Die Vakuum- oder Elektronenröhre Wie evakuierte Glasröhren moderne Elektronik möglich machten

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Moderne Elektronik ist für das Auge unsichtbar. Dabei schienen elektronische Schaltungen ohne heiße, leuchtende Glasröhren lange Zeit unvorstellbar: Erst die Elektronenröhre machte aus schwachen Signalen brauchbare Verstärker, Sender und Empfänger.

Elektronische Schaltungen sind in der heutigen, halbleiterbasierten Elektronik derart miniaturisiert, dass deren Existenz schon fast nicht mehr wahrgenommen wird. Milliarden Transistoren passen auf einen Chip, Schaltungen arbeiten mit wenigen Volt und portable Geräte mit kleinen Akkus. Doch noch bis in die 1960er Jahre hinein sah die Vorstellung von schnell schaltbarer Technologie grundsätzlich anders aus: Radios, Messgeräte und Computer waren auf deutlich sichtbare Glasröhren angewiesen. Sie benötigten hohe Anodenspannungen, glühten heiß auf, und waren zum Teil so groß wie ein menschlicher Kopf. Doch die Elektronenröhre – im modernen Sprachgebrauch oft auch als Vakuumröhre bezeichnet, frei nach deren englischsprachigem Begriff – machte schnelle elektronische Schaltungen erst möglich, und bildete auf Jahrzehnte die Grundlage sämtlicher elektronischer Geräte.

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Das „Ventil“ im evakuierten Glaskolben

Der Ausgangspunkt lag im sogenannten Edison-Richardson-Effekt: Bei der Entwicklung der Glühbirne im Jahr 1880 stellten Thomas Edison und seine Ingenieure fest, dass aus einem erhitzten Glühfaden negative Ladung austreten und sich im Vakuum zu einer positiv geladenen Elektrode bewegen kann. Schon zuvor hatten Wissenschaftler wie der Franzose Edmond Becquerel oder der Brite Frederick Guthrie das Phänomen beobachtet, doch Edison war der Erste, der den Prozess genauer beschrieb und als Teil eines technologischen Produkts zum Patent anmeldete. Doch erst, als 1897 das Elektron entdeckt wurde, begannen Forscher, das Phänomen dieser Glühemission genauer zu verstehen. Nachdem der britische Physiker Owen Williams Richardson 1901 rechnerisch erfasst hatte, unter welchen Bedingungen Elektronen bei hohen Temperaturen freigesetzt und durch ein Vakuum bewegt werden konnten, befassten sich Erfinder mit der Frage, wie dieser Effekt auch für andere Anwendungen als nur Glühlampen genutzt werden könnte.

John Ambrose Fleming, der im Team des Funkpioniers Guglielmo Marcon arbeitete, war einer der Ersten, der eine solche alternative Verwendung erkannte: Er setzte eine zweite Elektrode in einen evakuierten Glaskolben und erhielt ein Bauelement, das Strom im Wesentlichen nur in eine Richtung passieren ließ. Sein „Oscillation Valve“, später Fleming-Ventil, Fritter oder Röhrendiode genannt, war ein elektronischer Gleichrichter: Frühe Funkempfänger bestanden aus Antenne, Schwingkreis und Detektor; eine aktive Verstärkung gab es nicht. Flemings Diode konnte Hochfrequenz gleichrichten und so zur Demodulation dienen. Sie löste aber nur einen Teil des Problems: Signale ließen sich erkennen, nicht jedoch verstärken.

Der dritte Anschluss macht den Unterschied

Lee de Forest ergänzte die Diode um eine dritte Elektrode zwischen Kathode und Anode: das Steuergitter. Schon eine kleine Spannungsänderung dort beeinflusst den wesentlich größeren Anodenstrom. Damit wurde aus dem Gleichrichter ein steuerbares aktives Bauelement. De Forest nannte seine Röhre „Audion“; 1906 meldete er sie zum Patent an, die Gitteranordnung folgte 1907.

De Forest verstand die Verstärkerwirkung zunächst nicht vollständig und nutzte das Audion zunächst als Funkdetektor. Technisch war mit der Triode aber das Prinzip geschaffen, das die Elektronik jahrzehntelang bestimmen sollte: Ein schwaches Eingangssignal steuert einen stärkeren Strom. Die Triode wurde damit zum ersten praktisch bedeutenden aktiven elektronischen Bauelement und zur Grundlage zahlreicher Anwendungen in Funk- und Nachrichtentechnik.

Fast zeitgleich arbeitete Robert von Lieben in Wien an derselben Grundaufgabe. Sein 1906 patentiertes „Kathodenstrahlrelais“ sollte Telefonsignale auf langen Leitungen verstärken. Die frühe Konstruktion arbeitete mit Quecksilberdampf und war damit keine Hochvakuumröhre. Gemeinsam mit Eugen Reisz und Sigmund Strauss entwickelte von Lieben das Prinzip weiter und griff später ebenfalls das Steuergitter auf. Das 1910 eingereichte Gitterpatent ermöglichte eine brauchbare proportionale Verstärkung.

Damit überschnitten sich die Arbeiten beider Seiten. De Forest sah seine Patentrechte verletzt; es kam zum Rechtsstreit. Während de Forest vor allem schwache Funksignale verstärken wollte, zielte von Lieben auf Telefonsignale in Leitungsnetzen. So sollten die Entwicklungen der beiden Männer lange Zeit eine Art parallele Existenz führen: In Deutschland führten AEG und Telefunken die Lieben-Röhre weiter, während sich in den USA die de-Forest-Linie und spätere Hochvakuumtrioden durchsetzten.

Vom Detektor zum Universalbauteil

Mit der Triode änderte sich die Funktechnik grundlegend. Mehrere Röhrenstufen machten aus schwachen Empfangssignalen brauchbare Audiosignale. Mit Rückkopplung konnte die Röhre zudem selbst elektrische Schwingungen erzeugen. Alexander Meißner demonstrierte 1913 eine entsprechende Schaltung. Die Röhre war damit nicht mehr nur Detektor oder Verstärker, sondern auch Oszillator.

Von da an öffneten sich rasch neue Anwendungsfelder: Röhren kamen schon bald als HF- und NF-Verstärker zum Einsatz, als Gleichrichter, Oszillatoren, Mischer und elektrische Schalter. Im Superheterodyn-Empfänger setzten sie Eingangssignale auf eine feste Zwischenfrequenz um, auf der sich diese besser filtern und verstärken ließen. Dieses Prinzip blieb bis in moderne Funkempfänger erhalten. Die zugrunde liegenden Bauelemente wechselten von der Röhre über den Transistor zur integrierten Schaltung, die Empfangsarchitektur blieb dagegen weitgehend bestehen. Zusätzliche Gitter führten von der Triode über die Tetrode zur Pentode und verbesserten deren Eigenschaften. Spezialformen wie Magnetron, Klystron und Wanderfeldröhre erschlossen hohe Frequenzen und Leistungen. In den 1920er- und 1930er-Jahren bildeten Elektronenröhren das Rückgrat von Rundfunk und Telefonie; später kamen Radar, Fernsehen und Rechenanlagen hinzu.

Leistungsfähig, groß, heiß und zerbrechlich

Röhren verkrafteten hohe Spannungen, konnten große HF-Leistungen erzeugen und waren gegenüber kurzzeitigen Überlastungen vergleichsweise robust. Vor allem im Umfeld der Funk- und Leistungselektronik sollte sich die Technologie lange halten. Wie weit sich das Prinzip treiben ließ, zeigt die 1970 vorgestellte, wasser- und luftgekühlte Eimac 8974. Die Hochleistungs-Tetrode misst knapp 65 Zentimeter, hat mehr als 43 Zentimeter Durchmesser und wiegt rund 80 Kilogramm; sie war für Anwendungen im Megawattbereich vorgesehen, die Halbleiter noch auf lange Zeit nicht erreichen konnten.

Die Vorteile der Röhre wurden mit erheblichem Aufwand erkauft. Die Kathode musste geheizt werden, hinzu kamen hohe Anodenspannungen, Wärmeentwicklung, empfindliche Glaskolben und begrenzte Lebensdauer. Mit steigender Schaltungskomplexität wuchsen Stromverbrauch, Bauraum, Kühlaufwand und Wartungsbedarf. Der 1946 der Öffentlichkeit vorgestellte ENIAC demonstrierte mit 17.468 Röhren gleichermaßen Potenzial und Grenzen der Technik: Der stärkste Rechner seiner Zeit wog 27 Tonnen und arbeitete fehlerhaft, wenn nur eine einzige Elektronenröhre ausfiel, was bei den leicht zerbrechlichen Glaskolben schnell geschehen konnte.

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Fast zur selben Zeit entstand allerdings die Technologie, die letztlich die Elektronenröhren ersetzen sollte; auch wenn dies zunächst kaum jemand für möglich hielt. 1947 entstand in den Bell Laboratories der erste Germanium-Spitzentransistor. Damit ließ sich die zentrale Funktion der Verstärkerröhre ohne geheizte Kathode und Vakuumkolben realisieren. Die in den 1950er Jahren aufkommenden frühen kommerziellen Transistoren waren nur wenige Zentimeter groß und deutlich robuster als die Elektronenröhren mit ihren Glaskolben. Für Senderstationen oder Umgebungen, in denen hohe Leistungsspitzen auftreten konnten, waren diese Modelle zwar noch ungeeignet.

Dennoch trat die miniaturisierte Elektronik schon bald ihren Siegeszug an: Transistoren waren kleiner, robuster, benötigten keine Aufheizzeit und wesentlich weniger Energie. Vor allem ließen sie sich später mit weiteren Bauelementen auf einem Halbleiter integrieren. In den 1950er-Jahren begann deshalb die Ablösung der Röhre. Tragbare Transistorradios machten den Unterschied sichtbar: Das Zeitalter der Mikroelektronik hatte begonnen; in diesem hatte die Vakuumröhre keinen Platz.

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Vollständig verschwunden ist die Elektronenröhre dennoch nicht. Wo sehr hohe HF-Leistungen oder besondere Frequenzbereiche gefragt sind, blieben Röhren konkurrenzfähig. Magnetrons arbeiten weiterhin in Mikrowellenöfen und Radarsystemen, Klystrons in Teilchenbeschleunigern und leistungsstarken Sendern, Wanderfeldröhren unter anderem in der Satellitenkommunikation. Auch Röntgenröhren beruhen auf einem Elektronenstrom im Vakuum. In Gitarrenverstärkern wird die nichtlineare Kennlinie der Röhre wegen ihres charakteristischen Übersteuerungsverhaltens genutzt.

So ist die Geschichte der Elektronenröhre noch nicht vollends zu Ende. Aus dem universellen Herzstück elektronischer Schaltungen ist ein Spezialbauteil geworden. Zuvor hatte die Röhre aber den entscheidenden Schritt ermöglicht: elektrische Signale nicht nur zu erfassen, sondern aktiv zu verstärken und zu erzeugen. (sg)

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