Das Schirmgitter und die Pentode

Finden Sie die störende Komponente, die überhaupt keine Komponente ist.

1. Messen Sie bei einer aus dem Schaltkreis genommenen und kalten Triodenröhre die Kapazität zwischen Anode und Gitter mit einem LCR-Messgerät.
2. Notieren Sie den Wert – er liegt bei einigen Picofarad.
3. Berechnen Sie nun, wie sich diese Kapazität am Eingang auswirkt, multipliziert mit der Stufenverstärkung plus eins.

Einige Picofarad Anode-Gitter-Kapazität wirken am Eingang wie zehn oder hundert Picofarad, weil die Anode in die entgegengesetzte Richtung zum Gitter schwingt und dabei um ein Vielfaches stärker auslenkt. Diese Vervielfachung ist der Miller-Effekt, und er bedeutet, dass die Eingangskapazität eines Verstärkers von seiner eigenen Verstärkung abhängt.

Daraus ergeben sich sofort zwei Folgen, und beide waren gravierend. Die große effektive Eingangskapazität verstimmt und bedämpft den Schwingkreis, der die Stufe speist. Und da der Rückkopplungspfad überhaupt existiert, kann die Stufe bei passender Phasenverschiebung von selbst zu schwingen beginnen.

Eine Tetrode einsetzen und jede Messung wiederholen.

1. Dieselbe Verstärkerstufe mit einer Tetrode aufbauen, wobei das Schirmgitter an eine stabile positive Versorgung angeschlossen und über einen guten Kondensator mit Masse verbunden wird.
2. Die Kapazität zwischen Anode und Steuergitter erneut messen.
3. Die Verstärkung der Stufe messen.
4. Versuchen, sie durch Erhöhung der Lastimpedanz zum Schwingen zu bringen.

Die Anoden-Gitter-Kapazität sinkt um einen Faktor von Hunderten, die Verstärkung steigt um einen Faktor von Zehnern, und die Stufe lässt sich weit schwerer zum Schwingen bringen. Das Schirmgitter erfüllt zwei Aufgaben zugleich: elektrostatisch wirkt es als geerlvete Abschirmung zwischen den beiden Elektroden, und elektrisch beschleunigt es Elektronen am Steuergitter vorbei, sodass die Anodenspannung den Strom kaum noch beeinflusst.

Der Überbrückungskondensator ist nicht optional. Das Schirmgitter muss für Signale auf Erdpotential liegen, auch wenn es auf einer hohen Gleichspannung sitzt. Bleibt es ohne Überbrückung, schwingt das Schirmgitter mit dem Signal, die Abschirmung verpufft, und man hat eine teure Triode.

Die Tetrode hat einen neuen Fehler eingeführt, und ihre Form auf der Kurve verrät dir genau, worum es sich handelt.

1. Trage den Anodenstrom gegen die Anodenspannung bei einer festen Steuergitterspannung auf und fahre die Anode von null aufwärts durch.
2. Achte besonders auf den Bereich, in dem die Anodenspannung unterhalb der Schirmgitterspannung liegt.
3. Markiere jeden Bereich, in dem der Strom FALLS wird, wenn die Spannung RISES.

Es gibt eine Senke – einen Bereich mit negativem Widerstand –, in dem eine Erhöhung der Anodenspannung den Anodenstrom verringert. Die Ursache ist die Sekundäremission: Elektronen treffen so schnell auf die Anode auf, dass sie weitere Elektronen aus deren Oberfläche herausschlagen, und solange die Anode auf einem niedrigeren Potential als das Schirmgitter liegt, werden diese herausgeschlagenen Elektronen vom SCREEN eingefangen, anstatt zurückzufließen. Strom, der zur Anode fließen sollte, fließt stattdessen zum Schirmgitter, sodass der Anodenstrom sinkt.

Ein Bereich mit negativem Widerstand ist nicht bloß unschön. Er kann für sich allein Schwingungen aufrechterhalten – der Dynatron-Oszillator wurde gezielt auf diesem Effekt aufgebaut –, und er verzerrt stark einen Verstärker, dessen Signal in diesen Bereich aussteuert.

Behebe das Problem der Sekundäremission mit einem dritten Gitter und verstehe, warum es auf Erdpotential liegt.

1. Baue dieselbe Stufe mit einer Pentode auf, deren Bremsgitter mit der Kathode verbunden ist.
2. Wiederhole die Messung des Anodenstroms gegen die Anodenspannung.
3. Vergleiche die Kurve mit der der Tetrode.

Der Knick ist verschwunden; die Kurve steigt an und flacht dann zu einem langen horizontalen Plateau ab. Das Bremsgitter liegt zwischen Schirmgitter und Anode auf Kathodenpotential – gegenüber beiden negativ –, sodass es die langsamen Sekundärelektronen, die aus der Anode herausgeschlagen werden, abstößt und zur Anode zurückführt, während die schnellen Primärelektronen von der Kathode ungehindert hindurchfliegen.

Das flache Plateau verdient Aufmerksamkeit: Der Anodenstrom ist nun nahezu unabhängig von der Anodenspannung. Das ist nahezu eine vom Gitter gesteuerte Konstantstromquelle, was genau das ist, was ein Verstärker braucht – enorme Spannungsverstärkung und eine Stufe, deren Verhalten kaum von ihrer Last abhängt.

Setze die Pentode bei der Aufgabe ein, die die Triode nicht bewältigen konnte.

1. Baue eine abgestimmte HF-Verstärkerstufe mit der Pentode, wobei ein Schwingkreis mit hohem Q als Anodenlast dient.
2. Messe die Verstärkung und prüfe den Q-Faktor des Schwingkreises, während die Stufe läuft.
3. Erhöhe die Lastimpedanz schrittweise und beobachte, wie weit du die Verstärkung treiben kannst, bevor Instabilität auftritt.
4. Wiederhole den gesamten Test mit einer Triode in einer äquivalenten Schaltung.

Die Pentode liefert vor dem Schwingen deutlich mehr Verstärkung und belastet den Schwingkreis viel weniger, sodass die Selektivität erhalten bleibt. Diese Kombination machte mehrstufige ZF-Verstärker praktikabel – und damit den Superhet als Massenprodukt baubar statt bloße Laborkuriosität.