA innerhalb dieser Zeit langsam auf 40 mA an.

Da das Gerät sowieso nicht auf Dauerbetrieb hin „repariert“ wurde, sondern nur für Kurzbetrieb originalgetreu restauriert wurde, ist diese Zeitspanne absolut akzeptabel.

 

Verwendete Literatur: Barkhausen, Elektronenröhren, Band 1: Allgemeine Grundlagen, S. Hirzel Verlag, Leipzig 1953

Als Anlage auf Wunsch einiger Leser die Kennlinien nochmals in größerer Versin. Der dateiname bezeichnet die Röhrennmmer