Die Zweiplattenröhren, ein Rückblick
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ID: 210758
Die Zweiplattenröhren, ein Rückblick
17.Jan.10 18:01
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For a translation into English click here.
Vorwort:
Diese Sorte von Spezialröhren ohne Steuergitter haben mich schon immer sehr interessiert. Natürlich findet man in den Fachbüchern (Barkhausen, Kammerloher usw.) eine Erklärung der Vorgänge, allerdings nicht immer leicht verständlich für den Radiotechniker (wie ich) umschrieben. Klar, deren Zielgruppe war eine andere....
Das hat mich veranlasst, nun etwas zu Papier zu bringen, wo möglichst das Thema in chronologischer Reihenfolge behandelt wird. Wenig Theorie, dafür mehr Bilder, welche manchmal zur Verdeutlichung von mir bearbeitet wurden.
Die ersten Gehversuche USA 1906
Nach meinem Wissen war es Lee de Forest, welcher zum ersten Mal praktische Erfolge bei der Beeinflussung des Elektronenstrahls vom Heizfaden zur Anode innerhalb der Röhre vorweisen konnte. Dazu wurde eine Steuerplatte D’ auf der anderen Seite des Heizfadens angebracht. Siehe untenstehende Zeichnung aus der Patentschrift [1].
Die Spannung von Antenne V wird über Transformator T’’ der Steuerplatte D’ zugeführt. Beachtenswert ist die damals schon angewendete negative Vorspannungsquelle B’’. Die zweite Platte D = Anode (damals „Wing“ oder „Plate“ genannt) ist mit dem Kopfhörer R (Receiver) und der Anodenbatterie B verbunden.
Nun erscheint es einleuchtend, dass eine Elektrode zwischen Faden und Anode
einen viel größeren Einfluss auf den Strom zur Anode haben muss. Es dauerte dann noch etwas, bis diese Idee -wiederum von Lee de Forest- in die Tat umgesetzt wurde. Das ist das berühmte Audion-Patent [2] mit Steuergitter im Elektronenstrom!
Aber auch hier ist die Plattensteuerung in Fig.2 (als a’ bezeichnet) noch nicht vergessen und schriftlich festgehalten. Man kann ja nie wissen...wird er wohl gedacht haben.
Prinzipielle Funktion
Leicht verständlich erscheint mir die Darstellung der Elektronenbahnen mit drei unterschiedlichen negativen Spannungen an der Steuerplatte links.
Es dreht sich alles um’s liebe Geld. Damals, wie heute...
Es ist bekannt, Erfinderrechte müssen beachtet werden! Mit anderen Worten, Röhren mit Steuergitter durften nur nach Absprache mit dem Patentinhaber hergestellt werden. Um diese Kosten zu sparen, haben andere Röhrenfabrikanten nach Mitteln gesucht, das de Forest Patent zu umgehen.
Obwohl die Plattensteuerung [1] ebenfalls von ihm stammte, wurden anscheinend fremde Nachbauten nach diesem Prinzip –weil weniger effektiv- toleriert.
Die RCA übernahm das Patent und hatte Nutzungsverträge mit anderen Röhrenherstellern weltweit, wie TELEFUNKEN in Deutschland.
Plio-DYNATRON, USA 1916
Die ersten Dynatrons von A.W. Hull bestanden aus einem Heizfaden, einem positiven wendelförmigen Gitter (er nannte es „Anode“) und ganz außen einem Zylinder (genannt „3rd electrode“) an einer geringeren pos. Spannung.
Ein Fortschritt war das Plio-DYNATRON [3], das ein zusätzliches Steuergitter über dem Heizfaden hatte. Genau genommen hatte diese Anordnung also vier Elektroden!
Mir ist die Variante (Fig.4) aufgefallen, welche ebenfalls eine unabhängige Steuerung des Elektronenstroms OHNE Gitter zulässt. Man hatte den Heizfaden zu einer Spirale geformt und darin einen Metallstab (in Rot: Discharge Control Member) gesteckt, welcher die Emission auf besagte Weise beeinflussen kann.
Mir ist die Variante (Fig.4) aufgefallen, welche ebenfalls eine unabhängige Steuerung des Elektronenstroms OHNE Gitter zulässt. Man hatte den Heizfaden zu einer Spirale geformt und darin einen Metallstab (in Rot: Discharge Control Member) gesteckt, welcher die Emission auf besagte Weise beeinflussen kann.
PLATION, Fa. Huth, Deutschland 1924
Auch hier ein Beispiel, wie Röhrenhersteller das Steuergitterpatent umgehen konnten.
Links sehen wir die Steuerplatte mit einer Einkerbung dicht am Heizfaden. Rechts davon ist die Anode als zweite Platte angeordnet. Die Einkerbung ist eine Maßnahme zur Verbesserung der Steuerwirkung und geht auf Untersuchungen von Frau Henny Cohn bei der Fa. Huth zurück.
Auch die Fa. Seddig in Würzburg baute Zweiplattenröhren.
Magnavox A, USA 1924
Der amerikanische Hersteller Magnavox fertigte diese „Gridless Triode“ für ihre Audio-Verstärker. In der ursprünglichen Version [4] ist ein Heizfaden in der Form eines umgekehrten V gespannt mit direkt darunter ein Metallblech in der gleichen Form und dient als Steuerelement.
In der Literatur [5] wird von erheblichen Schwierigkeiten bei der Produktionn dieser Röhrensorte berichtet, was zu mehrmaligen Konstruktionsänderungen führte.
Gammatron, Heintz & Kaufman, USA 1932
Dieser Hersteller ist im Zusammenhang mit dem Begriff „Zweiplattenröhren“ wohl am bekanntesten geworden.
Ingenieur R.M. Heintz war in den USA ein erfolgreicher Unternehmer im Bereich von Sende- und Empfangsanlagen. Er richtete eine eigene Röhrenproduktion in San Francisco auf. Um Lizenzgebühren zu sparen, mussten die Patente auf den thorierten Heizfaden, das Getter und auch auf das Steuergitter zwischen Faden und Anode umgangen werden.
Ingenieur R.M. Heintz war in den USA ein erfolgreicher Unternehmer im Bereich von Sende- und Empfangsanlagen. Er richtete eine eigene Röhrenproduktion in San Francisco auf. Um Lizenzgebühren zu sparen, mussten die Patente auf den thorierten Heizfaden, das Getter und auch auf das Steuergitter zwischen Faden und Anode umgangen werden.
Das führte zu einer Weiterentwicklung des schon seit 1906 bekannten Prinzips der Steuerung des Anodenstroms mit Hilfe einer Platte in der Nähe des Heizfadens. Ich nehme an, dass das ursprüngliche de Forest Patent [1] Anfang der 30er Jahre nicht mehr gültig war.
Mitarbeiter P.F. Scofield reichte dieses Patent [6] 1932 ein
Als Beispiel möchte ich die Eigenschaften von drei verschiedenen GAMMATRONS aufzeigen. Sie trugen die Bezeichnungen: 55, 155 und 255. Siehe untenstehende Tabelle.
Die Senderöhren waren sehr robust aufgebaut, wie die Zeichnung deutlich macht. Es wurde hierfür sogar ein Patent [7] erteilt. Die Platten bestanden aus Tantalblech. Tantal hat die Eigenschaft Restgase zu binden, daher war kein Getter erforderlich. Das Fadenmaterial war Wolfram ohne Zusatz.
Zur Beachtung;
Der Streit um die Lizenzgebühren wurde zu einem späteren Zeitpunkt beigelegt. Danach war es für Heintz & Kaufman möglich, Röhren mit normalem (=effizienteren) Steuergitter herzustellen. Da aber inzwischen der Name "Gammatron" ein gutes Markenzeichen für H & K geworden ist, hatte man einfach diese neuen Röhren ebenfalls mit GAMMATRON gestempelt, obwohl von einer Plattensteuerung keine Rede mehr ist!
Die hier gezeigte Röhre und Schachtel ist ein Beispiel, dass es sich NICHT um ein Gammatron im ursprünglichen Sinn handelt.
Das gilt auch für die Senderöhre Type 24-G
Elektrometerröhre 4060, Philips, Niederlande ab 1939
Es hat sich gezeigt, dass die Zweiplattenanordnung einen äußerst geringen Steuerplatten-Fehlstrom aufweist. Daher kann man -bei entsprechendem Aufbau- diese als Elektrometerröhren konstruieren.
Die Type 4060 von Philips ist hier abgebildet. Deutlich sieht man die beiden Platten, wobei die Steuerplatte etwas näher (kaum sichtbar) am Heizfaden liegt. Zur optimalen Isolation ist der Anschluss der Steuerplatte nach oben zur Kappe geführt.
Nachwort
Mit Absicht werden die russischen Miniaturröhren mit Steuerung des Elektronenstroms durch Steuerstege anstatt eines Gitters hier nicht aufgeführt. Ich möchte dazu auf den hervorragenden Artikel von Joe Sousa verweisen.
Und noch was, mögliche Lücken, Fehler oder Ungenauigkeiten bitte ich mir per e-mail mitzuteilen, nobody is perfect....
Quellenverzeichnis
[1] US Patent 841 387
[2] „ „ 879 532
[3] „ „ 1 385 873
[4] „ „ 1 646 626
[5] The AWA Journal „Herbert Metcalf and the Magnavox A Tube”
[6] US Patent 1 986 450
[7] „ „ 1 930 713
Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.
Gitterlose Röhren, ein Experiment
23.Jan.10 15:18
429 from 26763
Angeregt durch Joe Sousas Erklärungen in Post 3 seiner Arbeit über die russischen Subminiaturröhren, habe ich selber mal ein einfaches Experiment durchgeführt. Es soll beweisen, dass auch bei gleichem Abstand von Steuerplatte und Anodenplatte zum Heizfaden eine Verstärkung möglich ist. Siehe Ur-Patent US 841 387 von de Forest 1906.
Bereits in der Vergangenheit konnten Danial Stocks (The Tube Collector, Vol 10, No.6) und John Staples (CHRS, Publ. Summer 2009) mit bestimmten, indirekt geheizten Doppelweggleichrichterröhren(!) Verstärkung erzielen. Wichtig dabei ist die richtige Geometrie der Anodenplatten. Diese müssen sich über die gesamte Länge gegenüberstehen, mit der Katode in der Mitte. Die Abbildung zeigt die 6AX5 GT als Beispiel.
Russische Subminiaturröhe 1j37b
In Ermangelung der oben erwähnten Gleichrichterröhre, habe ich für das Experiment eine 1j37b gebraucht. Der interne Aufbau ist gänzlich abweichend gegenüber anderen Radioröhren und hat keine Gitter im herkömmlichen Sinn. Es sind eigentlich runde und flache Metallstege. Aus Gewohnheit hatte man die Abkürzungen „g“ für Gitter beigehalten.
Für den Versuch sind nur die rechts und links vom Heizfaden –im gleichen Abstand- angeordneten Stege g1a und g1b von Interesse, sie werden als Steuerplatte und Anodenplatte „missbraucht“.
Die Schaltung ist leicht zu durchschauen, es hat jedoch eine Weile gedauert, bis eine Verstärkung eintrat. Der Grund: Für die gute Funktion sind alle Spannungswerte sehr kritisch. Das gilt vor allem für die Heizspannung! Nominal ist diese mit 1,2 Volt angegeben, doch darf die Elektronenwolke um den Faden nicht zu groß sein, weil die Abstände zu g1a und g1b sehr gering sind! Das erfordert eine Reduzierung der Uf auf nur 0,4 Volt! Schließlich konnte ich doch eine zweifache Verstärkung herauskitzeln. Mehr nicht.
Das Bildschirmfoto zeigt das Ergebnis. Der obere Kurvenzug (500 Hz) ist etwas verformt und um 180° in der Phase gedreht, so wie es sich gehört. In der anfangs erwähnten Publikation der CHRS ist diese Phasendrehung nicht zu sehen (Fig.5). Vielleicht ein Messfehler?
CHRS = California Historical Radio Society.
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Einfluss der Fadenspannung
09.Feb.10 09:57
671 from 26763
(Dies ist eine Übersetzung des Beitrages von Joe Sousa.)
Hallo Wolfgang
Als ich Messungen mit der 1SH37b im Gammatron-Betrieb (Siehe Post 3) mit der vorgeschriebenen Heizspannung durchführte, ergab das nur einen Spannungsverstärkungsfaktor von µ= 0,35.
Deine demonstrierte 6 x höhere Spannungsverstärkung (= 2) für den Gammatron-Betrieb der 1SH37b hat mir nicht nur ein weiteres Verständnis in die Funktion dieser Spezialröhre, sondern auch über die Eigenschaften der Raumladung um die Katode erbracht.
Du bringst die erhöhte Spannungsverstärkung in Zusammenhang mit der reduzierten abschirmenden Wirkung der Elektronenwolke bei geringerer Heizfadentemperatur.
Die innere Spannungsverstärkung einer Röhre ist ein Maß dafür, welchen relativen Einfluss eine Elektrode gegenüber der anderen auf das elektrische Feld um die Katode ausübt. Zum Beispiel, bei einer Triode mit µ= 10 hat das Steuergitter einen zehnmal größeren Einfluss auf das elektrische Feld um die Katode, als die Anode.
Der Ausdruck „mu“ (= µ) wurde ursprünglich von James Clerk Maxwell definiert, um elektrische Felder durch Metallnetze zu beschreiben. Diese Umschreibung wurde später als sehr nützlich bei Untersuchungen an Röhrengittern gesehen.
Aus diesem Grund ergibt sich bei voller Heizspannung (µ= 0,35) eine abschirmende Wirkung der Elektronenwolke auf den einen Steuersteg zum anderen. Das beweist die Existenz einer großen (abschirmenden) Elektronenwolke im Raum zwischen den Stegen g1a und g1b.
Danke für die Übersendung dieser sehr schönen Illustration.
Obwohl eine kleinere Elektronenwolke weniger Strom zum positiven Steg g1b fließen lässt, ist der Einfluss des negativen Steuersteges g1a auf diese Wolke größer geworden. Die relative Steuerwirkung von g1a und g1b auf den Strom nach g1b ist nun zu Gunsten von g1a verändert.
Deine gezeigte zweifache Verstärkung macht deutlich, dass der negative Steuersteg den doppelten Effekt auf das positive elektrische Feld des positiven Anodensteges hat.
Vielleicht geht eine komplementäre Wirkung auf den positiven g1b Steg aus: Die Elektronenwolke zwischen Heizfaden und dem positiven Steg g1b unterstützt die Abschirmung der Katode von der positiven Spannung an g1b.
Das Endergebnis ist eine erhöhte Spannungsverstärkung von zunächst 0,35 V/V bei voller Heizspannung auf wenigstens die zweifache, wie Du in Deinem Experiment herausgefunden hast. Jedoch, der geringere Stromfluss bewirkt auch eine Reduzierung der Steilheit.
Ich habe einige neue Messkurven bei reduzierter Heizspannung aufgenommen, die Deine Ergebnisse unterstützen. Diese sind unter post 10 „Russian Subminiature Tubes“ zu finden.
Diese neuen Messungen zeigen, dass die höchste Spannungsverstärkung erreicht wird, bevor der thermisch begrenzte Elektronenfluss einsetzt. Bei thermisch begrenztem Elektronenfluss ist wenig oder keine Reserve an Elektronen aus der Wolke für einen zusätzlichen, durch Gitter oder Anode, kontrollierten Stromfluss.
Ich danke Dir für Deinen sehr aufschlussreichen Beitrag.
-Joe.
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... noch mehr Experimente
25.Aug.11 14:58
3588 from 26763
7
In der Zwischenzeit konnte ich mir eine 6AX5 GT zulegen, um damit weitere Experimente durchzuführen.
Wichtig erschien mir das elektrische Verhalten bei verschiedenen Spannungen an der Steuerelektrode a1.
Es ist bekannt, entscheidend für eine optimale Funktion ist die genau dosierte Emission der Katode, welche bei meinem Exemplar Uf = 1,8V beträgt. Ein sichtbares Glühen ist nicht feststellbar!
Obige Kennlinen zeigen im blauen Bereich ein Verhalten, wie schon im Post 1 erklärt: die negative Steuerplatte a1 verhindert mehr oder weniger das Austreten der Elektronen. Damit ist die über einen Außenwiderstand zugeführte Spannung an der Anode a2 gegenphasig im Vergleich mit der Steuerspannung an a1. Bis 0V fließt kein Steuerplattenstrom.
Erhöht man nun die Steuerspannung in den positiven Bereich, dann erhalten wir ein Stromflussmaximum bei + 1,5V.
Im roten Bereich, oberhalb von + 1,5V, fällt der Strom zur Anodenplatte a2 stetig ab, was auf eine Stromübernahme der jetzt positiven Steuerplatte deutet. Diese Elektronen gehen dem Anodenstrom verloren. Man kann es auch „Stromverteilungssteuerung“ nennen.
Das heißt, ab + 1,5V findet eine Umkehrung der Steuerwirkung statt: die Anodenspannung ist nun gleichphasig mit der Steuerspannung!
Man ist ja nicht zu alt um zu lernen...
Im Post 2 habe ich auf eine Publikation der CHRS von John Staples hingewiesen und auf einen eventuellen Messfehler bei Schirmfoto Fig.5 spekuliert.
Ich konnte damals die Phasengleichheit zwischen Ua1 und Ua2 nicht erklären. Erst durch mein Experiment an einer 6AX5 GT ist das nun deutlich geworden: die Steuer(wechsel)spannungsquelle war mit einer positiven Gleichspannung (DC-offset) überlagert und deshalb im roten Arbeitsbereich!
Zum Abschluss
Noch ein Experiment mit der allseits beliebten Audionschaltung mit Rückkopplung:
Um eine größtmögliche Empfindlichkeit zu erzielen, ist eine kleine positive Vorspannung (0,7V) erforderlich.
Believe it or not, mit den benutzten Spulen (schlechte Qualität) konnte ich die Rückkopplung zum Schwingungseinsatz bringen.....
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Sodion S11...noch eine gitterlose Triode
29.Sep.12 21:04
7659 from 26763
8
Um den Rückblick auf die Zweiplattenröhren zu vervollständigen, möchte ich die von H.P. Donle im Jahr 1922 in den USA entwickelte Triode S11 hinzufügen.
Man erkennt auf dem Bild sehr schön die Steuerelektrode um den Heizfaden gebogen, ähnlich dem „Plation“ der Fa. Huth. Unterhalb ist die Anodenplatte angeordnet.
Es wurden damals noch weitere Ausführungen dieser Röhrengattung auf den Markt gebracht. Deren Besonderheiten will ich an dieser Stelle nicht behandeln. Hier findet man mehr.
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