Bereich: Technik  
     
     

Katode und Heizung

Um die Katode von Elektronenröhren zur Aussendung von Elektronen anzuregen muss diese geheizt werden. Bei speziellen Röhren, wie beispielsweise Kaltkatodenrelais, wird Emission durch erreicht. Die Heizung der Katode wird hinsichtlich ihrer Ausführung in die direkte, indirekte und halbindirekte Heizung unterschieden.

Bei der direkten Heizung fließt der Heizstrom direkt durch die draht- oder bandförmige Kathode. Der Heizdraht dient also gleichzeitig als Kathode. Um mit der direkten Heizung die gleiche Kathodentemperatur zu erreichen wird eine kürzere Zeit und geringere elektrische Leistung als bei indirekter Heizung benötigt.
Die Kathode von direkt geheizte Röhren erreicht schneller ihre Arbeitstemperatur womit die Röhre schneller einsatzbereit ist. Während indirekt geheizte Röhren eine Vorheizzeit von bis zu mehrere Minuten benötigen, sind direktgeheizte Röhren häufig nach wenigen Sekunden betreibsbereit.
Eine Ausnahme bilden die quecksilbergefüllten Röhren, wie Quecksilberdampf-Gleichrichter, da hier die Anheizzeit hier zur Verdampfung des Quecksilbers benötigt wird.
Bei direkt geheizten Kleinsignal- und Batterieröhren der D-Serie ist die Heizleistung sehr gering. Der Strom der das Röhrensystem von dem als Kathode fungierenden Heizfaden zur Anode passiert, fließt zusätzlich zum eigentlichen Heizstrom durch die Katode und sorgt für eine weitere Zunahme der Fadentemperatur.
Während die Katodenbetriebstemperatur bei indirekter Heizung durch die Belastbarkeit der Isolierwerkstoffe zwischen der Heizung und der Katode begrenzt wird, besteht bei direkt geheizten Röhren die Möglichkeit weit höherer Kathodentemperaturen als bei klassischen Oxidkathoden zu realisieren.
Um die Aussendung von Elektronen zu erleichtern bzw. die Austrittsarbeit und damit die erforderliche Katodentemperatur zu senken wird der bei direkter Heizung häufig verwendeter Wolframdraht mit einer dünnen thoriumschicht überzogen.
Die direkt Heizung der Kathoden wird hauptsächlich bei Röhren höherer Leistung wie Senderöhren, Gleichrichter und Magnetrons eingesetzt.

Bei der indirekten Heizung fließt der Heizstrom durch einen separaten Heizdraht der isoliert in das Kathodenröhrchens eingebaut ist. Als Heizfaden wird meist ein dünner Wolframdraht verwendet. Die Wärmeleistung muss somit über den Isolierwerkstoff auf das Kathodenröhrchen übertragen werden. Die indirekte Heizung benötigt daher eine höhere Anheizzeit als die direkte Heizung, ist aber auch unempfindlicher Stromänderungen im Heizkreis. Ein Vorteil der indirekten Heizung ist, dass die Heizspannung nicht zu Potentialunterschieden entlang der Kathode führt. Damit ist auch eine Heizung mit Wechselstrom möglich, da die Heizspannung das eigentliche Verstärkersignal nicht modulieren kann.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der galvanischen Trennung zwischen der Heizung und die Kathode. Dies erlaubt Schaltungsvarianten, die mit direkt geheizten Röhren einen wesentlich höheren Schaltungsaufwand erfordern würden. So können beipielsweise bei Rundfunk- und Fernsehempfängern die Heizwendeln mehrerer Röhren sind in Reihe geschalten werden ohne daß eine gegenseitige Beeinflussung entsteht. Da die indirekte Heizung bei der Verstärkung kleiner Signale weitere Vorteile bringt, findet diese hauptsächlich bei Verstärkerröhren verwendung.

Auch die in Geräten der Unterhaltungselektronik und Rechenmaschinen verwendeten Vakuum-Fluoreszenzanzeigen sind direkt geheizt. Hier wird die indirekte Heizung aber hauptsächlich gewählt, damit die im Sichtfeld liegende Kathode optisch nicht stört.

Die bei einigen Verstärkerröhren verwendete halbindirekte Heizung entspricht weitgehend der indirekten Heizung. Die Katode ist hier mit einem Ende des Heizfadens verbunden um einen Anschluss im Röhrensockel einzusparen.


Für die Heizung der Katode werden hauptsächlich die nachfolgenden vier Ausführungen verwendet. In Spezialröhren und solchen für sehr hohe Leistungen werden auch andere Heizverfahren angewendet.
 


Direkte Heizung einer reinen Wolframkathode:
Der Katode besteht aus einem Draht oder Band aus reinem Wolfram und dient gleichzeitig als Elektronenemitter. Diese Art der Heizung wurde vor allem zu Beginn der Röhrentechnik und bei älteren Senderöhren hoher Leistung verwendet. Später wurde die Wolframkatode nur noch bei Sonderröhren, wie z. B. Rauschgeneratorröhren eingesetzt.

Direkte Heizung einer thorierten Wolframkathode:
Die Katode entspricht einer reinen Wolframkatode. In die Oberfläche des Wolframdrahts ist jedoch eine dünnen Thoriumschicht diffundiert, wodurch sich die Fähigkeit, Elektronen zu emittieren erhöht bzw. die Austrittsarbeit und damit die erforderliche Katodentemperatur senkt. Thorierte Wolframkatoden sind bei Senderöhren mittlerer und hoher Leistung gebräuchlich.

Direkte Heizung einer Oxidkathode:
Die Katode entspricht einer reinen Wolframkatode. In die Oberfläche des Wolframdrahts ist jedoch mit einer dünnen Bariumoxidschicht versehen. Die Beschichtung senkt die erforderliche Katodentemperatur auf < 800 °C. Die Bariumoxidbeschichtung erhöht die Fähigkeit, Elektronen zu emittieren erhöht bzw. die Austrittsarbeit und damit die erforderliche Katodentemperatur senkt. Direkt geheizte Oxidkatoden werden beispielsweise in Batterieröhren, Gleichrichtern kleine Leistung aber auch Vakuum-Fluoreszenzanzeigen und Leuchtstofflampen verwendet.

Indirekte Heizung einer Oxidkathode:
Der Wolframheizfaden mit elektrisch isoliert in ein Nickelröhrchen geschoben. Das Nickelröhrchen bildet die eigentliche Kathode und ist außen mit einer Beschichtung aus Bariumoxid versehen. Diese Art der Heizung wurde bei den meisten Röhren kleiner Leistung sowie bei Kathodenstrahlröhren und Fernsehbildröhren verwendet.