Über die Haltbarkeit von Elektronenröhren
(Radioamator i Krótkofalowiec 1970/02)
Derzeit sind in Polen über drei Millionen Fernsehgeräte registriert. Dabei handelt es sich fast ausschließlich um Empfänger auf Basis von Elektronenröhren und es ist davon auszugehen, dass die Elektronenröhren in naher Zukunft nicht vollständig durch Transistoren ersetzt werden. Nimmt man durchschnittlich 15 Elektronenröhren in einem Fernsehgerät und addiert zu diesen Elektronenröhren, die in Radioempfängern und Tonbandgeräten betrieben werden, werden ungefähr 70 Millionen Elektronenröhren systematisch in diesen Geräten verwendet. Aufgrund ihrer großen Anzahl ist die "Lebensdauer" der Elektronenröhre interessant. Die Fabriken garantieren normalerweise die Betriebszeit dieser Art von Elektronenröhren von tausend bis zu mehreren tausend Stunden. Dies bedeutet natürlich nicht, dass eine Elektronenröhre (unter ordnungsgemäßen Bedingungen betrieben) nicht vor Ablauf dieser Zeit "enden" oder für eine viel größere Anzahl von Stunden arbeiten kann.
Die Wahrscheinlichkeit des korrekten Betriebs für den garantierten Zeitraum liegt im Bereich von 90 % bis 98 %. Die Kenntnis der Verschleißprozesse von Elektronenröhren legt bestimmte Regeln für deren Betrieb fest, deren Einhaltung ihre Lebensdauer erheblich verlängert.
Die Lebensdauer einer Elektronenröhre wird hauptsächlich durch ihre Kathodenheizung und die Kathode selbst bestimmt. Die Temperatur anderer Elektroden hängt stark von der Kathodentemperatur ab, d. h. der Geschwindigkeit aller ablaufenden physikalisch-chemischen Prozesse, die mit steigender Temperatur zunimmt. Üblicherweise verwendete Elektronenröhren verwenden normalerweise Oxidkathoden. Eine solche Kathode besteht normalerweise aus einem dünnen Nickelzylinder, der mit einer Schicht aus Bariumoxid oder Strontiumoxid bedeckt ist. Bei der Bildung und Aktivierung der Kathode werden die Oxide teilweise zersetzt.
Der freigesetzte Sauerstoff wird vom Getter gepumpt oder absorbiert, während die Erdalkalimetallatome im Kristallgitter der Oxide verbleiben. Dadurch wird eine gewisse Menge an freien Barium- oder Strontiumatomen gebildet. Diese Atome spielen eine wesentliche Rolle im Wirkmechanismus der Oxidkathode. Reines Bariumoxid ist ein Dielektrikum, aber das Vorhandensein freier Bariumatome verleiht ihm Halbleitereigenschaften mit dem Vorhandensein freier zu emittierender Elektronen.
Aufgrund der hohen Temperatur der Kathode bildet sich zwischen dem zylindrischen Metallträger und der Oxidschicht eine Zwischenschicht. Es besteht hauptsächlich aus Bariumorthosilikat Ba2SiO4, das einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist. Die Dicke dieser Schicht nimmt während des Betriebs des Rohres zu, und der Widerstand selbst beeinflusst seinen Betrieb nachteilig. Dieser Widerstand erzeugt eine gewisse Rückkopplung (ähnlich dem mit der Kathode verbundenen Widerstand), was zu einer Abnahme des Anodenstroms und der Verstärkung führt. Die Haltbarkeit der Elektronenröhre wird maßgeblich durch die Einhaltung der geeigneten Kathodentemperatur beeinflusst. Überhitzung oder Untererhitzung schadet der Oxidkathode und verringert ihre Lebensdauer.
Bei höheren Temperaturen ist die Verdampfung von Barium und seinem Oxid intensiver und die Intensität des Zwischenschichtwachstums nimmt zu. Bei niedrigeren Temperaturen wird die Kathode empfindlicher gegenüber "chemischer Vergiftung" und Ionenbeschuss, und ihr Querwiderstand (Durchgangswiderstand) steigt aufgrund ihres negativen Temperaturkoeffizienten. Dies gilt jedoch nur bei einer deutlichen Untererwärmung von 20 %, während bei einer Reduzierung der Glühfadenspannung um 5 bis 8 % die Lebensdauer der Kathode deutlich ansteigt. Da die Netzspannung oft im Bereich von +10% bis -20% schwanken kann, können die Elektronenröhren unter sehr ungünstigen Bedingungen arbeiten. Bei den oben erwähnten Änderungen der Netzspannung wird die Elektronenröhre mit einer Heizfadenspannung von 6,3 V entweder sehr überhitzt (7V) oder sehr unterhitzt (5V).
Daher empfiehlt es sich, das TV-Gerät über einen guten elektromagnetischen Spannungsstabilisator (RiK Nr. 4/1969) mit Strom zu versorgen.
In der ersten Betriebszeit des Empfängers lohnt es sich sogar, die Versorgungsspannung um 5 % bis 8 % zu reduzieren, indem Sie einen kleinen Widerstand (15 Ω / 10 W) in Reihe zwischen dem Stabilisatorausgang und dem Empfänger schalten. Die Niederspannungsreduzierung wirkt sich auch positiv auf die Lebensdauer der Kathodenheizung selbst aus.
Alund, das die Heizfaser vom Kathodenzylinder isoliert, unterliegt während des Betriebs der Röhre Veränderungen. Das Wolfram, aus dem der Glühfaden besteht, diffundiert in die Isolierschicht, wodurch Aluminiumwolfram mit viel schlechteren Isoliereigenschaften als Alundum entsteht.
Daher steigt bei höheren Temperaturen und insbesondere wenn die Kathode ein positives Potential in Bezug auf die Heizung hat, die Wahrscheinlichkeit eines Kathoden-Heizung-Zusammenbruchs.
Während des Betriebs der Vakuumröhre erwärmt sich ihr Glühfaden auf eine hohe Temperatur von 1200°C ÷ 1400°C. Dies führt zur Erwärmung aller anderen Elemente und Elektroden der Vakuumröhre: Kathode, Gitter, Schirm, Anoden und Gehäuse. Außerdem erhöht sich die Erwärmung der Röhrenelemente aufgrund der Verlustleistung an den Elektroden, wenn sie von Strom durchflossen werden. Die beheizten Elemente der Vakuumröhre werden zu einer Quelle, die verschiedene darin enthaltene Gase emittiert. Die freigesetzten Gase wirken sich nachteilig auf die Kathode der Röhre aus, oxidieren die aktive Schicht, was zu einer Verringerung des Emissionsstroms führt, der die Steilheit, Verstärkung und Ausgangsleistung der Röhre bestimmt. Dies gilt insbesondere für die in TV-Empfängern verwendeten Röhren: PL500, PL36, PCL86, PCL85, PL84, PCL82 usw. Daher ist eine leichte Reduzierung der Anodenspannung dringend zu empfehlen, um die Betriebszeit der Röhre zu erhöhen. Um die Erwärmung des Rohres zu reduzieren, können auch sogenannte "Heatpipes" verwendet werden, indem Metallbecher mit Rippen auf die Rohre aufgebracht werden.
Moderne Fernsehgeräte und immer häufiger auch Radioempfänger verfügen fast immer über Halbleitergleichrichter im Stromnetz. Nach dem Anschließen des Gerätes an das Netz tritt an den sich gerade erwärmenden Kathoden sofort die volle Anodenspannung auf. Die Anodenspannung ist in dieser Zeit noch höher, da das System noch keinen Strom verbraucht. Diese Situation ist schädlich für die Elektronenröhren des Geräts. Die Lebensdauer der Röhren wird daher durch die Häufigkeit des Einschaltens des Geräts beeinträchtigt.
Dieser Nachteil kann durch verschiedene Methoden beseitigt werden. Am einfachsten ist es, im Stromkreis nach dem ersten Elektrolytkondensator des Netzteils einen zusätzlichen Schalter zu installieren, mit dem die Anodenspannung nur wenige Minuten nach dem Anschließen des Empfängers an das Stromnetz manuell eingeschaltet wird. Die Kathoden der Röhren erreichen dann eine ausreichend hohe Temperatur. Das Einschalten der Anodenspannung kann auch durch eine zusätzliche Vakuumröhre mit einem geeigneten Relais oder durch einen Bimetallschalter verzögert werden.
Die vorgeschlagene Nutzung von Fernsehgeräten verlängert deren Lebensdauer erheblich. Mein TV-Gerät vom Typ Delta AT-550 (Stabilisator und zusätzlicher Schalter) funktioniert drei Jahre lang, ohne die Vakuumröhre zu beschädigen.
Bolesław Gonet