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Tube Stuff

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Beschreibung Röhren im Niedervolt-Betrieb
Ansprechpartner Karsten


Tube Stuff - Experimente mit Röhren im Niedervolt-Betrieb

WORK IN PROGRESS

Übersicht

Transistoren mögen Röhren weitestgehend verdrängt haben (angeblich werden sogar Mikrowellenherde bald fallen), aber keiner wird ernsthaft in Frage stellen, dass Röhren einfach mehr Style haben. Glühende, durch Glas zur Schau gestellte komplexe Strukturen - am besten noch mit leuchtendem Plasma, bieten die Art von Repräsentation, die Elektronik wirklich verdient. Im Gegensatz zu schwarzen Plastikästchen mit nem bisschen Leitung drumrum.

Natürlich wollte ich schon immer mit Röhren basteln, aber da ich gleichzeitig enormen Respekt vor höheren Spannungen hab, hab ich mich sehr lange Zeit nicht getraut damit zu spielen.
Wie sich herausstellt kann man Röhren mit "Unterspannung" betreiben. Als ich das mitbekam hab ich angefangen Röhren zu horten und jetzt kürzlich endlich die Gelegenheit gehabt mich damit zu beschäftigen.

Im Folgenden sind im Anschluss an ein wenig Theorie meine Experimente mit einfachen digitalen und analogen Schaltungen sowie einer groben Beschreibung der Charakterisierungen nachzulesen.

Quellen

Wie sich herausgestellt hat, ist es gar nicht so einfach Informationen zu bekommen..ich werde versuchen diese Liste aktuell zu halten

Allgemeine Fachbücher

Leider sind Elektronenröhren aus praktisch allen aktuellen Werken (außer ggf. Spezialtypen wie dem Magnetron) verschwunden. Auch meine ältere Bücher aus den 80ern und teilweise 70ern enthalten maximal eine äußerst grobe Darstellung des Prinzips.

YouTube

Ich bin kurz schwach geworden und hab den "modernen Weg" eingeschlagen. Bei meinem Glück bin ich an einen Muster-Youtuber geraten: Der Typ schien durchaus serös und vermittelte auch den Eindruck als ob er wüsste wovon er spricht. Dass er ganz offen lieber rumgefrickelt hat, statt sich Systematisch mit der Arbeitspunkteinstellung zu beschäftigen hab ich noch durchgehen lassen (zumal das nicht ganz trival ist, siehe später). Als er dann aber einen Vergleich mit Transistoren schlicht absoluten Bullshit über beides erzählt hat, war klar dass er praktisch keine Ahnung hat was er tut. Damit war mein Vertrauen in das von ihm vermittelte wissen verloren und ich hab beschlossen wieder einen weiten Bogen um YT-Videos zu machen, die nicht von Fachleuten sind.
Allerdings hatte der Typ in dem Video eine sehr interessante Informationsquelle - nämlich das

IBM Customer Engineering Manual of Instruction - 604 Electronic Calculating Punch

Ja, früher gab es allgemein geilere Anleitungen die oft auch Schaltpläne enthielten. Aber diese Anleitung von 1958 enthält sogar konkrete Funktionsbeschreibungen und einen Abriss der nötigen Theorie! Wow!
Für die Digitaltechnik mit Röhren ist das wirklich absolut lesenswert (Download hier).

Spezielle Fachbücher

Schließlich habe ich mir beim Gebrauchthandel das "Lehrbuch der Hochfrequenztechnik" von Zinke und Brunswig in der zweiten Auflage von 1974 besorgt. Wie sich herausstellte hätte ich eher versuchen sollen, die erste Auflage zu bekommen, denn auch hier ist bereits der Halbleiterteil klar dominant. Aber immerhin gibt es ein paar Dutzend statt ein oder zwei Seiten zum Thema und enthält auch bisschen was zum Thema Kleinsignalverhalten etc.

Skripte

Erst nachdem ich bereits die ersten FlipFlops umgesetzt hatte bin ich auf diesen Online Kurs mit Thema "Introduction to Electron Tubes" gestoßen. Keine Ahnung wie der ist, aber das durchaus interessante Skript gibts ohne Anmeldung zum Download

Websites

Datenblätter

Die wichtigste Quelle. (RTFD!)
Hier bisher also vor allem das für die PCF86 Röhre, die ich für die Ditaltechnik verwendet hab


Theorie (tldr-Version)

Schon in der frühen Phase der Entwicklung der Glühbirnen stelle man fest, dass sich zuweilen sichtbare Mengen irgendeines Schmodders innerhalb des Glaskörpers sammeln und messbare Ladungen auftreten. Wie sich herausstellte lag das an der thermionischen Emission von Elektronen durch den Glühdraht. Dann kam jemand schlaues daher, der sich dachte statt den Effekt zu bekämpfen könnte man ihn vielleicht auch nutzen. Eine eingefügte zusätzliche Elektrode im Vakuum der Birne als Anode nimmt bei Anlegen einer positiven Spannung die freien Elektronen auf und es fließt ein Strom - legt man dagegen eine negative Spannung an, werden diese Elektronen abgestoßen und es fließt kein Strom. Damit war die erste "vernünftige" Diode geschaffen (Halbleiter- bzw. Metal-Halbleiter Dioden waren damals durchaus schon bekannt, aber nicht in kontrollierten Prozessen herstellbar).
Etwas später kam ein noch klevererer Mensch darauf zusätzlich ein relativ weitmaschiges Gitter nahe der emittierenden Kathode einzubauen. Dieses stellt zwar "mechanisch" kein nennenswertes Hindernis für den Elektronenstrom zwischen Anode und Kathode dar, wegen der Nähe zur Kathode genügt jedoch bereits das Anlegen einer dieser gegenüber gering negativen Spannung um den Fluss durch Abstoßung stark zu verlangsamen oder auch ganz abzuschnüren. Damit kann durch eine geringe Spannung mit sehr niedrigem Strom ein hoher Strom und damit auch indirekt eine hohe Spannung gesteuert werden. Die Triode - und damit der aktive Verstärker war geboren, der sozusagen die Basis der "modernen" Elektronik darstellt (Ich bin mir relativ sicher, dass es vorher "Notlösungen" für Langstreckentelefon gab, die auf Elektret oder iwas basieren, aber das konnte ich auf die schnelle nicht wiederfinden).
Das folgende Bild aus dem IBM 604 Manual zeigt die Zusammensetzung des Schaltsymbols zusammen mit dem typischen Aufbau einer reellen Triode:

Komponenten

Nachdem sich herumgesprochen hat, dass das Einfügen eines Gitters gut ankommt, haben sich weitere Leute ausgetobt und es entstanden Tetroden, Pentoden, Hexoden, und so weiter. Dier ersten beiden fügen zusätzliche Gitter mit kontrolliertem festem Potential dazu, um unter bestimmten Umständen auftretende Oszillationsneigung zu bekämpfen. Bei den noch höheren Anschluss- / Gitterzahlen handelt es sich i.d.R. um Spezialröhren für bestimmte Zwecke, z.B. für den Einsatz als Mischer.

Oft sind sozusagen zwei Röhren als Doppelröhren zusammengefasst, wie auch z.B. in der im Digitalteil verwendeten PCF86, bei der eine Triode und eine Pentode einen Glaskörper teilen. Das Schaltsymbol sieht folgendermaßen aus:

PCF86

Digitalkram

Da Digitaltechnik quasi idiotensicher ist, solange einem die Geschwindigkeit halbwegs egal ist ("every idiot can count to one"), ist das der richtige Startpunkt für Experimente (Am Rande bemerkt dürfte sich das vorgehen abgesehen von den verwendeten Pegeln nicht sonderlich von TTL-Logik unterscheiden).
Den Anfang macht mit dem NOT die einfachste logische Verknüpfung. Das wird dann zu NOR und NAND als Grundbausteine für beliebige Logik weiterentwickelt. Daraus lassen sich dann FlipFlops bauen und damit wiederum Counter usw..

NOT

Das not (auch Inverter genannt) erfüllt eine einfache Aufgabe: Aus logischen High wird logisches Low und umgekehrt:

PCF86
A Q
0 1
1 0

Als Versorgungspannung hab ich 24 V festgelegt, da das hoch genug ist um in den Kennlinien zumindest etwas zu sehen, halbwegs vernünftig durch 2x12V für Batteriebetrieb realisierbar und auch für die meisten Labornetzteile machbar ist (meine gehen bis 30V).
Damit ist der High-Pegel definiert. Die nächste Frage ist jetzt, was man als Low-Pegel ansetzt. Die 0 mag sich auf den ersten Blick anbieten, aber den Elektronenfluss komplett abzudrehen wäre nicht so gut. Generell wirkt es sich ein höherer Abstand zu High negativ auf die Schaltzeiten aus. Gleichzeitig ist ein hoher Abstand wegen Toleranzen und Störsicherheit durchaus Erstrebenswert. Entsprechend ist also ein Kompromiss erforderlich. Letztlich habe ich mich entschieden mich an den Pegelverhältnissen von IBM zu orientieren und "Low" bei 1/3 Vcc - also ca. 8V anzusetzen.
Bei dem Bereich für die entsprechende Gitterspannung bietet es sich an 0V für die Obergrenze anzupeilen, da eine positive Gitterspannung manche Röhren beschädigen kann und außerdem Grundsätzlich wegen der progressiv einsetzenden Ströme zur Kathode unangenehm zu handeln ist. Bezüglich des Abstands nach Unten gelten theoretisch erneut die gleichen Für und Wider Argumente wie oben. Allerdings gibt es hier in der Praxis nichts zu entscheiden, da die Untergrenze physikalisch von der Röhre abhängt. Aus der Kennlinie lässt sich abhängig von der Anodenspannung ablesen, ab welcher Gitterspannung der Anodenstrom 0 wird. In den konkreten Fällen ist das für Triode wie Pentode bei ca. -2V der Fall (das Verhalten kann und sollte natürlich mit geringem Aufwand nachgemessen werden).

Ziel ist also eine Ausgangs-Spannung von 8V bei 0V Gitterspannung und 24V bei -2V am Gitter. Das letztere gibt sich wie bereits erwähnt automatisch und ist wegen I=0 unabhänfig vom Pullup-Widerstand. Dieser ergibt sich also alleine aus dem anderen Punkt. Man könnte jetzt versuchen, diesen anhand des Stromes bei 24 Anodenspannung zu Berechnen als R = U/I = (24V-8V)/6mA = 16V / 0.006A = 2,66.. Ohm = ca. 2,7k Ohm. Das wäre aber leider nicht korrekt, da die Anodenspannung nicht der Versorgungsspannung, sondern der Ausgangspannung entspricht! Sobald Spannung am Widerstand abfällt reduziert sich auch die Anodenspannung entsprechend, was bei der Dimensionierung berücksichtigt werden muss. Um den korrekten Wert zu bestimmen wählt man in der Achse mit der Anodenspannung die angestrebte Ausgangsspannung aus und geht dann senkrecht nach oben, bis man auf die Kurve der gewünschten Gitterspannung, also hier 0V, trifft. Min einer senkrechten von dort zur anderen Achse liefert einen den konkreten Anodenstrom zu den gesuchten Bedingungen.
Damit ergibt sich ein Widerstand von 16V (der Differenz zwischen dieser Anodenspannung und der max. ohne Strom) über - OK, hier zeigt sich ein weiteres Problem: Da die verwendeten Röhren eigentlich nicht für derart niedrige Anodenspannungen konzipiert sind ist der gesuchte Bereich der Kennlinien im Datenblatt etwas "eng" ausgefallen. Außerdem wurde das Schirmgitter der Pentode für die Kennlinie auf 150V gehalten. Also hab ich erstmal meine eigenen Kennliniendiagramme hingefriemelt (Infos dazu weiter unten)

-bilder kennlinien mit ap-einzeichnung-

Als Strom ergibt sich also für beide Typen etwa 2mA und damit ein R von 16V/2mA = ca. 8k Ohm. Am Rande bemerkt entspricht das dem "Steigungsdreick" zwischen den Beiden Punkten. Durch einzeichnen der entsprechenden Gerade durch die Punkte kann man auch die anderen Werte für einen gegebenen Widerstand bequem ablesen.
Natürlich hab ich keinen 8k-Widerstand, also hab ich erstmal mit 2,2k+4,7k, also grob 7k, improvisiert und da das Ergebnis grob gepasst hat und onehin mit einem etwas höheren Strom zu rechnen ist (siehe nächster Teil) bin ich dabei geblieben

OK, jetzt haben wir also unsere Pegel, aber wie geht das jetzt zusammen? Wie Verknüpft man die Pegel von 24V und 8V mit Eingängen, die 0 oder -2V erwarten?
Hier hilft erneut das IBM-Manual weiter:

Inverterschaltung

Der Trick ist also ein Spannungsteiler mit negativem Bezugspunkt der die Ausgangspegel auf die gewünschten Pegel anpasst. Als negative Versorgungsspannung wurden von mir -8V festgelegt, da der Betrag der Heizspannung der verwendeten Röhren entspricht (eigentlich dem Heizstrom von 300mA, der aber bei 8V fließt).
Da der Spannungsteiler an dem Ausgang den Pullup (der hier quasi den Innenwiderstand der Quelle darstellt) belastet und damit das "Signal" verfälscht, können die Werte nicht beliebig gewählt werden. Um die Verfälschung unter 10% zu halten, sollte der Gesamtwiderstand des angeschlossenen Teilers mindestens das zehnfache des Pullups betragen, also >= 70k (d.h. im Worst-Case, also wenn der Strom vollständig über den Teiler fließt da die Röhre sperrt fällt 10 mal so viel Spannung am Ausgang ab wie am Pullup "verloren" geht).
Aber wie aufteilen? Erstmal muss man grobe Grenzen festlegen, in denen sichere Interpretation gewähleistet sein soll. Ich habe hier >=+20V zu >=0V (high) und <= +10V zu <=-2V (für low) festgelegt. Bezogen auf die gesamte Verfügbare Spanne zwischen +24V und -8V ergibt sich 8V bei >=28V und 6V bei <=16V. Da 28/8 = 3,5 und 18/6=3 kann man abschätzen dass sich durch ein Verhältnis von etwas unter 1/3 das gewünschte Ergebnis ganz gut annähern lässt.
Dafür bietet sich mit 47k über 22k genau die zehnfachen der Werte an, die in Serie als Pullup verwendet wurden. Der Faktor ergibt damit 22k/(22k+47k) = 0,32
Für 20V ergäbe sich damit theoretisch knapp 1V. Dies ist bei offenem Spannungsteiler auch der Fall - allerdings ist tatsächlich eine leicht negative Spannung zu beobachten, wenn ein Steuergitter verbunden wird. Das liegt an dem weiter oben beschriebenen Strom der wegen der Nähe zur Kathode entsteht (und tatsächlich wegen der angeregten Elektronen bereits bei nur leicht negativer Gitterspannung einsetzt). Dieser Strom ist mit um die 100uA bei 0V Gitterspannung in der Größenordnung des eigentlichen Teilerstroms, was den Spannungsabfall entsprechend erhöht und den Pegel nach unten zieht. Aus diesem Grund ist auch der Serienwiderstand Richtung Gitter in dem IBM-Schaltplan zur Strombegrenzung integriert.
Da ja bezüglich der Belastung des Ausgangs Grenzen gesetzt sind, würde sich hier eine Korrektur der Beschaltung zur Aufrechterhaltung des erwarteten Pegels bei verbundenem Gitter ziemlich umständlich gestalten. Da in diesem Fall aber auch die beeinträchtigte Spannung noch im akzeptablen Bereich lag konnte ich mir das sparen - zumindest vorläufig, da es sein könnte dass es zu Problemen kommt, wenn mehrere Gates parallel verbunden werden.

Logiklevel https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128000564000017

..und damit hätten wir unser NOT. Das folgende Bild zeigt ein Rechteck-Testsignal (blau), den Ausgang zweier in Serie geschalteter NOTs (gelb) sowie den "Zwischenschritt" nach dem ersten not (rosa). Die Anstiegszeiten für ein einzelnes not liegen unter 500ns, was Taktraten im Bereich von 1 MHz greifbar erscheinen lässt. Dabei ist zu bedenken, dass das Messen des Ausgangs die Anstiegszeiten negativ beeinflusst. Tatsächlich haben mich zunächst scheinbar ziemlich miese Anstiegszeiten irritiert, bis ich realisiert hab dass ich den Tastkopf im 1x Modus verwendet und das System damit stark belastet hatte! (Was besonders peinlich ist, weil ich schon öfter Studenten im Praktikum und andere Leute angeschnauzt hab, wenn sie diese Art von Fehler gemacht haben :D)

Inverterschaltung

NOR und NAND

In der Digitaltechnik kann man jede beliebige Logik wahlweise aus NORs oder NANDs als Grundbaustein zusammensetzen. Schaltsymbole und Wahrheitstafeln sehen folgendermaßen aus:

NOR NAND
PCF86
A B Q
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
PCF86
A B Q
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Aus dem vorhanden NOT lässt sich am einfachsten ein NOR realisieren. Dazu müssen lediglich Anode und Kathode zweier NOTs bei einfach vorhandenem Pullup aber allg. gleichbleibender Dimensionierungen verbunden, also parallel geschaltet werden. Ein NAND kann z.B. dadurch realisiert werden, dass der gleiche Aufbau wie für das NOR gewählt, aber der Pullup oder der Teiler so umdimensioniert werden, dass der parallele Strom mit zwei aktiven Gittern erforderlich ist um den Ausgang auf Low zu ziehen. Den Pullup zu halbieren hätte hier den Vorteil dass der Ausgang des NAND belastbarer ausfällt. Das NAND ist wegen den "Zwischenstufen" am Ausgang etwas prolematischer / störanfälliger, von dem her is das NOR zu bevorzugen.

Hier Schalpläne und Messung der praktischen Umsetzung:

NOR NAND
Schaltplan NOR
A B Q
Low Low 24,0 V
Low High 9,8 V
High Low 7,9 V
High High 4,7 V
Schaltplan NAND
A B Q
Low Low 24,0 V
Low High 15,1 V
High Low 13,3 V
High High 9,7 V

Dabei ist zu beachten dass sich beide Schaltungen nur in der Dimensionierung des PullUps unterscheiden (tatsächlich hab ich im Fall des NANDs lediglich die beiden urspr. separaten PullUps der NORs parallel geschaltet). Es fällt auf dass eine Seite offenbar etwas arg grenzwertig arbeitet..evtl muss die Pentode doch etwas anders abgestimmt werden als die Triode.


-bilder test nand u nor-

RS-FlipFlop

bla bla

PCF86


Charakterisierung

tbd