Das müssen Sie beim Einbau von Niederfrequenzröhren beachten

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Das müssen Sie beim Einbau von Niederfrequenzröhren beachten

Die Welt der Schwingungen – übertragen und verstärkt durch Elektronenröhren

Niederfrequenz bezeichnet im weiteren Sinne Frequenzen im Bereich von 16 Hz bis 30 KHz. Hertz, abgekürzt Hz, ist die Maßeinheit für Frequenzen. Mit dem Wort Frequenz wird allgemein die Anzahl von Schwingungsvorgängen eines periodischen Signals pro Zeiteinheit bezeichnet. Üblicherweise ist die Zeiteinheit bei Frequenzangaben eine Sekunde. Das Maßeinheitszeichen Hz bezeichnet also die Anzahl von Schwingungen pro Sekunde. 1935 nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz benannt, ist diese Maßeinheit heute weltweit verbindlich.

Periodische Vorgänge sind uns in vielfältiger Weise aus der Natur bekannt. Es müssen nicht Schwingungen im engeren Sinne sein. Auch die Drehung der Erde hat eine Frequenz, nämlich 1 Drehung pro Tag bzw. 365 Drehungen pro Jahr. Das menschliche Herz schlägt im Ruhezustand ca. 60 mal pro Minute bzw. 1 mal pro Sekunde. Man sieht also, dass Frequenzen so niedrig sein können, dass andere Zeiteinheiten als die Sekunde für ihre Angabe sinnvoll sind.

Heinrich Hertz und die elektromagnetische Schwingung

Schwingungen sind ein Spezialfall periodischer Vorgänge. Sie sind eng mit dem Begriff der Wellenlänge verbunden, die quasi die Kehrseite der Frequenz ist: je größer die Wellenlänge, umso niedriger die Frequenz. Heinrich Hertz, der Namensgeber der Einheit für die Frequenz, machte sich zum Ende des 19. Jahrhunderts einen Namen durch seine Forschungen zur elektromagnetischen Schwingung. Ihm gelang es als Erstem, die Existenz elektromagnetischer Schwingungen nachzuweisen und deren Frequenz zu messen. Damit wies er auch experimentell die Richtigkeit von James Clerk Maxwells elektromagnetischer Theorie des Lichts nach. Dieser hatte die revolutionäre Idee, dass elektrische sowie magnetische Phänomene zwei Seiten ein und derselben Medaille sind. In seiner schlüssigen und widerspruchsfreien Theorie des Elektromagnetismus erklärte er magnetische und elektrische Felder zu einer einzigen Naturerscheinung. Damit öffnete er eine Tür zur Vereinheitlichung der Naturkräfte insgesamt. Ein Weg, der auch heute noch nicht zu Ende gegangen ist, wurde damit beschritten: die Suche nach einer einzigen, widerspruchsfreien und möglichst einfachen Theorie für alle Naturerscheinungen. Diese Theorie, die bis heute ein Ideal aller Naturforscher ist, wird auch als die „Theorie von Allem", englisch „Theory of Everything" (ToE) oder auch als Weltformel bezeichnet. Die Verdienste von Maxwell und Hertz sind wichtige und unverzichtbare Schritte auf dem Weg zur Weltformel.

Heinrich Hertz wurde nur 36 Jahre alt und erlebte nicht mehr die grandiose Ehrung, seinen Namen als Bezeichnung einer physikalischen Maßeinheit zu sehen. Diesen Vorschlag machte erst 1930 das „Technischen Komitee für elektrische und magnetische Größen und Einheiten" der International Electrotechnical Commission. 1935 wurde der Vorschlag als internationaler Standard verbindlich. Im Rahmen seiner Forschungen wies Hertz nach, dass sich elektromagnetische Felder mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und dass sie sich von diesem nur durch ihre Frequenz unterscheiden. Weltweit erstmalig gelang ihm die drahtlose Übertragung eines Signals mittels elektromagnetischer Wellen. Damit legte er den Grundstein für die gesamte Radiotechnik. Ein tragendes technisches Element dieser Technik war bis zur Erfindung des Transistors die Elektronenröhre.

Wie funktioniert eine Elektronenröhre?

Eine Elektronenröhre ist prinzipiell ein luftleerer Glaskolben. An einem Ende des Kolbens befindet sich eine Kathode, die einen Strom von Elektronen emittiert (ausscheidet). Um diesen Effekt zu gewährleisten, muss die Kathode bei den meisten Röhrentypen beheizt werden. Das geschieht elektrisch mit einer Spannung von 1,5 bis ca. 40 Volt. Am anderen Ende des Glaskolbens befindet sich ein Blech, die sogenannte Anode. Diese ist potenziell dazu geeignet, die von der Kathode ausgesendeten Elektronen aufzunehmen. Damit diese Elektronen nicht ziellos und chaotisch umherfliegen, liegt zwischen Kathode und Anode eine Spannung an. Dabei ist die aussendende Kathode der negative und die aufnehmende Anode der positive Pol. Da Elektronen negativ geladene Teilchen sind, werden sie von der Kathode abgestoßen und von der Anode angezogen. Auf diese Weise entsteht ein kontinuierlicher, gerichteter Elektronenstrahl. Wenn die an beiden Polen anliegende Spannung schwankt, dann ändert sich auch die Stärke des Elektronenstroms.

Legt man nun auf diese Spannung ein Signal, beispielsweise Musik, dann ist das Ergebnis ein Elektronenstrom zwischen Kathode und Anode, der genau dieses Signal wiedergibt, jedoch um ein Vielfaches verstärkt. Die Bandbreite hörbarer Frequenzen liegt im Niederfrequenzbereich, der mit 16 Hz bis 30 KHz angegeben wird. Wirklich hören kann man jedoch nicht alle Frequenzen in diesem Bereich. Das menschliche Ohr nimmt, mit individuellen Schwankungen, Frequenzen zwischen 30 Hz und ca. 20 KHz wahr. Wenn Signale in diesem Frequenzbereich als Signalspannung an der Elektronenröhre verwendet werden, hat man beim Abgreifen des entstehenden Elektronenstroms ein verstärktes Audiosignal, das sofort mittels Lautsprecher hörbar gemacht werden kann.

Röhren versus Transistoren

Diese Art der Audioverstärkung war ein halbes Jahrhundert lang alternativlos. Erst mit der Einführung von Transistoren verloren Elektronenröhren für diesen Zweck zunehmend an Bedeutung. Jedoch scheint es in der Geschichte nie so zu sein, dass alte Technik von neuerer Technik vollständig verdrängt bzw. ersetzt wird. In einigen Bereichen der Audiotechnik nehmen Röhren auch heute einen festen Platz ein. Bedingt durch die Tatsache, dass sie heute kaum noch hergestellt werden, hat sich ihr Preis zum Teil in astronomische Höhen entwickelt. So finden Röhren heute hauptsächlich in teuren High-End-Verstärkern Anwendung. Auch im Bereich der Instrumental-Verstärker ist kein Ende der Karriere von Elektronenröhren abzusehen. Ihr warmer, analoger Sound scheint von moderner Verstärkertechnik unerreicht und kann auch durch die digitale Emulation eines „Röhreneffektes" nicht ersetzt werden.

Eine weitere Eigenschaft von Niederfrequenzröhren wird dabei gezielt ausgenutzt: Sie sind relativ unempfindlich gegen Übersteuerung. Was bei einem Transistorverstärker ein unangenehmes Kratzen und ungewollte Störgeräusche hervorrufen würde, das setzt der Röhrenverstärker in einen warmen, besonders von Gitarristen geschätzten Distorsion-Sound um. Kein digitales Effektgerät, auch Verzerrer genannt, bietet diesen souveränen und natürlich klingenden Sound.

Warum Röhren noch immer eingesetzt werden

Der Transistor hat die Elektronenröhre heute fast vollständig abgelöst. Transistoren sind kleiner und lassen sich sogar durch die Siliziumtechnik als Bestandteile integrierter Schaltungen darstellen. Sie brauchen weniger Strom, sind billiger herzustellen, sind nahezu verschleißfrei und zudem unempfindlich gegen mechanische Erschütterung. Schon die Tatsache, dass Röhren aus Glas bestehen, zeigt, dass sie diese robusten und vorteilhaften Eigenschaften nicht gewährleisten können. Sie haben einen geringeren Wirkungsgrad, die Ausbeute an Verstärkerleistung im Verhältnis zum Stromverbrauch ist also wesentlich schlechter als bei Transistoren. Was macht Röhren also auch heute noch zu begehrten Bauelementen in der Verstärkertechnik?

Weiterentwicklung der Röhrentechnik

Zum einen sind das Weiterentwicklungen der Röhrentechnik aus Russland, die hauptsächlich auf militärischem Gebiet erfolgten. Bis in die 1980er-Jahre hinein, als der Westen längst vollständig auf Halbleiter- und Transistortechnik setzte, wurden in der Sowjetunion Forschungen auf dem Gebiet der Röhrentechnik vorangetrieben, die auf eine ganz spezielle Eigenschaft der Elektronenröhre setzte: ihre Unempfindlichkeit gegen elektrische Impulse von außen. Der auch als elektromagnetischer Puls (EMP) bezeichnete Effekt ist eine kurze, breitbandige, elektromagnetische Strahlung, die das Potenzial hat, die Welt der Kommunikation, die wir gewohnt sind, vollständig lahmzulegen. Bei Gewittern, aber auch bei nuklearen Explosionen treten diese EMPs auf. Im Kalten Krieg herrschte ständig die Befürchtung, dass die gesamte militärische Kommunikation, aber auch die Steuerung von Flugzeugen oder Raketen durch einen solchen Effekt zum Erliegen kommen könnte. Das Resultat der Bemühungen, solche Angriffe zu vereiteln, sind hochwertige Elektronenröhren russischer Bauart, die bei Bastlern, aber auch bei Herstellern nobler Verstärkertechnik bis heute begehrt sind. Die guten Klirreigenschaften von Röhren sind ein weiteres Argument für diese Technik. Allerdings ist die Beurteilung ihres Klanges von individuellen Vorlieben geprägt und wächst sich unter Sound-Puristen zuweilen zu einer Glaubensfrage aus. Um die Verwendung echter Röhren zu betonen, liegen diese oft sogar frei und dienen als prominentes Gestaltungselement, um die Hochwertigkeit eines High-End-Gerätes zu belegen.

Bauarten von Niederfrequenzröhren

Meist trifft man Elektronenröhren in der Verstärkertechnik als Triode an. Das bedeutet, dass die Röhre neben den üblichen Polen Kathode und Anode einen weiteren, dritten Pol besitzt, der sich zwischen ihnen befindet. Dieser dritte Pol wird als Gitter (Steuergitter) bezeichnet und hat meist die Form einer Wendel. Im Sockel der Röhre werden alle Pole in Form von Steckkontakten nach außen geführt. Der als Außenkontakt-Sockel oder Europa-Sockel bezeichnete Fuß dient gleichzeitig der Befestigung der Röhre im Gerät. Die Kontaktstifte des Sockels werden in die entsprechenden Buchsen in der Grundplatine gesteckt und sorgen so gleichzeitig für mechanischen Halt wie für die Bereitstellung der elektrischen Kontakte.

Was Sie beim Kauf von Elektronenröhren beachten sollten

Sie können Elektrodenröhren entweder

  • gebraucht kaufen (Old Stock),
  • aus Produktionsreihen längst vergangener Jahre, aber unbenutzt (New Old Stock),
  • sowie neu hergestellt.

Hersteller in Asien haben die Renaissance der Röhrentechnik aufgegriffen und stellen heute wieder Röhren her. Diese Produkte müssen keineswegs minderwertig sein. Sie werden baugleich zu bekannten Typen aus der Hochzeit der Röhrentechnik gebaut und zum Teil auf originalen Maschinen produziert, die einst in Europa ausgemustert wurden.

Vom Kauf gebrauchter Röhren ist abzuraten, sofern Sie kein Sammler sind oder eine ganz spezielle Vintage-Röhre suchen. Röhren sind letztlich Verschleißteile, deren Lebensdauer begrenzt ist. Niemand kann Ihnen dokumentieren, wie lange eine Röhre schon Dienst getan hat und wie lange sie das noch tun könnte. Die Alterung geschieht jedoch fast ausschließlich durch den Gebrauch und die immer wiederkehrende Erhitzung und Abkühlung sowie die Ablagerung von Partikeln im Inneren des Glaskörpers. Insofern steht dem Kauf einer bereits viele Jahre alten, jedoch unbenutzten Röhre also nichts entgegen.

Die Preise für Elektronenröhren schwanken aufgrund der genannten Umstände sehr stark. So gibt es bestimmte Typen, die sich einer großen Nachfrage erfreuen. Andere Röhrentypen, die ähnliche Leistungsmerkmale aufweisen, führen dagegen ein Schattendasein und sind sehr preiswert zu haben. Qualitativ hochwertige russische Röhren sind oft nicht primär kompatibel zu vorhandener Technik. Mit einigen Anpassungen der vorhandenen Elektronik können sie jedoch benutzt werden und somit eine preiswerte Alternative darstellen.

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