Röhren und Transistoren im Vergleich. Geschichte und Anwendungsgebiete

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Wer hat eine größere Lebensdauer: Röhren oder Transistoren?

Transistoren sind heute das bei Weitem wichtigste Bauelement in elektonischen Schaltungen. Erst durch ihren Einsatz wird aus schlichter Elektrik „intelligente" Elektronik. Das Wort Elektronik bezeichnet dabei alle Schaltungen, die mit dem Steuern, Regeln oder Verstärken von (elektrischen) Vorgängen bzw. Signalen zu tun haben. Auch Computer bestehen aus Steuer- und Regelkreisen und enthalten eine riesige Menge von Transistoren. Die Möglichkeit, diese Bauelemente auf einen Siliziumchip aufzudampfen, machte die Mikroelektronik erst möglich. Durch eine gezielte Anordnung von Transistoren können grundlegende logische Elemente wie „und", „oder", „vielleicht", oder „wenn, dann" realisiert werden.

Transistor vs. Elektronenröhre

Etwa zur Mitte des 20. Jahrhunderts war der Transistor dabei, die Elektronenröhre abzulösen. Sie kann ähnliche Funktionen erfüllen wie der Transistor und war bis in die 40er-Jahre ohne Alternative. Auch sie kann Signale oder Schaltimpulse verstärken. Bei ähnlicher Funktion hat sie jedoch einen vollständig anderen Aufbau und ein anderes Wirkungsprinzip als ihr Rivale, der Transistor. Sie besteht aus einem evakuierten oder mit Edelgas gefüllten Glaskörper, in dessen Inneren sich mindestens zwei Elektroden befinden. Eine Kathode, die meist beheizt ist, gibt dabei Elektroden ab, die sich zu der anderen Elektrode, der Anode, hinbewegen. Der daraus resultierende Strom kann manipuliert und mittels weiterer Elektroden auf verschiedenste Weise genutzt werden.

Das Volumen einer Elektronenröhre ist wesentlich größer als das eines Transistors und mit einer kleinen Glühbirne vergleichbar. Eine Miniaturisierung ist aufgrund der Bauweise nicht möglich. Die Herstellung und Evakuierung des Glaskörpers macht Elektronenröhren relativ teuer. Zudem sind sie empfindlich gegen mechanische Erschütterungen. Ein Alterungsprozess, der durch das allmähliche „Verbrauchen" und Aufdampfen des Kathodenmaterials am Inneren des Glaskörpers zustande kommt, ist nicht zu vermeiden. Deshalb müssen Röhren nach einer gewissen Anzahl von Betriebsstunden ausgetauscht werden. Es gab also viele Gründe, ein Bauteil zu finden, das die Elektronenröhre ersetzt. Es sollte klein, robust, alterungsbeständig und billig herzustellen sein. All diese Anforderungen erfüllte schließlich der Transistor. Welche Gründe sprechen also für eine fortgesetzte Produktion und den weiteren Einsatz von Röhren?

Die Geschichte der Elektronenröhre

Bei seinen Versuchen mit Glühlampen entdeckte Thomas Alva Edison einen interessanten Effekt: die Glühemmission. Seine Versuchs-Glühbirne hatte neben dem Glühfaden eine weitere Elektrode. Edison stellte nun fest, dass die Emmission von Elektronen, also der Strom, der vom Glühfaden zur zweiten Elektrode floss, abhängig von der Heizspannung war. Wenn man seine Versuchsanordnung als Elektronenröhre betrachtet, war also der Glühfaden die Kathode und die zusätzlich eingebaute Elektrode die Anode. Eine praktische Anwendung dieser Vorrichtung als Gleichrichter ließ sich Edison 1883 patentieren.

Der österreichische Physiker Robert von Lieben nutzte eine ähnliche Anordnung bereits als Verstärkerröhre. Sie war mit Quecksilberdampf gefüllt und enthielt ebenfalls zwei Elektroden. Die Beeinflussung des Stroms wurde – in dieser Version noch von außen – durch ein elektromagnetisches Feld bewerkstelligt. Die sogenannte Liebenröhre wurde mit dem ausgesprochenen Zweck der Verstärkung elektrischer Signale 1906 zum Patent angemeldet.

Ebenfalls 1906 ließ sich der Amerikaner Lee de Forest eine Audionröhre patentieren, die erstmals über ein internes Steuergitter verfügte und somit in ihrem Aufbau der Elektronenröhre glich, wie sie bis in die jüngste Vergangenheit gebaut wurde. Sie war damit ein autonomes elektronisches Bauelement und benötigte für ihre Funktion keine weiteren Elemente. Die fast gleichzeitige Anmeldung sehr ähnlicher Geräte löste einen jahrelangen Rechtsstreit zwischen von Lieben und de Forest aus. De Forest ging einen weiteren Schritt in Richtung der praktischen Nutzung: 1912 stellte er einen funktionierenden Röhrenverstärker vor, der bereits ein Jahr später die Marktreife erlangte und bald als Telefonverstärker, ab 1914 auch auf dem Weg über den Atlantik, eingesetzt wurde. Manfred von Ardenne entwickelte gemeinsam mit Sigmund Loewe eine Mehrsystemröhre, die erstmals im Radioempfänger Loewe OE333 eingesetzt wurde. Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts wurde auch in Fernsehern eine Kathodenstrahlröhre als Bildröhre eingesetzt. Als einer der wichtigsten Pioniere auf dem Gebiet der Fernsehtechnik gilt auch Manfred von Ardenne.

Erst vom Jahr 2000 an wurde die Bildröhre allmählich von Plasma- bzw. LCD-Bildschirmen verdrängt. In der Raumfahrt und für die militärische Nutzung machte ein besonderer Vorteil die Elektronenröhre bis in die 80er-Jahre unentbehrlich: ihre Unempfindlichkeit gegen kosmische Strahlung und den sogenannten EMP (Elektromagnetischer Puls), der bei der Explosion von Kernwaffen entsteht.

Röhre und Transistor – konkurrierende Technologien

Mit der massenhaften Einführung von Transistoren begann die allmähliche Verdrängung der Röhrentechnik aus der Unterhaltungselektronik. Audioverstärker wurden zunehmend mit Transistoren bestückt, was kleinere, später auch tragbare Geräte ermöglichte. Heute führt die Elektronenröhre ein Nischendasein in bestimmten Anwendungsgebieten wie der Sendetechnik, bei hochwertigen Audioverstärkern, aber auch in Instrumentalverstärkern für Musiker. Besonders Gitarristen schätzen den warmen und organischen Klang von Röhrenverstärkern. Diese verarbeiten eine Übersteuerung anders als Transistorverstärker. Ein zu hoher Eingangspegel wird nicht mit einem hässlichen Krächzen quittiert, sondern in einen warmen, verzerrten Ton umgesetzt – ein Effekt, der als „Distorsion" typisch für den Sound der E-Gitarre geworden ist.

Der Transistor – das meistverwendete elektronische Bauteil der Welt

Ohne Transistoren wären integrierte Schaltkreise, wie wir sie heute kennen, nicht möglich. Mikroelektronik – eine Technik, die darauf beruht, dass man Bauelemente nicht verschraubt oder verlötet, sondern einfach aufdampft – sie wäre undenkbar ohne die Erfindung des Transistors. Transistoren leisten heute auf fast allen Gebieten das gleiche wie Elektronenröhren, allerdings mit einem Volumen und einem Herstellungspreis pro Stück, der wohl um einen Faktor 1000 unter dem der Elektronenröhre liegt. Die ersten, mit Röhren bestückten Computer waren so groß wie ein Zimmer. Die Zahl der hergestellten Exemplare einer Baureihe war maximal zweistellig, was den enormen Kosten zu schulden war. Computer wurden deshalb zunächst nur zu militärischen Zwecken oder von großen Firmen eingesetzt. Eine erste, vermutlich kriegsentscheidende Nutzung war die Entschlüsselung des deutschen Enigma-Codes durch britische Wissenschaftler, die sich eines Röhrencomputers bedienten. Computer für jedermann, das Internet, Smartphones und die gesamte Unterhaltungselektronik der Gegenwart sind allerdings nur möglich geworden, weil es Transistoren gibt. Bereits 1925 wurden erste Patente zur Arbeitsweise des Transistors angemeldet. Allerdings war eine wirkliche Produktion dieses Gerätes mit der damaligen Technik noch nicht möglich. Der erste tatsächlich gebaute Transistor, ein Feldeffekttransistor, stammt aus dem Jahr 1945. Allerdings gab es den heute üblichen Namen für das Gerät damals noch nicht.

Der Begriff „Transistor" wurde erst im Jahr 1948 von John R. Pierce geprägt. Zunächst war jedoch auch der Begriff „Transistron" in Gebrauch. Kurioserweise waren die ersten Transistoren ebenso groß wie Elektronenröhren. Teilweise hatten sie wie diese ein Glasgehäuse und wiesen dadurch ein sehr ähnliches Aussehen auf. Sein großes Potential konnte der Transistor deshalb zunächst nicht ausspielen. Zudem waren die Leistungskennzahlen anfangs schlechter als die von Elektronenröhren. Es war also keineswegs ausgemacht, dass der Transistor die Röhre eines Tages verdrängen und den Wettlauf der Technologien gewinnen würde. Erst die kontinuierliche Entwicklung der Transistortechnik machte deutlich, was damit möglich war. Zum Ende der 1950er-Jahre kamen die ersten Transistorgeräte auf den Markt. Die Ablösung der Röhrentechnik geschah jedoch nicht schlagartig, sondern sehr allmählich. Bis in die 70er-Jahre hinein waren handelsübliche Audioverstärker – zumindest teilweise – noch mit Röhren bestückt.

Wie funktioniert ein Transistor?

Das Wort Transistor ist ein Kunstwort, das sich aus „transfer" und „resistor" zusammensetzt. Es bezeichnet also sinngemäß einen „steuerbaren Widerstand". Ebenso wie die Elektronenröhre weist der Transistor einen Steuerstrom und einen Leistungsstromkreis auf. Das Prinzip beruht darauf, dass ein starker Strom von einem wesentlich schwächeren Strom gesteuert werden kann. Das Verhältnis der Stromstärken beider Kreise ist je nach Bautyp und Funktion sehr unterschiedlich. Es bewegt sich zwischen Größen von ca. 1/4 bis 1/1000. Im zweiten Fall wäre also der Leistungsstrom tausend Mal so groß wie der Steuerstrom. Wird der Transistor als Verstärker benutzt, würde das eine tausendfache Verstärkung des Signals bedeuten. Realisiert wird diese Funktion durch einen Aufbau in drei Schichten: einem Emitter, einer Basis, die sich in der Mitte befindet und einem Kollektor. Zwischen Emitter und Kollektor liegt die Leistungsspannung an. Es kann jedoch kein Strom fließen, solange die Steuerspannung unterhalb einer bestimmten Schwelle bleibt, weil die Basis zunächst als Sperrschicht zwischen beiden wirkt. Die Steuerspannung liegt an der Basis an, die durchlässig wird, wenn die angelegte Spannung den Schwellwert (ca. 0,6 V) übersteigt. Von nun an fließt der Leistungsstrom umso stärker, je höher die Steuerspannung ist. Damit ist ein Bauteil realisiert, das als Leistungsschalter oder als Verstärker, beispielsweise für Audiosignale, genutzt wird. Um die erforderlichen Eigenschaften der drei Schichten bereitzustellen, bestehen Transistoren aus einem Halbleitermaterial, meist Silizium.

Röhre und Transistor im Vergleich

Röhren haben ein Volumen von einigen Kubikzentimetern und eine damit verbundene Masse, die nicht unerheblich ist. An ihrem Sockel befinden sich Steckkontakte, die zu den Elektroden im Inneren führen. Bei der Montage werden die Steckkontakte der Röhre in die entsprechenden Kontakte auf einer Leiterplatte platziert, wodurch die Röhre gleichzeitig mechanisch fixiert ist. Es liegt auf der Hand, dass Geräte auf Röhrenbasis ein bestimmtes Volumen und Gewicht nicht unterschreiten. Man kann sie zwar tragen oder im Auto transportieren, gegen grobe mechanische Stöße sind sie jedoch nicht gefeit. Ein weiterer Nachteil der Elektronenröhre ist ihre begrenzte Betriebsdauer. Nach einigen Tausend Stunden tauschen Sie eine Röhre im Normalfall aus.

All die genannten Einschränkungen und Nachteile umgeht man durch den Einsatz von Transistoren. Diese sind klein, leicht, stoßsicher und alterungsbeständig. Der Wettlauf zwischen Röhre und Transistor ist entschieden. Denoch gibt es Audio-Enthusiasten, die auch heute den historisch anmutenden Charme eines Röhrengerätes wählen, obwohl, oder gerade weil, es nicht vordergründig auf Effizienz ausgelegt ist.

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