Cupra-Röhren Teil III, Vorteile
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Kathode um ein Drittel gekürzt
Durch die kleine Wärmestrahlung und die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers konnte die neue „Cupra Miniwatt“ Kathode wesentlich verkürzt werden, ohne dadurch an Leistungsfähigkeit zu verlieren; die Totallänge beträgt 23 mm gegenüber einem Mittelwert von 35 mm bei den verschiedenen Röhrentypen mit der alten Nickelkathode. Trotz dieser Verkürzung der Kathode kann bei einer Messung des Emissionsstromes festgestellt werden, dass dieser wesentlich größer ist als bei den früheren Röhren (diese vergleichenden Messungen müssen natürlich mit niedrigerer Anodenspannung vorgenommen werden, da bei normaler Anodenspannung der Emissionsstrom die Anode und das Gitter zerstören würde). Diese Reduktion der Kathodenlänge ist ein äußerst wichtiger Vorteil für die Röhrenkonstruktion, da dadurch der Elektrodenaufbau und damit auch die gesamten Abmessungen der Röhre verkürzt werden können.
Kleinste Abmessungen
Man könnte eigentlich die neuen Röhren auch als Liliputröhren bezeichnen, so klein sind die Abmessungen im Vergleich zu den früheren Röhrenkonstruktionen. Dass diese Reduktion der Abmessungen bei Beibehaltung und Verbesserung der bisherigen elektrischen Daten geradezu eine Umwälzung im Aufbau der neuen Empfänger bedeutet, ist wohl selbstverständlich. Wenn man eine so weitgehende Verbesserung der Konstruktion durchführt, so ist die erste Voraussetzung, dass die Isolation zwischen Gitter und Kathode vollkommen ist und dass ferner die Konstruktion unbedingt stabil und zuverlässig aufgebaut wurde.
Stabile Konstruktion und antimikrophonischer Aufbau
Die Stabilität der „Cupra Miniwatt“ Röhren und damit auch die Ausschaltung jedweden mikrophonischen Effektes wurde durch die Reduktion der Kathodenlänge und der Elektroden so verbessert, dass sich die neue Konstruktion auch bei unsanfter Behandlung und heftigen Erschütterungen nicht um Bruchteile von Millimetern ändert; auch im hochempfindlichen Autoradio können die Röhren verwendet werden, ohne dass man das Auftreten von störenden mikrophonischen Schwingungen befürchten müsste.
Bessere Isolation
Durch die eingangs besprochene Spezialkonstruktion der Kathode wird die Isolation im Röhreninneren wesentlich verbessert; ein zweiter Grund für die gute Isolation und die dadurch erzielte rauschfreie Arbeitsweise besteht in der geringeren Temperatur, die in der Röhre entsteht, wodurch das Auftreten von schädlichen Kriechströmen zwischen den Elektroden vermindert wird.
Neuer Röhrensockel
Um die Verkürzung der Radioröhre noch weiter zu vervollkommnen, werden alle „Cupra Miniwatt“ Röhren mit einem neuartigen Sockel ausgerüstet (vergl. Abbildung 35) der von den bisher üblichen Sockelkonstruktionen mit Stiften abweicht. Diesem wesentlich verkürzten, dabei elektrisch verbesserten Sockel wird nachfolgend ein eigenes Kapitel "Die Sockel von „Cupra Miniwatt“ Röhren" gewidmet.
Gleich Steilheit bei verminderter Heizleistung
Die Daten der Röhren konnten relativ verbessert werden durch eine günstige Wärmeverteilung auf der Kupferkathode. Wenn man die Abbildung 13.1 betrachtet, so sieht man, dass infolge der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Nickels (Wärmeleitkoeffizient 0,13) die in der Mitte entwickelte Metallwärme nicht an die Kathodenenden weitergeleitet wird, dass also die Emission hauptsächlich von der Kathodenmitte aus erfolgt. Dementsprechend zeigt die Abbildung für die Kathodenmitte eine weit höhere Temperatur als an den Kathodenenden.
Bei der Kupferkathode dagegen wird, wie im vorhergehenden Kapitel "Größere Wärmeleitung" besprochen, durch die gute Wärmeleitung des Kupfers (Wärmeleitkoeffizient 0,94) ständig für einen Abtransport der Temperatur von der Kathodenmitte gegen die Kathodenenden gesorgt, was eine bessere Emission an den Enden der Kathode zur Folge hat. Bei der neuen „Cupra Miniwatt“ Kathode emittiert also die gesamte Kathode gleichmäßig, wodurch eine bessere Steilheit erzielt werden konnte. Da aber bei der Konstruktion der neuen Röhren keine Verbesserung der bestehenden Steilheit gewünscht wurde, konnte die Heizleistung bei gleicher Steilheit weiter vermindert werden.
Geringe Eingangs und Ausgangskapazitäten
Die geringeren Abmessungen der Elektroden und die Verwendung von sehr dünnen Gitterdrähten bedeuten eine geringe Eingangs und Ausgangskapazität. Im Vergleich zu den jetzigen Röhren E 446 könnten diese Kapazitäten bis auf zirka die Hälfte verringert werden.
Größere Gleichmäßigkeit
Einerseits führt dies zu einer Verbilligung der Drehkondensatoren und andererseits zu einer größeren Gleichmäßigkeit. Ist nämlich die prozentuale Abweichung der Kapazitäten der einzelnen Röhren dieselbe, so ist der Absolutwert der Abweichung der Kapazität viel geringer, und schließlich ist diesem Wert Rechnung zu tragen bei der Empfängerkonstruktion.
Geringe Gitter-Anodenkapazität
Außerdem wurde die Gitter-Anodenkapazität bei den neuen Röhren bedeutend herabgesetzt; sie beträgt z.B. für die HF-Pentoden 0,001 µF gegenüber 0,002 µF für die HF-Pentoden mit Nickelkathode.
Die Gitterspirale noch näher an die Kathode
Es ist ein sprechender Beweis für die Qualität der Philips Erzeugnisse, für die Gleichmäßigkeit ihrer Fabrikation und für die Präzision der Philips Maschinen, dass man eine weitere Verminderung des Abstandes Gitter-Kathode praktisch durchführen konnte. Wenn man bedenkt, dass schon bei den früheren "Miniwatt" Röhren dieser Abstand 0,5 mm beträgt, so wird man verstehen können, was es heißt, eine Reduktion auf etwa 0,3 mm durchführen zu können. Eine große Rolle für die Konstruktion spielt natürlich die durch die kleinere Elektrodenlänge erhöhte Stabilität der Röhren.
Gitterdraht mit Durchmesser von nur 0,06 mm
Früher war eine Gitterspirale mit einem Drahtdurchmesser von 0,12 mm bereits äußerst fein. Diese Anforderungen sind aber heute schon längst überholt, und bei den modernen „Cupra Miniwatt“ Röhren mussten Gitterdrähte mit einem Drahtdurchmesser von 0,06 mm bei manchen Röhrentypen von 0,05 mm verwendet werden, da man sonst den geringen Abstand zwischen Kathode und Steuergitter nicht ausnutzen kann. Diese feinen Gitterspiralen können maschinell äußerst präzis gewickelt werden und haben einen sehr geringen Abstand voneinander.
Ein fabrikatorischer Fortschritt, demzufolge die Charakteristik der „Cupra Miniwatt“ Röhren äußerst gleichmäßig wird und bei den entsprechenden Typen ohne unerwünschten Anlauf, d.h. mit einem scharfen Knick am unteren Ende der Charakteristik verläuft; ein Vorteil, der besonders bei Anodengleichrichtung sowie bei Regelröhren sehr bedeutungsvoll ist.
Verminderte Heizleistung von 1,4 W statt 4 W
Einer der wichtigsten Vorteile, die durch Verwendung der „Cupra Miniwatt“ Röhren erzielt wurden, ist die Reduktion der Heizleistung, die für die Konstruktion von Radioempfängern eine ganz außerordentlich wichtige Rolle spielt. Die Verminderung der Heizleistung wurde durch eine Reihe von verschiedenen, vorher besprochenen Umständen erzielt.
62% weniger Heizleistung
Während die bisherigen Wechselstromröhren bei 4 V Heizspannung und 1,0 Amp. Heizstrom eine Leistung von 4,0 Watt benötigen, wurde diese Leistung bei den neuen Röhren auf 1,5 Watt (6,3 V x 0,24 Amp.) vermindert.... 62% der bisher erforderlichen Heizleistung können bei den neuen „Cupra Miniwatt“ Röhren erspart werden!
Geringere Röhrentemperaturen
Die Herabsetzung des Heizstromes hat zur Folge, dass die Betriebstemperatur der Eingangs- und Gleichrichterröhren lange nicht so hoch ist, wie dies bei früheren Röhren der Fall war. Während früher Radioröhren sehr heiß wurden, ist dies bei den neuen „Cupra Miniwatt“ Röhren nicht mehr der Fall.
Bei der Konstruktion von Radioempfängern mit „Cupra Miniwatt“ Röhren ist also die Frage der Wärmeableitung gar nicht mehr kritisch, und die Röhren, die früher zwecks Vermeidung einer unzulässigen Erwärmung in größeren Abstanden voneinander aufgestellt werden mussten, können jetzt dichter angeordnet werden.
Kleiner Glaskolben
Der Durchmesser und die Höhe des Kolbens sind nicht nur abhängig von der Größe der Elektroden, sondern auch von den innerhalb der Röhren auftretenden Temperaturen. Je größer und heißer eine Radioröhre wird, desto größer muss der Abstand zwischen Elektroden und Glaskolben sein, um unzulässige Erwärmungen des Kolbens zu vermeiden. Da bei den neuen „Cupra Miniwatt“ Röhren die Temperatur und damit auch die Strahlung von den Elektroden zum Glaskolben wesentlich vermindert ist, konnten die Abmessungen des Kolbens durch Verminderung des Abstandes Glas - Elektroden reduziert werden, was man auch feststellen kann, wenn man eine nicht metallisierte „Cupra Miniwatt“ Röhre betrachtet.
Bild 7: Halb so groß wie die bisherigen Röhren
Bild 18
Hier nochmals zum Vergleich die tatsächlich gebauten Röhren AF2, AF3, EF5, EF41 und EF89
Bild 23 (oben)
Die Duodiode, die erste Röhre mit 5-pol- Außenkontaktsockel. Auf dieser Zeichnung hatte man sich noch nicht auf die spätere Anordnung der Sockelkontakte festgelegt.
Bild 20
Offensichtlich waren hier noch keine Verbundröhren geplant, z. B. eine Duodiode-Triode (EBCx), so dass als NF-Vorstufe eine separate Röhre, entweder eine weitere Pentode oder eine Triode, verwendet werden musste. Hier haben nun die Sockel die endgültige Anordnung der Kontakte
Bild 17
Alle diese Eigenschaften der „Cupra Miniwatt“ Kathode brachten es mit sich, dass sich die neuen Röhren geradezu wie Zwerge neben den bisherigen Paralleltypen mit Nickelkathode ausnehmen. Die Abbildung 18 zeigt als Beispiel die Gegenüberstellung einer alten und neuen Hochfrequenzpentode; die ältere Ausführung, die E 446 mit Nickelkathode hat eine Totalhöhe von 133 mm, während die neue HF-Pentode mit der „Cupra Miniwatt“ Kathode eine Höhe von nur 93 mm hat. Auch der Durchmesser des Glaskolbens wurde von 55 mm auf 37 mm herabgesetzt.
Die Abbildung 17 zeigt einen Vergleich zwischen der Innenkonstruktion einer Hochfrequenzpentode E 446 und einer „Cupra Miniwatt“ HF-Pentode. Die Innenkonstruktion ist wesentlich kleiner, mit vereinfachten Mitteln können dieselben und bessere Resultate erreicht werden als mit den früheren Röhrentypen.
Während bei der E 446 der äußerste Abstand zwischen der unteren Abschirmung und dem obersten Punkt der Innenkonstruktion 53 mm betrug, wurde diese Entfernung bei der neuen „Cupra Miniwatt“ Hochfrequenzpentode auf 36 mm verkürzt.
Bild 29
Bild 12
Die Anodenverlustleistung der hier gezeigten Nf-Endpentode ist 5 W, dies entspricht der 1934 tatsächlich erschienenen EL1 für 250 V, 20 mA.
Bild 28
Bild 16
Bild 19
„Cupra Miniwatt“ Gleichrichterröhren
Auch die Gleichrichterröhren haben von ihrer bisherigen imposanten Größe viel verloren, und die neue „Cupra Miniwatt“ Gleichrichterröhre kann sich mit ihrer Schwestertype 506 zwar nicht durch ihre Größe, wohl aber durch ihre elektrischen Eigenschaften messen.
Bifilar gewickelter Glühdraht
Der bifilar gewickelte Glühdraht, kurz Bifilarkathode genannt, war eine der wichtigsten Verbesserungen, die an den letzten Ausführungen der Röhren mit Nickelkathode vorgenommen wurde. Man muss die Entwicklung verstehen, die zu dieser vervollkommneten Nickelkathode geführt hat, um die neue Konstruktion der „Cupra Miniwatt“ mit bifilarem und doppelt spiralisiertem Glühdraht voll zu würdigen.
Diese bifilare Ausführung des Glühdrahtes, in ihrer heutigen Form mit einem isolierenden Schutzröhrchen kombiniert, ist eine in den Philips Laboratorien erdachte Verbesserung, durch die eines der ärgsten Übel von älteren Radioröhren: gestörte Wiedergabe von Sprache und Musik durch Kratzgeräusche, restlos vermieden wurde!
Kathodengeräusche bei früheren Kathoden
Auffallend ist es, dass man von dieser Art von Störungsmöglichkeiten in den früheren Jahren nichts wusste, dass diese vielmehr erst dann auftraten, als mit der allgemeinen Verwendung des Superhets angefangen wurde, der bekanntlich außerordentlich empfindlich ist (im guten Sinne beim Fernempfang, im schlechten Sinne durch die hohe Verstärkung von jeder Art von Störgeräuschen). Diese Störungsmöglichkeiten in den Radioröhren sind natürlich keine Regel, sie hängen vielmehr von den verwendeten Röhrentypen ebenso wie von der Konstruktion der Apparate ab. Es handelt sich um eine typische "Erkrankung" von hochempfindlichen Empfängern, die man nur durch eine Behebung des Grundübels, der eigentlichen Störungsursache, heilen kann.
Die früheren Ausführungen von Wechselstromkathoden
Die erste Ausführung der indirekt geheizten Kathode war naheliegend: ein seitlich abgeplattetes Nickelröhrchen mit einer darauf angeordneten elektronenemittierenden Schicht arbeitete als Kathode, deren Inneres von einem hin und zurückgeführten Glühdraht erwärmt wurde.
Um eine Berührung zwischen Kathode und Glühdraht zu vermeiden, wurde letzterer mit einer isolierenden Masse umgeben. Diese schon im Jahre 1928 angewandte Konstruktion beruhte durch die hin und zurückgeführte Anordnung auf dem Bifilarprinzip, hatte aber nichts zu tun mit der seit mehr als einem Jahr verwendeten Konstruktion des bifilar gewickelten Glühdrahtes.
Diese Konstruktion hatte den Nachteil, dass Fadenbruch und Kurzschluss zwischen Kathode und Glühdraht (die Isolation des letzteren war nicht hinreichend) auftreten konnten; auch besteht die Gefahr von Brummgeräuschen sowie eines Kurzschlusses zwischen Kathode und Steuergitter bei einem Durchbiegen der Kathode.
Bild 22
Zweite Ausführung: Deshalb entschloss man sich zu einer Änderung der Kathodenkonstruktion (entsprechend Abb. 22) und führte in das Nickelröhrchen c einen lsolierkörper b mit zwei darin angebrachten Kapillaröffnungen ein. In diesen Öffnungen wurde der blanke Glühdraht a hin und zurückgeführt. Es wurde also durch das Isolierröhrchen ein Durchbiegen und damit ein Gitterschluss der Kathode unmöglich gemacht; auch der Glühfaden hatte im Isolierröhrchen genügend Festigkeit.
Diese Konstruktion konnte sich so lange bewähren, bis die allgemeine Verwendung von hochempfindlichen Empfängern eine wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit mit sich brachte; mit der erhöhten Empfindlichkeit machten sich bei manchen Röhren die eingangs angeführten, bisher unhörbaren Kratzgeräusche unangenehm bemerkbar, die vor allem durch Bewegungen des blanken Glühdrahtes im Röhrchen hervorgerufen wurden, so dass zu einer Änderung dieser Konstruktion geschritten werden musste.
Ein weiterer Grund von Störgeräuschen in den Radioröhren waren minimale Änderungen der inneren Röhrenkapazität, hervorgerufen durch Bewegungen des Heizfadens im Röhrchen selbst; mit den feinsten Messinstrumenten kann diese Kapazitätsänderung nachgewiesen werden. Diese Fehlerquelle könnte behoben werden, indem man den Glühdraht fest in der feinen Öffnung des isolierten Röhrchens anordnet, doch würden dadurch weitere Schwierigkeiten auftreten.
Vermeidung von Kratzgeräuschen durch die Bifilarkatode
Schließlich sei noch auf eine Möglichkeit von Kratzgeräuschen hingewiesen: Durch die Bewegung des Heizfadens im Isolierröhrchen ändert sich der Ohmsche Widerstand der Kriechströme zwischen Kathode und Heizfaden; diese minimalen, kaum messbaren Widerstandsänderungen genügten, um bei Superhets den Radioempfang mitunter stark zu beeinträchtigen.
Naheliegend war es natürlich, eine neue Kathodenkonstruktion zu suchen, bei der
- eine Berührung des metallischen Fadens mit der Innenwand des Isolierröhrchens und damit eine Änderung der Kriechströme und ein teilweiser Kurzschluss des Glühfadens vermieden wird,
- durch Erwärmung des Glühfadens im Betrieb keine Fadendilatation auftreten kann,
- der Glühdraht genügend stark und fest ist, damit keine Bewegungen im Röhrchen auftreten können.
Der bifilar gewickelte Glühdraht
Diese ideale Lösung wurde durch die Konstruktion des bifilar gewickelten Glühdrahtes gefunden. Er ist nicht mehr blank, sondern mit einer isolierenden Masse umgeben, außerdem ist der hin und zurückgeführte Glühdraht verdrillt. Die mikroskopische Aufnahme auf Bild 30 zeigt links den bifilar gewickelten Glühdraht; nachher wird dieser Draht mit einer weißen Isolationsmasse bearbeitet.
Bild 10
Vorteile des Bifilarglühdrahtes
Was wurde durch diese neue Konstruktion gegenüber früheren Kathodenausführungen erreicht?
Durch die Verdrillung des Glühfadens wird eine unerwünschte Ausdehnung des Fadens bei Erwärmung und damit ein Grund für das Auftreten von Kratzgeräuschen vermieden. Da ferner der Glühdraht fest in der umgebenden Isolierschicht eingebettet ist, sind Kapazitätsänderungen nicht zu befürchten. Die Kriechströme zwischen Glühdraht und Kathode haben ebenso wie früher einen zu vernachlässigenden, dafür aber völlig konstanten Wert. Durch diese neue Konstruktion wurde eine wesentliche Verbesserung der Wiedergabe erreicht, die eine einwandfreie Darbietung auch bei Verwendung von hochempfindlichen Empfängern gewährleistet.
Fortsetzung: Cupra-Röhren Teil IV