Röhrentestgerät

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Arbeiten mit hohen Spannungen sind potentiell lebensgefährlich. Deshalb dürfen Sie nur von Personen mit ausreichenden Kenntnissen durchgeführt werden.

Einleitung
Röhren-Basics
Röhrentester-Basics
Heizung (ff)
Kathode (K)
Steuergitter (G1)
Schirmgitter (G2)
Bremsgitter (G3)
Anode (A)
Messen der Spannungen
Anodenstrommessung
Röhrensockel
Mechanischer Aufbau

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Einleitung
Wir schreiben das Jahr 2020, und anstatt aktuelle Mikrokontrollerprobleme zu lösen, baue ich ein Testgerät für "Radioröhren". Etwas komisch kommt mir das auch vor, hat aber seinen Grund.

Mit Röhren habe ich mich nur theoretisch in meiner frühen Jugend beschäftigt. Nur ein Mal hatte ich angefangen, ein kleines Röhrenprojekt umzusetzen. Das hatte ich dann aber in einem frühen Stadium wieder eingestellt. Dabei ging es um einen Audioverstärker, bei dem nur die letzte Stufe eine Röhre war. Leistungstransistoren für solche Zwecke waren teure Germanium-Typen im TO5-Gehäuse. Da war die Nutzung einer Röhre nicht gänzlich abartig.
Später haben mich die Röhren beruflich wieder beschäftigt, aber meist als Spezialtypen für Hochfrequenzanwendungen.

Aber heute ist die Beschäftigung mit den gläsernen Museumsstücken eher nostalgischer Natur. Es geht um die Aufarbeitung klassischer Juke-Boxen aus den 60er und 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts. Darin verrichten einfache Trioden und Pentoden ihren Dienst, und im Rahmen einer möglichst originalgetreuen Rekonstruktion, soll das auch so bleiben.

Da Röhren aber altern und auch mal "sterben" können, ist eine grundlegende Röhrenmesstechnik hilfreich. Da sich so was nicht in meiner eigentlich ganz gut ausgestatteten Werkstatt befand, musste so was her. Historische Röhren-Prüfgeräte sind recht teuer, und neue sind entweder Plug-and-Play-und-Fertig-Produkte, die meinen Spieltrieb nicht befriedigen, oder PC-gesteuerte vollautomatische Tester, die für meinen Zweck völlig überdimensioniert sind.

Im Prinzip ist so ein Tester aber kein Hexenwerk, also wird er selbst gebaut.

Intermezzo:

Die Röhre: Aufbau und Funktion

Halbleiterdioden werden schon über 100 Jahre benutzt. Der Detektorkristall in einem alten Detektorradio ist eine einfache Halbleiterdiode. Auch Seelengleichrichter sind schon lange bekannt. Der Transistor als Halbleiterverstärker wurde aber erst in den 1950er Jahren erfunden. Davor benutze man Röhren: vor allem Trioden und Pentoden.

In einem luftleeren Glaskolben (gibt es auch aus Stahl) befindet sich ein dünnes Röhrchen - die Kathode - umgeben von einer Blechrohr größeren Durchmessers - der Anode. Zwischen beiden wird eine recht hohe Gleichspannung angelegt. In diesem Beispiel legen wir die Kathode auf 0V (also Masse) und die Anode auf 200V. Was passiert? Gar nichts. Das Vakuum zwischen den beiden Elektroden (Röhrchen) ist ja ein Nichtleiter.

Diode
Nun stecken wir in das Kathodenrohr einen Heizfaden (ähnlich dem Glühfaden einer Glühbirne), durch den wir einen ausreichend starken Strom schicken, um den Heizfaden und damit auch die Kathode zum Glühen zu bringen. Ist der Heizfaden dabei von der Kathode elektrisch isoliert, dann ist das eine indirekte Heizung. Manchmal ist ein Anschluss des Glühfadens - der Heizung - aber mit der Kathode elektrisch verbunden, dann haben wir eine direkte Heizung.Bei der großen Hitze in der Kathode bewegen sich die Elektronen darin sehr schnell, und einige können an der Metalloberfläche in das Vakuum austreten - es sind da ja keine störenden Luftmoleküle vorhanden. Einmal von der Kathode losgelöst, werden sie von der positiv geladenen Anode angezogen, und fliegen durch das Vakuum zu ihr. Wir haben einen Stromfluss. Würde an der Anode eine negative Spannung anliegen, würde kein Strom fließen, da freie Elektronen im Vakuum dann von der negativen Anode abgestoßen und von der positiven Kathode angezogen würden. Wir haben gerade eine Diode gebaut.

Triode
Wenn man in die Lücke zwischen Kathode und Anode eine Drahtwendel spannt, hat man eine Triode. Die Drahtwendel ist das Steuergitter. Wir schließen wieder an der Anode +200V an, verbinden aber das Steuergitter mit z.B. -20V. Aus der glühenden Kathode austretende Elektronen werden nun durch das abstoßende (weil negative) Gitter wieder zur Kathode zurückgedrängt. Es fließt kein (nennenswerter) Strom. Legt man dagegen am Gitter 0V (also die Kathodenspannung) an, dann driften die Elektronen durch das Gitter und werden von der Anode angezogen - es fließt ein Strom. Mit der Spannung am Gitter lässt sich der Strom also ein- und ausschalten. Wir haben einen elektronischen Schalter z.B. für antike Computer gebaut. Man kann durch vorsichtiges Verändern des Gitterspannung die Stromstärke zwischen 0 und Maximum verändern. Befindet sich in der Anodenzuleitung ein Widerstand, dann führt die Stromänderung zu einer Änderung der über diesen Widerstand abfallenden Spannung. Macht man das geschickt, dann kann mit einer relativ kleinen Änderung der Gitterspannung eine große Änderung der Spannung am Anodenwiderstand erreicht werden - wir haben einen Verstärker.

Zwei Dinge sind hier noch wichtig.

Wenn man das Gitter gar nicht anschließt, dann wird es sich durch die zufällig auf es treffenden Elektronen negativ aufladen, und so nach kurzer Zeit einen Stromfluss von Kathode zu Anode unterbinden. Ein Gitter muss also immer irgendwo angeschlossen werden. Verbindet man es mittels eines Widerstandes mit der Kathode, dann stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem das Gitter eine leichte negative Spannung hat, und ein mittlerer Strom zur Anode fließt. Mit der Widerstandsgröße kann man diesen "Ruhestrom" auf einen gewünschten Wert (Arbeitspunkt) einstellen.
Schließt man am Gitter eine positive (relativ zur Kathode) Spannung an, dann werden die Elektronen vom Gitter angezogen, und der fragile Gitterdraht mit Elektronen bombardiert. Dieser erhitzt sich, und das kann zur Zerstörung führen. Bei den meisten Röhren sind positive Gitterspannungen deshalb nicht erlaubt, die übrigen haben dafür harte Begrenzungen von wenigen Volt.

Pentode
Spannt man in die Lücke zwischen Kathode und Anode anstelle des einen Gitters gleich drei Gitter hintereinander, dann hat man eine Pentode. Das aus Kathodensicht erste Gitter ist unser bekanntes Steuergitter (G1), das nächste heißt Schirmgitter (G2) und das dritte Bremsgitter (G3). Wozu der Aufwand? Bei der Triode ändert die Spannung am Steuergitter den Anodenstrom. Der Widerstand in der Anodenleitung erzeugt daraus einen dem Strom anhängige Spannung (unser starkes Ausgangssignal). Dadurch ändert sich aber die Spannung an der Anode. Je stärker der Strom, desto stärker der Spannungsabfall am Anodenwiderstand und desto kleiner die Anodenspannung. Eine hohe Anodenspannung würde aber für einen noch größeren Strom gebraucht werden, schließlich zieht nur eine hohe Anodenspannung die Elektronen an. Da haben wir ein Problem. Dieser Effekt begrenzt die Verstärkung der Triode.
Nun kommt das nächste Gitter, das Schirmgitter, ins Spiel. An dieses wird eine konstante hohe Spannung angelegt, die aber kleiner als die Anodenspannung ist. Das sorgt für stabile Arbeitsbedingungen für die Elektronen. Diese werden von der immer gleichen Spannung des Schirmgitters immer gleich angezogen, fliegen durch dieses hindurch und fliegen dann weiter zur Anode. Das die Spannung zwischen Schirmgitter und Anode stark schwankt, ist nun egal. Mit zwei Gittern erreicht man eine viel höhere Verstärkung als mit einer einfachen Triode. Wenn man es mit den Schwankungen der Anodenspannung bei großen Verstärkungen aber übertreibt, dann können Elektronen, aus dem Bereich der Anode wieder zurückkommen, und nun das Schirmgitter "bombardieren". Die Lösung dafür ist das dritte Gitter - das Bremsgitter.
Man merkt schon, das das alles nur gut funktioniert, wenn an allen Elektroden (Kathode, G1, G2, G3, Anode) die richtigen Spannungen anliegen.

Es gibt noch mehr Röhrentypen, aber in der Praxis wird man es nur mit Dioden, Trioden und Pentoden zu tun bekommen.

Um diese zu testen, muss man sie mit korrekter Spannung oder korrektem Strom heizen, und an Kathode, G1, G2, G3 und Anode korrekte Spannungen anlegen. Dann sollte sich ein für diesen Röhrentyp typischer Anodenstrom einstellen. Damit ist auch schon die Funktion eines Röhrentesters beschrieben.

Röhrentester Basics

Ein Röhrentester muss folgendes leisten:

Die korrekte Heizspannung bzw. den korrekten Heizstrom bereitstellen.
Eine einstellbare Spannung für das Steuergitter von 0V ... -30V bereitstellen.
Eine einstellbare Spannung für das Schirmgitter von 0V ... 300V bereitstellen.
Eine einstellbare Spannung für die Anode von 0V ... 300V bereitstellen.
Der Röhre einen passenden Sockel bieten.

Und was ist mit dem Bremsgitter? Das wird beim Test mit der Kathode verbunden.

Hier ist der Stromlaufplan als PDF. Die Strombegrenzung für die Anodenspannung mit dem TL431 ist so nicht final. Das wird doch wieder eine Begrenzung mit einem NPN-Transistor (ähnlich G3) werden.

Heizung (f-f)

<Ironie>Das schöne an Standards ist, dass es so viele davon gibt .</Ironie>

Die Heizspannung einiger Röhren ist 6,3V, andere haben 12,6V oder 4V, oder es wird ein konstanter Strom von 100mA oder auch 200mA oder irgend etwas anderes verlangt.
Die meisten Röhren, mit denen ich es in Juke-Boxen zu tun bekommen werde, werden mit 6.3VAC geheizt. Nur diese Spannung wird mein Röhrentester intern erzeugen. Wird doch mal etwas anderes verlangt, dann werde ich es extern einspeisen. Dafür brauche ich einen Umschalter und ein Paar Bananenbuchsen für die Einspeisung.

Früher hatten viele Trafos einen 6,3V-Ausgang. Heute gibt es das kaum noch. Ich habe aber noch einen aus meiner Kindheit herumliegen. Der ist natürlich noch für 220V Netzspannung ausgelegt, und wird bei 230V etwas Überspannung ausgeben. Das kompensiere ich damit, dass ich in Reihe mit der Röhrenheizung einen 0,47-Ohm-Widerstand schalte. Die über diesem Widerstand abfallende Spannung führe ich auf Bananenbuchsen, dort kann ich dann indirekt die Stromaufnahme der Röhrenheizung anhand des Spannungsabfalls messen. Ein typischer Strom beträgt wenige 100mA.

Kathode (K)
Die Kathode verbinde ich mit 0V - also sozusagen "Masse". (Die aber vom Schutzleiter PE isoliert ist. Man soll sie also nicht berühren.) Alle andern Spannungen (mit Ausnahme der Heizspannung) werden relativ zum Pegel der Kathode angegeben.

Steuergitter (G1)

Hier braucht man eine einstellbare negative Spannung von 0V bis -20...-30V. Ein nennenswerter Strom fließt hier aber nicht. Das macht die Sache einfacher. Ein kleiner herumliegender 18V Printtrafo wird mit einer Zweiweggleichrichtung und einem kleinen Sieb-Elko versehen. Das ergibt schon über -40V. Eine einfache Z-Diode sorgt für stabile -30V. Mit einem 22kOhm-Poti greife ich davon ab, was ich gerade brauche. Ein zweites 5kOhm-Poti dient zur Feineinstellung. Diese Spannung lege ich dann direkt an Gitter G1.

Mittels eines Schalters kann ich in die Gitterzuleitung aber einen 1-MOhm-Widerstand schalten. Das sollte sich normalerweise nicht auswirken. Falls das Vakuum in der Röhre aber nicht mehr sehr gut ist, würde sich bei diesem hohem Eingangswiderstand aber das Gitter etwas negativer (durch eingefangene Elektronen) aufladen, was den Anodenstrom verkleinert. Das kann man messen. Der Schalter mit dem Widerstand dient also der Kontrolle der Vakuumqualität.

Schirmgitter (G2)

Die Spannung für das Schirmgitter ist normalerweise gegenüber der Kathode positiv und möglichst konstant. Hier fließt wenig Strom. Eine Spannungsquelle für ein paar Milliampere ist ausreichend. Die Spannung sollte sich bis mindestens 250V einstellen lassen.
Ich verwende hier die gleiche Schaltung wie (siehe unten) für die Anodenspannung. Es ist nur der Kühlkörper für den FET kleiner, und die Strombegrenzung schlägt schon bei wenigen Milliampere zu.

Bremsgitter (G3)

Pentoden haben ein Bremsgitter, welches normalerweise mit der Kathode verbunden ist. Bei vielen Pentoden ist diese Verbindung sogar innerhalb der Röhre vorhanden, so das Kathode und Bremsgitter ein gemeinsames Anschlusspin haben.

Anode (A)

Jetzt wird es etwas komplizierter. Wir brauchen eine einstellbare hohe Spannung. Oft wird bei 250V geprüft. Aber auch deutlich geringere Spannungen muss man einstellen können. Auch fließt hier einiges an Strom (relativ gesehen). Eine kleine Triode (ECC82) bringt es nur auf ca. 10mA, aber eine Endstufen-Pentode liefert auch schon mal 100mA ab.

Ich mache es mir einfach, und benutze hier (wie auch für G2) ein externes Labor-Netzteil, welches 300V bei 200mA liefern kann. Es kann eigentlich sogar 400V bei 1 A, aber ich werde nur 300V einspeisen und die Strombegrenzung auf einen sinnvollen Wert einstellen.
Die 300V gebe ich auf ein Potentiometer, an dem ich die gewünschte Spannung einstelle. Dieses Potentiometer muss sehr hochohmig sein, ansonsten würde es die entstehende Wärme-Leistung nicht überleben. Ein 250 kOhm Potentiometer hat bei 300V einen Strom von 1,2 mA, und es fallen im Potentiometer 360mW an Wärme an. Ich verwende ein 2W-Poti, das gibt Sicherheit. Ein zusätzliches 10 kOhm Poti verwende ich zur Feineinstellung.
Der Ausgang des Potentiometers ist nun sehr hochohmig, weshalb ich einen N-FET als Spannungsfolger hinterher-schalte. Dieser kann nun problemlos die gewünschte Spannung mit bis zu 200mA liefern. Will man aber z.B. 200mA bei 100V erhalten, dann fallen die übrigen 200V mit 200mA im Transistor ab. Das sind dann immerhin 40W! Ich montiere den FET auf den alten Kühlkörper einer Slot-A-CPU (falls noch jemand weis, was das war). Das sollte auch in Extremsituationen für 1 Minute ausreichend sein. Für die üblichen Tests bei 250V fällt weitaus weniger Hitze an. Ich gehe also davon aus, dass ich den Tester mit eingeschaltetem Hirn benutze - was bei bis zu 300V ohnehin eine gute Idee ist.

Ich wollte eine zusätzliche Strombegrenzung in der FET-Schaltung. Ich begann mit der normalen Transistorschaltung, die jetzt auch vorhanden ist. Die verhält sich aber recht spannungsabhängig. Ich testete einige andere Ideen, kam dann aber wieder zur ursprünglichen Idee zurück. Am sehr hochohmigen FET-Gate mit Zusatzschaltungen herumzuspielen erwies sich als kritischer als gedacht.

Messung der Spannungen

Die Werte von G1, G2 und A zeige ich mit digitalen Panelmetern an. Die sind genau genug und gibt es in verschiedenen Farben. Es ist nur nicht ganz einfach, Typen für 100V oder 1000V zu bekommen. In China wird man aber fündig. Für G1 benutze ich einen 100V-Typ und für G2 sowie A je einen 1000V Typ. Ich hatte diese noch herumliegen, deshalb hat die harmlose G1-Spannung ein rotes Display und die hohen Spannungen blaue Displays.

Die Panelmeter brauchen jeweils ca. 15mA bei ca. 4 ... 10V als Betriebsspannung. Ich verwende einen kleinen Printtrafo mit zwei 6-VAC-Ausgängen, um zwei galvanisch getrennte unstabilisierte Spannungen von ca. 8V zu erzeugen. Die Panelmeter für G2 und A hängen an einer Betriebsspannung, aber das Panelmeter für G1 braucht eine eigene Betriebsspannung, da es eine negative Spannung messen muss.

Anodenstrommessung

Ein bisschen analoges Feeling musste her, deshalb wird ein Zeigerinstrument zur Anodenstrommessung eingesetzt. Mit einem Drehschalter wechsle ich zwischen den Messbereichen 20mA, 50mA und 200mA. Wenn man es genau haben will, kann man den Schalter in die Stellung DMM schalten, und ein digitales Milliampermeter an die so beschrifteten Buchsen anschließen.

Röhrensockel

Es gibt eine Handvoll unterschiedlicher Röhrensockel. Und dann scheint auch noch jede Röhre ihre eigene Sockelbeschaltung zu haben. Die pragmatische Lösung sind Bananenbuchsen und kurze Kabel mit Bananensteckern, um die einzelnen Pins des Röhrensockels mit den entsprechenden Anschlüssen des Röhrentesters zu verbinden.
Die für mich wichtigen Röhren haben den 9-poligen Noval-Sockel. Den habe ich erst mal eingebaut, aber auch Platz für weitere Typen frei gehalten.

Der Aufbau mit vielen langen Drähten birgt immer das Risiko von Schwingungen, deshalb sind alle Anschlussleitungen des Röhrensockels durch 7,5-mm lange Ferrite geführt.

Mechanischer Aufbau

Eine billige Ebay-Holzkiste (14€) wurde die Basis. Die Verbindung zwischen Seitenwänden und 3mm-Bodenplatte habe ich mit Leisten etwas verstärkt, der Boden muss ja auch Trafos tragen. Alle Bedienelemente, Anzeigen und Buchsen befinden sich auf dem Deckel. Zwecks Frontplattenbeschriftung habe ich das Design mit einem Laserdrucker spiegelverkehrt auf Folien gedruckt, und diese Folien dann mit den ganzen Frontplattenbauteilen auf dem Holz befestigt.
In der Kiste befinden sich rechts die Trafos (die Pinttrafos auf einer 3-D-gedruckten Halterung) und links die beiden 0 ... 300V-Quellen (G2 und A).

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Autor: sprut
erstellt: 22.09.2020