Bild 1. Aufbau einer Triode

Kennlinien

Das auch für Röhrendioden gültige Raumladungsgesetz erhält für eine Triode die folgende Form:

Die Größe D wird Durchgriff genannt, ihre Größenordnung liegt bei einigen Prozent. Der Durchgriff gibt an, um wie viel kleiner der Einfluss der Anodenspannung auf den Anodenstrom gegenüber der Gitterspannung ist.
Durch das Anlegen einer sich ändernden Gitterspannung kann folglich der Anodenstrom beeinflusst, gesteuert werden. Aus diesem Grund spricht man beim Gitter auch von Steuergitter.

Bild 2. Grundschaltung eines Triodenverstärkers

Im Zusammenhang mit der Schaltung nach Bild 2 erkennt man die verstärkende Wirkung der Triode. Am Gitter liegt eine Wechselspannung von einigen Volt, der Anodenstrom ändert sich dadurch im Rhythmus der Steuergitterspannung. Über dem im Anodenkreis liegenden Außenwiderstand entsteht eine im Verhältnis zur Gitterspannung viel größere Spannung, wir haben es also mit einer Spannungsverstärkung zu tun.

Wenn wir in Gleichung 1 einige praktische Werte einsetzen, also z.B. für eine Triode wie die ECC81 D = 1/60 (= 1,6%), Ua = 180V und Ug = -2V, wird der Wert innerhalb der Klammer zu 1V.

Wir sehen hier im Zusammenhang mit der ECC83, dass bei einer Anodenspannung von 180 V und einer Steuergitterspannung von mehr als -3V kein Anodenstrom mehr fließt. Diese drei Volt wären demnach die Abschnürspannung der Triode, die allerdings nur bei einer bestimmten Anodenspannung gilt.

Hinweis: Die Größe D wird selten benutzt, meistens wird ihr Kehrwert µ = 1/D , der Leerlaufverstärkungsfaktor, angegeben. Der Wert µ variiert zwischen 5 für Endröhren und 100 bei einer ECC 83.

Die Strom-/Spannungscharakteristik, wie wir sie für die Diode verwendet haben, kann auch für eine Triode angegeben werden, wobei dann für einzeln Gitterspannungen zugehörige Kurven gezeichnet werden (s. Bild 3 für eine ECC83).

Bild 3. Kennlinien üblicher Trioden

Bei allen Kurven ist deutlich der erwähnte Abschnürpunkt zu erkennen, die Kurven selbst verlaufen nach der bereits erwähnten Raumladungsgesetz mit der charakteristischen 3/2- Potenz.

Allein am unteren Fußpunkt der Kurven wird man eine kleine Abweichung erkennen. Diese hat ihre Ursache in der sog. Inselbildung. Was es damit auf sich hat, wird weiter unten genauer erläutert. Diese Kurven werden in den meisten Fällen als Kurvenschar dargestellt, man spricht dann von Röhrenkennlinien oder von der Röhrencharakteristik.

Bei einer einzelnen Anodenspannung erhalten wir bei unterschiedlichen negativen Gitterspannungen unterschiedliche Anodenströme. Der Quotient aus Stromänderungen und Spannungsänderungen am Steuergitter wird Steilheit der Röhre genannt und in mA/V ausgedrückt. Die Steilheit liegt gewöhnlich für eine ECC82 im Bereich einiger mA/V, bei einer EL34 beträgt sie dagegen 12 mA/V - man spricht dann von einer steilen Röhre.

Die Steilheit ist eine bemerkenswerte Größe. Bei einem normalen (ohmschen) Widerstand betrachten wir den Strom, der durch den Widerstand und die Spannung, die über ihm abfällt.

Bei der Steilheit jedoch geht es im Gegensatz dazu um Spannungsveränderungen am Gitter im Verhältnis zu Stromänderungen im Anodenkreis. Wir haben es also mit zwei unterschiedlichen Elektroden zu tun. Da wir den Quotient von Strom zu Spannung bilden, spricht man von Konduktanz oder Leitwert, internationale Verwendung besitzt der Begriff "transconductant".

Was bei den Dioden in Bezug auf den inneren Widerstand Ri gesagt wurde, gilt auch hier: Es geht um das Verhältnis von Anodenspannungsänderung zu Anodenstromänderung, also um eine differenzielle Größe.

Bild 4. Verstärkung einer Signalspannung

Da hier - abgesehen von der Kurve für die Gitterspannung von 0 V - die Kurven nicht mehr durch den Ursprung im Koordinatensystem verlaufen, ist der innere Widerstand unbedingt zu unterscheiden vom Schein- oder Ersatzwiderstand. Größenordnungsmäßig liegt Ri im Bereich von ca. 1 kW bei Endröhren bis 100 kW bei einer ECC83. Generell gilt, dass Ri von Trioden im Vergleich zu Pentoden relativ niedrig ist.

In Bild 3 und 4 beobachten wir darüber hinaus ein für Trioden kennzeichnendes Phänomen. Wenn wir die Gitterspannung weniger negativ machen, steigt der Anodenstrom. Bei konstanter Betriebsspannung sinkt die Anodenspannung, in Formel 1 sehen wir, dass beide Erscheinungen einander entgegen wirken, wobei die Anodenspannung offensichtlich einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Anodenstrom besitzt. Sinkende Anodenspannung verringert die verstärkende Wirkung der Triode, wobei es unerheblich ist, durch welche Ursache das Sinken der Anodenspannung hervorgerufen wird.

Man kann eine Röhre auf ganz unterschiedliche Weise betreiben. Einerseits kann man eine niedrige positive Anodenspannung bei gleichzeitiger nicht zu negativer Gittervorspannung wählen. Wir können auch die Anodenspannung steigern. Wenn wir dann den Strom weiterhin niedrig halten wollen, machen wir das Gitter stärker negativ. Welche Arbeitsweise wir auch wählen, nach Formel 1 ist zwar der Effekt der gleiche, dennoch ergeben sich Unterschiede.

Bei hohen negativen Gitterspannungen entsteht ein negativer Raum direkt zwischen Katode und dem Bereich unterhalb der Gitterwindungen. Genau im Schatten der Gitterdrähte kann dieses Feld nun so stark negativ sein, dass hier keine Elektronen mehr aus der Katode austreten können. Damit wird ein bestimmter Teil der Katodenoberfläche außer Funktion gestellt und somit faktisch die Katodenoberfläche verkleinert.

Bild 5 veranschaulicht den sich einstellenden Verlauf der Feldlinien. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich direkt unterhalb der Gitterdrähte ein umgekehrtes Feld aufbaut. Auf der Katodenoberfläche bilden sich in der Folge kleine Inseln, aus denen keine Elektronen emittieren können, Bereiche, die folglich unwirksam sind. Dadurch wird der Begriff "Inselbildung" unmittelbar einleuchtend.

Bild 5. Feldlinien zwischen Anode und Kathode

An den Kennlinien ist außerdem zu sehen, dass insbesondere bei hohen negativen Gitterspannungen eine zusätzliche Krümmung im Kurvenverlauf auftritt. Die beschriebene Erscheinung ist die Ursache für die Kurvenverformung. Wir dürfen die Röhre deshalb auch nicht so weit negativ aussteuern oder, was das gleiche ist, sie sperren. Bild 6 zeigt den tatsächlichen gemessenen und den nach der 3/2-Potenz-Gleichung theoretisch ermittelten Kurvenverlauf.

Bild 6. Theoretische und reale Kennlinie einer Triode

Eine Folge des Inseleffekts ist die Erscheinung, dass der Verstärkungsfaktor µ nicht konstant bleibt, sondern sich bei verschiedenen Arbeitspunkten ändert. Bei hohen negativen Gitterspannung nimmt er etwas ab, bei steilen Röhren ist der Rückgang zudem sehr viel stärker ausgeprägt. Bild 7 zeigt im Vergleich den unterschiedlichen Verlauf von µ bei verschiedenen Röhren.

Bild 7. µ in Abhängigkeit vom Anodenstrom