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HiFi-Lexikon: Röhre

Röhren werden im Audiobereich als Alternative zur Verstärkung durch Transistoren eingesetzt. Historisch sind sie deren Vorläufer und nach Meinung vieler HighEnder ihnen immer noch „musikalisch“überlegen. Eine bessere Timbrierung des Mittenbereiches, eine natürlichere Hochtonwiedergabe sowie ein Gewinn an Räumlichkeit und „Körperlichkeit“ von Instrumenten wird von Röhrenverstärker-Liebhabern angeführt. Diese Vorteile sollen die attestierten Schwächen im Bass und das kritischere Verhalten an niederohmigen Lautsprechern wettmachen. Freilich sind dies subjektive (und vereinfachende) Klangpräferenzen. Wie ist das Funktionsprinzip einer Röhre?

Es gibt viele verschiedene Röhrenarten, die Wirkungsweise sei anhand der (einfachen) Triode erklärt:

Eine Triode besteht im Innern – wie der Name schon nahe legt – aus drei Bauteilen: Der Kathode, der Anode und dem dazwischen liegendem (Steuer-) Gitter. Zwischen der Kathode und der Anode besteht ein Potentialgefälle – Erstere ist negativ geladen, Letztere positiv.

Hieraus folgt, dass ein Elektronenstrom durch das Vakuum der Röhre von der Kathode in Richtung der Anode fließt. Um den Austritt der Elektroden aus der Kathode zu erleichtern, wird diese beheizt. Die zugeführte thermische Energie macht die Elektronen schneller – mit dem Effekt, dass geringere Feldstärken nötig sind, um den „Flug durch das Vakuum“ zu ermöglichen. Es gibt direkt beheizte Kathoden (Heizstrom = Kathodenstrom) und indirekt, mit einem separaten Glühwedel und separater Stromversorgung beheizte Kathoden.

kathode
Dieser (Elektronen-)Strom lässt sich nun durch die am Gitter anliegende Spannung steuern – hierdurch wird eine Verstärkung möglich. Denn der Steuerstrom des Gitters ist nichts anderes als das Audiosignal, welches – wie bei einem Ventil – den Strom zwischen Kathode und Anode mehr oder weniger fließen lässt. Das Steuergitter ist eher negativ geladen – und so werden die von der Kathode emittierten Elektronen mehr oder weniger abgestoßen (oder durchgelassen). Der Verstärkungsfaktor (also das Verhältnis der eingehenden zur ausgehenden Spannung) hängt im Wesentlichen an drei Faktoren:

  • Der Kathodenoberfläche (je größer, desto höher)
  • Der Dichte des Gitters (je dichter, desto höher)
  • Der Nähe des Gitters zur Kathode (je Näher, desto höher)

Aufgrund ihrer geringen Ausgangsleistung werden Trioden häufiger „nahe der Quelle“ (beispielsweise im Vorverstärker oder der Ausgangsstufe eines CD-Players) eingesetzt, als zur Endverstärkung für die Lautsprecher. Dort kommen üblicherweise die leistungsfähigeren Pentoden zum Einsatz. Keine Regel ohne Ausnahme, wie die sehr beliebt gewordenen Single-Ended-Trioden-Verstärker beweisen: Häufig besitzen die SETs nur wenige Watt, werden aber von vielen als klanglich überlegen gehandelt.

Pentoden sind leistungsfähiger als Trioden. Zwei zusätzliche Elektroden (also insgesamt fünf) sind in der Pentode enthalten:

pentode
Das Schirmgitter liegt zwischen dem (Steuer-)Gitter und der Anode und schirmt diese Bauteile voneinander ab. Das mit einer positiven Spannung versehene Schirmgitter erzeugt ein einheitlicheres elektrisches Feld zwischen dem Steuergitter und der Anode, so dass der Elektronenstrom gleichmäßiger zur Anode fließen kann (Anodenstrom unabhängig von der Anodenspannung).

Das Bremsgitter ist direkt vor der Anode angebracht und ihr gegenüber negativ geladen. Gebremst werden die sogenannten Sekundärelektronen: Das sind diejenigen, die durch den (von der Kathode kommenden) Elektronenstrom wieder aus der Anode „herausgeschlagen“ werden.

Die Sekundärelektronen bilden dabei eine „Wolke um die Anode“ und können zum einen den primären, direkt von der Kathode stammenden Elektronen „im Weg stehen“, zum anderen aber auch durch das positiv geladene Schirmgitter angezogen werden. In diesem Fall wird ein Teil der Ladungsträger über das Schirmgitter abfließen und nicht, wie gewünscht, über die Anode.

Das Bremsgitter verhindert dies: Es ist relativ breitmaschig und behindert daher den primären (schnellen) Elektronenfluss nicht, für die aus der Anode herausgeschlagenen (langsamen) Sekundärelektronen stellt es aber ein wirksames Hindernis da. Da das Bremsgitter negativ geladen ist, werden diese Elektronen also gebremst und wieder von der Anode eingefangen.

Um Missverständnissen vorzubeugen: Der „Röhrenklang“ resultiert nicht ausschließlich aus dem Bauteil Röhre, sondern hängt natürlich auch ganz wesentlich vom restlichen Schaltungsdesign des Röhrenverstärkers ab. Dieses ist meist wesentlich einfacher ausgelegt als bei Transistorverstärkern, was im Sinne eines „möglichst kurzen Signalflusses“ ist. Den zur Impedanzanpassung an die Lautsprecher notwendigen Ausgangstransformatoren wird ebenfalls ein bestimmendes Klangmoment eingeräumt. Schließlich weisen Röhren ein gegenüber dem Transistor unterschiedliches Verzerrspektrum auf – die Verzerrungen sind (tendenziell) eher den niedrigen und gradzahligen Harmonischen zuzuordnen.


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