Bereich I: Von der Glülampe zum Nuvistor
     
   

Der Weg zur modernen Elektronenröhre
- Ein kleiner geschichtlicher Überblick -


Die Elektrizität wurde höchstwahrscheinlich um 3000 v. Chr. in Ägypten entdeckt. Bis diese jedoch in größeren Umfang genutzt werden konnte, sollte es noch sehr lange dauern.
Erst um das Jahr 1844 wurden erste praktische Elektroinstallationen durchgeführt.
Louis Joseph Deleuil errichtete 1844 die erste elektrische Beleuchtung eines öffentlichen Platzes. So wurde der, mit Bogenlichtlampen beleuchtete,  Place de la Concorde in Paris zum weltweit ersten mit elektrischem Licht beleuchteten Ort. 22 Jahre später, im Jahre 1866, stellte Werner von Siemens mit der von ihm entwickelten elektrischen Maschine den ersten Elektromotor der Öffentlichkeit vor.
Große Schwierigkeiten bereitete jedoch die Übertragung der elektrischen Energie  über größere Entfernungen, vom Kraftwerk zum Verbraucher. Eine Problematik die mit der Nordsee-Bayern Stromtrasse wieder hochaktuell ist (wenn auch aus anderen Gründen). Mit der Gleichstromfernübertragung vom Kraftwerk Miesbach nach München gelang es 1882 erstmals elektrische Energie über eine Entfernung von 57 km zu übertragen.
1886 errichtet Nikola Tesla die erste, noch bis  heute gebräuchliche elektrische Energieübertragung, mittels Wechselstrom. 5 Jahre später, im Jahr 1891, wurde die erste Fernübertragung von Dreiphasenwechselstrom vom Kraftwerk Lauffen nach Frankfurt über eine Entfernung von 176 km realisiert.

Für die Elektronenröhre begann höchstwahrscheinlich alles im Jahr 1854 mit den Glühlampenexperimenten von Heinrich Goebel, der eigentlich nur nach einer Möglichkeit suchte das Schaufenster seines Juwelierladens elektrisch zu beleuchten. Seine Experimente, mit aus leeren Parfümflaschen und Kohlefäden gebauten Lampen, legten mit der Verwendung des evakuierten Gefäßes den Grundstein für eine neue Technologie, die der Elektronenröhre.
In den Folgejahren setzte die Elektrotechnik ihren Siegeszug fort, viele weitere Erfindungen wurden gemacht und um die Jahrtausendwende entstanden die ersten experimentellen Röhren. Zu dieser Zeit suchte man auch nach einer Alternative zu den, damals in der Energietechnik gebräuchlichen, motorischen Gleichrichtern. Das neue Gleichrichtersystem sollte zuverlässig und wartungsarm arbeiten, in der Lage sein hohe Ströme gleichzurichten sowie keine bewegten Teile benötigen.
Auf der Suche nach einer Alternative forschte Peter Cooper-Hewitt an mit Quecksilberdampf gefüllten Röhren und entwickelte den Prototyp eines Röhrengleichrichters. Im Jahr 1902 meldete Hewitt seinen Röhrengleichrichter, der bereits über einen evakuierten Glaskolben mit einer darin befindlichen Anode und Quecksilberkatode sowie einer Zündvorrichtung verfügte, zum Patent an. Der in der Patentschrift beschriebene Quecksilberdampf-Gleichrichter verfügte damit bereits über alle Bestandteile späterer Gleichrichter- und Schaltröhren und ist somit die erste echte Elektronenröhre.
Etwa zur gleichen Zeit suchte der englische Physiker John Ambrose Fleming nach einem Ersatz für die zur Detektor für Radiowellen gebräuchlichen Kristalldetektoren. Hierbei entdeckte er, dass der sogenannte Edison-Effekt auch zur Detektion genutzt werden kann. Am 16. November 1904 meldete Fleming in England ein Patent mit der Nummer 24 850 für eine „Oszillation Valve“ an.
In den folgenden Jahren forschten viele Personen auf der Basis der Patente von Cooper-Hewitt und Fleming. Der amerikanische Erfinder Lee de Forrest fügte im Jahr 1906 eine dritte Elektrode, zwischen der Anode und der Katode, ein. Diese von Lee de Forrest hinzugefügte Elektrode, das sogenannte Steuergitter, ermöglichte erstmals die Steuerung und Verstärkung elektrischer Signale. Es war die Geburt der Triode und legte den Grundstein für die verstärkenden Elektronenröhren.
Unabhängig vom Amerikaner Lee de Forrest forschte in Österreich der Physiker Robert von Lieben an einer Verstärkerröhre. Am 4. März 1906 meldete Robert von Lieben seine sogenannte Liebenröhre unter der Bezeichnung „Kathodenstrahlrelais“ beim Kaiserlichen Patentamt des Deutschen Reiches zum Patent an. Das vorrangige Ziel Robert von Liebens war jedoch die Erfindungen eines Telefonieverstärkers. In seiner Patentschrift formulierte er explizit "... die Verstärkung des elektrischen Signals..." als Erfindungszweck. Die Folge war ein jahrelanger Rechtsstreit zwischen den beiden Erfindern, der bis heute nicht vollständig geklärt werden konnte.
Die Forschung und Entwicklung neuer Röhren ging stetig weiter und ab etwa 1913 wurden bereits die verschiedensten Röhren in größeren Stückzahlen hergestellt.
Einige Jahre später, als die Röhrentechnik vielseitig eingesetzt wurde, entwickelten Siegmund Loewe und Manfred von Ardenne die ersten Mehrsystemröhren. Bei diesen Mehrfachröhren waren in einem Glaskolben  mehrere Dioden- oder Trioden-Systeme, aber auch die für den Betrieb benötigten Widerstände und Kondensatoren, eingebaut. Diese, für den Einsatz in Radioempfänger vorgesehen Mehrfachröhren, stellten somit die erste Umsetzung eines integrierten Schaltkreises dar.
In den 1930er Jahren wurde damit begonnen die noch recht voluminösen Röhren immer weiter zu verkleinern. Zu dieser Zeit entstanden die ersten Miniaturausführungen ohne Sockel, die direkt in die betreffende Schaltung gelötet wurden. Auf Grund der noch geringen Lebensdauer und des schwierigen Austauschs defekter Röhren, blieben diese sockellosen Röhren anfangs nur eine Randerscheinung.
In den 1950er Jahren wurde der Halbleiter entwickelt und in vielen Bereichen der Röhrentechnik eingeführt. Die Röhrenentwicklung wurde jedoch in großem Umfang weitergeführt. Um eine Alternative zum Halbleitertransistor zu bieten, entwickelte man den Nuvistor, eine in Baugröße und Leistung dem Transistor vergleichbare Röhre, der noch mindestens bis in die 1990er Jahre in der Rüstungsindustrie und Luftfahrt verwendet wurde.

…und wie steht es heute,
über 100 Jahre nach der Erfindung, 
um die Elektronenröhre?

In einem Fachbuch für Elektrotechniker, aus dem Jahr 1997, habe ich die nachfolgende Aussage gefunden:

"Nach dem rasanten Siegeszug der Röhrentechnik wurden diese in den 1960 Jahren durch die Einführung des Transistors nahezu vollständig verdrängt. Einen Großteil der Faszination den die Röhren heute auf uns ausüben liegt in ihrer alten, vergangenen Technik begründet, die in unserer heutigen modernen Welt des Computers und Internets nur noch historische Bedeutung hat. "

Doch ist das wirklich so? - Hat die Röhrentechnik heute wirklich keine Bedeutung mehr für unser Leben?

Genau genommen ist das Gegenteil der Fall!

Unser heutiges, modernes Leben wäre ohne den Einsatz von Elektronenröhren überhaupt nicht möglich. Die stetige Weiterentwicklung der Röhrentechnik und die dadurch heute verfügbaren fortschrittlichen Röhren ermöglichen in vielen Bereichen erst unser modernes Leben.
Wenn wir jedoch als Maßstab für die oben genannte Aussage die elektronischen Geräte des täglichen Lebens in den 1960er bis 1970er Jahren betrachten, wird diese verständlicher. Welche elektronischen Geräte waren zu dieser Zeit in einem Privathaushalt üblicherweise vorhanden? – ein Radio, Fernsehgerät, Elektroherd, vielleicht ein paar einfache Haushaltsgeräte, so viel mehr war da nicht.
In der aufstrebenden Unterhaltungselektronik wurde ab etwa 1965 der Halbleiter eingeführt und verdrängte dort sehr schnell die Röhre. Der Halbleiter hat uns in den folgenden Jahrzehnten auch viele neue Geräte beschert, die mit dem Einsatz von Röhren sicherlich nicht möglich gewesen wären. Ich denke hier nur an Walkman/MP3-Player, Personalcomputer oder Handys.
Aber ganz verschwunden sind die Röhren auch hier nicht. So werden heute beispielsweise als Anzeige in DVD- / BlueRay-Playern häufig Anzeigeröhren, sogenannte VFDs eingesetzt und auch der HiFi-Röhrenverstärker erfreut sich wieder wachsender Beliebtheit. In hochwertigen Audio- und Gitarrenverstärkern, waren Röhren ohnehin nie ganz verschwunden. Audioverstärker mit Röhren sind auf Grund ihrer Robustheit und ihres Klangbilds, früher wie heute die erste Wahl von Musikern aller Stilrichtungen und selbst Personalcomputer mit Röhrenverstärkern sind heute (wieder) erhältlich.
Andere, nahezu vollständig auf Röhrentechnik basierende Geräte, wie die Mikrowellengeräte in unseren Küchen gab es 1960 noch nicht.
Die technischen Nachteile, wie Baugröße und Stromverbrauch, welche die  Röhren gegenüber dem Halbleiter haben, beschränken sich zumeist nur auf den unteren Leistungsbereich. Einen weiteren, wesentlichen Punkt für den Siegeszug des Halbleiters, stellt sicherlich auch unser über die Jahre verändertes Nutzungsverhalten von Geräten und das Wirtschaftssystem mit seinen immer kürzeren Produktzyklen dar. Die Slogan „Bei Lieferung veraltet“ oder „Schmeiß weg - Kauf neu!“ beschreiben unseren heutigen Umgang mit Elektrogeräten recht deutlich.
Aber an Stellen wo Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Robustheit im Vordergrund stehen, zeigen Röhren nach wie vor ihre großen Vorteile gegenüber dem Halbleiter. Röhren sind kurzzeitig extrem überlastbar, robust und unempfindlich gegen Umgebungseinflüsse wie kosmische Strahlung, Radioaktivität und Überspannungen. Auch der Aufwand für die Kühlung ist im Vergleich zum Halbleiter wesentlich geringer, da die Röhren mit weit höheren Betriebstemperaturen betrieben werden können und die Konstruktion eine einfachere Wärmeableitung ermöglicht.
In Hochgeschwindigkeits- und Hochstromschaltungen, wie beispielsweise in Roboterschweißanlagen, wird das Wasserstoffthyratron wegen seiner hohen Schaltgeschwindigkeit und Lebensdauer noch heute von vielen Herstellern eingesetzt.
Der Nachteil der mechanischen Empfindlichkeit von Röhren, im speziellen des Glaskolbens, wird heute durch den Einsatz moderner Keramikwerkstoffe beseitigt.
Der Halbleiter hat uns in der Unterhaltungs-, Kommunikationstechnik und mit dem Internet völlig neue Bereiche der Elektronik eröffnet. Die Halbleitertechnik entwickelt sich seit den 1950er Jahren weitgehend parallel zur Röhrentechnik und übernahm natürlich auch Bereiche in denen vorher die Röhre dominierte. In anderen Bereichen kann sich die Elektronenröhre jedoch bis heute behaupten.
Der Einsatz von Röhren in unserer modernen Technik ist heute derart vielschichtig, dass sich keine detaillierten Einsatzschwerpunkte definieren lassen. Und ein Ende der Röhrenära ist, nach der Entwicklung und Markteinführung der IOT's (Inductive Output Tube), einer Kombination aus einem Klystron und einer Strahltriode, in den letzten Jahren noch lange nicht in Sicht. Diese hochmodernen IOT's werden hauptsächlich in terrestrischen Fernsehsendern für das DVB-T Digitalfernsehen eingesetzt und bieten das Gegenstück zu den ebenfalls mit Röhren bestückten Fernsehsatelliten.

Rückblickend hat die Erfindung der Röhre für unsere technologische Entwicklung einen ähnlichen Stellenwert wie einst in der Antike die Erfindung des Rades.